第一节 宇宙
宇宙（universe）是天地万物，是物质世界。“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。宇宙是无限的空间和无限的时间的统一。在宇宙空间弥漫着形形色色的物质，如恒星、行星、气体、尘埃、电磁波等，它们都在不停地运动、变化着。当代最大的光学望远镜已可观测到 200亿 l.y.（光年）的遥远目标（1l.y. ≈9.46×1012km），这就是现今人类所能观测到的宇宙部分，它只是无限宇宙的一个小小局部。随着科学技术的发展，人类对宇宙范围的认识也将不断扩大。
一、宇宙中的天体和物质
宇宙的统一性在于它的物质性，即任何宇宙空间无一不是物质的或由物质构成的。但宇宙中物质的存在形式具有多样性，一部分物质以电磁波、星际物质（气体、尘埃）等形式呈连续状态弥散在广漠的空间；另一部分物质则积聚、堆积成团，表现为各种堆积形态的积聚实体，如地球、月球、行星、恒星和星云等。通常将包括星际物质和各种积聚态实体在内的所有宇宙星体通称为天体。在太空飞行的人造卫星、宇宙飞船、空间站和探测器等则一般称为人造天体。
（一）恒星
恒星是宇宙中最重要的天体，它集中了宇宙中相当部分的质量。恒星是由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。构造恒星的气体主要是氢，其次是氦，其它元素很少。我们的太阳就是一颗既典型又很普通的恒星。
拥有巨大的质量是恒星能发光的基本原因。由于质量大，内部受到高温高压的作用，导致进行由氢聚变为氦的热核反应，释放出巨大的能量，以维持发光。恒星的温度愈高，向外辐射能量的电磁波波长愈短，因而颜色发蓝；相反，颜色发红。恒星的质量相差不大，多在0.1～10倍太阳质量之间；恒星的体积却相差非常悬殊，大的恒星直径为太阳的2 000倍左右，小的恒星直径小于 1000 km，比月球还小；因此，恒星的平均密度相差也很悬殊。
恒星的距离都非常遥远。太阳是距地球最近的恒星，太阳光到达地球需走8分多钟；而距离太阳最近的恒星——半人马座α星（即比邻星）发出的光，到达地球需要走4.3a（即距离为4.3l.y.）。由于恒星间距离太遥远，以至在短时间内肉眼观察不出恒星间位置的相对变化，因而有“恒星”之称。但实际上所有恒星都在宇宙中以不同速度和方向运动着。如我们所熟悉的北斗七星，现在看起来排列得像勺子的形状，但在10万年以前和10万年以后形状却与现在不同，这是因为北斗七星各成员运动的方向、速度不同所造成的（图1.1）。
在地球上用肉眼观察到的恒星的明亮程度被称为亮度。古代人们将恒星的亮度分为6个等级，称为视星等。其中把15个最亮的恒星称一等星，而把正常视力所能辨认的最暗的
星称六等星。后来，由于光学和光学仪器的发展，人们测定了视星等和亮度的数量关系：即一等星比六等星亮100倍，视星等每差一等，亮度就差2.512倍。恒星的亮度受恒星到地球距离远近不同的影响，因而并不完全代表恒星本身的真正发光能力。恒星本身的发光能力被称为光度，光度的等级则称为绝对星等。
大多数恒星的特征是大同小异的，但有少数恒星在某些方面是与众不同的。如大多数恒星的光度在短时期内几乎是不变的，太阳就是这样。但是，有些恒星在几年、几日甚至几小时内就会发生明显的、特别是周期性的变化，这样的恒星叫变星。变星分三类，即几何变星、脉动变星和爆发变星。几何变星是指因几何位置变化而发生变光现象的变星。脉动变星是因为星体本身的周期性的膨胀和收缩而发生光度变化的变星，它们在膨胀的时候就变得明亮，反之在收缩的时候就变得阴暗。爆发变星是因为星体本身的爆发现象而发生光度突然变化的变星。普通的爆发变星叫新星，它们的光度在几天内突然增加而由暗星变为亮星，甚至由看不见的星变成明亮的恒星，以后在几个月到几年的时间内它们的光度逐渐下降到爆发前的状态。比新星爆发更为剧烈的星叫做超新星。一般来说，恒星的光度既同表面温度有关，也与表面积（体积）有关。在体积相似时，恒星温度愈高则光度就愈大；而在温度相似时，恒星体积愈大光度也愈高。有些恒星的温度并不很高，但由于体积大、密度低而具有很高的光度，这样的恒星称为巨星；另有一些恒星温度很高，但由于体积很小、密度很高而光度很低，这样的恒星称为白矮星。
（二）星际物质、星际云和星云
在恒星与恒星之间存在着极其广大的空间，称为星际空间。弥漫于星际空间的极其稀薄的物质称为星际物质。主要的星际物质有两类，即星际气体和星际尘埃。星际气体包括气态的原子、分子、电子和离子，其中以氢为最多，氦次之，其它元素都很少。星际尘埃就是微小的固态质点，它们的直径大约是10-5～10-6cm，它们分散在星际气体之中，其总质量仅占星际物质的1/10左右，它们的主要成分是水、氨和甲烷的冰状物以及二氧化硅、硅酸铁、三氧化二铁等矿物。星际尘埃能够吸收和散射可见光特别是蓝色光。因此，星际尘埃使得星光变暗和变红。
一般来说，星际物质是很稀薄的。星际物质的密度是用每立方厘米的质点数来表示的，一般不过每立方厘米0.1个质点。但是，在一些星际空间区域，其密度可以超过每立方厘米10个甚至1000个。使用现代的观测技术（例如射电和红外观测），人们能够发现这些区域，并且把它们称为星际云。
人类在发现星际物质和星际云以前很久就已经发现星云了。人们曾经把天空中一切云雾状的天体都称为星云。后来发现云雾状天体实际上有两种类型：一种是由星际气体和星际尘埃组成的；另一种是由大量恒星组成的。在近代天文学上，前一种称为星云，例如猎户座大星云；而后一种则改称星系，例如仙女座大星系。因此，今天所说的星云，实际上是星际物质的一种密集形式。同星际云相比较，星云是星际物质的更加庞大和更加密集的形式。
（三）天体系统和星系
宇宙中的物质是运动的，运动的主要方式是天体按照一定的系统和规律，相互吸引和相互绕转，形成不同层次的天体系统。比如，月球和地球构成地月系，地球是地月系的中心天体，月球围绕地球公转。地球和其他行星围绕太阳公转，它们和太阳构成高一级的天体系统，这个以太阳为中心的天体系统称为太阳系。太阳系又是更高一级天体系统——银河系极微小的一部分，银河系中像太阳这样的恒星就有1000多亿颗，这些恒星在本身运动的同时还围绕着银河系中心运动。银河系以外，还有许许多多同银河系规模相当的庞大的天体系统，称为河外星系（简称星系）。在人类现今所能观测到的宇宙范围内，大约存在着10亿个以上的这样的星系。这些星系大小不一，通常由几十亿至几千亿颗恒星组成。通常，把我们现在观测所及的宇宙部分称为总星系，它是现在所知的最高一级天体系统。
二、宇宙中天体的相对位置
（一）天球
地球以外的天体，距离我们的远近极其悬殊。但是，人们有这样的印象：日月星辰看上去似乎是一样遥远的，一切天体似乎都位于一个以观测者为中心的球面上。根据这样的印象，天文学上为了研究天体在天空中的位置和运动，引进了一个假想的圆球：它的球心就是观测者所在的地球的中心，它的半径是无穷大的。这个圆球称为天球。这样，地球以外的天体在天球上都有各自的投影位置（图1.2）。
地球的自转轴无限延长，同天球球面相交于两点，这叫做天极；与地球的南、北极方向相同的两个极分别称为南天极和北天极。地球赤道平面无限扩大，同天球相交的大圆，叫做天赤道（图1.3）。有了天极和天赤道，天球就可以定出自己的经线和纬线，分别称为赤经和赤纬。于是，人们说明天体在天球上投影的位置就方便了。
（二）星座
为了便于认识恒星，人们把天球上的恒星分成若干群落，每个群落的恒星都有自己独特的形状并占据一定的空间，这样的恒星群落称为星座。古代人把星座中一些较亮而邻近的星联成图形，结合神话中的人物或动物为星座命名，这些名称一直沿用到现在。按照国际上的标准，全天可分成88个星座。为了便于了解主要星座的相对位置及其恒星的排列，可把天球的球面按赤经的不同分成四个星区，每个星区跨赤经6时（或90°），各以0、6、12和18时的时圈为中央时圈，并且以3、9、15和21时的时圈为界线。四个星区可根据各自代表性星座分别称为仙后星区、御夫星区、大熊星区和天琴星区，简称“后、御、熊、琴”，四大星区的共同交点就是天北极或者北极星。将不同星区的主要星座及其恒星排列投影到相应位置后，可得到“四瓣简明星座图”。
顺便说明，星座和星系是两个不同的概念。星座仅代表一些恒星间的视几何关系，某一星座的恒星可能处于同一星系，也可能处于不同的星系。