星系团 · 超星系团
Cluster把几百上千个星系用引力捆在一起的，叫星系团。室女座星系团包含一千多个星系，直径约一千万光年。星系团再往上还有超星系团，我们属于拉尼亚凯亚，跨度五亿两千万光年，装着约十万个星系。在最大尺度上，物质并不是均匀撒开的，而是连成纤维、围出空洞，形成宇宙网。
本星系群 约50个星系
拉尼亚凯亚 5.2亿光年
可观测宇宙 930亿光年
交互式天文课件 · 离线可用
从星尘到星海，
把太阳系转给你看
先用十二张天体身份卡讲清楚宇宙里到底分了哪些层级——星系、恒星、行星、卫星、彗星； 再用三个可以拖拽、可以调参、可以按下播放的模型，把星轨怎么绕、地球怎么转、月食怎么发生， 一次讲透。所有位置都由开普勒方程实时算出，不是贴图。
01 · 尺度与身份
先弄清楚：我们身在何处
天文学最难的不是计算，而是尺度。下面这根标尺把 1 埃到 930 亿光年压进同一个屏幕—— 对数刻度下相邻两格只差十倍，但真实差距就是这样让人失去直觉。
氢原子10⁻¹⁰ m
人体细胞10 µm
人1.7 m
珠峰8.85 km
地球1.27×10⁷ m
地月距离3.84×10⁸ m
海王星轨道9×10¹² m
奥尔特云1 光年
银河系10 万光年
本星系群1000 万光年
可观测宇宙930 亿光年
怎么用这一节 点击每张卡片左侧的圆形图标，浏览器会用内置语音把讲解念出来，念到哪句、哪句就亮起；再点一次停止。 右上角可以整体关掉声音或调整语速，全程不联网、不加载任何第三方语音服务。
星系
Galaxy星系是引力绑住的一整套系统：恒星、气体、尘埃，加上远多于可见物质的暗物质。银河系直径约十万光年，包含一千亿到四千亿颗恒星。太阳并不在中心，而是在距银心约两万六千光年的一条支臂上，以每秒约二百三十公里的速度绕行，跑完一圈需要两亿三千万年——恐龙时代它才刚跑到对面。
直径 10万光年
恒星 1000–4000亿
银心距离 2.6万光年
星云
Nebula星云是弥散在恒星之间的气体与尘埃云，成分大部分是氢。它既是产房也是墓地：猎户座大星云里，引力正在把气体压成新的恒星；而蟹状星云是一颗恒星在公元一零五四年爆炸后留下的残骸，至今仍在以每秒一千五百公里向外飞散。星云虽然巨大，密度却比实验室能抽出的真空还稀薄。
猎户座大星云 1344光年
蟹状星云 SN 1054
成分 氢为主
恒星
Star恒星靠自身核聚变发光发热，是一个巨大的等离子气体球，太阳就是我们离得最近的一颗。它在核心把氢聚变成氦，每秒约有六亿吨物质参与反应，其中四百万吨的质量直接变成能量，所以能稳定燃烧上百亿年。夜空中肉眼能看到的每一丝微光，都是一颗遥远的太阳；而恒星的颜色就是体温计，偏蓝的更热，偏红的更凉。
太阳核心 1500万℃
表面 5505℃
太阳年龄 45.7亿年
行星
Planet行星自己不产生核聚变，靠反射恒星的光被看见。国际天文联合会在二零零六年给出三个硬条件：绕恒星运行、质量大到让引力把自己捏成近似球形、并且清空了轨道附近的邻居。前两条冥王星都合格，第三条不合格——它的轨道上还有一群柯伊伯带天体，所以被归入矮行星。太阳系因此从九大行星变成八大：四颗岩质的水金地火，四颗气态与冰质的木星、土星、天王星、海王星。
太阳系 8颗
最大 木星 14万公里
定义年 2006
天然卫星
Moon围绕行星运行的天体叫天然卫星，月亮就是地球的卫星，离我们一起约三十八万四千四百公里，光走完这段路要一点三秒。太阳系已确认的卫星超过两百六十颗，木星带着九十余颗，土星一百四十余颗，像两个缩微的太阳系。最大的木卫三直径五千二百六十八公里，比水星还大；土卫六是唯一拥有浓密大气的卫星，表面还有液态甲烷的湖泊。
地月 384,400 km
木卫三 > 水星
土卫六 1.45 atm
矮行星
Dwarf planet矮行星满足了绕恒星和近似球形两个条件，唯独没能清空自己轨道附近的其他天体。被正式承认的有谷神星、冥王星、阋神星、鸟神星、妊神星。它不是失败的行星，而是一个数量可能上千的大家族——外海王星天体的观测还在不断补充名单。冥王星直径两千三百七十六公里，比月球还小一圈，却有氮冰构成的冰川和一层稀薄的氮气大气。
冥王星 2376 km
谷神星 约940 km
官方认定 5颗
小行星
Asteroid小行星是主要由岩石和金属构成的小型天体，绝大多数集中在火星与木星之间的小行星带，离太阳约二点一到三点三天文单位。它们没能聚成行星，是因为木星的引力不断扰动，让吸积过程始终完不成。已编号的小行星超过一百万颗。轨道与地球相交的近地小行星是真正的风险项——六千五百万年前落在墨西哥希克苏鲁伯的那颗，直径约十公里。
已编号 > 100万颗
主带 2.1–3.3 AU
撞击体 约10 km
彗星
Comet彗星是冰与尘埃冻在一起的脏雪球，轨道又扁又长，大部分时间在太阳系边缘冷冻着。靠近太阳时表面冰层升华，喷出气体和尘埃形成彗发，再被太阳风和辐射压推成一条永远背向太阳的尾巴，长的时候能拉到上亿公里。哈雷彗星每七十六年回归一次，一九八六年上一次露面，它下一次回来是二零六一年。
哈雷周期 76年
彗尾 可达1亿km
来源 柯伊伯带 / 奥尔特云
流星体 · 流星 · 陨石
Meteoroid同一种东西在三个阶段有三个名字：漂浮在太空的沙粒级碎片叫流星体；以每秒十一到七十二公里撞进大气层、摩擦电离划出那道光的叫流星；没烧尽、落到地面的残块就是陨石。流星雨并不是星星掉下来，而是地球每年固定时间穿过某颗彗星留在轨道上的尘埃带。英仙座流星雨的母体是一八六六年被记录的斯威夫特塔特尔彗星。
进入速度 11–72 km/s
极大期 每小时上百颗
母体 彗星尘埃带
黑洞
Black hole黑洞是大质量恒星燃尽后坍缩出来的时空区域，引力强到连光都出不去，这个边界叫事件视界。银河系中心藏着一个叫人马座 A 星号的超大质量黑洞，质量约四百三十万倍太阳，视界直径约两千五百万公里。事件视界望远镜在二零一九年拍到了 M87 星系黑洞的环状影像，二零二二年又拍到了我们自己的。但黑洞不是吸尘器：把太阳换成同等质量的黑洞，行星轨道一点不会变，只是从此没有光和热。
人马座A* 430万 M☉
首张照片 2019 M87*
距银心 2.6万光年
太阳系
Solar System太阳系是一颗恒星加上八颗行星、五颗官方矮行星、上百万颗小行星和无数彗星组成的引力系统，形成于四十六亿年前的一团分子云。太阳独占整个系统百分之九十九点八六的质量，所以它几乎就是系统的重心所在。真正的边界不是海王星，而是被认为包裹着上万万亿颗彗星核的奥尔特云，那里离太阳约一光年，也是行星与星际之间名分的分界。
太阳质量占比 99.86%
年龄 46亿年
奥尔特云 ≈1光年
下一步 知道了层级，就可以把镜头拉近到我们所在的那一格：八颗行星绕着太阳转的这套结构。下面这一节是能上手转的模型。
02 · 星轨模型
把太阳系摆到桌上，随便转
这是一个真正的天象仪（orrery）。位置不是动画循环，而是从 J2000 轨道根数 出发、
用开普勒方程 M = E − e·sin E 逐帧解出来的。选好日期按下播放，行星就按真实速率前进——
水星八十八天跑一圈，海王星要一百六十四年。
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日心视角模拟时刻
—
累计历时
—
选中天体
地球
日心距离
—AU
日心黄经
—°
T² / a³
—
轨道速度
—km/s
视场
—
为什么轨道是椭圆
开普勒第一定律：所有行星的轨道都是椭圆，太阳在其中一个焦点上，而不是正中间。决定"扁不扁"的是偏心率 e——金星只有 0.0068，几乎是个圆；水星 0.2056，一眼能看出偏心。
所以"近日点比平均距离近、远日点比平均距离远"这件事，在水星上能差出约两千万公里。地球的近日点在每年一月初，正是北半球的冬天——这也说明季节跟日地距离无关，靠的是地轴倾斜。
开普勒第三定律：一条公式管住全场
公转周期的平方正比于半长轴的立方。T 用年、a 用天文单位时，T² / a³ 对八颗行星都等于 1——右侧读数面板实时算给你看。
这条定律意味着太阳系的节奏是可以预测的：知道一颗行星离太阳多远，不用观测就能算出它一年有多长。海王星能被"笔算发现"，靠的正是这套规律被扰动之后倒推出的位置。
尺度提示真实距离比例下，内行星挤在太阳旁几乎重叠，海王星远在画面边缘——这就是宇宙最难画的地方：没有任何一种比例能同时看清距离和大小。默认视图压缩了距离，也放大了行星直径。
轨道倾角八颗行星并不严格共面：水星 7.00°、金星 3.39°，其余都在 3.4° 以内。把视角压到接近侧面，就能看出轨道盘是很薄的一张碟。
共面与同向所有行星都从北黄极看呈逆时针公转，且几乎共面——这是太阳系诞生于一个旋转的扁盘状分子云最直接的证据。
03 · 地球自转
一天不是 24 小时，而是 23 小时 56 分
昼夜交替来自地球自转，这谁都知道。但把地轴倾角、公转位置和"太阳日"的定义一起拖进模型， 才会发现：季节、时差、昼长、极昼极夜，全是同一个转动在不同方向上的投影。
侧视 · 晨昏线与直射点
左右拖拽地球 = 换观察经度
长曝光 · 星空绕天极转出轨迹
恒星赤经赤纬取自真实星表
00:0012:0024:00
1/1夏至 6/2112/31
0° 无季节23.44° 现在45°
66°S赤道 0°66°N
0.1 h整夜 8 h
太阳赤纬 δ
—
直射点
—
城市太阳高度
—
当地昼夜
—
该纬度昼长
—
自转线速度
—m/s
天极高度
—
拱极赤纬下限
—
天球已转过
—
累计曝光
—
星轨：地球自转最直接的摄影证据
把相机固定在三脚架上、对着北极星方向连开两小时，底片上就留下恒星绕天极转出的圆弧。 这不是星星在动，而是地球在自转、天球跟着反着转——每 4 分钟转 1°，一小时转 15°。
同一张照片里能读出三件事：靠近圆心的星弧短而完整（拱极星，永不落下）； 离圆心远的弧会被地平线截断，只露出升落的一段；而圆心本身的高度，恰好等于你所在的纬度—— 在 40°N 拍，北极星就悬在地平线上方 40°。
把左侧"观测者纬度"推到 −33°（悉尼），画面会切换到南天极：那里今天没有等亮的极星， 圆心处只剩一颗 5 等暗星，这是岁差把地轴指错了方向的结果。
恒星日与太阳日：差出来的 3 分 56 秒
地球自转的真正周期是 23 小时 56 分 04 秒——以遥远恒星为参照转满 360°，称为一个恒星日。 我们日常用的 24 小时是太阳日：太阳连续两次上中天的间隔。
差别来自公转。地球一天里沿轨道前进了约 0.9856°，要多转这么一点角度才能让太阳重新回到同一方位。
日积月累，恒星每天比太阳"早"约 4 分钟升起；一年下来正好多出一整圈 360°，也就是 24 小时。
动手验证关掉经纬网、把自转倍速拉高，盯住同一条赤经线回到太阳方向所需的时间，和它回到背景同一位置所需的时间——两者就是恒星日与太阳日。
自转的三条可测后果
-
昼夜交替
不发光又不透明，转一圈就换来一次白天黑夜。假如地球被潮汐锁定，昼夜周期会等于一年的公转周期，晨昏两侧温差将极端到难以生存。
-
线速度随纬度递减
角速度处处相同（约
15°/小时），但赤道半径最大，线速度达465 m/s；到纬度 60° 只剩233 m/s，极点为零。这就是发射场偏爱低纬度、火箭顺自转方向发射的原因。 -
地转偏向力
北半球运动物体右偏、南半球左偏、赤道为零，于是气旋旋转方向相反。更干净的直接证据是傅科摆：摆动平面在巴黎约 31.5 小时转一圈，在两极刚好 24 小时。
04 · 食
为什么不是每个月都有月食
满月每次都让地球站在太阳和月球中间，看起来理应从每月食一次。
答案写在月球轨道的 5.145° 倾角上：多数满月从地影的上方或下方掠过去。
把"轨道倾角"滑杆归零——月食立刻变成每月一次。
阴影锥尺寸由真实天体半径与距离实时计算
月全食0° 每月必食真实 5.145°8°
正交点偏 10°20° 无食
近地点平均 384,400远地点
近日点1 AU远日点
判定结果
—
食分
—
地影本影直径
—km
本影 / 月球直径
—×
本影锥长
—km
月面视直径
—′
日面视直径
—′
全食阶段时长
—
半影食始初亏食既食甚生光复圆半影食终
地影有多大，食就有多久
本影是一个锥。地球半径 6371 km、太阳半径 696,000 km、日地距离
1.496 亿 km 三个数就能定下锥角：本影尖在约 138 万 km 处，而月球只有
38.4 万 km，所以它总能钻进很深的地方。
在月球轨道那一断面上，本影直径约 9200 km，是月球的 2.6 倍，半影直径接近月球的 4.7 倍。 这决定了月全食可以拖得很久：理论上限 1 小时 47 分，从半影食始到食终全程可达约 3 小时 40 分。
把"地月距离"推到远地点，本影相对月球变小，全食时长明显缩短；推到近地点则相反。这就是每场月食时长都不一样的原因。
日食恰好相反月球的本影锥长约 37.4 万 km，比平均地月距离还短一点——多数时候锥尖够不到地面，只留下一个环，那就是日环食。只有月球在附近地点时，锥尖才压到地表，形成宽度一两百公里的全食带。
半影月食
月球只穿过半影，亮度下降不到一成，肉眼几乎看不出来——通常要有人举着相机连续拍摄，才会在照片里发现月面一侧微微发暗。
阶段：P1 → P4
月偏食
月球的一部分进入本影。缺掉的那块是真的黑，比未食部分暗几十倍，边界是地球影子的圆弧。偏食阶段月面被遮永远不到一半。
阶段：U1 → U4，未到食既
月全食
整个月球进入本影，却被大气折射的红光照亮，颜色从砖红到暗铜，取决于地球高空的云与火山气溶胶多少。
阶段：U2 → U3 为本影全食
发生窗口月球轨道与黄道的交点线缓慢退行，周期 18.6 年。只有满月落在交点附近十几度以内才会食，这段日子叫食季，每 173.31 天回来一次，一年两个食季。
沙罗周期223 个朔望月 = 242 个交点月 = 239 个近点月 = 6585.32 天，约 18 年 11 天 8 小时。同样的几何排列会再次上演，所以古代记录能被推算到几百年之后。
最古老的证据月食时地影投在月面上的边缘永远是圆弧。亚里士多德正是用这一点论证地球是球的——无论地影朝向哪个方向。这是人类最早关于地球形状的观测论证之一。
观测安全月食可以放心用肉眼、望远镜直接看，毫无风险；日食任何阶段都不能裸眼直视，需要专用日食玻璃（ND5，透光率约十万分之一）。这条差异也是两个演示里最容易记混的地方。
05 · 疑问
那些绕不过去的小问题
行星为什么不按同一速度跑？
开普勒第二定律：单位时间扫过的面积相等。离太阳近时引力势能转成动能，速度必须变快。水星在近日点约 58.9 km/s，远日点约 38.9 km/s，相差一半。地球最慢的时候正是七月初的远日点——北半球夏天反而跑得慢。
地轴倾角变了会怎样？
当前是 23.44°，在约 22.1°–24.5° 之间以 4.1 万年周期摆动，这是米兰科维奇循环的一部分。倾角变大，中高纬度季节温差剧烈，夏季更热会削弱冰盖积累；倾角变小，夏季凉爽利于冰雪保存。把模型里的倾角滑杆推到 0°，直射点永远钉在赤道，四季与极圈现象同时消失。
北极星会永远是北极星吗？
不会。地轴像陀螺一样进动，周期约 25,800 年，天极在天上画一个大圆。公元前 3000 年的北极星是右枢（天龙座 α），公元 14000 年将轮到织女星。所以星轨照片圆心处那颗"不动的星"只是这个时代的巧合。把星轨模拟里的纬度滑到南半球，你会看到南天极附近今天没有等量的亮星可用。
为什么中国统一用一个时区？
理论时区按经度每 15° 划一区，中国领土横跨东五到东九共五个地理时区，但行政上统一使用东八区（UTC+8）。结果就是乌鲁木齐的地方真太阳时比北京时间晚约两小时——夏天晚上十点天还亮。演示里把城市切到乌鲁木齐，观察太阳高度角与钟表时间的错位，比任何解释都直观。
月食时月球为什么不干脆消失？
地球大气相当于一圈透镜环。阳光掠过边缘时被折射约 0.5°–1°，路径弯进本影；同时瑞利散射把蓝光散射掉，只剩红橙光。落到月面的照度只有正常日光的约十万分之一，看上去就是一只昏暗的铜色圆盘。若地球高空有大量火山灰或云层，全食会更暗，甚至几乎看不见。
同一个地方一生能看到几次日全食？
日全食在地球上平均每 18 个月发生一次，但全食带只有约 100–270 公里宽，覆盖面积不到地表万分之三。固定一个地点统计，平均约 375 年才轮到一次。相反，月食发生时半个地球都能看见，同一地点约每 2.5 年能碰到一次——这也是为什么"看月食"是普及天文最好的入口。