1.细说银河系：从神话到科学
在晴朗无月的夜晚，我们看到银河像一座微亮的拱桥横跨夜空，从地平线一端伸向地平线另一端。它绕地球整整一周，但看起来只是整个光圈——银道圈的一部分。它把天空分成两个相等的部分，形成一种天（球）赤道。以它为参考，天文学家们习惯于测量天空中的经度和纬度。伽利略的天文望远镜已表明银河由一个昏暗的星群组成，每颗星都太暗，没有望远镜的帮助是无法看清它们的。
关于银河系，也有一个关于它的神话故事：从前，宙斯的妻子赫拉正在给婴儿哺乳时，她的乳汁流入了天空就形成了这条弱光带。希腊人把它称为galaxias kyklos（银环），罗马人称之为via lactea（银河），由此我们就得到了它的英文名称。
但是，真正的银河是什么呢？如果我们不考虑神话故事，那么我们可以首先想到古希腊哲学家德谟克利特，大约于公元前440年，他提出银河实际上由大量的星星组成，这些星星无法被单个分开。但是它们聚集起来发出柔和的光。虽然这个观点没引起人们的重视，但是它恰恰是完全正确的。就在1609年，伽利略把第一架望远镜对准天空并发现银河容纳了极大数量的星星时，这个理论被证实了。
“极大数量”是指多少？人们看夜空时的第一印象是：星星是数不清的，它们太多了以至于无法计算。
在银河方向上的星星非常密，但在其他方向上的星星就相对稀少了，这意味着我们必须抛弃形成球状结构的星体的整体概念。如果是那样，各个方向上的星星数目与银河方向上的星星数目应该一样多，而且，随着较近的星星以弱光为背景而闪烁着（没有现在壮观），整个天空将被照亮。
那么，我们必须假设，星星存在于非球状的大星团中，且在银河方向上比在其他方向上延伸得更远。既然是这样，那么银河显示出星星都聚集成透镜形或汉堡包形。这种透镜形的星团被称为银河系（来自银河的希腊语释义），同时由于我们看到的环绕天空的暗光带的原因，银河这个名字被保留下来了。
第一个提出星星存在于掩光星系中的人是掩光天文学家托马斯·赖特。他于1750年提出该建议，但他的想法好像很混乱和不可理解，以至于开始时很少有人注意他。
当然，即使银河系是透镜形的，它也可以永远在长径方向上延伸。尽管在银河的外面只看到比较少的星星，但在银河内部却存在着无数的星星。
为了说明问题，威廉·赫歇耳统计了一下星星的数目。自然，在一定时间内，指望数清所有的星星是不可能的。
赫歇耳选择了683个小区域，它们均匀地分布在天空中，然后统计每一区域里用望远镜看到的星星。用这种方法，他得到了我们现在称为天空中的“假想的民意测验”的星星数目。这是第一个把统计学应用于天文学的例子。
赫歇耳认为每个区域里的星星的数量与它接近银河的程度有关。在所有方向上，星星数目随趋近银河程度的增加而稳步地增长。从他统计的星星数目上看，可以估算出银河系的星星的数目以及银河系可能有多大。1785年，他宣布了结果，并提出银河系的长径大约是太阳到天狼星的距离的800倍，短径是此距离的150倍。
半个世纪后，天狼星的实际距离被算出来了，可得出赫歇耳认为的银河系的长径是8000光年，短径为1500光年。同时，他算出银河系内有80亿颗星。虽然这是个巨大的数目，但不是不可数的。
在近两个世纪内，天文学家用比赫歇耳所能用的好得多的仪器和技术探索了银河系，如今了解到银河系比赫歇耳所料想的要大得多。在长径方向上至少延伸出10万光年，可能拥有2000亿颗星。不过可以说，我们确认了银河系以及星星不是无数的而是可计算的，这是赫歇耳的功劳。
2.银河系的中心在哪里
自从1805年，赫歇耳发现太阳相对附近的星星是运动的现象之后，就推断出太阳不是银河系的固定中心。然而在银河系内，仿佛有一个中心或近似中心的位置。
碰巧，银河差不多是被均匀照亮的，这使太阳位于银河系中心的假设有些合理化了。如果银河位于中心的一侧，则此方位比其他方位看上去要厚且亮。从银河系中心向边缘附近看去，我们会发现星星比较少。另一方面，朝其中心望去，我们将面对银河系的遥远的另一端，在那似乎拥有大量的星星。
然而，不管它看上去多合理，太阳一定在银河系中心或中心附近的理论是站不住脚的。如果是真的话，不仅银河里的所有星星应是均匀分布的，而且银河系的其他方位也应是对称的，但事实并不是这样，毕竟存在着我们前面讨论过的球状星团。它们中的大部分位于天空一侧，而且1/3是在人马星座里。
为什么会出现如此独特的不对称现象呢？在1912年，美国天文学家亨利埃塔·斯旺·李维特在研究麦哲伦云时，此答案才开始形成。两个模糊的斑片，即大麦哲伦云和小麦哲伦云，看上去像银河中被分离出来的部分。只能从南半球看到它们，而且以第一个看到它们的欧洲人费迪南德·麦哲伦的名字命名的，他是在1521年，横渡位于南美洲最南端的麦哲伦海峡时发现的。
约翰·赫歇耳于1834年在非洲最南端的天文台研究它们时，发现它们像银河一样是由众多星星组成的，麦哲伦云在天空中延伸出许多光年，但由于它们离我们太远，以至于可粗略地认为它们到地球的距离是相同的（就如同人们虽然散布在芝加哥城的各处，但这些人到巴黎的距离是近似相同的）。
小麦哲伦有一些仙王座的变星，它们离我们大致一样远，这种星是约翰·古德里科于1784年发现的。仙王座变星是一种变化的恒星，其特性由质量和距离两个因素决定。而且，亮度是随着星的质量的增加而增强，随着与我们的距离的增大而减弱。因此非常亮的仙王星或是非常大，或是离我们非常近。但要分清哪一个假设是真的，一般是不可能的。但既然认为小麦哲伦云中的所有仙王座变星到地球的距离大致是相同的，在这种情况下，可以不考虑距离。如果发现小麦哲伦云的一颗星比另一颗星亮，那我们就该明白我们就可断定我们感觉较亮的那颗星一定是两颗中较大的，而且事实上也是如此。
李维特发现在小麦哲伦云中，仙王座变星越明越亮，其变化周期越长，发光度与周期之间存在着一致的关系。
那么，假如你知道某特定的仙王座变星的距离，就可测得它的周期。根据这些条件，你可以确定它的发光度，并得到由李维特发现的发光度周期曲线图。
那么，你可以研究任何其他的仙王座变星。根据它的周期，通过李维特的曲线图，可知道它的发光度，再以此为根据，可得到天空中这样亮度的星星的距离。用这种“仙王座变星的标准”可测量星星的距离，但因距离太远而产生了测量误差。
可是，我们明白，由于视差，即使是最近的仙王座变星也因为离我们太远而无法确定它的距离，所以我们没有距离图表，而它必须是首先建立的。
然而，在1913年，赫茨希普鲁（发现了红色巨星）通过细致的推理，设法解决了一些无视差的仙王座变星的距离，这样就建立了标准。
在1914年，美国天文学家哈洛·夏普利把标准应用于他指定的不同的球状星团中的仙王座变星。他得到每个星团的距离，然后在它们各自的方位和距离上设计了它们的模式。这给他提供了所有球状星团的三维模型，他发现该模型形成了一个近似的天体球，它的中心在人马座外几千光年处。
夏普利认为球状星团的范围在银河系中心，因而好像离我们很远，这一假设是合理的。事实上，他过高地估计了距离，如今，我们知道太阳不是位于银河系中心或中心附近，而是向一侧偏3000光年。
既然是这样，为什么我们没觉得银河在人马座方向上比在其相反方向上要亮得多？事实上，某种程度上，银河在人马座方向上要比在其他方向上亮且复杂，但是我们不能看到银河系中心和边缘。在银河中杂乱分布的暗星云掩盖了那个方向上的绝大多数星星。
也就是说，我们看天空时所看到的只是银河系的相当小的部分，它构成了距太阳系最近的外部区域——我们的邻居。如果只考虑银河系的这部分，那我们就位于它的中心附近，但是我们离它的实际中心还很远。
3.太阳系：“银河”里的一滴水
太阳系是银河系中约1000多亿颗恒星系中的最普通的一个恒星系，如同浩瀚江河中的一滴水。太阳系位于银河系的边缘地带。可以说，银河系中心地带（银心）如果是城市的话，太阳系就位于远郊。在太阳系中太阳是惟一的发光发热的核心，是万物生灵的生命之源。迄今为止，太阳系家族中除太阳之外，还有9大行星——水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。这九“姐妹”绕其家长——太阳做不同轨道形式的多重旋转运行。它们都有自己的自转周期，也都有自己的运行姿态。
太阳系中除九大行星外，在火星轨道和木星轨道之间还有小行星带，它包含有上万颗小小的行星和碎片绕太阳旋转。除这些固定的家族成员外，还有远方的“来客”常来光顾太阳系——这就是陨星（陨石）和彗星。彗星分周期彗星和非周期彗星。
太阳系的九大行星绕日公转周期不同，经若干年后它们可以运行到太阳的一侧排在一条直线上，称九星连珠。如果其中有五颗运行到太阳一侧的一条线上，则称五星连珠。其中水、金、木、天王星四星连珠周期为36年。而木、土、金和海王星四星连珠的周期时间为19年。1999年，九大行星将以地球为中心点构成“十字架”形排列。
4.不断创造与破坏的混沌星云
大约在50亿年前，邻近地球的太阳星云（这个星的物质将要形成我们的太阳系）中有一颗质量比我们的太阳要大出许多倍的恒星，将要耗尽它核心部分的氢燃料时，由于缺少足够的能量来支撑自身，这颗恒星发生了坍缩。奇妙的是，这种坍缩产生了另一种类型的能量——重力势能，即使一个物体在重力作用下得以运动的那种能量。大量重力势能的释放，使恒星变得极其炽热，引燃了它的氦。在这个可怕的炼狱里，产生了从锂到铁的一切中等重量的元素。
后来，恒星的氦储备也耗竭了，其核心猛烈坍缩，发送出冲击波，穿过银河系的这部分空间。冲击波的能量快速地铸造出金、铀等重元素。把轻元素与中重元素转变为重元素的热核反应爆发出一颗超新星——犹如银河系中的原子弹。爆炸使恒星炸开，新生物质被抛射到外面的星云中去。随着超新星的爆炸，可怕的冲击波通过粉碎、压缩作用，产生了巨大的恒星云。
在附近的恒星云中，有一个恒星云变成了我们的太阳系。冲击波引起了不可思议的扰动，释放出各种类型的能量。重力把移动物体朝里面拉，发出重力势能。尘埃与气体颗粒越来越接近，小粒子形成大颗粒，同时释放出动能。运动中的物体具有动能，一旦静止不动时，动能就要释放出来。在宇宙碰撞事件中，动能是非常重要的角色。
几种过程互为补充，形成了我们的太阳系。重力继续不断地把物质吸引到星云的核心，进一步增加了它的重力。角动量（自旋物体的旋转能）使星云转得越来越慢。星云的大部分质量集中于其中心，剩余的一部分质量形成一个巨大的碟子，向外作螺旋运动。碟子里储存着太阳系的全部化学元素，包括“大爆炸”开始时的氢与氦，加上多次超新星爆发时生成的元素。制造生命的材料——简单有机分子在星云里也有。
太阳星碟不断分崩离析，一阵阵新释放的能量爆发使温度缓慢升高。大约5000万年以后，星碟核心达到极高温度，开始了由氢聚变为氦的热核反应。太阳燃烧起来了。
在燃烧的恒星中，气体压力大大增强后，重力坍缩停止了。太阳星碟中的温差很悬殊，从中心温度的20000℃以上直到边缘的-270℃，后者就是我们太阳系外缘目前的温度。物质在逐渐冷却的星碟中凝聚，重力把最重的元素集中到中心。这些金属与岩石化合物成了内行星的组成成分。与此同时，太阳附近较轻的气态元素汽化而挥发了。在星碟较冷的外缘，挥发物较为稳定，它们互相化合，产生了水、甲烷、氨等化合物。
在太阳星碟内部，分子碰撞后聚合成颗粒，后者又会产生砂砾、岩石与球石。物体增大以后，它们的撞击烈度也有所增加。千万年过去了，卵石成了微星，岩石的直径也可达到数十公里。较大的微星，其引力场已经相当强，足以吸引较小的物体。这样演变的结果，最后留下的只有庞然大物，而它们之间的碰撞逐步形成行星。内行星的生长、增大正是通过星碟内部不断添加金属与岩石而成。外行星则是由太阳系外缘部分的岩石与冰块的微星聚合而成的。
我们的太阳与行星大体上是在46亿年前同时形成的。科学家们认为行星的聚合需要1亿年左右，较大的外行星更长些，而较小的内行星则稍短些。
5.太阳的家族：地球的直系亲属
太阳的行星族很自然地分为两个截然不同的群组——4个“小行星”——水星、金星、地球和火星，它们的体积小，离太阳也近；4个“大行星”——土星、木星、天王星和海王星，它们体积大，且离太阳很远。
水星是所有行星中离太阳最近的，接下来是金星。这两颗星的轨道位于地球的轨道和太阳之间。正如从地球上看到的那样，这两颗星绕太阳的圆周相对小些，在天空中必然出现在离太阳较近的地方，因此只能在凌晨（如果它们刚好在日出前升起）及晚上（如果它们恰恰在日落后降落）作为“晨星”或“昏星”被看见。古时候的人可不是都能认清同一颗行星既能在早晨出现、又能在晚上出现这个事实的，于是给不同时间出现的它们起了不同的名字。早晨出现的金星，希腊人称作“启明星”，罗马人称作“晓星”（“明亮之星”），而晚上出现的金星，希腊人和罗马人都称之为“长庚星”。
接下来，除地球以外，从太阳朝外向空间行进的是火星——小行星的最后一颗行星。火星、水星、金星都比地球小。金星只比地球小一点点。
小行星群最外面的火星的轨道和大行星群最里面的木星的轨道之间有一条很宽的空间。这空间不是空无一物，而是布满了成千上万颗小行星的轨道。没有一颗小行星比地球大。最大的谷神星，直径只有480英里。直径大于100英里的据知只有4颗。水星、金星、火星在远古时期便为人所知了，小行星们却是在19世纪才进入天文学领域的。谷神星，是小行星中的第一颗，也是最大的一颗，是1801年1月1日由皮亚齐发现的。
小行星之外是4颗大行星，即木星、土星、天王星和海王星，它们一般都比地球大。最大的木星，据桑普森（Sampson）测得，直径有88640英里，或者说有地球直径的11倍多，在木星内填满1400个地球后还有空隙。土星排在第二，仅比木星小，直径大约为7万英里。这两颗星到目前为止是行星中最大的。其他所有的行星滚成一个球也只有土星的1/5大。所有这些行星再加上土星也只能滚一个比木星一半稍大些的球。
尽管太阳系最外端的天王星和海王星比木星和土星小得多，但每一颗也有地球的4倍大。木星和土星在天空中那样引人注目，很早就为人所知了。天王星和海王星则是近期才发现的。1781年，威廉·赫歇尔偶然地发现了天王星。当时他正毫无目的地通过他的望远镜观察天空，希望发现天空中什么有趣的东西。与之相反，海王星却是1840年经数学的复杂推算而被发现的，那个时候，很多人都把这看作是自牛顿时代以来人类才智的重大胜利。荣耀应归属于两个人：一个是英国人约翰·亚当斯，他后来是剑桥大学的天文学教授；另一个是法国天文学家勒威耶。他们都认为天王星运动的过程中有一颗外部行星的引力在起作用，于是都着手计算这颗假设的外部行星的运行轨道以解释这种奇想。两个人都算出了这条重要的轨道。虽然计算不是太精确，但对于找到这颗假设的新行星在天空中的行踪是够准确的了。
亚当斯先完成这项计算，并告知剑桥的观察家们新行星应当存在的那部分天空。而在剑桥的观察家们确认之前，勒威耶已完成了他的计算，并将结果告知他在柏林的助手加耳。加耳当天就确认了这颗行星，因为柏林当时拥有的探究那部分天空的星表比剑桥的要好。
早在1772年，圣比德就指出了从太阳到各行星间距离的一个简单的数字关系。如下所示：先写下一系列数字01248163264128.从第二个开始，后面一个是前面一个数的倍数；然后把每个数字乘以3，便得到03612244896192384；再把每个数加4，得4710162852100196388.这些数字非常接近从太阳到各行星实际距离的比例（以地球的距离为10）。这些距离是：水星3.9、金星7.2、地球10.0、火星15.2、小行星26.5、木星52.0、土星95.4、天王星191.9、海王星300.7.
这个定律在发现天王星、小行星或是海王星之前就宣布过，因此值得注意的是，当天王星和小行星们被发现时，它们的位置竟与预测的位置相吻合。可另一方面，海王星完全不符合这条定律。严格地说水星也不符合。因为这一系列最初的数字01248是以人为的方式开头的。真正的算术系列应当是1/21248……每一个数是前面数字的2倍，这样算出的水星距离是5.5，而实际距离才是3.9.
到目前为止，还没有对圣比德定律作过解释。这很可能只是一种巧合，它本身就没有根本合理的解释。
最外层的行星离太阳的距离非常远。海王星离太阳的距离是地球的30倍，在海王星上如果有居民的话，他们只能从太阳那里得到地球上面居民所得到的阳光和热量的9/100.
如果这是它惟一的热源，那么可以计算出海王星表面的温度会是很低的，大约为-220℃。但也可能它有内部热源，这将使它表面温度高一些。最近我们将地球上接收到的木星极其微小的热量进行了测量，得知木星表面的温度为-150℃，这刚好和太阳维系它的热量相当。另一方面，类似的测量表明土星和天王星的表面温度分别是-150℃和-170℃，如果除了太阳的辐射外再没有其他热源的话，两者的温度都比预料的高些。可能因为内部热源都很小，所有的大行星都很冷，上面也不可能有大海和河流，因为所有的水都会冻成冰。大气层里也不会有雨和水蒸气。据说遮掩着木星表面的云中可能凝聚着二氧化碳的颗粒或沸点比水的冰点低得多的其他气体。
小行星的物理条件与我们熟悉的地球相似。火星比地球要稍冷一些。它的1天是24小时37分，只比地球的1天稍长些，因此它的表面也经历了温暖的白天与寒冷的夜晚的交替，与地球相似。在赤道地区，中午温度能升到冰点以上不少，可达50℃，甚至更高。但就是这个地区，在太阳下山后某段时间里，温度就降到冰点以下，到第二天，气候非常冷。极区自然还更冷些，极顶峰的雪冠有些地方大约有-70℃或-94℃至-126℃的霜。
金星，因为离太阳最近，因此肯定比地球的平均温度高。但是因为它的每个白天和黑夜的交替都相当于地球时间的几个星期，白天和夜晚的温差就比我们的大得多，白天极热，夜里极冷。夜晚温度大约-25℃或-13℃。金星表面任何一点上都经历几周的严寒与几周的酷热的交替。
水星离太阳如此之近，因此平均温度比地球高得多。水星总是同一面朝太阳，就像月亮总是同一面朝地球一样。这样，不受热的一面肯定特别冷，受热面特别热。拜提特和尼科尔森推算水星受热半球的温度大约为350℃或662℃。这是能把铅熔化的温度。水星的另一半不受热，又是永久的黑暗，可能比我们能想像的任何地方都冷。
伽利略发现了木星的4颗卫星之后紧接着就发现，除了轨道在地球轨道以内的金星和木星外，所有的行星都有卫星。1655年，惠更斯发现了土卫六。它是土星卫星中最大的一颗。到1684年盖斯尼又发现了4颗。然后间隔了整整一个世纪后，1787年，威廉·赫歇尔发现了天王星的两颗卫星，1789年又发现了土星的两颗卫星。
