仰望天空，看见不同的宇宙

天空，是我们对地面之上空间的一个整体称谓。阳光来自天空，云彩在天空移动，群星在天空旋转......天空中出现的各种现象一次又一次地引发人类朴素的好奇：头顶之上，究竟都有些什么？

不妨把天空看作一块无比巨大的球幕，如果你躺在一片开阔地带视线朝上，天空能够覆盖你的整个视野，比任何屏幕都要更有冲击力。透过这个球幕，我们得以窥见宇宙的不同切面。

云彩与霞光：还属于地球

我们对于天空最广泛的印象，例如在白天看到的蓝天、白云、晚霞和红日等，本质上都跟地球大气有关。蓝天主要源自大气分子的瑞利散射，阳光本来包含各种波长的可见光，大气中的氮气、氧气等小分子会更强烈地散射短波长的蓝光，因此来自天空各个方向的光中蓝光占比较高，我们看到的天空就呈现蓝色。

白云的主要组成是地面水蒸气上升冷却后凝结成的大量微小水滴或冰晶，它们会相对均匀地反射与散射各个波长的可见光，因此呈现白色。当云层很厚时，光在其中经历多次散射后到达地面的比例降低，会使云底显得灰暗。

蓝天白云︱兹基派德

接受过现代科学教育的人应该都知道太阳是距离我们约1.5亿千米的一颗恒星，换句话说太阳就是我们平时最容易观察到的宇宙天体。结合地球自转，我们会在地面上看到日出日落，当日出后或者日落前，太阳光以很低的角度穿过大气，光线在大气中的光程相比其他时候要更长，在这一过程中，波长较短的蓝光等更容易被大气分子散射，直射到我们眼中的短波长光进一步减少，而红光、橙光等波长较长的光所占比例增加，因此太阳看起来会比白天其他时刻更加偏红。当角度合适时，这些来自太阳的红橙光会打到云底反射或者经大气散射传播到地面，我们就能看到日出/日落前后的火烧云以及霞光。

晚霞延时︱兹基派德

星座与天官：先民脑洞大

当夜幕降临，尤其是在远离了光污染的晴朗夜空下，我们看到的天空就是一扇直面宇宙的窗口，地球大气不再成为其中的阻碍。晴朗的夜晚天空里都有什么呢？如果没有任何天文学基础，你大概也没法说出个所以然来。不过在客观上，你可以首先感受到天空中有着数量确定但似乎又无法数清楚的星星点点，一些看着更大更亮，更多的则是有一种若有若无的模糊感。

熟悉了一圈后，你或许会开始尝试给天空中相邻的一些星星分门别类：这三颗星近乎成一直线；这几个能围城一圈；这七颗能连成勺子，等等。如果你的脑子里开始有这样的想法，恭喜你，这时候你和人类先民们至少在思维上同频了。

如今我们所看到的不同星座体系，都是不同文化，不同地域的人类先民在面对同一片天空时的思想结晶︱figures in the sky

当最原始的星空文化或者说星座成型以后，我们再去看整个星空，就不再是一些杂乱的星点，而是像一幅规整的地图一样，脑子里直接渲染出一幅星空地图，这一片是哪个星座，那一片是什么星座。这时候星座就可以充当指示天空位置的一种作用。

不管是哪个文化下的星空体系，本质上都是人类想象力的产物，看起来相邻的星星，在宇宙中的实际位置可能相距甚远，只是在地球的观察角度下被不同的人类文化赋予了本不存在的意义。

猎户座主要恒星在宇宙中的实际位置︱Ronald Davison

在人类自身的视力范围内，夜空的绝大部分星点都是距离我们不超过1万光年的恒星。

月球与行星：太阳系邻居

恒星距离我们足够遥远，因此不论是恒星自身的运动，还是我们在地球上位置的变化乃至地球的运动，都不会让我们感受到恒星相互间有肉眼可见的位置变化。有了恒星作为天空中的固定坐标，我们可以更直观地感受到一些太阳系邻居们的运动状态。例如月球大约每27.32天就会在恒星背景中绕行一周，这个周期也称为恒星月。行星相对恒星背景的运动则有顺行和逆行之分，这是以地球为参考系时产生的一种视觉效果，行星实际上一直都是朝着一个方向运动。

火星逆行︱Wikipedia@Eugene Alvin Villar

一般来说肉眼可见的太阳系天体有太阳、月球、水星、金星、火星、木星和土星，这里面距离地球最近的是约38万千米的月球，最远的是约15亿千米（9~11天文单位）的土星。有时候这些邻居看起来聚集在一小块天空中，有人称这种现象为「多星连珠」。

整整16年后的2040年9月9日傍晚，西方天空将会上演五颗行星+月亮的「六星聚会」丨Stellerium模拟

银河与星系：星海中孤岛

在夏季仰望星空，除了群星之外通常可以见到一条横贯天空的朦胧白色光带。初看时像云，仔细观察后会发现其中有明暗变化与结构特征，这就是银河。银河在古代世界的神话传说中曾以河流，乳汁等意象出现，直到望远镜时代，人类观察放大之后的银河，才意识到那都是密密麻麻的恒星，只是肉眼无法分辨，形成了朦胧的有如液体的观感。

太阳系和银河中的无数恒星共同归属于一个叫做银河系的巨大天体系统。银河系直径约10万光年（1光年≈9.46万亿千米），包含上千亿颗恒星，整体呈现出巨大的盘状旋涡结构。银河系自中心向外延伸出数条旋臂，太阳位于其中一条旋臂上。我们身处银河系内部向外看到恒星密集分布的盘状区域，对应的就是夜空中横贯天际的银河。

在仙女座天区，人类很早就注意到一个有着模糊光斑外观的天体，最初认为只是又一片普通的星云，其本质直到20世纪初才被正式揭晓：1923年天文学家埃德温·哈勃观测到仙女座方向这团模糊光斑之中有一颗造父变星，通过跟踪造父变星的光变周期[1]，哈勃确认了这团光斑并不在银河系内，而是与银河系等量齐观的另一个星系，也就是我们如今熟知的仙女座大星系。

图︱NASA

仙女座大星系距离银河系约250万光年，这中间没有任何体量相近的星系，宛如茫茫星海中的两座孤岛。

仙女座大星系（图片中央），银河局部（图片左侧条带），英仙座流星（右侧光迹）︱逐星科技

纤维与空洞：大尺度结构

20世纪末21世纪初，天文学界组织开展了一项名为斯隆数字巡天（SDSS）的观测项目，对大范围天空进行成像，首先确定大量星系在天空中的二维位置，再通过光谱观测测量这些星系的红移，从而估算它们与我们的距离。

基于SDSS数据绘制的宇宙三维地图，中心位置为地球︱astrobites.org

项目最终得到一幅三维星系分布图，结果显示星系在空间中的分布并非随机，在引力作用下星系聚集为星系团，多个星系团组成超星系团，多个超星系团连接形成如同纤维的长条结构，而一条条「纤维」相互交织构成立体网络，也称宇宙网（Cosmic Web）。把宇宙网看成一块巨大的海绵，那么海绵纤维就是星系聚集的结果，而纤维之间的空腔是宇宙空洞，代表着星系和物质密度明显偏低的区域。

计算机模拟宇宙物质如何在引力作用下形成宇宙网︱National Center for Supercomputer Applications

包含众多纤维及空洞的宇宙大尺度结构跨度通常可达上亿乃至十几亿光年。

宇宙背景图：起点与尽头

由于光传播需要时间，当我们观察更大的宇宙尺度，其实也在回顾宇宙的过去。我们所见上亿光年外的天体，实际是它上亿年前的样子。当我们把视线推向极限，我们最终会遇到一片特殊的「光」——宇宙微波背景，简称CMB。它并不是某一个遥远的天体发出的光，而是覆盖整个天空各个方向都能观测到的微弱微波辐射信号。

宇宙微波背景地图︱WIkipedia@Pablo Carlos Budassi

CMB产生于宇宙诞生大约38万年之后，此前的宇宙温度极高，物质主要以等离子体的形式存在，光子不断与自由电子发生散射，宇宙整体上是不透明的。随着宇宙膨胀和冷却，电子与质子结合形成中性原子，光子在宇宙诞生后约38万年这个时间点第一次能够自由传播，经过130多亿年的宇宙旅行，最终抵达地球。

在130多亿年的时间里，宇宙一直在膨胀，CMB作为宇宙第一缕光如今与我们的距离已超过450亿光年[2]，接近可观测宇宙的465亿光年半径。在这个意义上，CMB可以视作我们目之所及的宇宙尽头，也是我们目前能看到的宇宙最早的样子[3]。

参考&拓展

[1]造父变星的光变周期与其自身光度存在稳定的相关关系，通过分析光变周期长短可以反推恒星光度，进而确定距离

[2]CMB的红移量z≈1100

[3]通过中微子和引力波理论上可以了解到更早期宇宙的信息

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