宇宙探秘

宇宙常識

■太空

太空是指地球大氣層以外的宇宙空間。夜晚抬頭仰望天空，太空中似乎布滿了星星。然而那些星星彼此之間的距離卻是遠得難以想象，相隔的空間里除了宇宙塵埃以外幾乎什么都沒有。太空是一個廣袤空曠的空間——“太空”這個名稱就是因此而來的。沒有人知道太空究竟有多大，很多天體因為太遠而無法被觀測到。但是利用現代的觀測技術，天文學家能觀測到的宇宙空間將越來越大。

?宇宙的大小

人類所能觀測到的宇宙僅僅是整個宇宙空間中極小的一部分。借助強大的天文望遠鏡，人類能夠觀測到130億光年外的恒星和被稱做類星體的星系所發出來的強烈而明亮的光。所以，如果遙遠的類星體是平均分布在宇宙空間的話，那么宇宙的直徑就應該有260億光年。通過望遠鏡，你有可能觀測到幾千甚至幾百萬光年以外的某些恒星發出的光。

?用光作標尺

光是宇宙中跑得最快的，其傳播速度將近每秒30萬千米。天文學家用了很多方法來衡量宇宙中星體之間的距離。他們用光年取代千米作為衡量星體間距離的單位。1光年就是光在1年中走過的距離——大約9.5萬億千米。天文學家有時候也用秒差距作為距離單位。1秒差距相當于3.26光年。

?星云

在一個晴朗的夜晚，通過大功率的望遠鏡，你可能會在恒星之間發現一些暗淡模糊的光斑。其中一部分是遙遠星系發出的光，有一部分是宇宙中巨大的“云系”，人們稱之為星云。星云是大片的宇宙塵埃和氣體的混合體。著名的蟹狀星云是由一顆巨大的恒星在公元1054年爆炸后殘余的碎片所形成的。在引力的作用下，星云中的宇宙塵埃和氣體凝聚到了一起，于是某些恒星就從中誕生了。

?終極之洞——黑洞

光是宇宙中跑得最快的，在20世紀最驚人的宇宙發現之一就是黑洞的存在得到了證實。黑洞是宇宙中引力極為強大的一個點，它巨大的引力能夠吞噬宇宙中的一切——甚至連光也不例外。因為連光也無法逃脫黑洞的吸引，所以我們是無法看到黑洞的。當一顆恒星的生命最終結束，恒星在自身引力的作用下坍縮，星體內的物質在拋向宇宙前被緊緊地壓縮到一起，以至于組成恒星的所有物質最后全部被壓縮成一個極微小的點——奇點，于是形成了黑洞。

■皎潔的月球

在我們看來夜空中最大、最明亮的天體就要屬月球了，它就像一個小太陽一樣照耀著夜晚的大地。月球本身不會發光，它只是一顆巨大而冰冷的星球而已，完全是靠反射太陽光才會在夜空中顯得明亮。月球是地球在宇宙中的好伙伴，兩者相距38.4萬千米。月球繞地球運行一周大約需要一個月。它在繞地球公轉的同時也在自轉，由于月球的公轉周期與自轉周期完全相同，所以月球始終都以同一面朝著地球，在地球上永遠不可能看到月球的背面。

?月球漫步

當1969年宇航員登上月球的時候，他們發現月球上滿是懸崖峭壁和寬廣的平原，很多地方完全被白色的細小灰塵所覆蓋。這些月塵是許多年之前月球表面在隕石的撞擊下碎裂而形成的。由于月球上沒有大氣、沒有風、沒有雨雪，所以月塵不會四處飄散，宇航員在月球上留下的腳印就可能按原樣保存百萬年以上。

?月相變化

從地球上只能看見月球明亮的半邊，也就是月球的陽面。在月球繞地球公轉的過程中，從地球上觀察月球陽面的角度也隨之不同，因此看上去月球似乎在不斷地變化形狀。在每個月月初，也就是新月的時候，月球處于太陽和地球的正中間，從地球上只能看到的月球陽面只有彎彎的一道娥眉。在隨后的2星期中，月球一點一點地顯露出來，直至最后皓月當空，此時月球離太陽最遠，月球陽面全部可見。在接下去的2星期中，月球的可見部分又一點一點地隱沒到黑暗之中，慢慢又變成一個月牙形，稱做殘月。

?登月

月球是除地球以外人類造訪過的唯一天體。美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林是最早在月球表面漫步的人。1969年7月20日，他們在“阿波羅11號”載人登月任務中成功地登陸月球表面。第一位進入太空的女性則是前蘇聯宇航員瓦連金娜·捷列什科娃。

■巨大的火球

和夜空中其他恒星一樣，太陽也是一顆恒星。實際上，太陽是一顆中等大小的恒星，它的壽命約有100億年，目前正處于壯年期。太陽距離地球約1.5億千米，是宇宙中離地球最近的恒星。和其他恒星一樣，太陽內部的溫度高得難以想象。太陽內部巨大的壓力使得其溫度高達1 500萬攝氏度。如此巨大的熱量使太陽表面如此熾熱，以至于傳播了1.5億千米到達地球后，仍帶給地球光和熱。

?太陽的內部

太陽基本上是由2種氣體構成的：其中3/4是氫氣，剩下1/4是氦氣。太陽內部反應生成的能量要經過1000萬年的時間，穿過包括發光發熱的光球層、到處充滿火焰的色球層和像冕狀火焰光圈的日冕等數層太陽大氣層才能到達太陽表面。

太陽被分為幾個層次來研究。從太陽中心向外依次為日核、輻射層、對流層和太陽大氣。太陽大氣包括光球、色球和日冕3部分，太陽半徑的15%是由日核構成的，是熱核反應區。熱核反應發生時，釋放出巨大能量的主要形式是氫聚變成氦。日核部分的物質密度是1.6×105千克/米 3，中心壓力達3300億大氣壓，溫度也很高，達1500萬～2000萬開。

日核外面就是輻射層，從0.15個太陽半徑到0.86個太陽半徑都是輻射層。這里的溫度和密度已急劇下降。密度為18千克/米 3，溫度為70萬開。輻射層最先接收到日核傳來的能量，通過吸收和再輻射來自日核的能量極高的光子而實現能量傳遞，每進行一次吸收和再輻射，高能光子的波長會變長，頻率降低，這種再吸收、再輻射的過程反復地進行多次，逐漸將高能光子變為可見光和其他形式的輻射，經過對流層后，再向太陽的表面傳播。

對流層厚度約14萬千米，其起點在距離太陽中心0.86個太陽半徑處。這里的物質內部的溫度、壓力和密度的梯度特別大，處于對流狀態。對流運動的特性是非均勻性，這樣會產生噪音，機械能就是這樣通過對流層上面的光球層傳輸到太陽的外層大氣的。

光球是人們平時看到的光彩奪目的太陽表面，厚度約500千米。光球層溫度約6000℃。光球面上有黑暗斑點，這是太陽黑子，它的溫度約4500℃，是日面上溫度較低的區域，由于溫度相對較低，看上去會比較暗。通過觀察日面上的黑子的位置變化，可知太陽平均自轉周期是27天。

?日食

盡管地日距離是地月距離的400倍，但是天空中的太陽看起來和月球差不多大。在月球繞地球公轉的過程中，月球有時候會運行到地球和太陽的中間。這時候，月球就會完全擋住太陽的光芒，在地球上投下一片陰影。這就是所謂的日全食。如果還能見到太陽的一部分，那就是所謂的日偏食。

?太陽光

太陽向四面八方放射出大量的光和熱。雖然其中只有一小部分到達地球，但卻足以提供這顆行星所需的幾乎全部能量。如果沒有太陽，地球上將是一片冰冷的黑暗，比最黑的黑夜還要黑，比南極洲還要冷。雖然部分太陽射線具有極強的危害性，但是地球外覆蓋的大氣層和地磁場卻能保護人類免受太陽輻射的危害。

?熾熱的表面

太陽的表面十分灼熱。從太陽內部噴發出來的熱量在晦暗的表面形成一個個光亮的斑點。太陽表面劇烈燃燒的氫吐出的巨大的火舌被稱做日珥，弧狀的日珥可長達9.6萬千米。偶爾會有巨大的能量從太陽表面噴薄而出，持續數分鐘左右，被稱做太陽耀斑。太陽黑子則是相對溫度較低的、在太陽赤道附近緩慢舞動的黑暗的斑點。

■行星的運行

在宇宙中，地球并不孤單。包括地球在內，一共有8顆行星在圍繞著太陽運轉。八大行星在太陽引力的牽引之下，沿著橢圓的軌道，以同一個方向繞太陽公轉。許多行星都有自己的衛星。在行星的運行軌道之間還有許多大大小小的石塊，稱之為小行星。太陽、八大行星和各自的衛星，加上矮行星和其他諸多的小行星，以及難以計數的彗星組成一個大家庭——太陽系。

?太陽系

太陽系八大行星繞太陽公轉的軌道都在同一平面上，而矮行星冥王星和厄里斯的軌道則與這個平面相交成一夾角。離太陽越遠的行星繞太陽公轉的周期也越長。離太陽最近的水星其公轉周期只有88天，金星是225天，地球是365天，遙遠的海王星公轉周期是165年，而矮行星冥王星繞太陽一周則幾乎需要250年。

?太陽系的誕生

通過測量隕石（從宇宙中墜落到地球上的石塊）的年齡，科學家們計算出太陽系的年齡大約已經46億歲了。在太陽系最初形成的時候，它只是旋渦狀的一團宇宙塵埃和各種氣體，隨著旋渦越轉越快，周圍的物質開始在引力的作用下被拉向中心，聚集到一起。最后，中心致密的物質團形成了太陽，周圍遠端的塵埃漸漸聚成團狀，形成現在的八大行星。

?行星探測

直到將近200年以前，人們都還一直以為太陽系中只有六大行星：水星、火星、金星、土星、木星和地球。因為能用肉眼觀察到的行星只有這6顆。隨著強力天文望遠鏡的出現，剩下的2顆行星也先后被人們所發現：首先是天王星（1781年發現），然后是海王星（1846年發現）。至于矮行星冥王星則是在1930年被發現的。現在，無人宇宙探測器已經造訪了所有的八大行星，并且還在火星和金星上成功實現了著陸。

?遙遠的行星

科學家們估計，銀河系中大約有300億顆恒星擁有自己的行星，這些行星就像八大行星一樣，繞著各自的“太陽”運轉。目前，天文學家們正在努力尋找這些“系外行星”。它們距離地球太過遙遠，無法用望遠鏡直接觀測到。不過由于它們的引力會對各自的“太陽”產生擾動，所以還是可以被探測到的。天文學家已經發現了大約100顆左右的“系外行星”，其中大部分的體積都和木星一樣龐大。天文學家們希望有一天也能找到和地球一樣大小的行星。一些“系外行星”擁有稠密的大氣，所以看上去就像右圖中所示的這顆紫色行星一樣顏色鮮亮。

■巖石構成的行星

最靠近太陽的4顆行星依次為：水星、金星、地球和火星。相比于木星等其他離太陽較遠的行星來說，這4顆行星的體積都比較小，被稱為類地行星。和其他較遠的大行星不同，類地行星基本都由巖石構成，有堅硬的表面可供宇宙飛船或探測器在其表面著陸。實際上，宇宙探測器已經在金星和火星這兩顆離地球最近的行星上成功實現著陸。所有的類地行星都被一層大氣層包裹著——盡管水星的大氣層幾乎不存在，但在其他方面它們卻各不相同。最重要的一點就是地球上有大量的水和生命存在，當然每一顆行星都有各自的特點。

?地球

地球是太陽系由內向外第3顆行星，距離太陽大約1.5億千米。地球有時也被叫做“金鳳花”行星。這個名字來源于童話故事“金鳳花姑娘”。故事里的金鳳花姑娘選擇了一碗“不冷不熱”剛剛好的粥來喝，而地球離太陽不遠不近，既不會太灼熱，也不會太寒冷。它也是唯一一顆表面有大量水的行星。兩大條件結合到一起，使得地球格外適合生命繁衍。

?水星

水星是八大行星中距離太陽最近的一顆，和太陽的距離通常只有580萬千米左右。水星沒有大氣層的保護，所以朝向太陽的一面溫度會飆升至425℃，而背向太陽的一面溫度則會驟降至-180℃。水星離太陽非常之近，以至于它繞行太陽一周只需88天（地球需要365天）。但是水星的自轉卻很緩慢，一個周期為58個地球日。所以水星上的一年只有不到2天的時間。

?金星

金星的體積和地球差不多。金星的直徑大約是12000千米，質量約是地球的4/5。金星與地球的相似點也就僅此而已。金星厚厚的大氣層中充滿了有毒的二氧化碳氣體和硫酸云層。它厚厚的大氣層能積聚太陽的輻射熱量，所以金星表面溫度可高達470℃，就像一個灼熱的大沙漠。金星是太陽系中溫度最高的行星。

?火星

火星是唯一一顆有著和地球類似的白晝溫度和大氣層的行星，只不過火星大氣層中主要氣體是二氧化碳。火星也是除了地球之外，唯一一顆表面上有水的行星，只不過這些水是以冰帽的形式呈冰凍的固體狀存在的。火星表面的大部分是沙漠，沒有海洋，也沒有任何生命的跡象，有的只是富含鐵質的紅色巖石和砂塵，火星也因此被稱為“紅色的行星”。當1997年“火星探路者”計劃中的“旅行者號”探測車在火星登陸時，上述一切想象再次得到了證實。盡管火星看上去似乎是一個毫無生命跡象的世界，但是科學家們依然希望宇宙探測器能夠在火星表面以下發現微生物活動的痕跡。

■龐大的氣體星球

在火星軌道以外的是太陽系中4顆最大的行星：木星、土星、天王星和海王星。木星和土星體積格外龐大。木星的質量相當于其他七大行星質量總和的2倍，體積是地球的1300倍！土星的體積也差不多大。除此之外，這些巨大的行星基本由氣體所組成，而非巖石。只有行星中央小小的核心是由巖石所構成的。由于自身巨大的引力作用，所以氣體會被急劇地壓縮，直至變成液體甚至固體。

?木星

木星是太陽系中體積最大的行星——直徑超過14萬千米，繞太陽一周大約需要12年的時間。盡管木星的體積極其龐大，但是它的自轉速度卻是太陽系中最快的。事實上，木星的自轉周期只有不到10小時，這也意味著木星表面以將近每小時4.5萬千米的速度旋轉著。木星的表面覆蓋著含有大量氨冰的多彩云層，同時在颶風、閃電和雷雨云的猛烈卷挾之下匯入風暴帶。其中有一個叫做大紅斑的大風暴，直徑約有4萬千米，已經肆虐了至少300年。木星有一輪暗淡的光環和共計16顆衛星。

木星上的大氣絕大部分是氫，然后是氦、氨和甲烷，而地球主要的大氣成分是氮和氧。

美國在20世紀70年代先后發射了4艘宇宙飛船探測木星、土星等大行星，成績斐然。飛船的探測結果告訴我們，木星的大氣層下是一片沸騰著的海洋，海洋里充斥著液態氫。氫在高溫和高壓下成為液體，像水一樣地流動，而且具有金屬的某些特征。

意大利科學家伽利略早在1610年初就驚奇地發現，有4顆衛星在長達十幾天的時間里徘徊在木星附近。現在，這4顆衛星被稱為“伽利略衛星”。后來對木星的衛星、大紅斑照片進行觀察發現，木星上還有一些小紅斑。現在科學家們已證實大紅斑實際上是木星上空的一個大氣旋，長約2萬多千米，寬約1萬多千米。

后來，“旅行者”號飛船又發現了3顆小衛星。現在我們已經知道木星有16顆小衛星，它們與木星好像構成了一個小小的“太陽系”。其中，最大的衛星是木衛3，其直徑達5150千米。許多木衛（即木星的衛星）上有環形山，但是地勢非常凹凸不平。有的衛星表面還有一層冰凍層。

飛船還探測到木星存在一個比較小而且暗的光環，不太壯觀。科學家研究后認為，它主要由反射陽光能力很差的黑色石塊組成，其直徑從數十米到數百米不等。探測表明，木衛1上有數百個火山口。飛船還拍到了一張木衛1上火山在噴發的照片。

?土星

土星是太陽系中的第二大行星，這個氣體星球像是一顆巨大的乳白色糖果，直徑超過12萬千米。土星上也有光環。在土星的中央，一輪輪的光圈組成了壯觀的土星光環。土星光環由大大小小難以計數的巖石和冰塊所組成。盡管土星光環的厚度幾乎只相當于一幢房子的高度，但它卻相當寬廣，向太空延伸出去的距離超過17萬千米。

?海王星

海王星是太陽系中距離太陽最遠的行星，也是太陽系中體積第四大的行星。和天王星一樣，海王星也被包裹在深深的液態甲烷的海洋之中，因而整個星球呈現出美麗的深藍色。海王星與太陽的距離十分遙遠，它需要164.79年的時間才能繞行太陽一周。自從1846年人們發現海王星以來，它甚至還沒有完整地繞太陽一圈。

在天文學史上流傳著一個在“筆尖上”發現海王星的故事。英國劍橋大學的學生亞當斯于1845年10月就計算出海王星的軌道和位置，遺憾的是，劍橋天文臺和格林尼治天文臺并不十分重視他的相關報告。

法國天文學家勒維耶于1846年8月底，也獨立計算出了“未知行星”的質量、軌道和位置數據。勒維耶將他的計算結果整理出來，并對那顆未知行星的位置作出了預告。勒維耶一方面向科學院寫研究報告，另一方面，他還給歐洲一些國家的天文臺寫信，請求他們用天文望遠鏡幫助尋找新行星。這一次，天文學界對勒維耶的研究十分重視。當年的9月23日，柏林天文臺的加勒先生在看到勒維耶來信的當天晚上就按信中指出的位置，用望遠鏡進行了認真的搜尋。第二天晚上，加勒發現這顆小星星在恒星背景上的位置發生了一點點移動。由此表明，確實有一顆行星存在。以后其他天文學家經過進一步觀測研究，終于證明這顆行星是太陽系的第八顆大行星。這項新發現，給天文學的發展增添了新的一頁，人類對太陽系及其范圍的認識又進了一步。

?天王星

天王星距離太陽相當遙遠，以至于它的表面冷得難以想象。天王星云層頂端的溫度只有-210℃！在這樣的嚴寒中，甚至連天王星大氣中的主要成分甲烷也凝結為液體。天王星和海王星所呈現的奇異藍色便是由大氣中的甲烷引起的。

■熾熱的恒星

和太陽一樣，恒星也是由熾熱氣體組成的巨大的星球，這些熾熱氣體的溫度高得令人難以想象。恒星會發光是因為它們在釋放能量。在每個閃閃發光的恒星深處，巨大的壓力使氫原子相互擠壓產生核聚變，所釋放的能量相當于一顆大型氫彈所釋放能量的數百萬倍。這些核聚變使恒星中心的溫度升得非常高，以至于表面都發出白熱的光。一顆恒星能夠持續發光，不斷送出光、熱、電磁波和其他多種輻射，直到最終氫氣耗盡為止。

?燃燒的恒星

恒星產生能的方式與氫彈相同，但是它們很少會發生爆炸。中等大小的恒星能夠穩定燃燒數百萬年，因為推動氣體向外膨脹的熱能與吸引氣體向內的重力存在著一種平衡。當核燃料燃盡后，這種平衡被打破，恒星才會發生坍縮。當然，在某些情況下也會爆炸。

?雙子星

許多恒星都是成對出現的，人們稱之為雙星。真正的雙星是在彼此的引力作用下靠在一起，就像一對共舞的舞者一樣相互繞行的兩顆恒星。有時候，一顆恒星運行到另一顆的前方，就會發生恒星間的掩食現象。從地球上看，有時候兩顆恒星同處于一條直線上，因此盡管它們根本不挨著，但是看上去還是很像一對雙星。天文學上將此現象稱為“視覺雙星”。

雙星的質量通過觀測和研究，可以很容易推算出來，單個恒星的質量卻很不容易求出。根據雙星的運動情況，利用牛頓萬有引力定律、開普勒定律可以求出雙星的質量，然后通過對比的方法估算出單個恒星的質量。

通常把三四顆以上直到一二十顆星聚集在一起的叫做聚星。原來我們一直認為半人馬座a星離我們很近，后來發現它是三合星，比鄰星是其中距離地球最近的一顆恒星。

恒星在太空的分布除了單個恒星、各種雙星和聚星外，還有一種奇特的現象，就是它們喜歡“群居”。星團就是許多聚集在一起的恒星集團。

?恒星的壽命

漫漫宇宙中，每天都有恒星突然出現或慢慢消失。最初恒星是氣體和塵埃構成的巨大云塊，物質聚集在一起形成一大塊云稱為分子云，每個分子云都包含有蒸發的氣體小液滴或者“胚”，這便是恒星的雛形。在黑黑的分子云里面，“星胚”受到自身重力而被擠壓，溫度逐漸升高。當一個星胚達到足夠高的溫度時（至少是1000萬攝氏度），開始產生聚變，它就變成了一顆恒星。類似太陽大小的中等恒星可以燃燒100億年。

?最亮的恒星

恒星發出光的顏色與它們的溫度有關：藍色的恒星溫度最高，紅色的恒星溫度最低。天文學家用數字或者“星等”為恒星的亮度劃分等級。最亮的恒星有最低的星等，甚至有可能是負數。一些恒星看起來比其他星星要亮，這是因為它們離地球更近，所以天文學家使用“相對星等”的概念，指恒星與其他星相比的亮度，和“絕對星等”指恒星的絕對亮度。

■星系

恒星在宇宙空間中并非完全平均分布。相反，許多恒星都扎堆聚集在一起，組成各個星系，星系間則是廣袤無垠、完全真空的宇宙空間。在夜空中，只有3個星系用肉眼能夠看見，但當用大功率的天文望遠鏡觀察它們時，就會發現這些平日里看上去模模糊糊的團狀物其實是由數十億顆恒星所組成的。盡管大部分星系離地球十分遙遠，無法被觀測到，但是天文學家們估計宇宙中星系的總數應該在1000億個左右。一個像銀河系這樣普通的星系，其直徑在10萬光年左右，其中的恒星數量就約有1000億顆。

?銀河系

在一個晴朗的夜晚，天空中沒有月亮，如果你遠離城市明亮的燈光，你就有可能看到一條橫貫整個天空、灰暗朦朧的白色帶子，那就是人們所說的銀河系。用雙筒望遠鏡就能清楚地看到，銀河系其實是由無數顆星星組成的——實際上，銀河系是由超過1000億顆恒星所構成的巨大星系。在我們看來，銀河是一條窄窄的白色帶子，這是因為我們是從銀河系的側面來觀察的。如果我們能夠從正上方俯視整個銀河系，那么銀河系就像一個巨大的凱瑟琳車輪，車輪的中央凸出，其中滿是年代久遠的恒星。

?橢圓星系

最大的星系是由大約1萬億顆恒星組成的橢圓星系。這些橢圓星系可能在很久很久以前就已經形成了，或許是在100億年之前，也就是整個宇宙才剛剛誕生的時候。在宇宙中很少有單獨出現的橢圓星系，基本上是許多橢圓星系聚集在一起，組成星系團。

?旋渦星系

許多星系與銀河系一樣，都屬于旋渦星系，有大量的恒星密集在星系的中央區域。旋渦星系在不停地旋轉著，因而呈螺旋形。在星系的旋臂上有數以十億計的恒星以驚人的速度隨著整個星系旋轉著。因為我們被地球的引力吸收著，所以感覺不到星系的任何運動，但是我們的太陽確實正在以將近每小時1000萬千米的速度飛速地旋轉著。

?不規則星系

大約有1/10的星系根本沒有明顯的形狀。有的天文學家認為這些不規則星系是由兩個星系相互碰撞之后剩下的星系殘片構成的。

■宇宙大爆炸

宇宙不是一開始就存在的。科學家們認為宇宙誕生于130億～150億年前的“宇宙大爆炸”。而大爆炸前一刻的宇宙只是一個灼熱的小球，里面包含著現在宇宙中的一切。然后，隨著有史以來最大、最劇烈的一場爆炸，宇宙誕生了！電磁力、萬有引力等基本作用力也隨著大爆炸分離出來。這場爆炸相當猛烈，以至于到現在為止，宇宙中的所有物質還在不斷地向外疾馳。

?“宇宙膨脹說”

天文學家們通過觀察星系在宇宙中的運動方式，提出了“宇宙大爆炸”理論，并且計算出大爆炸發生的時間。他們還發現，宇宙中所有的星系正在逐漸遠離地球而去。如果這是真的，那么就說明宇宙正在不斷膨脹之中。而如果現在的宇宙仍在不斷膨脹，那么肯定在某一時刻，宇宙的體積曾經非常之小——這就是所謂的“宇宙膨脹說”。

?紅移

通過觀測星系的顏色，天文學家們能夠判斷出星系的運動方向。如果星系正在遠離地球而去，那么光的波長就會被拉長，光的顏色看上去就會偏紅。星系遠離的速度越快，光波就會被拉得越長，顏色就越紅。這就是所謂的紅移現象。

■行星際旅行

人類的太空探索之旅始于半個世紀之前。自從1957年前蘇聯發射了第一顆人造地球衛星“人造地球衛星1”號之后，人類已經將幾百顆航天器送入了太空。隨著宇宙飛船相繼造訪太陽系的幾大天體，人類所能探測的宇宙空間越來越大，范圍也越來越廣。1969年，美國的“阿波羅11”號在月球上成功登陸。1976年“海盜1”號探測器登陸火星。1973年“先驅者10”號探測器抵達木星。于1977年發射的“旅行者1”號和“旅行者2”號探測器已經飛越冥王星的軌道，但總的說來還沒有飛出太陽系的范圍。

?航天飛機

早期的載人宇宙飛船只能被使用一次，在返回地球時只是用一個小小的飛行艙裝載宇航員。現在，宇航員乘坐航天飛機進入太空軌道。航天飛機能像普通飛機一樣多次重復地起飛和降落。前蘇聯的航天飛機是一艘名為“暴風雪”的一次性飛行器，而美國的航天飛機則是人們熟知的“軌道穿梭機”。

航天飛機主要由三部分組成：外形像飛機的軌道飛行器機身長37.2米，裝有3臺以液氧和液氫為燃料的主引擎。巨大的外掛燃料箱內裝有補給燃料。兩臺長45米的固體燃料火箭推進器連接在外掛燃料箱兩側。航天飛機的前段是航天員座艙，分上、中、下三層。上層為主艙，可容納7人；中層為中艙，也是供航天員工作和休息的地方，有臥室、洗浴室、廚房、健身房兼貯物室；下層為底艙，是設置冷氣管道、風扇、水泵、油泵和存放廢棄物等的地方。航天飛機的貨艙長18米，最大有效載荷可達27.6噸，是放置人造地球衛星、探測器和大型實驗設備的地方。與貨艙相連的還有遙控機械臂，用于施放、回收人造地球衛星和探測器等航天器，還可以作為宇航員太空行走的“階梯”。

航天飛機發射升空后，所有的五枚火箭（安裝在軌道飛行器上的三枚火箭以及兩枚固體燃料火箭推進器）全部點燃。兩分鐘后，外置的兩枚火箭推進器脫離機身并借助降落傘落入大海，回收修復后還可以重復利用20次。當軌道飛行器進入地球軌道6分鐘后，機組航天員將外掛的燃料箱拋離機身，燃料箱重新進入地球大氣層后燒毀。在任務完成返航階段，機組航天員將機動火箭點燃使航天飛機減速，然后航天飛機在海拔高度120千米處重新進入地球大氣層，距離發射基地8000千米遠——發射基地通常是肯尼迪航天中心。軌道飛行器經歷滑翔減速，與大氣摩擦產生的熱量使機翼上的耐熱片以及機身迅速達到紅熱狀態。航天飛機經歷整個降落減速過程后，在其著陸階段，減速降落傘使航天飛機進一步減速，速度約為320千米/小時。

?宇宙探測器

盡管目前為止人類僅登上過月球，但是宇宙探測器卻已經造訪了太陽系的八大行星。美國宇航局的“伽利略號”探測計劃可算是其中最為成功的探測計劃之一了。“伽利略號”不僅環繞木星飛行，還于1995年12月成功下降進入木星大氣層，拍攝并傳回有關木星及其衛星的許多令人震驚的圖片資料。

?發射火箭

要使宇宙飛船能達到足夠的速度以擺脫地球的引力作用進入太空，需要強大的火箭提供推動力。宇宙飛船一旦進入太空，就不再需要火箭的推動了。將宇宙飛船送入太空的任務是由一系列火箭或者是數級火箭共同完成的，一旦任務完成，推進燃料耗盡，各級火箭就相繼從本體分離、脫落。

?在太空生存

空間站是一類停留在太空中的宇宙飛船，它們沿著軌道不斷繞地球運行。空間站為宇航員、科學家以及偶爾的太空游客們提供了一個太空的家。在一系列的宇航任務中，空間站被一點一點地建造起來。目前運行的空間站——國際空間站是有史以來最大的空間站，它長達108米，所提供的生存空間足以容納2架巨大的噴氣式飛機。

?未來的恒星際飛船

在太陽系以外，地球最近的鄰居是半人馬座的阿爾法星系。該星系距離地球40萬億千米，如果利用現在人類所能達到的最高速度，飛船需要1萬年才能抵達，并且還要為飛船裝載足夠的推進劑。光速是宇宙中目前所知的最快速度，只要4年多便可抵達半人馬阿爾法星系。如果想同《星際旅行》中的“美國精神號”一樣，在恒星系之間往來自如，飛船的速度就必須突破光速，為此，科學家們做了許多大膽的設想。