Our place in the universe
这学期选修了一门天体物理及天文学入门，但是学习的效率不是很好，不如把我的天文笔记放在网站上好了。
该课程基于《The Cosmic Perspective, 7th edition》的内容编写，图书作者为 Bennett, Donahue, Schneider & Voit。
首先先来了解一下天文学中一些常见的名词吧。
Star(恒星)：一个巨大、发光的气体球，通过核聚变产生热和光，比如我们每天都会见到的太阳就是一颗恒星(要是你所在的地方天天下雨当我没说)
Planet(行星)：行星是围绕恒星运行的中等大小的天体；它通过反射光发光。行星的组成成分可能是岩质、冰质或气态。我们就在地球这颗行星上面。
Dwarf Planet(矮行星)：比行星小，比小行星大的天体，主要区别是不能清理自己轨道上其它天体。
Asteroid(小行星)：围绕恒星运动的相对较小的多岩多天体，通常呈非球形，因为它们的引力不足以把它们压成球形。
Comet(彗星)：围绕恒星运动的相对较小的天体，主要成分是冰。当彗星过度靠近恒星时，恒星的热量会使冰块融化形成好看的“彗尾”。
Moon or Satellite(卫星)：围绕行星或者矮行星转圈的天体，一般来说将人造卫星称作 Satellite。(S.A.T.E.L.L.I.T.E)
Solar System(太阳系/恒星系)：一颗或多颗恒星以及所有绕着它(们)转圈的物体，包括行星和它们的卫星。
Nebula(星云)：由气体和尘埃组成的一大团天体，覆盖半径都是以光年为单位，超大(英文里面就说 Nebula is interstella cloud，星云是星际云，何哇为？)。
Galaxy(星系)：宇宙中的一个巨大岛屿，由平均 10^11 颗恒星组成，所有恒星都因引力聚集在一起，围绕着一个共同的中心转圈。
Cluster/Group of galaxies(星系团/星系群)：由引力束缚在一起的星系集合，星系群(group)包含的星系数量 <= 50，星系团(cluster)包含的星系数量 > 50
Supercluster(超星系团)：宇宙中的一个巨大的区域，其中星系群/团比其它地方更密集的聚集在一起。
Universe(宇宙)：所有空间、时间、物质、能量的集合。(根据质能方程，物质和能量是同一种东西的不同表现形式)
好了，我们已经初步了解了天文相关名词的基础概念了，现在让我们进入学习我们在宇宙中的位置、时间，以及我们是如何认知的。
比如说，我现在就在学校的图书馆中写这篇笔记，假如说我想要知道这个图书馆在十几年前是怎样的呢？我可以去查看这个图书馆的旧照片和录像来了解。但是在宇宙中，早在人类文明发展之前，那个时候可没有人会拿着相机和天文望远镜到处拍照呢，我们要如何知道宇宙在过去的样子呢？
Look-Back-Time(回顾时)：众所周知，在宇宙中传播信息最快的方式就是光速，3 x 10^8 m/s，但相比宇宙广阔无垠的空间来说，这个速度只能算很慢了……打个比方，太阳距离地球为 1 AU(天文学家们把 1 AU 定义为一个地日距离，是基本的天文单位之一)，用光速衡量的话就是 8 光分，也就是说，如果太阳此时此刻发出一束光，我们要在 8 分钟之后才能看得到，所以我们在地球上看到的太阳的影像就是太阳 8 分钟前的样子，这个 8 分钟就被我们称作太阳相对我们的回顾时。
那么，如果我们把这个回顾时应用到更远的天体呢？比如天空中最亮的星 Sirius，它到地球的距离是 8 光年，那么它的回顾时是 8 年，我们看到的是它 8 年前的样子。再远一点呢？比如说我们所在的银河系的好邻居 Andromeda Galaxy(仙女座星系)，相距我们 2,500,000 光年，所以我们看到的 Andromeda Galaxy 实际上是它二百五十万年前的样子……
我们看向更遥远的距离，就像回望更久远的过去。
通过观测遥远的天体，天体物理学家们得以回溯到遥远的过去，研究早期宇宙。对于任何天体，回顾时(LBT)是指宇宙当前年龄与光线离开该天体时宇宙年龄之差（即我们在地球上探测到光线的时间与光线最初由该天体发出的时间之间的时间间隔）。
Light-Year(光年)：光走一年的路程，可以近似看作 10^13 km。
那么，我们能观测到全宇宙吗？很遗憾，并不能。宇宙的年龄约为138亿年，理论上说，我们最多能看到距离我们 138 亿光年的天体，但是由于宇宙空间自身也在不断的膨胀，天体在不断的远离彼此，所以天体被我们观测时，当初发光的天体现在已经退行到了更远的地方。目前，可观测宇宙的边缘估计在460亿至470亿光年之外，这意味着可观测宇宙的直径约为930亿光年。
通常来说，宇宙所用的单位都很大，大到我们生活中一般很少或几乎从不接触，所以我们对这么大的单位也丝毫没有概念。因此，在这个部分，我将从我们身边熟悉的天体举例来帮助我们了解天文数字的概念，再逐步推进了解星系之间距离的概念。
如图，在大多数科普书中，这样展示太阳系结构的图片都非常常见，然而让人遗憾的是，这些图片全部都是错的——如果你考虑到恒星、行星的大小和它们彼此之间的距离的话。为了方便大家结合生活实际使用的单位，我将接下来使用 1:10^10 的比例来分析天体的半径以及彼此之间的距离。
太阳，太阳系中的恒星(废话)，其直径是 1.39 x 10^9 m，在我们的 1:10^10 比例模型下，它的直径就只有 14 cm 了。地球的直径是 1.275 x 10^7 m，转换为 0.12 cm，它们之间的距离为 1 AU，转换为 15 m。
所以，为了理解地日之间的关系，你可以想象地上有一个直径为 14 cm 的葡萄柚或者雪球，在距离这个物体 15 m 外的地方，有一颗圆珠笔的圆珠正在绕着这个物体滚动。
在天文中，比例被经常使用，例如地球的直径是太阳的 0.009 倍，写作 D_earth = 0.009 D_Sun，木星的直径是太阳的 0.1 倍，写作 0.1 D_Sun，所以使用比例我们可以轻易得出木星的直径大概是地球的 11 倍。
| Scaled | Dia(cm) | Distance(m) |
| Sun(太阳) | 14 | 0 |
| Earth(地球) | 0.12 | 15 |
| Mars(火星) | 0.06 | 23 |
| Jupiter(木星) | 1.4 | 78 |
| Saturn(土星) | 1.2 | 142 |
| Uranus(天王星) | 0.5 | 287 |
| Neptune(海王星) | 0.48 | 449 |
这个表格列出了在 1:10^10 比例尺下太阳系各恒星和行星的直径和相对太阳的距离。你可以假想一个广阔的广场，在广场中心有一个葡萄柚，然后在几十几百米外才有一些玻璃珠大小的玩意，然后还要注意这些物体彼此之间只有虚空连接……
如果我们用这个 1:10^10 的模型应用在别的地方呢？比如距离太阳最近的恒星南门二呢(Alpha-Centauri)？它距离太阳距离大概为 4.4 LY，转换到这个模型大概就是 4400 km 了……在广州的一个广场或者草坪上有我们可爱的太阳系，但最近的恒星得去西伯利亚找了……
在银河系这个百万恒星的集合中，1:10^10 的比例尺已经远远不够用了，我们就应该使用 1:10^19 的比例尺了，在这个比例下，1 mm 约等于 1 LY，那么之前提到的太阳到南门二的距离就缩减到 4mm。这时的银河系大小约等于一个足球场加上外面的 400 m 跑道，里面的每一粒尘埃都代表着一颗恒星。
宇宙存在的时间尺度也因为过大而很难理解，比较宇宙的年龄有 135 亿年的说。如果把宇宙从诞生到现在压缩到一张年历里面，我们大概可以看到这些主要事件的时间占比。
这就是 Chapter 1 的主要内容了，最后送给大家一句我很喜欢的话，能让我感到天文的浪漫气息和自己的渺小：
“地球这样的行星，是产生不了重元素的，你身体里的铁，来自璀璨的超新星爆炸” “血液里的锌，源自两次 中子星对 撞后喷射向宇宙的尘埃” “那微量的铜，更是需要见证一颗白矮星的死亡，即使是最微不足道的钴，也源自几十亿光年外的星云” “某种意义上讲，人类对星空怀有好奇，是正常的。”—— Carl Sagan
(当时高中在图书馆借到了他写的这本《Cosmos》熬夜也要看完)