第五节 现代天文学的研究进展
天文学是研究天体运动、结构和演化规律的科学。20世纪以来，各门科学，特别是数学、物理学、无线电电子学和空间技术的发展，为天文学的发展创造了条件。人们在大量的观测资料和现代物理学的基础上，开始从整体上探索宇宙、天体的结构和演化。其中，现代宇宙学的发展成为现代天文学发展的最重要成果。
－、宇宙概观
（一）宇宙的概念
"宇宙"的观念源远流长。就字面的意义而言是指空间和时间的总和。我国古代典籍《尸子》上就有"四方上下曰宇，往古来今曰宙"之说。即宇宙是无所不包的整个物质世界，无论在时间上还是在空间上，宇宙是无限的。随着实践和科学技术的发展，宇宙概念的内涵和外延在不断扩大：太阳系--银河系--河外星系--总星系……。今天科学上所谈的宇宙是指时间尺度为200亿年，空间直径为200亿光年的总星系。
（二）宇宙的结构
宇宙，泛指天地万物，是自然界一切物质的总称。人们对宇宙的认识，从大地星空到太阳系，再扩展到银河系、河外星系、星系团，乃至观测所及的宇宙。目前，天文观测的视野已经延伸至一百多亿光年（1光年＝9.6×1012km）。人类生活的地球可以说是宇宙海洋中的一颗小沙粒，它只是太阳系的一颗行星。太阳在人们看来非常明亮十分巨大，而它只是天穹中许许多多星星中的一颗普通恒星，它离地球特别近，约1.5×108km。人在地球上用肉眼看到的星星，绝大多数仅仅是银河系中2000多颗较近较亮的恒星，而银河系内各类恒星的总数达1011颗。
1、银河系
由恒星组成的银河系是一个扁平的圆盘，形状如铁饼，中间厚，四周薄，直径约80000光年，中间厚度约6000光年。它还有一个由分布较稀疏的恒星组成的直径大约有100000光年的球状晕，称为银晕。银河系的总质量估计为一千亿个太阳质量。其中银晕的质量约占总质量的10%。太阳位于离银河盘中心约30000光年处，在盘中心平面稍为"偏北"的地方。离太阳最近的恒星是比邻星，它与太阳的距离约有4.3光年。整个银河系盘子在旋转，速度达到250km／s，并且呈现出巨大的旋臂。整个银河系在星空中非常雄伟壮丽。到20世纪初，人们所说的宇宙大致就是指银河系。
2、河外星系
1923年，美国天文学家哈勃（E．Hubble，1889～1953）在银河外找到了一些新的星系，这些新发现的星系与银河系一样，也是由许许多多恒星汇集而成，称为河外星系。这几十个河外星系距地球都在200万光年以上。哈勃的重要发现使人类对宇宙的观测突破了银河系，进一步扩展了人类对宇宙的认识。到目前为止，用大的（光学和射电）天文望远镜在银河系之外已经发现了约1011个河外星系，其中大的星系包括1013颗恒星，小的星系也有106颗恒星。这些星系的形状有球形、椭球形、涡旋状（银河系即此形状）、棒旋状等，还有其他稀奇古怪呈不规则形的，这些星系离人类都在一百万光年以上。20世纪60年代以来又发现了一批"类星体"，它们离人类更远，距离都在几十亿到一百亿光年以外，这大概是人类今天所能观测的最远的星体，也就是今天人们所说的能够观测到的宇宙尺度。
3、宇宙中的其他物质
宇宙中除了可观测的星系外还有其他物质，如不再辐射的星体、大大小小的黑洞以及星际气体和尘埃等。此外还有各种频率的辐射、宇宙线以及大量中微子，所有这些对于宇宙的质量密度均有贡献。因此，正确估算出宇宙的总质量或质量密度是一个十分困难的问题。
4、观测宇宙
以上介绍的宇宙，可以称为"观测宇宙"。观测宇宙是有限的，但这并不是观测设备能力的限制所造成的。人们相信并已经证实，人们的观测宇宙不是静止不变的，而是处在不停地膨胀和演化的过程之中。根据大爆炸宇宙学的观念，宇宙有一个开端，所以宇宙有一个有限的年龄t0。光的传播速度c又是一个常数。因此，宇宙中可观测到的部分只能是一个有限的范围，它的大小至多是ct0的数量级，即光速与宇宙年龄的乘积。人类不管把望远镜造得再大，也不能观测到比ct0更远的天体，因为，它们发出的光至今还没有来得及到达地球。
人类的观测宇宙很可能是真实宇宙的一部分，整个宇宙的大部分很可能是不能为人类所观测到的。那么人类能否从理论上认识整个宇宙呢？今天人类有理由相信，在比观测宇宙小的尺度上，不可能出现新的宇宙结构层次。假如以观测宇宙的尺度为基本单位，整个宇宙分布是宇观均匀的，那么，人们的观测宇宙就可以看成是整个宇宙中一个有代表性的典型区域。于是人类就可用对于观测宇宙所获得的知识作为基本出发点，来研究整体宇宙。这正是人类对整个宇宙的看法。
二、现代宇宙观的形成
（一）传统宇宙观及其不足
1、牛顿的经典无限宇宙观
宇宙是有限的还是无限的？这是历史上长期争论的问题。在伽利略、牛顿以前，亚里士多德、托勒密等人主张宇宙是有限的，传统的宇宙结构是以地球为中心的一系列的同心圆行星体系，最外层是恒星天，恒星天是宇宙的边界，在它之外就什么也没有了。到了哥白尼时代，宇宙观念发生了变化，主要体现在以地球为中心还是以太阳为中心这个问题上。哥白尼主张太阳中心说，但在宇宙结构上还是保持有限有边的模式。
到了牛顿时代，建立了包括万有引力在内的完整的力学体系。在牛顿力学体系内，假如有限的物质均匀分布在一定的空间范围内，是不可能稳定的。因为物质在万有引力作用下将聚集于整个空间的中心，形成一个球体，且最终会在巨大的引力作用下坍缩。因此，牛顿力学的宇宙必须是无限的。这样，牛顿力学第一次给人们描绘了一幅无限宇宙结构图：
宇宙的体积是无限的，也没有空间边界。宇宙空间是三维欧几里得几何学空间。在牛顿的这样一个绝对"空"而无限"大"的宇宙空间中，均匀地分布着无限多的天体，相互以万有引力联系。在这样一个宇宙中，人们无论沿什么方向都会看到无穷多的天体。这样一幅牛顿宇宙图景，不仅在当时，就是今天，也仍然是一般人心目中的宇宙图景。
由于牛顿力学的巨大成功，无限宇宙观念和牛顿力学体系很快占了统治地位。然而，牛顿的无限宇宙模型存在一些难以克服的矛盾。主要有以下三方面：
（1）引力佯谬--也叫"西里格尔佯谬"
西里格尔（XXXXXXeliger）于1895年指出，当我们考虑宇宙中全部物质对空间中任一质点的引力作用时，假如认为宇宙是无限的，那么在空间每一点上都会受到无限大的引力的撕拉，这显然不符合我们宇宙中的事实。
（2）热力学佯谬--"热寂说"
根据热力学规律--热量会从温度高的物体流向温度低的物体，最后使它们趋向于一个共同的温度。如果宇宙是永恒、无限的，那么如果它遵循热力学规律，可以想像宇宙最后会趋于同一温度，即所谓宇宙的"热寂"，而不是像现在这样，各种星体具有不同的温度，如太阳的表面温度大约为6000℃。若宇宙无限"老"，那么它早就死亡了。除非宇宙无限大，以至于不可能热平衡，或者像很多物理学教科书所说的那样，从有限体系得出的热力学规律不能用于无限的宇宙。那么宇宙真是永恒、无限的吗？
（3）光度佯谬--"奥伯斯佯谬"（夜空为什么是黑暗的）
众所周知光强与距离的平方成反比，也就是说，离光源越远，光强度越弱。太阳之外的恒星离人类很远，所以光线很弱。但是如果宇宙无限大，假设有无限多颗亮度基本一样的恒星，且大体呈空间均匀分布，那么距离增大一倍，对应的球面面积增加4倍，其上的恒星数量也增加了4倍，虽然每颗恒星照射到地面的强度减弱为1／4，但总强度并没有减少。也就是说，每一个球面上的恒星照射到地面的光强是一样的，即使强度很小，但有无限多层球面叠加的光强将是无限大。因此，如果宇宙是永恒的，且为无限大，人类的夜空就应该是非常明亮的，而不是像现在这样是黑暗的。这就是所谓的奥伯斯佯谬。
可见，牛顿宇宙学的困难在于无限宇宙与现有经典定律的无法调和性。要解决这个困难，要么修改宇宙无限的观念，要么修改现有定律，或者两者都要修改。现代宇宙学正是沿着这条思路发展起来的。
2、爱因斯坦的有限无界静态宇宙
1916年爱因斯坦在刚刚建立广义相对论不久，就转向宇宙学研究。因为宇宙作为最大的天体系统，在当时是可以充分体现广义相对论作用的唯一的强引力场系统。1917年他发表第一篇宇宙学论文，题目就是"根据广义相对论对宇宙学所作的考察"，从而开创了相对论宇宙学研究领域。在这篇论文中，爱因斯坦分析了牛顿无限宇宙的内在矛盾，并从自洽性出发，提出了一个有限无界的静态宇宙模型。
爱因斯坦根据广义相对论提出的宇宙模型认为，不能先验地假定宇宙空间一定是三维无限的欧几里得空间，宇宙空间的结构或几何性质取决于宇宙间物质的运动与分布，物质怎样分布，空间就怎样弯曲。物质按照某种方式分布，空间就可能弯曲成一个封闭的区域，有一定的直径，有一定的体积。这就是爱因斯坦的"静态有限无界宇宙"。所谓"静态"是指从大尺度来考察，宇宙空间中的物质基本上是静止不动的；所谓"有限"、"无界"，是指宇宙空间体积有限，而光线在这个三维空间内的传播是弯曲的，始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。
爱因斯坦的相对论宇宙模型，能自然地消除牛顿无限宇宙中的矛盾。不过爱因斯坦提出的宇宙模型是静态的，仍然不符合天文发现的一个重要的事实：即宇宙在不断膨胀之中。尽管如此，爱因斯坦研究宇宙整体时空性质的基本思想及基本方法是具有开创性的，它们为现代宇宙学的发展奠定了基础。
（二）动态宇宙观的形成
动态宇宙观--即宇宙正处在膨胀之中这一现代宇宙观的形成，得益于天文观测的重要结果--即星系红移现象的发现。
在1910～1920年的10年内，洛威尔天文台的斯里弗首先发现了许多星系的红移现象（极少数星系如仙女座，有蓝移现象）。红移现象可以用多普勒效应来解释。星系退离运动时，接收到的星光频率会变低（即波长变长），使谱线向红端（长波方向）移动。从红移的大小可以算出星系的退行速度。
1929年，美国天文学家哈勃进一步发现，所有河外星系的谱线普遍有红移现象。他把测得各星系的距离跟它们各自退行的速度画到一张图上后发现，在大尺度上，星系的退行速度跟它们离开人类距离是成正比的，即离人类越远的星系退行得越快，红移量越大，这个关系叫做哈勃定律，它可以表示为V=HD。其中V为星系的退行速度，D是星系距人类的距离，H是哈勃常数，其值可通过天文观察确定，目前的估计值是H=15（千米／秒）／百万光年。
哈勃定律是20世纪天体物理学中的一个重大发现。这个发现给人类提供了星系远离人类而去且在不断运动的有力证据。所有星系都在远离人类而去，并不表示人类所处的银河系是宇宙的中心。实际上星系并非只是离开我们而去，而是彼此相互远离。从任何一个星系上看，其他星系都在彼此远离退行，这实际上显示了宇宙正处在不断膨胀之中，即宇宙的空间尺度随时间不断增大。
哈勃的发现改变了静态宇宙的观念。十分有意思的是爱因斯坦在宇宙是静态的还是动态的问题上也犯了错误。他在1917年首次提出的宇宙模型是静态的，但是他的引力场方程却只能得到动态宇宙解。由于受到当时静态宇宙传统观念的束缚，爱因斯坦没有敢走得更远，于是他修改广义相对论引力场方程，硬是给它外加一个宇宙项，以便凑出一个静态宇宙模型。红移现象发现以后，他对自己原来的做法深感后悔。本来宇宙膨胀是广义相对论场方程的自然结果，可是他却偏偏放弃了它。爱因斯坦称这是他"一生中最大的一件错事"。
三、宇宙的起源和演化
（一）宇宙起源
既然宇宙在膨胀，反推回去即宇宙曾经很小，也就是说，宇宙在遥远的过去可能是聚合在一起的。根据现在的膨胀速度，人们可以推断这种聚合状态出现在大约100～200亿年前。那么宇宙是如何从当时的聚合状态演变成现在这样的呢？
1、宇宙大爆炸模型（Big Bang）
大爆炸宇宙模型最早是在20世纪40年代由伽莫夫（XXXXmov，1904～1968）、阿尔弗（R．Alpher）和赫尔曼（R.Herman）提出的。他们假设宇宙是在100多亿年前由一个超高温、超高密的原始火球（亦称宇宙蛋）发生大爆炸而开始的，然后经过一段从热到冷、从密到稀的演化历史，发展成今日的宇宙。现在把按照这种观点来研究宇宙中物性演化历史的学说，统称为"大爆炸宇宙学"。
根据当前宇宙膨胀的速度，可以反推出宇宙在100～200亿年前脱胎于高温、高密度状态即原始奇点的状态：这时的宇宙体积无限小，物质密度无限大，空间无限弯曲，引力能量高度集中。随着宇宙的膨胀，引力能逐渐转化为粒子能量，从而产生出各种各样的粒子来。根据宇宙温度T就能确定辐射场粒子的动能kT，当这一能量大于某种粒子的固有能m0c2时，就可确定宇宙在这一温度时所包含的粒子成分。按照这种模型方法，除了宇宙创生时期人们还没有现成的物理定律可以加以说明外，宇宙大部分的演化历史都可以根据现有的物理理论来加以说明，然后又可用天文观测结果来验证这个模型。这正是大爆炸宇宙学的科学性所在。
值得指出的是，所谓的宇宙大爆炸，并不是平常所说的一颗炸弹在已经存在的空间中爆炸飞散的过程。在宇宙大爆炸的过程中，物质是与时空联系在一起的，大爆炸是空间本身的"爆炸"，时间、空间是与原初奇点的"爆炸"一起开始同时出现的，而不是什么东西在现成的时空背景中的爆炸。这一宇宙学说表明，今天的宇宙是从100多亿年以前的一种高温、高密状态经不断膨胀、不断降温演化而来。从20世纪50年代初伽莫夫开始，经过许多科学家的努力，到目前人们已经能够说明宇宙的大致形成和演化过程。
（1）大爆炸：宇宙开始于一个原始奇点，所谓奇点，即指它有无限高的温度和无限大的密度。目前还不能说明当时的情况，人们只能假设宇宙产生于时空奇点的大爆炸之中，时间由此开始，空间由此不断膨胀。
（2）宇宙暴涨：根据现有的粒子物理学理论，可以设想大爆炸后10～43s的情况。那时宇宙密度是1093kg／m3，温度是1032K（作为比较，地球平均密度是5×103kg／m3，温度是300K；宇宙现时的平均密度估计1027kg／m3，温度是3K）。这时宇宙中还没有任何粒子，只有时间、空间和真空场。其后，在10～35s，温度降到1028K时，宇宙突然发生一次"莫名其妙"的暴涨，它的直径一下增大了1050倍。激烈的暴涨引起了大量数目的基础粒子，包括夸克和轻子的产生。但由于能量非常高，这时强作用、弱作用和电磁作用没有区别，是统一的一种力。暴涨过后，宇宙继续膨胀，温度进一步降低，这时强作用、弱作用和电磁作用逐渐分开来。
（3）强子时代：大爆炸后百万分之几秒（10～6s），温度降至1013K时，夸克才有可能结合成质子和中子等一类强子。
（4）轻子时代：大约在大爆炸后百分之几秒（10～2s），温度降到1011K，此时粒子的热运动能量远低于重子（中子、质子等）的静能。因此，产生重子的反应停止，原有的短寿命的重子迅速衰变而消失，结果，重子中只剩下一些质子和中子。这时的宇宙中主要成分变为光子、各种中微子以及正负电子。中子质量略大于质子，随着温度降低，中子转变为质子的过程将比质子转变为中子的过程占优势，结果中子数目逐渐减少，质子逐渐增多。
（5）4s以后：这时温度降到109K以下，相应的能量不足以产生正反电子对。因此，正反电子对迅速湮灭。加之中微子脱耦，使得质子和中子之间的转变反应基本停止。它们的数目趋于稳定。这时的重子中，中子数约占14%，质子占86%。
（6）3min以后：温度此时降到106K以下，中子和质子有可能结合成氘核。然后，氘核又进一步通过反应形成氦核。当中子全部和质子结合成氦核后，氦约占宇宙总质量的28%左右。其余主要是氢，还有少量的锂和铍。这时由于温度较低，各种粒子相互碰撞而发生反应的可能性很小，因此从那时起直到现在，宇宙中各种粒子的丰度就基本保持不变。这时宇宙的年龄大约为30min。现代实际测量所得到的氦丰度与理论值非常一致，这也是大爆炸理论令人信服的证据之一。
（7）随后的100万年：在大爆炸半小时后，宇宙中留下了大量的光子（以及大量的中微子和反中微子），宇宙中光子数与重子数之比约为109，所以此时的宇宙是光子的海洋。高能光子有足够能量击碎原子，但是随着宇宙膨胀，光子的能量不断减少，直到大约经过40万年后，这些在大爆炸初期产生的光子就会变成低能光子，这种低能光子将不再能够击碎原子，甚至不再能够激发原子。于是宇宙中的原子和光子变成没有耦合的两种独立组分，宇宙就进入了"退耦代"，变得透明。这时宇宙的温度已降到4×103K，原子开始形成。起先只是产生较轻的元素，较重的元素是在其后形成的星系和恒星内部产生的。从退耦代开始，宇宙中的光子气体叫做"宇宙背景光子"。伽莫夫在20世纪40年代最早预言了背景光子的存在，并算出了这种大爆炸初期产生光子现在的波长，其值大约是lmm，这属于微波段光子。这种光子相对应的温度是5K左右。这一预言在1965年由天文观测实验证实。
（8）今日宇宙：宇宙从大爆炸开始至今的年龄可利用哈勃定律得到，实际上就是哈勃常数的倒数，即T0=1/H0≈⒈8×1010年。宇宙年龄的这个估计值跟利用放射性测定年代的方法所得到的银河中最古老星系的年龄相符。迄今对宇宙中古老星系物质年龄的所有实验结果都不违背大爆炸宇宙学理论。这也是对大爆炸宇宙学的有力的支持。在宇宙的演化史中，从光子退耦代到今天这一阶段最长。在这个阶段的初期，宇宙中主要是气态物质。以后靠引力作用及相互碰撞，气态物质局部凝结，形成星云，再进一步收缩成星系、星团、恒星、行星等。最后才形成了现今所看到的星空世界。
2、大爆炸模型的天文观察证据
（1）伽莫夫的预言
1948年，伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼第一次将已知的物理规律应用于宇宙早期阶段的状况。他们预言：如果宇宙起始于遥远过去的某种既热且密的状态，则在宇宙年龄仅为几分钟时，它热得足以使每一个地方都产生核反应（大爆炸），其散落的残余辐射由于宇宙的膨胀而冷却，至今它所具有的温度约为绝对温度5K左右（即－268℃），即存在宇宙的背景辐射。此宇宙背景辐射应该是各向同性的，均匀的。这就是他们从大爆炸理论得出的预言，但当时没有引起人们的重视。
（2）宇宙背景辐射的发现
1965年，美国贝尔实验室的彭齐亚斯（A．Penzias，1933～）和威尔逊（R．Wi1son,1936～））十分意外地发现了这种宇宙背景辐射。当时他们正在跟踪一颗Echo号星，来校准一台很灵敏的无线电天线，但他们发现始终存在着一种无法解释的噪声。普林斯顿大学的迪克（R.Dicke）了解到此情况后，立即认为这正是他们在寻找的源自于大爆炸的残余辐射，它相当于在电磁波谱中的微波部分--波长为7.35厘米的某种无线电波信号，它对应于2.7K的热辐射。彭齐亚斯和威尔逊因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。而事实上，原苏联无线电物理学家Shmaonov早在1957年就发现了这种辐射，但因为其论文是以俄文发表的，所以直到1983年，人们才注意到这一事实。
1989年，美国国家宇航局（NASA）发射了宇宙背景探测（Cosmic－back～ground explorer，COBE）卫星，对整个背景辐射谱进行了测量，观测结果与温度为2.73K的纯热辐射作出的理论预言极其吻合。因此，大爆炸理论预言得到了实验观测的有力支持，这使它成为被广泛接受的理论之一。
（3）原初核合成问题
宇宙年龄为1秒时，宇宙的温度高达1010K，这时尚不能有原子核的存在，因为此时的热运动足以使原子核瓦解，因此，这时介质的主要组分是正负电子、正反中微子、光子及少量的质子和中子。3分钟以后，温度已降到109K，能使氘核光分裂的高能光子已非常少，而一旦氘开始合成（质子十中子＝氘核十2.2兆电子伏），后续的连锁反应就将很快地生成原子量为3和4的核，如氚（2n＋p），3He（2p＋n），4He（2n十2p）等，但由于自然界中不存在原子量为5的稳定核，到此连锁反应链便中断了，所以原初核合成阶段最主要的产物是4He，其次是D和3He，其数密度比4He低4个数量级，还有少量的7Li，其数密度比4He低8个数量级。半小时后，温度降到了108K，这时热能已不足以引起热核反应。于是，原初核合成阶段结束，已形成的原子核留了下来。
（二）宇宙的命运
现代宇宙学认为，由1250亿个星系，每个星系由数千亿个恒星组成的浩瀚宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸，从那时以来直至今天，整个宇宙仍处于不断的膨胀之中，那么它今后的命运如何？是永远膨胀下去，是膨胀到一定时候再收缩？或者是有其他的命运？
如果人们朝空中扔出一个石块，那么由于地球引力的作用，它上升的速度将逐渐减小，最后落回地面。人们扔得越使劲，也就是石块脱手时的初始速度越大，这个石块上升得就越高。当人们以11.2千米／秒的速度发射一枚火箭，那么它就可以彻底摆脱地球引力的束缚。该速度就是地球的"逃逸速度"，每一个星球都有其对应的逃逸速度，质量越大，半径越小，逃逸速度越大。如月球的逃逸速度为2.4千米／秒，即在月球表面发射火箭要容易些。
类似的考虑适用于任何受引力拖曳而迟滞减速的爆发或膨胀着的物质系统。如果向外运动的能量超过向内的由引力拖曳产生的能量，那么它就将超过其逃逸速度而一直保持膨胀。但是，如果引力对该系统所施加的拖曳作用超过了向外运动的力量，那么膨胀中的物体最终将会重新汇聚到一起。将上述设想应用于整个宇宙，那么膨胀着的宇宙的命运有三种可能的趋势：第一种是永远膨胀下去，第二种是膨胀到一定时候逐渐收缩，第三种是介于前两种之间的临界状态。到底会出现哪一种情况，决定于两方面的因素：一方面是宇宙的初始膨胀速度，另一方面是宇宙物质的平均密度。
目前还不知道宇宙到底属于哪一种情形，但可以肯定的是，宇宙正以极其接近于临界状态的方式膨胀着。这种情形是很难理解的，因为如果不是精确地以临界"发射"速度开始的话，那么随着宇宙的膨胀和演化，它就会离该临界状态越来越远。宇宙已经膨胀了约150亿年，却依然如此接近临界状态，以至于无法区分它究竟处于"分水岭"的哪一边，宇宙的"发射"速度仿佛是经过严格的选择，与临界速度（逃逸速度）的差异不超过10～36，这实在是不可思议。
那么，人类是如何知道宇宙正接近于临界状态的呢？如果宇宙开始膨胀时的速度远大于临界速度，那么引力就永远无法将局部物质吸引到一起而形成星系和恒星，从而也就不会产生生命，更谈不上人类的出现了。类似的，如果宇宙以比临界速度慢得多的速度开始膨胀，那么宇宙膨胀了较短的时间后就开始收缩，就没有足够的时间产生、演化生命。也就是说，如果宇宙不以恰到好处的临界速度开始膨胀，那么这个宇宙就不适于生命的产生与演化。
四、天体的起源和演化
天体是指宇宙间的各种星体。天体的起源和演化包括星系、恒星、行星三个层次天体的起源和演化。由于星系和行星的起源和演化问题至今没有定论，需要进行更多更深入的探索，这里不作为考察的重点，着重探讨成熟的恒星演化理论。
（-）星系的起源和演化
星系是比总星系低一级的天体系统，按其形状和结构的不同，可以把星系分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、不规则星系四类。星系是怎样诞生和演化的，至今仍是一个谜。一般认为星系的起源跟宇宙演化有不可分割的联系。根据演化态宇宙模型，星系是在宇宙演化到一定阶段诞生的。宇宙在大爆炸后，先由分布不均匀的星系前物质收缩成原星系，然后再进一步演化为星系。在回答原星系是从什么样的星系前物质产生的问题上，形成了两大派：认为星系是从星系际弥漫物质云凝聚而成的被称为弥漫说（或星云说）；主张星系是从宇宙大爆炸过程中抛射出大量超密物质块再度爆发而来的被叫做超密说。这两派尽管观点不同，但都承认星系是100亿年前形成并演化的。
（二）恒星的起源和演化
恒星又是比星系低一个层次的天体。关于恒星演化的理论现在已经发展到相当成熟的阶段，这一方面是因为恒星的种类繁多，综合大量处于不同演化阶段的恒星的资料，就能分析出恒星的演化过程；另一方面科学家们在发现核裂变和核聚变反应规律的基础上，把元素的起源同恒星的演化联系起来，揭示出推动恒星演化的能源主要是发生在恒星内部的核反应，科学地解决了恒星演化的动力机制。
1、恒星的起源
恒星起源的主要问题是回答恒星由什么物质形态转化而来，然而这个问题至今没有解决。象星系起源一样，在恒星的起源问题上，也存在着两种不同的观点：星云说和超密说。由于星云说的科学证据越来越多、证明越来越充分，这里就以星云说来阐明恒星的起源及演化问题。-般认为，由星际弥漫物质发展到恒星大致经过了以下三个阶段：
第一，弥漫物质阶段。在这个阶段，弥漫物质密度很低，只有10～21～～～10～20千克／米3左右，相当于每立方厘米有几十个氢原子。由于分布不匀，冷热不均，而处于不停的旋转运动之中。
第二，星云阶段。弥漫物质在旋转运动中，由于引力作用往往会聚积起来，使得一些地方的密度大一些，一些地方的密度小一些。密度大的形成云雾状星云。星云的密度仍很低，但体积大得惊人，它在旋转运动中，互相碰撞，发展成团块。据理论推算，当星云团块密度超过一定限度时就会在引力作用下收缩。
第三，球状体阶段。星云团块的收缩，体积变小而内部温度逐渐升高。星际云的主要成分是氢，收缩之初为氢原子云，温度升高后电离为氢离子云并趋于球状。这时的直径可能有太阳的几十万倍，而质量和太阳相近，还不是星体。只有当球状体进一步收缩，所产生的引力势能转化为热能，使其内部温度上升到3000℃左右，开始向外界发出红外辐射即发出肉眼可见的红光时，一颗恒星便诞生了。这个过程大约需要几千万年的时间。
2、恒星的演化
恒星诞生后仍然处在收缩中。随着内部温度不断上升，在其中心仅开始了以氢燃烧为龙头的一系列热核反应。这些热核反应加剧了恒星上"吸引和排斥这一个古老的两极对立"，由此决定着恒星的演化进程并贯穿始终，推动着恒星从一个阶段过渡到另一个阶段。这些阶段是：
第一，引力收缩阶段。
第二，主序星阶段。
第三，红巨星阶段。
第四，高密星阶段。
（三）行星系--太阳系的起源
宇宙中能直接观测到的行星系只有太阳系一个，因此行星系又称太阳系，它是由中心天体太阳和九大行星、以及卫星、彗星等天体组成。太阳的起源问题已在恒星的起源和演化中讨论过，而行星的起源问题又很难作单独的研究，且与人类关系密切，这就有必要从整体上对行星系的起源和演化作一概述。
大约在50亿年以前，庞大的银河系星云在自身引力作用下收缩、旋转、破碎，变成许多小星云块，其中一块就是形成太阳系的原始星云，叫做太阳星云。太阳星云由于自吸引进一步收缩，结果一方面释放出大量的引力势能变热能后使星云温度升高，另一方面引力势能变成动能，导致星云的旋转速度加快，惯性离心力增大。由于星云各处的惯性离心力不等，赤道处最大，收缩慢，两极处最小，收缩得快，使得星云不断变扁。当太阳星云收缩到一定程度的时候，赤道处的惯性离心力已经和该处所受到的中心引力相等，这里的物质便不再收缩，而星云其它部分仍在收缩，于是形成一个扁扁的、内薄外厚且环绕中心旋转的星云盘。星云中心部分进一步收缩，最后形成太阳。
太阳刚形成时，自转很快，磁场很强，内部物质对流很强烈，大量物质被抛射出来，通过沙兹曼机制损失了绝大部分角动量，造成太阳的旋转变慢，角动量特殊分布。太阳形成以后，对星云盘的演化产生了很大的影响。在太阳引力垂直分力的作用下，星云盘的尘粒不断向赤道面下沉，于是在赤道面上逐渐形成一层薄薄的"尘层"，随着尘层密度的增大，就会因密度不匀而瓦解为粒子团，然后，粒子团的粒子经过吸积、碰撞等方式依次聚积为星子、星胎，最后形成行星。
五、现代天文学面临的问题
天文学在20世纪取得了巨大的进展，其中不仅包括对宇宙现状的一些定性的说明和解释，还有一些定量的预言被观察事实所验证。20世纪提出的宇宙大爆炸模型，由于其在各方面的成功预言，已成为科学界广泛接受的科学理论，但是关于宇宙学仍存在许多问题有待解决。
（一）暗物质问题
宇宙若平均密度太高，则它必定在膨胀较短的时间后就开始收缩；若密度太低则将迅速膨胀。显然，两者都不利于生命的产生，这似乎意味着，只有宇宙密度刚好处于临界值附近，才有利于诞生生命。但当人们对宇宙中的发光物质进行实测时，发现其平均密度远低于宇宙临界的密度。这是为什么呢？经实测，人们在宇宙中发现了总质量大大超过发光物质的不发光物质，也称暗物质。暗物质不发出可见光、红外光或电磁波，但具有万有引力。测量表明，所有星系中的绝大多数物质都是暗物质，可见物质在整个宇宙中只占不到10％。那么这些暗物质是由什么构成的呢？其存在又有何依据呢？
（二）正反物质的不对称问题
根据宇宙大爆炸理论，在宇宙的起始阶段，粒子和反粒子是等量的，然而如今的宇宙只有粒子构成的正物质，找不到由反粒子构成的反物质，这是为什么呢？是还没有找到，还是宇宙中的反物质已经消失？但即使能找到反物质，其量也必定不能同正物质相比，否则宇宙将时时处于激烈的爆炸之中。那么为什么反物质比正物质少呢？
（三）微观世界与宇宙的统一
宇宙学除了前面提到的问题以外，事实上还存在许多未解之迷，例如宇宙常数问题、类星体问题等等。类星体的能量是太阳的1015倍，它如此巨大的能量来自何方？从20世纪70年代中期开始，宇宙学的研究逐渐依赖于粒子物理的发展，反过来粒子物理学家要在地球上的实验室内进行高能物理实验也变得越来越困难，因此粒子物理学家期待利用宇宙早期高温高密度的状态及天体中自然存在的高能粒子源为粒子物理学提供天然的实验条件。微观领域和宇观领域竟然如此不可思议地统一到了一起！
物理学家们一直梦想着将自然界中的四种基本相互作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用纳人某种单一的统一理论之中。众所周知，各种不同的相互作用力的作用强度是极不一样的，它们分别对各种不同类别的粒子起作用。那么，它们又如何能统一在一起呢？答案是：自然力的相互作用强度随粒子能量（或环境温度）的变化而变化。理论上预期：在极高能下（超过1015吉电子伏），即相当于1028K的温度以上的情况，四种基本相互作用有可能统一在一起。但这样的高温只有在宇宙开始的前10～35秒才有可能实现。宇宙创生10万年时，温度达3000K，随着时间反推回去，温度越来越高，各种相互作用逐渐统一，如在创生10～11秒时温度高达1015K，弱电相互统一。因此，粒子物理的大统一理论可以促进宇宙学的发展，反过来，宇宙学的观察结果也可用于检验粒子物理学理论。
