哈勃曾利用仙女座星系外围（星族Ⅰ）的造父变星来推估仙女座星系的距离，当时只有这些造父变星能够辨认出来。现在，利用修正了的尺度，测出这个星系距离我们大约250万光年，而不是不到100万光年。其他星系也按比例向外推移。（但是，仙女座星系仍然是我们的一个近邻，星系间的平均距离估计约为2000万光年。）
就这么一修正，已知宇宙的范围就扩大了一倍多，30年代困扰的问题也迎刃而解了。我们的银河系不再是最大的了，例如，仙女座星系就肯定比我们的银河系大。再者，现在看来，仙女座星系的球状星团同我们银河系的一样亮；以前只是因为距离计算错了而觉得它们比较暗。最后，新的距离标准可以使宇宙的年龄剧增，从而使宇宙的年龄能和地质学家所估计的地球的年龄一致起来了。（我将在后面说明理由。）
星系团
星系的距离加倍并没有使宇宙大小的问题完全解决。我们现在必须考虑由星系团和星系团集团组成的更大系统的可能性。
事实上，现代望远镜已经证实，星系团确实存在。例如，后发星座里有一个巨大的椭圆形的星系团，直径约为800万光年。后发星系团含有大约11000个星系，彼此间的平均距离只有30万光年。（而在我们附近的星系团中，星系间的平均距离大约是300万光年。）
我们的银河系似乎是本星系群的一部分，本星系群包括麦哲伦云、仙女座星系和它附近的三个小伴星系，加上一些其他星系，共有19个成员。这些成员中，由意大利天文学家马费伊首先报道的马费伊1和马费伊2直到1971年才被发现，这是因为在它们和我们之间有尘埃云，只有透过这些尘埃云才能探测到它们。
在本星系群中，只有我们的银河系、仙女座星系和两个马费伊星系是巨星系，其余的都是矮星系。矮星系之一的IC1613可能只含有6000万颗恒星，几乎并不比一个大的球状星团大。在星系中，如同在恒星中一样，矮星系比巨星系多得多。
如果星系的确组成星系团，星系团又组成更大的集团，这是否意味着宇宙会无限地扩展下去，空间是无限的呢？或者宇宙和空间都有尽头？现在天文学家能辨认出大约100亿光年远的天体，在那里它们似乎达到了一个极限。要知道为什么，我必须把讨论的方向稍微转移一下。我们已经讨论了空间，下面让我们来讨论一下时间。
宇宙的诞生
神话作者们编造了许多创造宇宙的奇异故事（通常主要涉及地球本身，而把其余一切都当作“天空”或“天”干脆不予考虑）。一般来说，这些神话都把世界诞生的时间定在不太遥远的过去。
我们最熟悉的创世故事当然是《创世纪》第一章 了，有人认为，它是根据巴比伦神话改编的，后来只是加强了诗的美感和道德的色彩。
人们作过各种努力，试图根据《圣经》上记载的数据推算出创世的日期（例如不同国王在位的年代、希伯来人从出埃及到奉献所罗门神殿的时间、大洪水前后亚伯拉罕、以赛、雅各和他们的祖先的年龄等等）。中世纪的犹大学者把创世的日期定在公元前3760年，至今犹太历仍从那个日期开始计算年代。1658年，英国圣公会的厄谢尔算出创世的日期为公元前4004年，而附和者将日期更精确地定在那一年10月22日的下午8点。希腊正教会的一些神学家则将创世日定在公元前5508年。
甚至迟至18世纪，《圣经》上的说法仍为学术界所接受，宇宙的年龄被认为只有6000～7000年。1785年，苏格兰博物学家赫顿出版了一本名为《地球论》的书，使这种观点第一次受到沉重打击。赫顿一开始就提出这样一个命题，即地球表面上发生的缓慢的自然过程（如高山的形成和侵蚀，河道的冲凿，等等），在整个地球史上都是以大致相同的速率进行的。这个均变说意味着，这些过程必然进行了相当长的时间才产生出这些可以观测到的现象。因此，地球的年龄绝不止几千年，而是几百万年。
赫顿的观点立即受到嘲笑，但却渐渐地起了作用。19世纪30年代初期，英国地质学家C.赖尔重申了赫顿观点，并在三卷巨著《地质学原理》中提出了鲜明有力的证据，使科学界赢得了胜利。现代地质学可以从他的著作之日算起。
地球的年龄
许多人试图以均变说为基础来计算地球的年龄。比方说，假若有人知道每年因水的作用而产生的沉积物的量的话（现代的估计是每880年30.48厘米），那么，他就可以由沉积岩的厚度计算出它的年龄。但是人们很快就明白了，用这个方法无法精确地确定地球的年龄，因为侵蚀、碎裂、隆起及其他力量的作用使岩石的记录变得模糊不清。尽管如此，就连这种不完全的证据也表明，地球的年龄至少有5亿年。
另一个测定地球年龄的方法，是估计海洋中盐分的聚集率，这个方法是哈雷在1715年首先提出来的。
河流不断地将盐冲到海中，因为淡水通过蒸发而离开海洋，所以盐的浓度逐渐增加。假设海洋一开始全是淡水，那么河流要使海洋有3%的含盐量必须要有10亿年的时间。
这个巨大的年龄非常符合生物学家们的需要。19世纪后半叶，生物学家试图描绘出生物从原始的单细胞生物发展到复杂的高等动物的缓慢进程。他们需要漫长的时间来发生这一过程，而10亿年给了他们足够的时间。
可是，到了19世纪中叶，天文学上的一些问题突然变得复杂起来。例如，能量守恒定律提出了一个与太阳有关的有趣的问题。太阳不断喷出大量的能量，而且有史以来一直如此。假若地球存在了无数世纪，那么太阳的这些能量是从哪里来的呢？它不可能来自人们通常熟悉的能源。假如太阳一开始就是在氧的大气中燃烧的煤块，那么，按照它释放能量的速率来计算，在2500年中就会全部变成二氧化碳。
德国物理学家亥姆霍兹是提出能量守恒定律的科学家之一，对太阳特别感兴趣。1854年，他指出，假如太阳正在收缩，它的质量在向重心下落的过程中会得到能量，就像石块下落时得到能量一样。这种能量可以转变为辐射。亥姆霍兹计算出，太阳只要缩小1/10000的半径，就能够给它提供2000年释放的能量。
后来被称为开尔文勋爵的英国物理学家W.汤姆孙对此做了更多的研究，并据以推断地球的年龄不可能超过5000万年，因为根据太阳消耗能量的速率来看，太阳要缩小到今天这样大，最初一定会和地球公转轨道一样庞大。（这个假设当然也意味着，金星一定比地球年轻，而水星更年轻。）W.汤姆孙进而估计，假如地球本身开始时是一团熔融的物质，那么，冷却到现在的温度所需的时间，也就是它的年龄，大约是2000万年。
到19世纪90年代，对立的双方拉开了阵势。物理学家似乎已肯定地证明，地球以固态存在绝不会超过几百万年，而地质学家及生物学家似乎也同样肯定地证明，地球以固态存在必定超过10亿年。
之后，一些完全没有预料到的新发现瓦解了物理学家的阵垒。
1896年，放射性的发现使问题得到了澄清，地球的铀元素和其他放射性物质会释放出大量的能量，并且已经进行了很长的时间。正如1904年新西兰出生的英国物理学家卢瑟福在一次演讲中首先指出的，这个发现使W.汤姆孙的计算变得毫无意义。已经上了年纪的W.汤姆孙本人也听了这次演讲，并表示不同意卢瑟福的观点。
如果不把放射性物质不断提供给热量这一事实考虑在内，而试图确定地球冷却的时间，那是没意义的。有了这个新的因素，地球从一团熔融的物质冷却到现在的温度，可能所需要的时间就不是几百万年，而是几十亿年了。地球甚至可能因放射性物质供给热量而愈来愈热。
实际上，放射性本身终于给地球的年龄提供了最可靠的证据（使用的方法将在后面第六章 中叙述），因为它可以使地质学家及地球化学家直接从岩石中铀和铅的含量计算出岩石的年龄。利用放射性时钟，现在已经知道，地球上的某些岩石年龄超过了30亿年，而且有充分的理由认为，地球的年龄要比岩石的年龄大。地球以目前的固态形式存在的年龄为46亿年，这个年龄现在是可以为人们接受的。从我们的近邻月球上带回来的一些岩石，证明月球差不多也是同样的年龄。
太阳与太阳系
太阳的情况又是怎样的呢？放射性及有关原子核方面的发现，引出了一个新的能源，比我们以前知道的任何能源都大得多。1903年，英国物理学家爱丁顿经过一系列的思考后提出，太阳中心的温度和压力一定非常高：温度可高达1500万度。在这样的温度和压力下，原子核可以进行在温和的地球上无法进行的反应。人们知道，太阳主要是由氢构成的。若4个氢核结合成1个氦原子，这些氢核就会释放出大量的能量。
1938年，德国出生的美国物理学家贝特提出，在像太阳一类的恒星中心，将氢结合成氦有两种可能的方式：一种是直接由氢转换成氦；另一种则以碳原子作为中间媒介。在恒星中，这两种反应都可能发生；而在我们的太阳中，直接将氢转换成氦似乎是主要的机制。（爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论中已经证明，质量和能量是同一事物的两个不同的方面，可以相互转化；而且还证明，少量的质量转化能够释放出巨大的能量。）
太阳辐射能量的速率要求太阳每秒减少420万吨的质量。乍看之下，这个损失似乎大得吓人，但太阳的总质量为22000000000000000000亿吨，因此每秒只损失其质量的0.0000000000000000002‰。如果太阳真的像科学家们现在认为的那样已经存在了50亿年，而且一直按现在的速率辐射能量的话，它也只是损耗了其质量的1/33000而已。由此不难看出，在今后的几十亿年内，太阳还能继续按照目前的速率辐射能量。
到了1940年，人们认为，整个太阳系的年龄约为50亿年看来是合理的。有关宇宙年龄的全部问题大概可以解决了，但是天文学家们又陷入了新的困境。现在整个宇宙的年龄显得太年轻了，因而无法解释太阳系的年龄。这个麻烦是由天文学家对远星系的探测和奥地利天文学家多普勒1842年首先发现的一种现象引起的。
大家都非常熟悉多普勒效应，最常见的实例就是火车通过时的汽笛声：当火车接近时笛声音调升高；而当火车远离时音调降低。音调的变化就是因为声源的运动使每秒钟撞击在耳膜上的声波数目改变了。
正如多普勒所指出的，多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波。当运动着的光源的光波到达眼睛时，如果光源移动得够快的话，频率会发生移动，就是说，颜色会发生改变。譬如说，假若光源向着我们运动，每秒钟就会有较多的光波挤进我们的眼睛，我们所看到的光就会向可见光谱的高频端（即紫端）偏移；反之，如果光源远离我们而去，每秒钟到达的光波就较少，于是光就会向可见光谱的低频端（即红端）偏移。
天文学家对恒星的光谱进行了长期的研究，因此非常熟悉正常的光谱图。这种光谱图或是在黑暗背景上的亮线图样，或是在明亮背景上的暗线图样。亮线或暗线表示原子在某些波长（或颜色）上对光线的发射或吸收。通过测量正常光谱线朝可见光谱红端或紫端的位移，天文学家能够计算出恒星移向我们或远离我们的速度，即视向速度。
1848年，法国物理学家斐索指出，注意光谱线的位置能够取得观测光的多普勒效应的最佳效果。因此，人们把光的多普勒效应称为多普勒-斐索效应（图2-4）。
图2-4 多普勒－斐索效应。当光源靠近时，光谱线会移向紫端（左边）；而当光源远离时，光谱线则移向红端（右边）
多普勒－斐索效应已经应用在各个不同的方面。在我们的太阳系内，它可以用来以一种新的方式证实太阳的自转。在太阳自转的过程中，太阳正在转向我们的边缘所发出的光谱线会向紫端偏移（紫移）。而另一边缘则显示出红移，因为这一边缘正在远离我们而去。
诚然，太阳黑子的运动是探测太阳自转的更好而且更明显的方法（已由此得知，太阳相对于恒星的自转周期大约是26天）。不过，多普勒效应可以用来测定没有特征的天体的自转，如土星环。
多普勒－斐索效应可以用于任何距离的天体，只要能使那些天体产生出可供研究的光谱。因此，它最突出的成果是在恒星的研究方面。
1868年，英国天文学家W.哈金斯测量了天狼星的视向速度，并宣布它正在以每秒47公里（29英里）的速度远离我们而去。（现在我们已有更精确的数字，但他第一次就能做到这种地步，已经是相当精确了。）到1890年，美国天文学家J.E.惠勒使用更精确的仪器，取得大量可靠的数据。例如，他指出，大角星正在以每秒6公里（3.75英里）的速度接近我们。
多普勒－斐索效应甚至能够用来确定望远镜无法分辨的恒星系统是否存在。例如1782年，英国天文学家古德里克（他是一个聋哑人，死时才22岁。他虽然身体残废，却是一个第一流的天才）研究了大陵五，发现它的亮度有规律地增强和减弱。古德里克对这种现象的解释是，假设有一颗暗伴星围绕着大陵五运行，周期性地从它前面经过，从而掩食了它，使它的光线变暗。
过了一个世纪，这个似乎可能的假说才得到另一个证据的支持。1889年，德国天文学家沃格尔指出，大陵五的光谱线交替发生红移和紫移，并且和它的明暗变化相吻合。一开始大陵五远离我们，而暗伴星朝我们靠近；然后大陵五朝我们靠近，而暗伴星远离我们。大陵五被看成是一颗食双星。
1890年，沃格尔发现了一种类似而且更普遍的现象。他发现，有些恒星是既前进又后退，就是说，光谱线同时显示红移和紫移，就像双重线一样。沃格尔的结论是，这种星是一种食双星，两颗子星（都是亮星）靠得非常近，甚至用最好的望远镜看上去还是像一颗单独的星。这类双星叫做分光双星。
不过，我们没有必要把多普勒－斐索效应局限在我们银河系的恒星上，银河以外的天体也可以用这种方法来研究。1912年，美国天文学家斯里弗在测量仙女座星系的视向速度时发现，这个星系正在以大约每秒200公里（125英里）的速度朝我们运行。可是，当他继续观测其他星系时，发现它们中大部分都在远离我们而去。1914年，斯里弗获得15个星系的数据，其中有13个都在以每秒数百公里的速度急速退行。
随着对这些线索的继续研究，情况变得更加明朗了。除了几个最近的星系外，所有的星系都在远离我们而去。而且，随着技术的进步，使人们能够探测到更暗而且可能是更远的星系，观察到的红移也进一步增加了。
1929年，在威尔逊山天文台的哈勃提出，这些星系的退行速度在有规律地增加，一个星系的退行速度与其距离成正比。如果星系A远离我们的距离是星系B的2倍，那么星系A的退行速度就是星系B的2倍。这个规律有时叫做哈勃定律。
后来的观测确实进一步证实了哈勃定律。1929年初，在威尔逊山的哈马逊使用254厘米（100英寸）望远镜获得更加暗弱的一些星系的光谱。他所能观测到的最远的星系在以每秒40000公里（25000英里）的速度退行。508厘米（200英寸）望远镜开始启用后，可以观测到的星系更为遥远；到20世纪60年代，可以观测到的星系竟如此遥远，退行速度高达每秒24万公里（15万英里）。
为什么会这样呢？设想一个表面涂满小点的气球，当气球膨胀时，小点便各自远离。假若有个小人站在任意一点上，在他看来，其他所有的点似乎都远离他而去，而且离他越远的点远离得越快。不论他站在哪一个点上，效果都会是一样的。
星系的行为使人们觉得宇宙仿佛正在膨胀，就像膨胀着的气球一样。天文学家现在大都承认了这一膨胀的事实，而且对爱因斯坦广义相对论中“场方程”的解释，能够与膨胀宇宙相符合。
大爆炸
假若宇宙一直在不断地膨胀，那么，可以合理地设想，它在过去应该比现在小；而且在很久很久以前的某一时候，它是由一个致密的物质核开始的。
1922年，苏联数学家A.A.弗里德曼首先指出这种可能性。那时哈勃并未提出退行星系的证据，弗里德曼完全是从理论出发利用爱因斯坦方程进行研究的。可惜3年后仅37岁的A.A.弗里德曼死于伤寒，因而他的成果鲜为人知。
1927年，比利时天文学家勒梅特，在显然不知道A.A.弗里德曼成果的情况下，研究出了类似的膨胀宇宙学说。由于宇宙一直在膨胀，所以在过去某一时刻它会相当小而密度非常大，勒梅特称之为宇宙蛋。根据爱因斯坦方程，宇宙只能膨胀；而由于它的巨大密度，膨胀一定是从超级爆炸的冲击开始的。今天的星系就是宇宙蛋的一些碎片；而它们相互退行，就是很久以前那次爆炸的回波。
勒梅特的成果也没有受到人们注意，直到更有名望的英国物理学家爱丁顿提出这一成果，才引起科学家们的普遍关注。
直到20世纪30年代和40年代，俄国血统的美国物理学家伽莫夫才真正普及了这个宇宙起源于爆炸的观念。他称这个起始的爆炸为大爆炸。从此这个名字就流传开了。
可是并不是每个人都同意大爆炸是膨胀宇宙的开始。1948年，两位奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论，承认膨胀宇宙但否定大爆炸。后来英国天文学家霍伊尔发展并普及了这个理论。在星系散开的过程中，星系之间又形成新的星系；形成新星系的物质是无中生有的，而且运动的速度非常缓慢，用现在的技术无法测出。结论是，宇宙自始至今基本上保持着同一状态。在过去无数个纪元中，它看上去就是现在这个样；在未来的无数个纪元中，它看上去还是现在这个样子，因此既没有开始也没有结束。这种理论被称为连续创生论，由此形成一个稳恒态宇宙。
在十多年的时间里，大爆炸和连续创生论的争论非常激烈，但没有实际的证据来决定哪一个对。
1949年，伽莫夫指出，假若大爆炸曾经发生，伴随而生的辐射在宇宙膨胀过程中应该损失能量，而现在应该以射电辐射的形式存在，作为一个均质背景从天空的四面八方射来。这种辐射在绝对温度5K（-268℃）时应该是天体的特征。美国物理学家迪克进一步发展了这一观点。
1964年5月，德国出生的美国物理学家彭齐亚斯和美国射电天文学家R.W.威尔孙接受迪克的建议，探测到与伽莫夫预见的特征非常相似的射电波背景，它显示出宇宙的平均温度为绝对温度3度。
大多数天文学家认为，射电波背景的发现为大爆炸理论提供了结论性的证据。现在一般都接受大爆炸曾经发生的说法，而放弃了连续创生论的观点。
但是大爆炸是何时发生的呢？
由于红移容易测量，所以我们相当确切地知道星系退行的速度。但是我们还必须知道星系的距离。距离越大，作为退行速度的结果，到达它们现在位置所需的时间也就越长。但距离并不容易确定出来。
一般认为宇宙年龄应为150亿年。假若一个纪元是10亿年，那么大爆炸发生在15个纪元前，虽然也可能发生在10个纪元或20个纪元前。
大爆炸以前的情况又是怎样的呢？宇宙蛋是从哪里来的呢？有些天文学家猜测，宇宙实际上是由缓慢凝结而成的非常稀薄的气体开始的，可能先形成恒星和星系，而后继续收缩，在一次大紧缩中形成一颗宇宙蛋。宇宙蛋随即在大爆炸中炸开了，重新形成恒星和星系，但现在正在膨胀中，直到某一天它将再一次变成稀薄的气体。
事实可能就是如此，如果我们展望未来，宇宙将一直膨胀下去而变得越来越稀薄，密度越来越小，越来越接近真空状态。如果我们朝过去看，追溯到大爆炸以前，并设想时间向后推移，则宇宙似乎也是一直在膨胀并趋向真空。
这种“一次收缩，一次膨胀”的宇宙叫做敞开宇宙。
现在没有（可能永远也不会有）一种方法，能够找到任何证据，说明大爆炸以前发生的事情。有些天文学家甚至不愿意去思考这件事，最近有些争论认为，宇宙蛋是无中生有的，因此没有“一次收缩，一次膨胀”的宇宙，而只有一个“一次膨胀”的宇宙——仍然是一个敞开宇宙。
根据这种假设，情况可能是这样，在一个空无一物的无垠大海中，在不同的时间可能发生过无数次大爆炸，因此我们的宇宙只是无限多个宇宙中的一个，每一个宇宙都有它自己的质量、自己的发展点和自己的一套自然规律亦未可知。可能只有自然定律的不寻常的组合才会形成星球、星系及生命，而我们处在一个如此不寻常的状况中，就是因为我们不能在任何其他的宇宙里生存。
不用说，现在还没有宇宙蛋无中生有的证据，也没有多个宇宙的证据，或许永远也不会有这种证据。但是，如果不让科学家在缺乏证据的情况下进行一些富有想象力的猜测，宇宙将会是一个粗糙的世界。
就此而言，我们能够肯定宇宙将永远膨胀下去吗？它是在抗拒自身引力吸引的情况下膨胀的；而引力可能足以使退行的速度减慢到零，最后造成收缩。宇宙可能先膨胀后收缩，形成大紧缩，再次消失成一无所有——或者反转过来再度膨胀，然后有一天再次收缩，形成无休止的振荡系列，无论是哪一种情况，我们都称之为闭合宇宙。
太阳的死亡
即使宇宙无限地膨胀下去，对各个星系或星系团也不会有任何直接的影响；即使所有的远星系退行再退行，直到最好的仪器也观测不到它们，我们的银河系仍然会保持完整，它的子星会被牢固地吸引在引力场内，本星系群中的其他星系也不会离开我们。但是我们星系的内部变化是不能绝对排除的，虽然这些变化跟宇宙膨胀无关，但可能会给我们的行星及其表面上的生命造成灾难。
大体变化的整体观念是现代才有的。古希腊哲学家，特别是亚里士多德，相信天空是完美而不变的。所有的变化、堕落与衰退都局限在最低的星球——月球——以下的不完美区域。这似乎只是普通的常识而已，确实，一代又一代，一世纪又一世纪，天上没有什么重大的变化。诚然，偶尔会有神秘的彗星不知从哪里冒出来，行踪无常，用薄薄的面纱遮住其他星体，朦胧的尾巴犹如魔鬼飘动着的长发，完全是一副邪恶的面目，但是这类天体每个世纪用肉眼只能看见25个左右。（彗星将在下一章中详细讨论。）
亚里士多德试图使这些鬼怪现象与天是完美的观念相一致，他坚持认为，彗星属于腐化的大气和变化的地球。这个观念一直持续到16世纪末。但是，1577年（在还没有望远镜的年代），丹麦天文学家第谷试图测量一颗明亮彗星的视差，却无法测出。因为月球的视差可以测到，所以第谷不得不下这样的结论：彗星远在月球以外，而且天上有变化与不完美（罗马哲学家塞涅卡在公元1世纪曾怀疑有这种变化。）
事实上，人们观察到恒星的变化要比这个时间早得多，但显然没有引起多大的好奇心。例如有些变星每夜都有显著的亮度变化，甚至用肉眼就可能观察到。可是没有一位希腊天文学家提到过任何恒星的亮度变化。可能是这些文献早已遗失了，也可能希腊天文学家有意不去观察这些现象。有一个恰当而有趣的例子就是英仙座第二颗最亮的星大陵五。它先失去2/3的亮度，然后又恢复到原来的亮度，如此每69小时循环一次。（由于古德里克和沃格尔的发现，我们现在已经知道，大陵五有一颗暗伴星，每隔69小时与它交食一次，使其变暗。）希腊天文学家没有大陵五变暗的记载，而中古时代的阿拉伯天文学家也没有这种记载。但是希腊人在星图中把这颗星标在一个会把人变成石头的恶魔墨杜萨的头上；而大陵五的名字在阿拉伯语中意为“恶魔”。显然古人对这颗奇怪的星感到不安。
鲸鱼座中有一颗恒星叫鲸鱼座ο，变化无常。有时它像北极星一般明亮；有时又消失得无影无踪。希腊人和阿拉伯人都不曾提到过它，而在1596年第一次报道它的是荷兰天文学家D.法布里齐乌斯。它后来被命名为刍藁增二（即鲸鱼座ο，拉丁语为“奇妙的”意思）。天文学家从那时开始才渐渐地不害怕天象的变化了。
新星与超新星
更加明显的是天上突然出现新星，希腊人对此不可能完全忽略掉。据说喜帕恰斯于公元前134年在天蝎座中看到这样一颗新星，留下十分深刻的印象，于是绘制出第一张星图，以便将来能比较容易地找到新星的位置。
1054年，在金牛座中人们又看到一颗特别亮的新星，它超过了金星的亮度，并且在几周的时间里白天都可以用肉眼看到。中国和日本的天文学家精确地记录了它的位置，他们的记录一直流传到现在。当时在西方天文学发展很慢，以至于没有一份欧洲人对这次明显事件的记录留存下来，大概是根本没有记录。
1572年，当在仙后座出现了一颗和1054年一样亮的新星时，情况就不同了。欧洲的天文学已经从长睡中苏醒过来，年轻的第谷仔细地观察了这颗新星，并写了《论新星》一书。根据这个书名，新发现的恒星开始被称为新星。
1604年，在巨蛇座中也出现了一颗令人注目的新星，它不像1572年出现的那一颗那么亮，但比火星耀眼。开普勒观测到了这颗新星，也写了一本有关这方面的书。
望远镜发明之后，新星变得不那么神秘了。当然它们根本不是什么新的恒星，只不过是比较暗的恒星忽然变得明亮可见罢了。
随着时间的推移，被发现的新星数目越来越大。它们有时在几天之内亮度就增加几千倍，然后在几个月的时间里又慢慢地暗弱下去，恢复到原来的模糊状态。每个星系（包括我们的银河系在内）每年约有20个新星出现。
从对新星形成时发生的多普勒-斐索频移的研究中，以及从对新星光谱的某些其他细节的研究中，已经查明新星是正在爆发的恒星。在某些情况下，喷向空间的恒星物质被恒星的剩余部分所照亮，看上去像是一个正在膨胀的气体壳层。
总的来说，近代出现的新星并不特别亮。最亮的是天鹰座新星，它1918年6月出现在天鹰座。这颗新星最亮时几乎和天狼星一样，成为天空最亮的一颗星。但是，没有出现过像第谷和开普勒所看到的那样的新星，亮得可以和木星、金星等亮行星媲美。
自从使用望远镜以后发现的最亮的一颗新星也没有那么亮。这颗新星是德国天文学家哈维希1885年发现的；可是即使在它最亮时也只有七等，肉眼是根本看不见的。
这颗新星出现在仙女座星云中，它的最大亮度为仙女座星云亮度的1/10。当时没有人知道仙女座星云距离有多远，也不了解它是一个由几千亿颗恒星构成的星系、所以这颗新星明显的亮度并没有引起人们的注意。
在柯蒂斯和哈勃计算出仙女座星系（当时的叫法）的距离之后，回想1885年那颗光辉灿烂的新星，天文学家们大为震惊。柯蒂斯和哈勃在仙女座星系中发现的几十颗新星都比那颗新星暗弱得多。
1934年，瑞士天文学家兹威基开始在远星系中系统地寻找特别明亮的新星。像1885年仙女座星系中那颗新星一样放射光芒的新星，都会被观测到，因为这种新星像整个星系一样明亮，因此只要能看见星系，就能看见新星。到1938年，兹威基找到了12颗这种和星系一样亮的新星，他把这些亮度极不寻常的新星叫做超新星。结果，1885年发现的那颗新星最后被命名为仙女座S，S代表超新星。
一般新星的绝对星等平均为－8（假若在10秒差距的距离观测的话，它们的亮度是金星的25倍）。一颗超新星的绝对星等可能高达－17。这样的超新星将是一般新星亮度的4000倍，或将近太阳亮度的1亿倍——至少在最大亮度时是这样。
回顾1054年、1572年和1604年所发现的新星，也是超新星。而且，它们必然发生在我们的银河系，才会有那么明亮。
细心的中国人在远古和中古时期记载的许多新星中必定也有一些是超新星。早在公元185年就有一次这样的报道；而1006年在远南天豺狼座出现的超新星、可能是历史上最亮的一颗星。它的亮度可能是金星的200倍或满月的1/10。
根据遗迹来判断，天文学家们猜测，11000年前在远南天船帆座曾出现过一颗更明亮的超新星（亮度可能实际上与满月差不多），可惜当时还没有天文学家观察天象，也还没有发明书写的艺术。不过，可能有些史前时代的石壁画描绘了有关这颗新星的情况。
超新星在物理性质上和一般新星有很大的不同，所以天文学家们正在热心地详细研究它们的光谱。主要困难是它们很稀少。一个星系通常大约50年出现一颗超新星。尽管到目前为止天文学家已经找到了50多颗，可惜都在远星系，无法进行详细研究。仙女座1885超新星是近350年来距离我们最近的一颗，而在它出现之后20年天文摄影才得到长足的发展，因此没有留下这颗超新星的永久性的光谱记录②。
然而，超新星在时间上的分布是随意的。在某个星系中，仅最近17年间便探测到3颗超新星。现在的天文学家可能会被证明是幸运的。实际上，现在就有一颗特殊的恒星正在引起人们的注意。船底座η星明显地不稳定，它发生明暗变化已有相当一段时间。1840年，它变得非常亮，成为天空中的第二颗最亮的星。许多征兆表明，这颗星好像即将要爆发成为一颗超新星。但问题是，对天文学家来说，这个“将要”可能是明天，也可能是今后10000年。
此外，船底座同船帆座和豺狼座一样，因过于偏南，所以即使有超新星爆发，从欧洲或从美国的大部分地区也看不到。
但是，恒星爆发而发亮是由什么引起的呢？为什么有些成为新星，而有些成为超新星呢？要回答这个问题我们必须暂离本题。
早在1834年，贝塞尔（即后来首先测出一颗恒星视差的那位天文学家）已经注意到，天狼星及南河三的位置每年都稍有移动，而从移动的方式来看，似乎与地球的运动无关。它们的运动不是直线进行，而是呈波浪状，因此贝塞尔断定，它们必定在各自的轨道上绕着某个东西转动。
从天狼星与南河三在轨道上运动的方式来看，它们各自围绕的“东西”必定具有不亚于一颗恒星的强大引力。特别是天狼星的伴星，它必须具有太阳一样大的质量，才能解释这颗亮星的运动。因此伴星被断定为恒星；但是因为当时用望远镜观测不到，所以被称之为暗伴星。它们被认为是随着时间的推移而正在变暗的老恒星。
之后，1862年，美国仪器制造家A.克拉克在试验一台新的望远镜时，看到了天狼星附近的一颗暗星；进一步深入观测，结果证明这颗星果然就是那颗伴星。现在称天狼星本身为天狼A星，称那颗伴星为天狼B星，天狼A星和天狼B星都以50年的周期围绕着一个相互的引力中心运行。天狼B星的绝对星等只有11.2，虽然质量和太阳差不多，亮度却只有太阳的1/400。
天狼B星似乎是一颗正在衰亡的恒星。可是，1914年，美国天文学家W.S.亚当斯在研究了天狼B星的光谱之后，断定它必然和天狼A星本身一样热，比我们的太阳还要热，因为在它的光谱中发现了一些特殊的吸收线，而产生这些吸收线的原子振动只有在非常高的温度下才能发生。但是，既然天狼B星那么热，为什么还会那么暗呢？唯一可能的答案是，它比我们的太阳小得多。因为温度较高，单位表面积放射的光就比较多；可是它的总发光量小，所以它的总面积必定小。事实上，我们现在知道，这颗星的直径不会大于11000公里（6900英里）；尽管具有与太阳相等的质量，体积却比地球小！所有的质量挤压在这么小的体积内，其平均密度会是铂的130000倍。
这完全是一种崭新的物质状态。幸运的是，这时物理学家已经能够毫不困难地作出回答。他们知道，在一般的物质中，原子是由非常小的粒子组成的。由于粒子非常微小，所以原子的大部分体积是“空的”空间。在极端的压力下，亚原子粒子可以被挤成超密的物质。即使在超密的天狼B星中，亚原子粒子之间仍有空隙，完全能够自由移动，因此，这种密度远大于铂的物质，性质仍然像气体。英国物理学家福勒在1925年建议，把这种物质称为简并气体，而苏联物理学家朗道在20世纪30年代指出，即使像我们的太阳一类的一般恒星，其中心也应该是由简并气体组成的。
1896年，沙伯勒在加利福尼亚洲的利克天文台首先探测到南河三的伴星南河三B星，发现它也是一颗超密的恒星，但质量只有天狼B星的5/8。几年之后，人们发现了许多这种超密恒星。它们体积虽小，但温度很高并发出白光，因此被称为白矮星。白矮星大概非常多，可能占所有恒星的3%。但因为它们体积小又暗淡，所以只有在我们附近的白矮星才有可能在不远的将来被发现。（还有一种比太阳小得多但比白矮星大的红矮星。红矮星是冷的，并且只有一般密度。它们是最常见的恒星，占所有恒星的3/4。因为它们很暗，所以和白矮星一样难以发现。有一对红矮星，距离我们只有6光年，但直到1948年才被发现。在距离太阳14光年以内的36颗恒星中，21颗是红矮星，3颗是白矮星，没有一颗是巨星，而且只有天狼星和南河三两颗比我们的太阳亮。）
在发现天狼B星具有如此惊人的性质之后第二年，爱因斯坦提出了广义相对论，主要是以新的方式解释引力。爱因斯坦的引力观点引导出这样一个预言：由具有非常强的引力场的光源所发射出的光线应当向红端位移（爱因斯坦位移）。亚当斯在发现白矮星后，被白矮星所强烈吸引，于是对天狼B星的光谱进行了仔细地研究。他发现确有爱因斯但所预言的红移。这个发现不仅证实了爱因斯坦的理论，而且支持了天狼B星具有超级密度的说法；因为在一个普通恒星如我们的太阳中，红移效应只有天狼B星的1/30。尽管如此，20世纪60年代初期，由我们的太阳产生的这种非常小的爱因斯坦位移还是探测到了，使广义相对论得到了进一步证实。
但是白矮星和上面讨论的超新星有什么关系呢？为了回答这个问题，让我们回顾一下1054超新星。
1844年，罗斯勋爵在金牛座中东方天文学家曾报道发现1054超新星的地方，观测到一个小的云状天体。因为它很不规则，形状像螃蟹，罗斯勋爵就把它命名为蟹状星云。以后几十年的连续观测表明，这团气体正在缓慢地膨胀。根据多普勒-斐索效应可以计算出膨胀的实际速率，把它同膨胀的视速率结合起来，就能够计算出蟹状星云距离我们3500光年。从膨胀的速率还可以确定，这团气体从中心爆发点开始膨胀的时间是在将近900年前，这同1054年的日期正好相符。因此，对蟹状星云（现在它扩展的空间范围直径约为5光年）是1054超新星的遗迹，已不会有什么怀疑了。
虽然在第谷和开普勒报道的两颗超新星位置的附近都观测到了星云状物质的小斑，却没有发现类似的湍动气体区域。不过，这里却有大约150个行星状星云，这些星云中的轮胎状气体环可能表示曾经发生过巨大的恒星爆发。天鹅座的网状星云是一个特别宽广而稀薄的气体云，它可能是3万年前一颗超新星爆发留下的遗迹。这颗超新星一定比1054超新星距离我们更近，因而更加明亮，可惜当时地球上还没有文化，未能记录下这一壮丽情景。
甚至还有人提出，围绕着猎户座的一块非常暗弱的星云状物质，可能是一颗更古老的超新星留下的遗迹。
然而，在所有这些事例中，恒星爆发以后情况又怎样呢？它们就这样变成一团巨大的气体而消失了吗？例如，蟹状星云是1054超新星爆发后遗留下来的全部吗？难道它就这样一直扩散下去，直到这颗恒星所有可见的迹象永远消失为止吗？或者留下的某些残骸仍是一颗恒星，只是太小太暗而无法探测到，也就是说，留下的是一颗白矮星吗？打个比方来说，白矮星是曾经像我们的太阳一样的恒星的残骸吗？这些疑问把我们引向恒星演化的问题。
恒星的演化
在我们附近的恒星中，按照非常有规律的亮度与温度的比例来判断，明亮的似乎比较热，而暗淡的似乎比较冷。如果把各种恒星的表面温度相对于它们的绝对星等绘制成图的话，大部分我们所熟悉的恒星将会归入一条从暗冷缓慢地上升到亮热的窄带中，这条带叫做主星序。它是由美国天文学家H.N.罗素于1913年首先绘出的，而后第一位确定造父变星绝对星等的天文学家赫茨普龙也做了同样的工作。因此，表示主星序的图叫做赫茨普龙-罗素图，简称为赫-罗图（图2-5）。并非所有恒星都属于主星序。有些红巨星虽然表面温度相当低，却有很高的绝对星等。这是因为它们的物质以稀薄的方式扩散成很大的体积，单位面积的热度虽然不高，但巨大的表面总合起来却相当热。在这些红巨星当中，最有名的是参宿四和心宿二。1964年科学家们发现，有些红巨星甚至冷到大气层里含有大量的水蒸气；在我们太阳的比较高的温度下，这些水蒸气会被分解成氢和氧。至于高温的白矮星也不属于主星序。
图2-5 赫-罗图。虚线表示一颗恒星的演化过程。图中恒星的大小仅是示意，并未按真实比例。
1924年，爱丁顿指出，任何恒星内部一定非常热。因为恒星的巨大质量，其引力非常强大。如果这颗恒星要不坍缩，就必须有一个相等的内部压力与这种巨大的引力相平衡，这个内部压力就是由热能和辐射能产生的。恒星的质量越大，平衡引力所需要的中心温度也就越高。为了维持这种高温和辐射压力，质量越大的恒星必须越快地燃烧，从而放出更多的能量，因此一定比质量较小的恒星更亮：这就是质光定律。这个定律指出，光度与质量的6次方或7次方成正比。假若质量增加3倍，则光度增加3的6次方或7次方，即大约750倍。
由此可以得出这样的结论，大恒星大量耗费它们的氢燃料，因而寿命比较短。太阳拥有足够的氢，按目前的辐射率能维持其寿命几十亿年；像五车二那样亮的星在2000万年内就会燃烧完；有些最亮的星，如参宿七，可能维持不了一二百万年。因此，非常亮的星一定非常年轻。新的恒星说不定现在正在有足够的尘埃提供原材料的空间形成。
