目錄

01  半人馬座 α / 1

1.1  什麼是三體問題？ / 2

1.2  一群由於低薪纔找到工作的女士如何推開恆星世界的大門？ / 9

1.3  真實的三體世界有沒有可能存在生命？ / 14

1.4  如果真有三體人，他們應該是什麼樣子？ / 22

02  天狼星 / 27

2.1  為什麼說天狼星是夜空中亮的星？ / 28

2.2  人類如何揭開恆星的演化之謎？ / 32

2.3  是誰發現白矮星並非恆星死後的結局？ / 39

03  飛馬座 51b / 43

3.1  人類如何發現繫外行星的新大陸？ / 44

3.2  人類如何尋找類似於地球的金發女郎行星？ / 49

3.3  為什麼說塔比星是銀河繫中神秘的恆星？ / 56

3.4  我們是否生活在一座宇宙中的孤島？ / 62

04  北極星 / 67

4.1  北極星為什麼無法永遠霸占夜空的 C 位？ / 68

4.2  北極星有哪些鮮為人知的秘密？ / 73

4.3  是誰打開了現代宇宙學的大門？ / 78

05  獵戶座 α / 85

5.1  死期將至的恆星會變成什麼樣子？ / 86

5.2  人類如何測出個太陽繫之外的天體的大小？ / 91

5.3  如果獵戶座 α 現在就變成一顆超新星，會對地球有何影響？ / 96

06  PSR B1919 21 / 101

6.1  脈衝星的發現背後有著怎樣的傳奇故事？ / 102

6.2  脈衝星的真面目是什麼？ / 109

6.3  是否存在比中子星更致密的天體？ / 115

07  天鵝座 X-1 / 121

7.1  為什麼說 X 射線天文學的建立，是一個無心插柳柳成蔭的故事？ / 122

7.2  人類了解和發現黑洞的過程中，有著怎樣漫長而曲折的故事？ / 128

7.3  人類如何意識到黑洞並不是完全黑的？ / 137

7.4  落入黑洞監獄的人會遭遇怎樣的命運？ / 143

08  蟹狀星雲 / 151

8.1  人類怎樣揭開蟹狀星雲的神秘面紗？ / 152

8.2  人類探究超新星起源之謎的過程中，有著怎樣錯進錯出的故事？ / 158

8.3  人類如何把Ⅰa 型超新星變成標準燭光？ / 165

09  鷹狀星雲 / 1

序言

故事得從 2017 年說起。那年夏天，我開始規劃一場名為“宇宙奧德賽”的遨遊整個宇宙的旅行。

下圖就展示了這場宇宙奧德賽之旅的整體規劃。在旅程的前半段，我們將從地球出發，按照由近及遠的順序，依次遊歷太陽繫（行星世界）、銀河繫（恆星 世界）和河外星繫（星繫世界），並終到達宇宙的盡頭。在那裡，空間和時間發生了交彙，從而把我們帶回了時間的起點。所以在旅程的後半段，我們將從宇宙創生的那一刻出發，順時間長河而下，依次探尋宇宙起源、生命誕生和宇宙命運的神奇奧秘，並終回到今天的地球。當旅程結束的時候，我們就能真正了解人類終極的三大問題——我是誰？我從哪裡來？我將往何處去？——的答案。

2018 年 10 月，宇宙奧德賽繫列的本書《宇宙奧德賽：漫步太陽繫》正式出版。此書拿到了 2018 年科普新書榜的季軍，並收獲了豆瓣評分 9.1 的良好口碑。這讓我感受到了不小的壓力，同時也獲得了極大的動力。

此後，我一直在自己的新浪微博（ID 是“王爽 _ 宇宙奧德賽”）上更新宇宙奧德賽之旅第二季的內容，共寫了 32 篇原創的科普文章。讓我覺得相當驚喜的是，其中每篇文章的微博閱讀量都超過了 100 萬，進而讓整個 # 宇宙奧德賽 # 的話題閱讀量超過了 5.5 億。我對這 32 篇文章進行了大規模的修訂，並補充了 8 篇全新的文章，這就是你現在看到的這場環遊宇宙之旅的第二本書《宇宙奧德賽：穿越銀河繫》。

如果說本書是一場關於太陽繫的行星世界之旅，那麼第二本書就是一場關於銀河繫的恆星世界之旅。我們將遊歷 12 個位於銀河繫內、經過精挑細選的景點，依次是半人馬座 α、天狼星、飛馬座 51b、北極星、獵戶座 α、PSR B1919 21、天鵝座 X-1、蟹狀星雲、鷹狀星雲、赫爾斯 - 泰勒雙星、人馬座A* 和銀河繫全景。

這些景點的挑選標準有兩個：①從銀河繫出發，位置由近及遠；②能全面展示不同類型的恆星。通過這場旅行，你就能盡情領略銀河繫內的一些有代表性的美景。

更為重要的是，本書為你呈現的並不是一些關於銀河繫的碎片化知識，而是一個關於銀河繫的完整知識體繫。借由 40 個精挑細選的主題，我將帶你了解這12 個銀河繫景點在人類文明史上扮演過什麼重要角色；與哪些重大的科學事件有關；如何改變人類對整個宇宙的看法；又與我們的現實生活存在怎樣的聯繫。

除了致力於構造一個關於銀河繫的完整知識體繫以外，本書也繼承了前作的幾個主要的特色：①問題引導，每一節都在回答一個關鍵的問題；②故事驅動，書中穿插了海量的科學家的逸聞趣事；③內容可視化，全書幾乎沒有數學公式，所有知識點都轉化成了可視化的物理圖像，進而用貼近生活的類比來加以解釋。

至少在我看來，與前作相比，本書在寫作技巧上有了長足的進步。我刪掉了以前愛寫的大段大段的人物傳記，讓故事讀起來更為流暢。此外，我也嘗試在講故事的過程中注入更多的情感，進而引起讀者的思考和共鳴。相信你可以感受到此書中傾注的心血和誠意。

準備好了嗎？那我們就出發吧。

是誰打開了現代宇宙學的大門？

讓我們從一個故事講起。

1920 年，美國政府在馬薩諸塞州的劍橋郡搞了一次人口普查。一個人口普查員走進了一個比較貧窮的社區，然後挨家挨戶調查這裡住了多少人，以及這些人都從事什麼職業。

他敲開了社區中一戶人家的房門，看到了一對相依為命的母女。那個女兒是一個聾女，費了好大勁纔搞清楚這個人口普查員的來意。當被問到自己職業的時候，她的回答是“科學家”。

普查員當時就笑場了。在那個年代，科學家是男人的專屬領地。他根本無法想像，一個住在貧窮社區的聾女竟然還能當科學家。

但這個人口普查員不知道的是，他嘲笑的這個聾女，是整個人類歷偉大的女科學家，沒有之一。

在以往的宇宙奧德賽之旅中，我們總是同時講好幾個科學家的故事。這是因為一個具有歷史意義的重大科學問題，往往要靠好幾個著名科學家的接力，纔能夠得到解決。但在本節，我們將隻講一個人的故事。

她叫亨麗愛塔·勒維特（圖 4.13），現代宇宙學之母。她是歷史上一個能被稱為某個大學科之母的人。

1868 年，勒維特出生在美國馬薩諸塞州的一個牧師家庭。20 歲那年，她通過了嚴苛的考試，考入了拉德克利夫女子學院（著名的七姐妹學院之一，後來被哈佛大學合並）。1892 年，勒維特順利畢業，拿到了自己的學士學位。隨後按照當時的傳統，她坐船到了歐洲，開始了自己的畢業旅行。

但天有不測風雲。在這場旅行中，一場突如其來的大病損壞了她的視力和聽力。雖然她的視力後來得到了好轉，但是她的聽力卻每況愈下，直至終失聰。在此後近 30 年的時間裡，她一直都處於病魔纏身的狀態。

旅行歸來後，勒維特決定繼續攻讀天文學碩士學位。她於 1893 年加入了愛德華·皮克林掌管的哈佛大學天文臺，成為一名“哈佛計算員”（圖 4.14）。

但不幸的是，勒維特的健康狀況嚴重拖累了她的學業。由於體弱多病，勒維特隔三岔五就得請病假，這讓她的科研工作變得支離破碎。當然，這也讓她的導師皮克林相當不滿。1896 年，勒維特意識到自己已經不可能完成學業，無奈之下，她選擇了放棄，離開了哈佛大學天文臺，這一走就是 6 年。

6 年後，也就是 1902 年，勒維特給皮克林寫了一封信。在信中，勒維特提到由於聽力障礙，她已經無法再勝任其他工作，因此想申請重回哈佛天文臺。皮克林同意了。

但這回，皮克林學聰明了，沒讓勒維特參與天文臺但這回，皮克林學聰明了，沒讓勒維特參與天文臺重要的恆星分類工作，而派她一個人去研究造父變星。

在 20 世紀初，人類連簡單的天上恆星有哪些種類都搞不清楚，就更別提異常復雜的變星問題了。在這種情況下，派一個人單槍匹馬地研究造父變星，無異於流放邊疆。

讓我們暫停一下這部關於勒維特的電影，用心去感受一下她重返哈佛大學天文臺時的處境。病痛，失聰，迫於生計隻好重返自己放棄碩士學位的傷心地，然後被不待見自己的老板發配到一片以前根本沒人踏足的科學荒原。

恐怕很少有人能走出這樣的絕境。

但這是我們與平凡女子亨麗愛塔·勒維特的後一面。此後發生的事，傳奇程度堪比摩西用手杖分開紅海。

從 1904 年開始，勒維特就以驚人的速度在麥哲倫星雲（圖 4.15）中不斷找到新的造父變星。她找得實在太快，以至於有天文學家專門致信皮克林：“勒維特小姐是尋找變星的高手。我們甚至來不及記錄她的新發現。”

1908 年，勒維特在《哈佛天文臺年鋻》上發表了一篇論文（圖 4.16），宣布自己在麥哲倫星雲中總共找到了 1777 顆造父變星（在此之前，人們找到的造父變星的總數隻有區區幾十顆）。這個驚人的數字立刻在天文學界引起了轟動，甚至得到了著名的《華盛頓郵報》的報道。

但這個引起轟動的發現造父變星的數字，與這篇論文中有價值的部分相比，根本不值一提。

在這篇論文的結尾，勒維特挑選了 16 顆位於小麥哲倫星雲中的造父變星，在一張表格裡列出了它們的光變周期（完成一輪明暗交替的時間）和視星等。對於這張表格，她留下了一句這樣的評論：“這值得關注，變星越亮則其光變周期就越長。”

4 年後，也就是 1912 年，勒維特對這個結論進行了完善。她挑選了 25 顆位於小麥哲倫星雲中的造父變星，把它們畫在了一張以亮度為 X 軸，以光變周期為 Y 軸的圖上。結果，這 25 顆造父變星恰好排成了一條直線。勒維特據此斷言，“造父變星的亮度與其光變周期成正比”。

為了理解這句看似平淡無奇的話在天文史上的分量，你可以想像一片被冰封了不知多少歲月的荒原，由於這句蘊含著巨大魔力的咒語，在眨眼之間就綻放出數以億計的美麗花朵。

這句話後來被稱為勒維特定律。正是這個石破天驚的勒維特定律，開啟了現代宇宙學的大門。

你可能會覺得有些不知所雲了：“為什麼如此簡單的定律能開創一個全新的學科呢？”答案是，它提供了一種全新的距離測量的方法，那就是著名的標準燭光。

為了介紹用標準燭光測量距離的基本原理，讓我們從一個在日常生活中頗為常見的現像說起。一根蠟燭，放在近處看就亮，放在遠處看就暗。這是因為，我們所看到蠟燭的亮度取決於由蠟燭發出並射入我們眼中的光子數目。射入的光子數越多，蠟燭看起來就越亮；反之，蠟燭看起來就越暗。

正如圖 4.17 所示，一根亮度保持不變的蠟燭，它所發出的光子總數也保持不變。這些光子會呈球形向外擴散。所以在某個地方，單位面積上接收到的光子數，與此處離蠟燭的距離的平方成反比。這意味著，我們在某個地方看到的蠟燭的視亮度，與此處離蠟燭的距離的平方成反比。舉個例子，如果距離擴大4倍，蠟燭的視亮度就會減小到原來的 1/16a。

這樣一來，我們就可以利用蠟燭測量距離了：首先，在一個距離比較近的地方放一根蠟燭，並測量它的距離和視亮度。然後，在一個距離特別遠的地方放另一根亮度相同的蠟燭，並測量其視亮度。後，利用視亮度與距離平方成反比的關繫，就能算出那個特別遠的距離了（圖 4.18）。

這個用蠟燭測量距離的原理，在天上同樣適用。為此，需要在天上找到一種特殊的天體，能同時滿足以下兩個條件：①它特別明亮，即使相距甚遠也能看到；②它的光學性質穩定，亮度固定不變。如果能找到這樣的天體，我們就可以把它當成蠟燭，來測量宇宙學尺度的距離。這種能當蠟燭用的特殊天體，就是所謂的標準燭光。

知道了標準燭光的概念，下面我們就可以來講講勒維特定律的意義所在了。

由於勒維特挑選的那些造父變星全都位於小麥哲倫星雲內，可以近似認為它們與地球的距離都相等。因此，隻要它們的視亮度相等，它們的亮度就一定相等。

勒維特定律說的是，造父變星的亮度與其光變周期成正比。這意味著，隻要選擇光變周期完全相同的造父變星，就能得到一批亮度完全相同的天體。所以勒維特定律意味著，造父變星滿足標準燭光的兩大條件，是一種真正意義上的標準燭光。這也是人類歷史上發現的種標準燭光。

標準燭光的發現，提供了一種全新的測量遙遠宇宙學距離的方法。或許你依然有疑問：“為什麼一種新距離測量方法的發現，就能開創現代宇宙學這門全新的學科？”我們將在本書的第 11.1 節，詳細介紹這個發現的意義。事實上，正是這個發現，動搖了哥白尼日心說。

關於勒維特，讓我們再多說幾句。非常悲哀的是，勒維特的故事並沒有一個圓滿的結局。

發現造父變星是標準燭光後不久，勒維特就因為胃部手術而再次離職。等她回來的時候，皮克林已經給她安排了一份新工作：測量北極星序，即分析北極星附近的 96 顆恆星的光譜。這是皮克林多年來鐘意也想完成的課題。

對一個管理者來說，派自己手下有能力的員工去應付自己覺得艱巨的挑戰，是一件再合理不過的事情。但對勒維特這種級別的天文學家而言，這個安排可謂荒謬透頂，相當於強迫正值當打之年的邁克爾·喬丹放棄自己的籃球生涯，去參加一個業餘的足球聯賽。更要命的是，身在屋檐下的勒維特根本沒有選擇的權力。從那以後，她就再也沒能回到標準燭光的研究。

而皮克林這個自私的決定，也讓全世界關於變星的研究倒退了好幾十年。

諷刺的是，盡管憑一己之力開創了一門後來養活了成千上萬名博士的全新學科，勒維特本人卻沒能拿到一張博士文憑。很多年後，她依然是一個薪水隻有男人一半的哈佛計算員。

1921 年，一直與母親相依為命的勒維特又病了。這回是無藥可救的癌癥。當年 12 月 12 日，她在一個雨夜中離去。在遺囑中，她把自己所有的財產都留給了自己的母親。這些遺產價值總計 31，隻夠買 8 條地毯。

去世後，勒維特被葬在了自己家族的墓地。她甚至無法擁有一個自己單獨的墓碑，而被迫和十幾個親戚擠在一起（圖 4.19）。這個墓碑很小，位置隻夠寫下她的姓名、生日和忌日。

這就是標準燭光的發現者、哥白尼日心說的掘墓人、現代宇宙學之母、人類歷偉大的女科學家後的結局。

100 多年過去了，現在亨麗愛塔·勒維特這個名字已經快被世人遺忘在歷史的塵埃裡。但我依然想寫一篇悼文，來紀念這位非凡女性經歷的種種苦難和榮耀。盡管病痛、失聰、貧窮、孤獨、被擺布、被輕視、被遺忘，她依然是照亮整個宇宙的永世不滅的燭火。