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彗星是由灰尘和冰块组成的太阳系中的一类小天体，绕日运动。[35]科学家使用探测器对彗星的化学遗留物进行分析，发现其主要成份为氨、甲烷、硫化氢、氰化氢和甲醛。科学家得出结论称，彗星的气味闻起来像是臭鸡蛋、马尿、酒精和苦杏仁的气味综合。[36]
在太阳系的周围还包裹着一个庞大的“奥尔特云”。星云内分布着不计其数的冰块、雪团和碎石。其中的某些会受太阳引力影响飞入内太阳系，这就是彗星。这些冰块、雪团和碎石进入太阳系内部，其表面因受太阳风的吹拂而开始挥发。所以彗星都拖着一条长长的尾巴，而且越靠近太阳尾巴越长、越明显。太阳系内的星际空间并不是真空的，而是充满了各种粒子、射线、气体和尘埃。[37]
柯伊伯带，是一种理论推测认为短周期彗星是来自离太阳50—500天文单位的一个环带，位于太阳系的尽头。柯伊伯带是冰质残片组成的巨环，位于海王星轨道之外，环绕着太阳系的外边缘。[38]
物质多样性
红巨星，当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段，步入老年期时，它将首先变为一颗红巨星。称它为“巨星”，是突出它的体积巨大。在巨星阶段，恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。称它为“红”巨星，是因为在这恒星迅速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之而降低，发出的光也就越来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，可红巨星的体积是如此之大，它的光度也变得很大，极为明亮。红巨星一旦形成，就朝恒星的下一阶段白矮星进发。
哈勃望远镜观测到白矮星死亡过程
白矮星，是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量，比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量，那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力，电子会被压入原子核而形成中子星。原子是由原子核和电子组成的，原子的质量绝大部分集中在原子核上，在巨大的压力之下，电子将脱离原子核，成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙，从而使单位空间内包含的物质也将大大增多，密度大大提高了。形象地说，这时原子核是“沉浸于”电子中，常称之为“简并态”。大多数的恒星内核通过氢核聚变进行燃烧，将质量转变为能量，并产生光和热量，当恒星内部氢燃料完成消耗完后就开始进行氦融合反应，并形成更重的碳和氧，这一过程对于类似太阳这样的恒星而言，就显得较为短暂，并形成碳氧组成的白矮星，如果其质量大于1.4倍太阳质量，就会发生Ia型超新星爆发。[39]
类星体，20世纪60年代以来，天文学家还找到一种在银河系以外象恒星一样表现为一个光点的天体，但实际上它的光度和质量又和星系一样，我们叫它类星体，现在已发现了数千个这种天体。
超新星，是恒星演化过程中的一个阶段。超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。一般认为质量小于9倍太阳质量左右的恒星，在经历引力坍缩的过程后是无法形成超新星的。在大质量恒星演化到晚期，内部不能产生新的能量，巨大的引力将整个星体迅速向中心坍缩，将中心物质都压成中子状态，形成中子星，而外层下坍的物质遇到这坚硬的“中子核”反弹引起爆炸。这就成为超新星爆发，质量更大时，中心更可形成黑洞。[40]在超新星爆发的过程中所释放的能量，需要我们的太阳燃烧900亿年才能与之相当。[41]超新星研究有着关乎人类自身命运的深层意义。如果一颗超新星爆发的位置非常接近地球，国际天文学界普遍认为此距离在100光年以内，它就能够对地球的生物圈产生明显的影响，这样的超新星被称为近地超新星。有研究认为，在地球历史上的奥陶纪大灭绝，就是一颗近地超新星引起的，这次灭绝导致当时地球近60%的海洋生物消失。[42]
脉冲星，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后，就只剩下了一个“核”，仅有几十公里大小，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒714圈。在旋转过程中，它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射，脉冲星就像是宇宙中的灯塔，源源不断地向外界发射电磁波，这种电磁波是间歇性的，而且有着很强的规律性。正是由于其强烈的规律性，脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以致于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小，周期越短的脉冲星越年轻。脉冲星的特征除高速自转外，还具有极强的磁场，电子从磁极射出，辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合，在自转中，当辐射向着观测者时，观测者就接收到了脉冲。[43]脉冲星就是快速自转的中子星。[44]
中子星，是超大质量恒星爆炸形成超新星时残留的内核，它是密度非常高的天体，相当于将太阳的质量装入一个直径仅有20千米的球体内。中子星能够每秒旋转数百次，由于超强的引力作用和旋转速度，中子星可在时空中形成较大的“涟漪”，但如果其表面包含隆起或其他瑕疵，时空中出现的“涟漪”将出现不均匀性。中子星的表面被认为是由富含中子微粒的结晶层，是一种固体坚硬的外层。中子星表面的原子排列地比钢铁更加紧密，其强度是钢铁断点的100亿倍。坚硬的表面意味着中子星能够支撑大量的表面隆起地形——“山脉”，可能在中子星表面能够支撑一些10厘米高的地形隆起，延伸至几公里之外。[45]研究认为黄金和其他重金属元素可能来自于中子星碰撞的大爆炸。[46]
夸克星，是一种假设的星体。恒星爆发之后会留下遗骸，一颗中子星或者一个黑洞。但如果这个遗骸比上质量太小无法成为黑洞，比下质量太大无法形成中子星，则形成夸克星。虽然还没有被观测到，但天文学家们相信它们应该是存在的。夸克星其实是由奇异夸克物质所组成的，所以它们还被称为奇异星。[47]
黑洞天鹅座V404正在吞噬伴星中的物质
黑洞，一种特别致密的暗天体。大质量恒星在其演化末期发生塌缩，其物质特别致密，它有一个称为“视界”的封闭边界，黑洞中隐匿着巨大的引力场，因引力场特别强以至于包括光子(即组成光的微粒，速度c=3*10^8m/s)在内的任何物质只能进去而无法逃脱。黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。黑洞的最特别之处在于它的“隐身术”，原因是弯曲的空间。光是沿直线传播的。根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。形象地理解，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家斯蒂芬·威廉·霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。如果在黑洞附近创生一对正负粒子，其中一个粒子被吸入黑洞，那么创生的反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子携带正能量从黑洞逃逸。而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失。当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。因此霍金预测黑洞以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。[48]
中国古人曾提出盖天说、宣夜说和浑天说，在春秋战国时期民间就有嫦娥奔月的传说，汉代学者张衡也曾提出“宇之表无极，宙之端无穷”的无限宇宙概念。浑天说认为天地的形状像一个鸡蛋，天与地的关系就像蛋壳包着蛋黄。张衡认为浑天说比较符合观测的实际。[4]
公元前7世纪，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。
古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子，大地的中央则是尼罗河。
古犹太人认为，地球是宇宙的中心，周围绕着一圈星球，再往外去，寥落地分布着其余天体。有一个静止的天球存在，在其内部，星球各居其位，转动不止。[5]
地球原来是近似圆形
最早认识到大地是球形的是古希腊人。公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学观念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和大地都是近似球形的。[6]这一观念为后来许多古希腊学者所继承，被17世纪初麦哲伦的环球航行所证实。[7]
地心说、日心说和万有引力定律
托勒密的地心说示意图
公元2世纪，C.托勒密提出了世界上第一个行星体系模型地心说。地球处于宇宙中心。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转。为了说明行星运动的不均匀性，提出行星在本轮上绕其中心转动，而本轮中心则沿均轮绕地球转动。[8]
1543年，N.哥白尼所著《天球运行论》正式提出了“日心说”观点，[9]认为太阳是行星系统的中心，一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，它上面像陀螺一样自转，一面又和其他行星一样围绕太阳转动。在中世纪的欧洲，托勒密的地心说由于符合神权统治理论的需要，一直占有统治地位。为了捍卫日心说，不少仁人志士与黑暗的神权统治势力进行了前仆后继的斗争，付出了血的代价。[10]
1609年，J.开普勒的开普勒三定律揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，发展了日心说，为牛顿万有引力定律的提出打下了基础。[11]1608年利普赛发明望远镜后，伽利略立即加以改造并指向苍穹。