不同地域、不同时期，人类从未停止过对日月星辰的关注和记载。从裸眼观星到“中国天眼”(FAST)，越来越多用于观测太空的“国之重器”横空问世，抬眸所及，便是亿万光年以外的宇宙空间。

孜孜不倦，上下求索！随着科学技术的不断发展，曾经无比神秘的宇宙也逐渐被揭开面纱的一角。回望人类探索宇宙的漫长岁月，是什么支撑我们一直追问？本期《人民论坛》邀您一起解密浩瀚星河↓↓↓

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大约5300年前，河洛古国的观星者用九个陶罐演绎出“北斗九星图”，该图不但反复出现于同一时期的文化遗迹中，还在后世许多史料中留下只言片语的记载。

结合这些线索和九星中的两颗如今已消隐不见的事实，历史学家和天文学家经多方考证，共同确认这是对天球上位于“北斗七星”两侧的两颗超新星遗迹的记载，也是人类历史上最早的超新星遗迹记录。

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裸眼观星时代

随着人类对天体的观测逐渐日常化，记录范围和重点也逐渐从日月扩展到太阳系内的行星和明亮的恒星。例如公元前17世纪左右，古巴比伦城邦中人们用楔形文字将金星的运行状态记录在泥板上，这是最早的金星运行记录，在之后出土的泥板中，也发现了对其它行星的观测记录。公元前15世纪，殷商中兴之主太戊帝的得力助手巫咸，凭借其丰富的观测经验，以北极星和华盖星等为指引，创造出航海观星定位的牵星之术，提出“指”这个牵星概念。后世的《巫咸占》《开元占经》等皆传承巫咸之学，以及它的星占占辞和星表。与此同时，在隔着半个地球的尼罗河畔，古埃及神庙的高级祭司们手持麦开特（古埃及人特有的天文测量工具）虔诚地记录着众星辰的位置。不远处的宫殿里，皇家天文学家、哈特谢普苏特女王的宫廷主管塞内姆特尝试着将他对行星的观测记录融合进自己的建筑设计中，使我们得以在3000多年后，于女王神庙的传世壁画中一窥前人的浪漫——譬如牛首人身形象所代表的木星，钩子或鹰所代表的金星。

在不同文明均开始关注金、火、木等行星和一些明亮的恒星之后，大家似乎又心有灵犀地意识到总结天体运行规律和制作全天星表的重要性。大约2400年前的战国时期，在诸子云集的齐国稷下学宫中，鲁国人甘德尝试编制全天星表，并发现岁星（木星的古称）的一个特征为“登若有小赤星附于其侧”，这是现存对木卫三观测的最早记载。甘德根据对木星观测规律的总结，创造了甘氏岁星法。差不多同一时期，魏国人石申提出了改进的岁星纪年法，并结合大量观测记录绘制了全天星表。到了公元前2世纪的西汉时期，人们将二人成果总结为《甘石星经》，收录了大约800颗恒星在天空中的方位及运动规律，成为最古老的天文学著作之一。巧合的是，此时小亚细亚半岛一带，希腊人喜帕恰斯诞生。他经过在罗德岛的长期观测积累，绘制出依巴谷星表，收录了全天1022颗恒星的方位，是西方最早的一份全天星表。又过了几个世纪，三国时期吴国天文学家陈卓横空出世，集甘德、石申和巫咸三家星表之大成，总结出中国古代经典的283星官1464星的星官系统，对后世影响颇深。

公元1世纪，东方大地诞生了张衡，西方大地诞生了托勒密，二人皆为天文大家，对天文学有着深入且系统的认识，并且都结合前人的积累和自身的研究，对天地形态和各种天文现象给出了基于数理学的解译。当然，二人的观点不尽相同，托勒密撰写《至大论》，主张“地心说”，认为日月星辰绕地而动，而张衡则主张“浑天说”，认为“天之包地，犹壳之裹黄”。细思过后，我们可以认为两种学说在星辰日月绕地而动这一点上大致相似，只是形态理解上有所差异。总而言之，公元元年前后的几个世纪，经过长期的天文学资料积累，不同文明中各自诞生了集前人大成的天文学著作，这是一次天文学发展的同步。此二人主张的学说都在各自的地域统治后世千余年，直至历法误差在10多个世纪的岁月里逐渐积累到了无法使用的程度，才逐步被质疑和取代，而那个时候，世界各地的文化融合已然开始，同步也就成为了一个必然结果。

望远镜时代

文字的诞生让人类的经验得以横向传播和纵向传承。伴随着日、月、行星等天体的观测资料的不断积累，它们的周期性运行规律被提炼出来。人们随即应用这些规律来更好地改善历法、提高生产力，这其实就是古巴比伦人绘制日月运行表和甘德、石申等天文学家总结行星运行规律的社会驱动力。对于不同文明而言，这种需求的强烈程度大体一致，且人类群体能力的上限也大体一致，这就导致了不同文明花费了大致相当的时间达到了大致相同的文明发展高度。这一点在之后也得到了认证——当行星的规律逐渐揭开时，对于一些细微的误差和无法解释的现象，人们开始将希望寄托于更多的天体参照物，也就是说人类社会活动自发产生了确定天体准确位置的需求。这也是为什么在公元元年前后，东西方科学家都在努力交出全天星表答卷的原因。在观测和绘制过程中，他们对日月星辰的运动进行思考和总结，分别诞生了影响其所在区域千余年的天文学理论。

哥白尼逝世后的第三年，丹麦天文学家第谷·布拉赫诞生。他是历史上唯一可以与喜帕恰斯一较高下的肉眼观星者，一生致力于天体观测，并在逝世前将自己十数年的观测成果交给助手约翰尼斯·开普勒。开普勒早年已然接受“日心说”思想，他综合第谷的数据，总结出行星运动三大定律，被称为“天空的立法者”。同一时代，哥白尼理论的另一位拥护者——伽利略·伽利雷使用自制望远镜观测天空，开启了探索太空的新时代。伽利略不仅发现了木星的四颗卫星，记录了太阳黑子、金星盈亏等天文现象，还在数学、物理学上具有极高的造诣。他亦是独步于时代的斗士，勇敢地宣传哥白尼的“日心说”理论，顶着教会巨大的压力，写下了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，轰动了当时的科学界，被誉为“现代物理学之父”“科学方法之父”。

伽利略去世的同年，在英国林肯郡一个名为乌尔斯索普的小村庄里，艾萨克·牛顿诞生。他建立了完整的牛顿力学体系，发现了万有引力，分析了潮汐现象与日月运转的关系，预言了地球不是正球体，等等。这些新观点、理论以及研究方法的开创，对天文学的发展影响巨大。牛顿对天文学的另一项伟大贡献是他成功研制了反射式望远镜，使欧洲天文学的发展突破了半个多世纪以来的仪器限制。自伽利略开始，人们一直在尝试制作更适合天文观测的望远镜——在当时的认知里，那就是更大的折射式望远镜。为了尽量减少折射式望远镜的色差，需要尽量降低透镜曲率，这不但对磨制镜片提出了更高的工艺要求，同时也使成像焦距进一步增加。因此，在大约60年的时间里，天文望远镜的镜筒长度以匪夷所思的速度增长。

1675年，约翰·弗拉姆斯蒂德成为首位格林尼治天文台台长。他是那个时代最严谨的观测者，亦是现代精密天文观测的开拓者。同年，在法国皇家科学院巴黎天文台潜心观测的乔凡多·卡西尼，发现了土星的四颗卫星，以及土星环上的卡西尼缝，并提出了土星环可能由许多小颗粒组成的猜想。1679年，卡西尼绘制出精妙绝伦的月面图，该图在之后的至少一个世纪中处于“独孤求败”的状态。次年，卡西尼与格林尼治天文台的爱德蒙·哈雷共同观测到一颗彗星，从此开启了后者对彗星的研究热情，最终成功预言了哈雷彗星于1759年初的回归，并被法国天文学家查尔斯·梅西耶所证实。1690年，卡西尼注意到木星的两极转速慢于赤道转速，并由此发现了木星的较差自转。

在17世纪，人们对航海定向的需求推动了天体测量学的繁荣发展，观测精度的提高和天文资料的丰富用无可辩驳的证据破除了之前由宗教信仰产生的许多错误的假设和默认规则。例如，哈雷发现了恒星的“自行”，破除了恒星固定于天球不动的传统认知。牛顿最早提出地球非标准球体，与当时天主教对于太阳、地球是完美球体的认知相违背，起初并不被接受，但几代科学家坚持不懈对这一问题进行反复推敲——他们远征极地、横跨赤道，最终证实了牛顿提出的观点。18世纪中期，埃里克西斯·克勒罗提出各纬度不同的地心引力公式，圆满修正了非正球引起的引力偏差。“光”作为天主教中神圣的存在，长久以来被认为具有无限的速度，但科学家们通过天文观测得出的结论却与之矛盾。1727年，布拉德·雷通过光行差实验测定了光速，彻底破除了光速无限论。天体测量学的繁荣带来的另一惊喜是天体力学的发展。天体测量结果往往需要结合天体力学分析，二者相辅相成、互为助力。18世纪数学的发展催生了分析力学的建立，为天体力学的快速发展奠定了基础，使得欧洲在之后的一个世纪中涌现出莱昂哈德·欧拉、让·达朗贝尔、约瑟夫·拉格朗日、皮埃尔·拉普拉斯、伊曼努尔·康德等众多天体力学大师。

在18世纪以前，人们一度将土星视为太阳系的边界。直至1781年威廉·赫歇尔发现天王星，太阳系的疆域才进一步拓展。然而这只是赫歇尔诸多天文成就中相对不起眼的一件小事。统计表明，这位勤奋且博学的大师，一生建造了400余架望远镜，观测天象50余年，数过117600颗星，发现了天王星的两颗卫星和土星的两颗卫星。他首次观测到了太阳的红外辐射，并因此创立了天文学的新分支——彩色光度学（即现在所说的光谱学）；他是第一个对双星感兴趣的人，进行了长达19年的“巡天”计划，编制了首个双星表；他出版了星团和星云表，并提出恒星演化理论；他尝试研究银河系的结构，并证明万有引力定律对于银河系仍然适用；他建造的122厘米口径、长12米的反射式望远镜被称为18世纪的天文奇迹之一。1812年，法国人亚利克西斯·布瓦德在计算天王星运动轨道时，发现天王星轨道理论计算值同观测资料存在误差。之后，许多科学家致力于深入研究这一误差，却不得其解。直至1846年9月23日，柏林天文台收到一封来自法国巴黎的邮件，寄信人为奥本·勒维耶，称其通过计算预测一颗以往没有发现的新行星，位于摩羯座δ星东约50角分的地方，每天退行69角秒。当夜，约翰·伽勒用望远镜进行了确认，果然在该位置发现了一颗新的8等星，第二天他再次找到了这颗8等星，发现其位置比前一天后退了70角秒。至此，海王星的神秘面纱终于得以揭开。

发现海王星之后，科学家们并未沉溺于天体力学的荣光中，他们意识到，虽然人类已经找到研究天体运行规律的门径，但对天体的本质却是惊人的无知。在将分光学、光度学和照相术等相继应用于天体观测之后，天文学家对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了一个完整的科学体系，即天体物理学。天体物理学最初的进展来自对太阳的研究。1861年，古斯塔夫·基尔霍夫出版了《太阳光谱论》一书，根据太阳光谱中吸收线的特征认证了太阳上有铁、钠、钙等元素存在，启发了人们利用光谱研究天体的化学组成。四年后，法国天文学家赫维·法伊进一步提出太阳是一团炽热的气体，并以对流方式由内向外散热。至此，人类对太阳形成了三维的立体认知。

此时，天体力学的研究也从外太阳系巨行星转向了之前并未仔细研究的内太阳系较小的行星。1859年，勒威耶在海王星成功预言之后，又提出了水内行星的预言，因为他发现水星近日点进动的观测值比根据牛顿定律算得的理论值每世纪快38角秒。他据此猜测这样的偏差是由一颗比水星更靠近太阳的水内行星所造成的。许多年过后，这颗行星始终未被找到。这个问题吸引了不同领域的科学家们尝试从电磁力、阻尼力等其它方向入手，甚至一度打算修改万有引力公式。直至20世纪阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论，才赋予水星进动问题一个完美的解释。

广义相对论的提出和验证，意味着人类掌握的物理规律具有更广泛的适用范围，即从太阳系延伸到了全宇宙。此时，原有的星表已无法满足人类的求知欲，于是更大的“观天之眼”应时而生。1917年，称霸后世30年的胡克望远镜横空出世，它使用液态的水银构成恒压系统，是当时最先进、最大的望远镜。两年后，阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊为这架望远镜装置了一架干涉仪，使它可以对恒星角直径进行更准确的测量，从而根据较差测距得出恒星更精确的大小。他曾用此望远镜测量猎户座α的直径，由此验证了丹麦天文学家埃纳尔·赫茨普龙的猜测，即恒星大小差异甚大，有巨星和矮星之分。迈克尔逊在1920年测得这颗恒星的角直径为0.045角秒，从而结合它的距离得知其直径达数亿公里，甚至大于木星的绕日公转轨道直径。赫茨普龙是最早提出绝对星等的人，他一直关注恒星绝对星等和颜色之间的关系。

大约在同一时间，美国天文学家埃德温·哈勃利用胡克望远镜观测一些当时被称为“螺旋星云”的奇特天体。他在所谓“仙女座星云”中发现了造父变星的存在。因造父变星的光变周期与距离存在严格的相关性，哈勃利用这一关系测得了该天体的距离（当时测定约100万光年，现在的测量结果为240万光年），并发现它远远大于哈洛·沙普利提出的银河系尺寸（约30万光年）。哈勃由此提出，“螺旋星云”其实代表了银河系外的其它星系，从而结束了“银河系包裹着宇宙”的传统认知。随后，哈勃又在20多个河外星系中发现，星系的红移随着距离的增加而增加，从而判断出宇宙是膨胀的，推翻了当时普遍认为的宇宙不变的观点。经过长期观测，哈勃将河外星系按照形态进行分类，成为星系天文学的开创者。胡克望远镜被许多天文学家使用，取得了大量开创性的成果。

20世纪天文学的一个重要突破是观测手段的多样化。当人类看的更远、更清晰时，求知欲驱动着人类在享受视觉体验的同时，亦可借助听觉了解太空更多的信息。1932年，贝尔实验室的工程师卡尔·央斯基在研究卫星电话短波静电干扰实验中，意外发现了一个干扰源：该信号与太阳高度无关，按照23小时56分钟的周期变化，与地球自转周期很接近，意味着它很可能是来自天球上拥有相对固定位置的天体。经过反复测试，央斯基发现其朝向人马座（银河系中心）方向的信号最强，故而猜测这一信号来自银心。这一事件引起了天文学家的极大关注，从此以无线电信号探测为基础的射电天文学逐渐发展起来。无线电信号可以通过干涉得到比光学望远镜更高的分辨率，因而对遥远天体的信号测定也更为准确，且可以通过建立射电望远镜阵列来增加观测灵敏度，突破射电望远镜单镜的口径限制。射电观测手段使人类在20世纪60年代先后发现了类星体、脉冲星、星际分子以及微波背景辐射，是一种特别适用于迸发型信号的观测手段。

航天器远征时代

胡克望远镜是天文学家的一双“千里眼”，射电望远镜则相当于天文学家的一对“顺风耳”。天文学家让人类对太空有了全新的视觉和听觉体验，也同时激发了人类更疯狂的想法。20世纪60年代，火箭动力学的进展让人类冲出地球的梦想化为现实，人类的双脚已经不甘心只停留在地球之上。1957年10月4日，人类历史上首颗人造卫星斯普特尼克1号在前苏联拜科努尔航天基地发射升空，这标志着人类继裸眼时代和望远镜时代之后，进入太空探索的第三个时代——航天器时代。两年后，前苏联发射月球一号探测器，在距离表面6000公里高度处掠过月球，开启了人类近距离“触摸”地外天体的篇章。十年后的1969年7月20日，美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在阿波罗11号任务中实现了首次登月，更是在人类的太空探索史诗中写下了浓重的一笔。在随后半个多世纪的太空探索中，一代又一代的航天人将一颗又一颗的探测器送到了太阳系的各个角落：行星、天然卫星、小行星、乃至太阳系边际。这些探测器身怀绝技，对地外天体的大气成分、表面物性等特性开展了精细测量，使我们对这些星球在视觉、听觉、触觉之外，还有了嗅觉、味觉等的感知。至此，人类对太空有了全面而立体的认知。

阿波罗计划将月球的真实细节展示给我们，让我们意识到这里没有玉兔、桂树和月宫，而只是一片极度荒凉的不毛之地。水手10号为我们拍摄了第一张水星特写照片，让我们了解到水星上非但没有水，而且还是一半炽热一半寒冷的分裂世界。金星快车告诉我们，它并不是美神维纳斯的化身，相反它被厚重的云层所覆盖，是个充满硫酸雨和火山爆发的炼狱。火星全球勘探者用高清照片粉碎了我们对火星之脸的幻想，告诉我们火星寒冷且荒凉，并不存在任何史前文明的遗迹。除此之外，我们还窥探了木卫二的地下海洋，见识了土卫二的超级喷泉，目睹了谷神星的冰火山，飞掠了冥王星的爱心平原。距离我们最遥远的人类探测器旅行者号甚至携带着包含地球“声音”信息的铜制镀金唱片穿越了太阳系的边界。当它回望地球的瞬间，我们不禁感慨人类生活的世界竟然是太空中如此微不足道的一个小点，而数千年令人类欢笑和流泪、坚强又柔软的一切都发生在这个弹丸之地上。纵然如此，这里诞生的极度脆弱和渺小的人类，靠着与众不同的求知欲，在近100年时间里将过去千余年间未曾实现的梦想变成现实。

人类一直在努力寻找着地外生命正在及曾经留下的印迹，抑或是寻找可能孕育生命的地外环境，然而至今，我们依然没有在太阳系内找到其它如地球般适合人类生存的星球。我们甚至开始将目光投向太阳系之外，几十年的搜寻中，我们发现大部分系外行星都是“热木星”或“迷你海王星”；对于少数位于宜居带内，可能存在生命的星球，我们至少面临着冲出太阳系的速度障碍，毕竟人类的双脚还未真正踏出地月系之外。如今面临的生存危机唤醒了人类骨子里的求知欲与求生欲。我们开始思考如何探索地球之外更多的资源、能源，抑或是如何在环境恶劣的地外天体上筑造人类新家园，这些挑战逐步从数十年前的科幻小说与电影中走了出来，成为当今人类科技发展、社会活动中的切实存在。

人类60余年的深空探测历程告诉我们，地球之外的太空中存在着极其丰富的各种能源、资源，近乎取之不尽、用之不竭。太阳能作为一种绝佳的清洁能源，每秒为地球提供的能量已知是如今全世界每秒发电总量的数倍。太空为人类提供了地球上难以模拟的微重力环境，为材料合成、晶体生长指引了突破的方向。我们如今还知道，至少1500颗小行星比月球更易到达。一颗富金属小行星估算可以为人类提供价值超过3万亿美元的铂金资源，而一颗富水小行星可以为人类提供价值超过5万亿美元的水资源，更遑论新发现的小行星在以每年超过1000颗的速度增长着。今天的我们开始期待，即将到来的小行星商业采矿可以让人类不再担忧地球矿产资源的贫乏。也许人类尚需经历长久的努力，才能如6万年前的非洲智人般真正冲出我们居住的家园，搬到远离地球的另一个栖息地。纵然如此，太空探索的每一次进步都伴随着科技的飞跃，给我们带来无尽的财富和便利。的确，太空探索培养了一代又一代才华横溢的科学家和工程师，创造了一批又一批全新的就业机会，最终推动了科技的进步，促进了文明的繁荣。如今，当我们早已习惯使用身边的无线通讯技术、数码摄像技术、空气净化技术、食品冷冻干燥技术之时，不应忘记这一切的一切皆是太空探索为人类带来的福音。

近几十年的太空探索不仅让我们欣喜于这些伟大的成就和进步，同时也让人类开始认真关注它可能给我们带来的灾难。经过不懈的努力，科学家如今已认识到对地球构成潜在威胁的小行星通常离地球的最小距离不超过0.05个天文单位（即不到20倍的地月距离），绝对视星等不低于22等，平均直径在150米左右；而目前已发现的大约17000颗近地天体中，至少有1847颗对地球存在潜在的威胁。为了推动近地小天体监测和防御，世界各国都投入了巨大的精力：美国宇航局规划了NEOCam项目，用一个空间红外望远镜弥补地面观测之不足，达到发现和监测亚公里级小行星的科学目标；我国也计划在“十四五”期间推动建立小行星防御系统，在对小行星进行跟踪和监视的同时，筛选出对地球存在威胁的个体，并将于2025至2026年，对其中的一颗小行星进行抵近观察并实施防御以改变其轨道。伴随着这些努力，五花八门的小行星防御方案被科学家提出，或放置反射镜制造光压推动，或激光照射其表面产生挥发气体以形成反推动力，抑或是发射人造卫星围绕小天体转动以干扰其轨道……虽然到目前为止，这些防御技术尚未被真正使用，但我们坚信成功并不久远。

回溯过往数千年的历史，人类不断渴望窥探日月星辰的奥秘。在这个过程中，有失败，也有成功，但不可否认，对太空的探索，一次次将人类的潜能挖掘出来，带来科技的极大飞跃，也带来生活水平和认知水平的极大提高。如今的我们深刻意识到，在浩瀚星海中，地球非常渺小，但它对我们却至关重要。在这里，日月经天、江河行地、山峦巍峨、海洋壮阔；在这里，百花斗艳、万木峥嵘、鱼翔浅底、鹰击长空；在这里，有我们目前唯一的家园。我们在这里长大、发展，也在这里膨胀、悔恨——“保护环境、利用太空”如今已成为全世界的共识：要好好保护我们唯一的家园，减少对她的伤害，给她自我调节的时间，还她青山绿水；学会使用太空资源，减少对她的索取；开发地外基地，减少她所能承受的负担；建立近地防御系统，避免她遭受外来的伤害……所谓十年饮冰，难凉热血，我相信，当我们血脉中的求知欲和求生欲被再度激发，当全世界团结起来，一起“为人间谋天上事”，我们对太空的探索也将使地球变得更加美好。

原文标题 |人类探索太空的动力和意义——从“北斗九星”到“太空时代”的思考

作者 |中山大学大气科学学院教授、博导，中国科学院比较行星学卓越创新中心特聘研究员，中国科学院空间科学创新研究院特聘研究员，中国地球物理学会行星物理专业委员会主任 崔峻

新媒体编辑 | 刘璇

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