我们今天分三个部分，行星，恒星，还有星系。首先我们讲讲行星，在我们的知识体系里，我们相对来说是比较了解太阳系，我们的太阳带着八大行星运转，那么在太阳系以外，并且同属于银河星系的行星可就与我们的行星大不相同。
热木星HOT JUPITERS
在1995年，发现了外行星51 Pegasi b。这是第一颗被发现绕着一颗主序星main sequence star运转的行星（我们稍后会详解主序星，主序星银河系中最常见的恒星类型）。热木星的质量约为木星的一半，但它的轨道离恒星距离，比水星离太阳还要近，它是一颗巨大的气态行星，紧贴着其母恒星运行。
科学家已经在银河系发现了1500多颗热木星，这些行星在形成后从较远的轨道向恒星靠拢。迄今为止人类在银河系发现了5000多颗外行星，其中1500是热木星，这儿有个问题，外行星绝大多数都是热木星吗？当然不能这样假设。大多数外行星的发现是通过，观察行星在恒星面前通过时的光线下降或颜色改变，这使得发现偏向于大型、快速运行且经常从恒星面前穿过的行星更为容易。
岩质行星ROCKY PLANETS
与其他类型的行星相比，我们发现的岩质外行星要少得多，其中大部分的质量不到地球的两倍：迄今为止我们发现的岩质行星不到200颗。在寻找外星生命的过程中，尤其是那些位于“宜居带”运行的行星，什么是宜居带habitable zone？即行星距离恒星的距离不远不近，表面可能存在液态水的区域。目前观测到类似于太阳系的是TRAPPIST-1系统，它有七颗围绕同一颗恒星运转的岩质行星
类似海王星的行星NEPTUNE-LIKE
这些行星的大小与海王星和天王星相似，拥有类似的氢氦大气层和岩质核心。到目前为止，我们已经发现了超过1700颗类似海王星的外行星。在2017年，天文学家们在一个名为HAT-P-11b的行星的大气中探测到了水蒸气。
超级地球SUPER-EARTHS
在已经发现的外行星中，只有少数是像地球或火星那样的岩质行星。略少于三分之一是气态巨行星，如木星和土星，而略多于三分之一是类似海王星的行星。其余的大部分是超级地球，这些行星与我们太阳系中的任何行星都不同。它们的质量介于地球的两倍到十倍之间。其中一些是气体构成的，一些是岩石构成的，还有一些是二者的混合物。
流浪行星ROGUE PLANETS
一些行星完全没有恒星陪伴。这些孤独的天体通常被称为亚棕矮星sub-brown dwarfs ，因为人们认为它们是从尘埃和气体云团坍缩形成，类似于恒星和棕矮星的形成方式，但它们太小，无法发生核聚变。我们了解的几个例子之一是WISE 0855，它独自在距离地球略远于7光年的太空中。据估计，它的质量约为木星质量的三到十倍之间，其大气层中发现了水冰，其温度可以降至-48°C。这是我们在太阳系之外探测到的最寒冷的大气层。
太空岩石SPACE ROCKS
在我们的太阳系中，行星形成过程中留下了许多副产品。它们聚集在两个已知的区域, 第一个已知的区域，是位于火星和木星轨道之间的小行星带asteroid belt ，其中大约有2万个岩石体，大小从几米到直径约950公里的矮行星谷神星dwarf planet Ceres不等；第二个已知区域，在海王星之外的柯伊伯带Kuiper belt ，其最著名的太空岩石是直径约1200公里的矮行星冥王星dwarf planet Pluto 。
行星是如何形成的？在恒星形成后，它们周围会留下一圈尘埃。这些尘埃逐渐聚集成块，吸引更多的尘埃进入其中。有些会破裂，而有些则会粘在一起。最终，足够多的尘埃块 聚集在一起形成了所谓的行星形成体planetesimal。在远离恒星的地方，它们被冻结成冰冷的行星核，通过减缓气体的速度来吸引气体。在靠近恒星的地方，由于温度较高，没有多少气体留下，所以形成了岩石行星。
恒星Stars
如果从哲学的角度来看，恒星通过核聚变创造了构成我们身体和我们现在生活的星球的所有的元素，同时还产生了地球上生命所需的热量和光线。当我们只关注太阳系的太阳，那就会忽略恒星在生命周期的各个阶段中的状态的多样性。
主序星MAIN SEQUENCE STARS
并非所有的恒星都一样明亮。它们根据温度和辐射光量之间的关系进行分类。温度较高的恒星发出的光更蓝，而温度较低的恒星则发出更红的光。然而，在这个光谱范围内，恒星的亮度差异巨大，有的是太阳亮度的万分之一，有的比太阳亮一百万倍。影响恒星亮度最大的因素是其质量，这取决于其形成时存在的物质的数量。
天文学家将这些变量绘制在赫兹普龙-拉塞尔 图谱上Hertzsprung-Russell diagram，恒星在其生命周期的不同阶段出现在图谱的不同的位置上。处于生命全盛期的恒星，它们通过将氢核融合成氦而燃烧，被称为主序星，它们沿着一条对角线从大质量的、热的蓝色恒星向小的、冷的红色恒星衰落。最小和最冷的主序星是红矮星，质量不到太阳的十分之一。
巨星和超巨星GIANTS AND SUPERGIANTS
一颗恒星开始消耗其主要的氢燃料后，它开始在核心中融合较重的元素，同时在外层区域将氢聚变为氦。这导致恒星膨胀，并离开主序星序列。接下来会发生什么取决于它最初的大小。当丹麦天文学家埃纳尔·赫兹普龙开始对恒星进行分类，膨胀的恒星分为两类：主序星和其他更大的恒星，被称之为巨星。更大的一类恒星，被称为超巨星。后来，还发现了一些属于超巨星第四类别的恒星，包括UY Scuti，它的体积约为我们太阳的1700倍。
双星系统BINARY STAR SYSTEMS
双星系统是一对相互之间通过引力相互束缚并绕对方轨道运行的恒星。位于巨蟹座的55 Cancri是一个很好的例子，距离地球41光年。绕着55 Cancri运行的第五颗行星是地球的两倍大小，由钻石组成，所以在那里生活的人类财富都不算什么事儿。
我们再多举个例子，比邻星（Proxima Centauri）是离地球最近的恒星之一，距离地球约为4.2光年。它是一个红矮星，属于三重星系统的一部分，与双星系统阿尔法和贝塔半人马座恒星 组成太阳系最近的邻近恒星系统。比邻星也是距离地球最近的已知行星比邻b（Proxima b）的母星。比邻b是一颗类似地球的行星，位于比邻星的宜居带内，可能具备液态水存在的条件，
白矮星WHITE DWARFS
当一颗巨恒星耗尽了氢燃料后，它开始将氦聚变成碳和氧。随着这些元素的积累，对于大多数恒星来说，核心温度不足以使聚变进一步进行，因此停止了。 在这一点上，向内的引力不再与核心核反应产生的向外压力平衡，恒星内爆成为白矮星。我们称之为“死亡星体” ，死亡星体残骸颜色暗淡而致密，大家想象，数十万个地球质量被压缩到我们地球的体积中。它们之所以发光，是因为剩余的热量。
超新星遗迹SUPERNOVAE REMNANTS
最大的超巨星不会变成昏暗的白矮星。它们的核心温度足以将原子核聚变成铁，它们在剧烈的爆炸中结束生命——被称为超新星——留下黑洞或中子星。蟹状星云的中心，有一颗相对年轻的中子星，它是一颗超新星爆炸留下的遗迹，公元1054年时，地球上的人们观测到了这次超新星。当时，中国就有天文文献记载，在金牛座constellation Taurus附近有一颗“客星”，在天空中变得比金星亮四倍，然后消失。
直到1939年，天文学家意识到这次超新星爆炸应该就是蟹状星云所在的地方，并开始寻找这颗恒星。在1968年，天文学家最终找到了这颗中子星，被称为蟹状脉冲星，它是已知的第一个超新星遗迹。
中子星和脉冲星NEUTRON STARS AND PULSARS
我们已经了解到大约2000颗中子星，它们是超巨星坍缩后形成的残骸，但不够大以形成黑洞。最重的中子星质量是太阳的2.1倍。它们是迄今为止观测到的最致密的恒星，将太阳的质量压缩成直径约10公里的球体内。一些中子星以惊人的速度自转，周围环绕着一束强烈的射电辐射喷流，就像灯塔的光束一样旋转。这些被称为脉冲星，是由天体物理学家乔斯林·贝尔·伯内尔在1967年发现的。
黑洞BLACK HOLES
当一颗质量至少为太阳20倍的大质量恒星耗尽核心燃料时，恒星质量Stellar-mass或天体物理黑洞就会产生。如果核心质量超过三倍太阳质量，它将坍缩形成一个黑洞。在我们的银河系中，只观测到了大约几十个这样的黑洞，但天文学家相信仅在银河系中就存在数亿个黑洞。我们无法直接看到它们：它们的引力非常强大，甚至光线都无法逃脱。相反，我们通过观察附近恒星和星系的运动以及它们碰撞产生的信号，即引力波gravitational waves ，来推断它们的存在。
当然，我们必须要引入发型很潮的，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论general theory of relativity预言了黑洞的存在，黑洞的巨大引力会导致时空space-time无限弯曲，产生后来被称为奇点singularity的现象。 但在这里，广义相对论失效了：方程的解趋向于无穷大。许多物理学家认为这些奇点并不描述真实黑洞内部发生的情况，也就是我们需要修正我们的理论。
问题在于如何修正。一个能够准确描述黑洞的理论需要将广义相对论与量子理论quantum theory相结合，后者描述了最微小尺度上的物质现象，这当然是一个迄今为止没有人能够解决的难题。
“奇点”（singularity）是个什么概念? 在数学和物理学中，奇点通常指的是一个函数或方程在某个点上出现无穷大或无法定义的情况。这种情况可能会导致计算结果的不确定性或自相矛盾，使得相关理论在该点失效。例如，在物理学中，黑洞的中心被认为是一个奇点，因为在那里，质量密度和引力场的强度变得无穷大。
那么，有多少个恒星那？截至2021年12月，斯隆数字天文巡天(Sloan Digital Sky Survey)发布了对我们银河系中恒星数量的最大普查结果，研究了70万颗独立恒星的光谱。仅在银河系中，估计有约1000亿颗恒星，而在我们自己的星系之外，还有数以亿计的其他星系。这意味着宇宙中估计有大约2千亿千亿颗恒星。
接下来的部分是星系GALAXIES ，我们在夜空中看到的每一颗星星都属于一个星系。就以我们自己的银河系为例，直到大约100年前，天文学家们认为这就是全部。现在我们知道，银河系只是宇宙中数十亿个甚至更多的星系之一：美国国家航空航天局NASA估计可能有2万亿个星系。
螺旋星系SPIRAL GALAXIES
在我们人类观测到的大约3亿个星系中，绝大多数都是用地面望远镜观测到的，它们主要是未解析的斑点。我们看到大约60%的星系呈现出独特的螺旋星系形式，一个由恒星组成的扁平圆盘，中央凸起，周围环绕着螺旋形的旋臂。在正常的螺旋星系中，这些旋臂直接从星系的核心延伸出来。
椭圆星系ELLIPTICAL GALAXIES
我们所看到的星系中大约有三分之一被归类为椭圆星系。它们通常是在螺旋星系合并时形成的，所以它们的形状可以根据它们合并和碰撞的方式而变化，有些看起来几乎是圆形的。这是因为椭圆星系中的恒星往往比螺旋星系中的恒星年龄更老。
不规则星系IRREGULAR GALAXIES
没有明显螺旋或椭圆结构的星系被称为不规则星系。其中大多数是侏儒星系，由几十亿颗恒星组成的小星系，它们更容易受到外部引力的撕扯。然而，一些规模较大的星系也呈现不规则形状，通常是由于与其他星系的碰撞导致的结果。
卫星星系SATELLITE GALAXIES
卫星星系是被附近较大星系的引力场所束缚的侏儒星系。银河系有14个已确认的卫星星系，包括大麦哲伦星云Large Magellanic Cloud 、小麦哲伦星云Small Magellanic Cloud和人马座侏儒星系Sagittarius dwarf galaxy 。人马座侏儒星系被认为在历史上至少与银河系碰撞了三次，其中一次碰撞甚至可能引发了我们太阳系的形成。有点意思。
星际物质THE INTERSTELLAR MEDIUM
星系中恒星之间的广阔空间并不完全是空的，尽管它的一部分是我们所知道的宇宙中最接近真空的东西。在星际介质中，每立方厘米空间中平均有一个原子，与地球地面上相同体积的空气中发现的9000万亿个原子相比，他真的是真空。
刚刚我们说了黑洞，那超大质量黑洞SUPERMASSIVE BLACK HOLES
大多数星系的中心都有一个质量是太阳几百万倍的黑洞。这些超大质量黑洞被认为是由较小的天体物理黑洞合并而成的。
我们大多数时候通过其周围物体的引力效应来推断超大质量黑洞的存在。然而，2019年，事件视界望远镜Event Horizon Telescope的天文学家发布了有史以来第一张黑洞的图片，即M87星系中心的黑洞。2022年5月，同一团队发布了银河系中心的黑洞Sagittarius A*的照片， 超大质量黑洞是不是个贪婪的怪物，吞噬其触及范围内的所有物质？超大质量黑洞很多时候并不活跃。
活动星系核、类星体和耀变体ACTIVE GALACTIC NUCLEI, QUASARS AND BLAZARS
有时物质会螺旋进入超大质量黑洞，很快就被撕碎和迅速加热superheated 。这导致了活跃星系核，其中一些会喷发出巨大的带电粒子喷流，延伸至宿主星系之外。如果我们碰巧位于其射线轨迹上，这将呈现出壮观的景象。当它们最初以射电频率下亮点状的物体被发现时，活跃星系核被称为“准恒星射电天体”或类星体。现在，这个术语指的是任何特别明亮的活跃星系核，而那些喷流倾斜朝向地球的被称为耀变体。
星系又是怎么形成的那？
银河系如其他星系一样，起初是由气体、恒星和尘埃组成的无结构云团。它们通过与其他星系的碰撞和合并逐渐形成有序的结构，而这一切都是由可见物质、黑洞和暗物质的引力所驱动，大家会发现原来引力是关键点。
集群,超星系团CLUSTER, SUPERCLUSTER
如果你能从银河系中放大视角，你会开始看到局部星系群——一个呈哑铃状的由至少80个星系组成的集合。一端是银河系Milky Way及其卫星星系，另一端是我们最近的大邻居仙女座星系Andromeda及其卫星星系。再进一步放大视角，你会看到局部星系群旁边是一个被称为室女座星系团Virgo Cluster的数千个星系组成的星系团。这个星系团和局部星系群都是更大结构的一部分，跨越超过1亿光年，包含了另外100个星系群，被称为室女座超星系团Virgo Supercluster。
天文学家相信在可观测的宇宙中有大约1000万个这样的超星系团。然而，2014年的一项研究表明，室女座超星系团仅仅是更大的一个超星系团——拉尼亚克超星系团 Laniakea supercluster的一部分，这就说明宇宙的有序性比我们的认知要宏伟得多。
宇宙网THE COSMIC WEB
宇宙的结构并不是超星系团。如果从室女座超星系团放大视角，你会看到双鱼座-鲸鱼座超星系团复合体Pisces- Cetus Supercluster Complex。专业的术语是-星系丝galaxy filament，或者说是庞大的超星系的线状结构。在最大尺度上，宇宙由这些星系丝构成，它们像一张网一样展开，其中夹杂着空旷的虚空。是不是有点像我们前一期的筋膜？
宇宙网是已知的最大结构，我们在2019年首次直接观测到了它。人们认为它的结构是由暗物质形成的线状结构所决定的，这些线状结构吸引了正常物质（以超星系的形式）沿着星系丝聚集。星系丝之间的虚空中几乎没有星系存在，甚至这种虚空可以延伸数千万到3亿光年的距离。
莱曼-阿尔法Lyman-alpha斑块
尽管宇宙网中的星系丝是宇宙中最大的结构，但它们可以分解成更小的星系团和星系。宇宙中最大的个体是巨大的气体云，其中一些云的直径超过40万光年。它们被称为Lyman-alpha斑块，因为它们所发出的光中有氢的谱线Lyman-alpha线。然而，形成这些巨大的氢气团的过程仍然是一个谜。
宇宙微波背景辐射THE COSMIC MICROWAVE BACKGROUND
在大爆炸之后，宇宙非常炽热，以至于所有的电子脱离了质子，因此宇宙成为一个巨大的等离子体。在这个时候，光子在没有被电子散射之前无法传播得很远，使得宇宙“不透明” opaque。然后，大约在大爆炸后的37万年，宇宙冷却到足够程度，电子与质子结合，形成了中性氢原子，这个过程被称为复合。此后，光子可以自由传播。我们今天仍然能够看到那些光子，它们以一种微弱的辐射形式出现，被称为宇宙微波背景辐射。
快速射电暴FAST RADIO BURSTS
在2012年，使用位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜Arecibo radio telescope on Puerto Rico的天文学家们发现了一个奇怪的信号，即来自银河系外部的短暂、毫秒级的射电波瀑布。这个信号在2018年被确认来自一个类星体quasar，是最早发现的快速射电暴之一。自那时以来，已经发现了数百个类似的射电暴。有些只闪现一次，而其他的则是有规则的。对这些奇怪信号的解释五花八门，从外星人到黑洞，再到移动的尘埃云。
伽马射线暴GAMMA-RAY BURSTS
伽马射线暴是高能辐射的爆发，从各个方向朝地球传播，被认为是由某些恒星在超新星爆发时触发的。伽马射线暴是自宇宙大爆炸以来能量最高的爆发，最早在60年代被发现，纯属巧合，当时美国正在寻找苏联试图进行秘密核试验。
为什么宇宙看起来是这个样子？
1982年，物理学家斯蒂芬·霍金意识到，在大爆炸时期的一段高速膨胀过程中，被称为宇宙膨胀的时期，会发生能量密度的随机量子波动，这些波动在接下来的138亿年内会演化成大尺度结构。
这个过程会导致宇宙在今天具有的物质拓扑结构topology of matter一直是一个争论的议题。1986年，普林斯顿大学的J·理查德·戈特和他的同事使用宇宙学模拟预测，如果宇宙中的大尺度结构是由早期的量子波动引起的，那么它会呈现真正的随机性，就像海绵中的结构和孔洞一样。刚刚我们讲到的，宇宙网的巨大星系团结构的观测，已经证实了宇宙呈海绵状的形态，这表明其纤维结构是宇宙最初10到35秒内形成的随机量子波动的化石遗迹。
