4.2.1 银河系
当人类全面了解了地球所在的太阳系以后，很自然地要将眼光投向银河系。
“银河”原本是人类在空气透明的夏天夜里所能看到的一条宽而发亮的不规则光带，看起来像一条河，它是由无数恒星的光引起的。实际上，人类肉眼能看到的银河只是银河系的一部分，但也早已经备受关注，并成为文人墨客的题材。例如，著名的唐朝诗人李白的《望庐山瀑布》中就有“飞流直下三千尺，疑是银河落九天”的佳句。可见银河的概念是古已有之的。
银河系是太阳系所在的恒星系统，包括1200亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的直径约为100000多光年，中心厚度约为12000光年，总质量是太阳质量的1400亿倍。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和4个旋臂，旋臂相距4500光年。太阳位于银河一个支臂猎户臂上，至银河中心的距离大约是26000光年。
20世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒星系统称为银河系。并应用统计视差的方法测定恒星的平均距离，结合恒星计数，得出了一个银河系模型。在这个模型里，太阳居中，银河系呈圆盘状，直径8千秒差距，厚2千秒差距。
科学家应用造父变星的周光关系，测定球状星团的距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小，得出银河系是一个透镜状的恒星系统，太阳不在其中心。根据计算，银河系直径80千秒差距，太阳离银心20千秒差距，这些数值太大，因此在计算距离时未计入星际消光。
20世纪20年代，银河系自转被发现以后，上述银河系模型得到公认。银河系是一个巨型棒旋星系（旋涡星系的一种），Sb型，共有4条旋臂，包含1.2千亿颗恒星。银河系整体也在做自转，太阳处自转速度约220千米/秒，太阳绕银心运转一周约2.5亿年。银河系的目视绝对星等为-20.5等，银河系的总质量大约是我们太阳质量的1.4万亿倍，大致10倍于银河系全部恒星质量的总和。这是银河系中存在范围远远超出明亮恒星盘的暗物质的强有力证据。关于银河系的年龄，占主流的观点认为，银河系在宇宙大爆炸之后不久就诞生了，用这种方法计算出银河系的年龄大概为145亿岁，上下误差各有20多亿年。而科学界认为宇宙大爆炸大约发生于137亿年前。
在银河系里，大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间凸出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。
银河系有两个伴星系：大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。与银河系相对的称为河外星系。
银河系物质约90%集中在恒星内。恒星的种类繁多，按照恒星的物理性质、化学组成、空间分布和运动特征，恒星可以分为5个星族。最年轻的极端星族Ⅰ恒星主要分布在银盘里的旋臂上；最年老的极端星族Ⅱ恒星则主要分布在银晕里。恒星常聚集成团，除大量的双星外，银河系里已发现了1000多个星团。银河系里还有气体和尘埃，其含量约占银河系总质量的10%，气体和尘埃的分布不均匀，有的聚集为星云，有的则散布在星际空间。20世纪60年代以来，人们发现了大量的星际分子，如一氧化碳、水等。分子云是恒星形成的主要场所。银河系核心部分，即银心或银核，是一个很特别的地方。它发出很强的射电、红外线、X射线和γ射线辐射。其性质尚不清楚，那里可能有一个巨型黑洞，据估计其质量可能达到太阳质量的250万倍。对于银河系的起源和演化，知之尚少。
4.2.2 黑洞
说起黑洞，人们很容易望文生义地把它想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓黑洞，是指这样一种天体：它的引力场非常强大，就连光也不能逃脱出来。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，就不能再逃出。黑洞是“隐形”的，不可能直接观察到，只能以一些间接的证据来证明。
历史上第一个意识到一个致密天体密度可以大到连光都无法逃逸的人是英国地理学家约翰·米歇尔。他在1783年写给著名科学家亨利·卡文迪什的一封信中提出了这个想法，他认为一个和太阳同等质量的天体，如果半径只有3千米，那么这个天体是不可见的，因为光无法逃离天体表面。1796年，法国物理学家拉普拉斯曾预言：“一个质量如250个太阳，而直径却等于地球直径的发光恒星，由于其引力的作用，将不允许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的发光天体不会被我们看见。”
1971年英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯曾分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞，并预言如果他们的假说正确，在银河系中心应可观测到一个尺度很小的发出射电辐射的源，并且这种辐射的性质应与人们在地面同步加速器中观测到的辐射的性质一样。3年以后，这样的一个辐射源果然被发现了，这就是人马座A。
人马座A有极小的尺度，只相当于普通恒星的大小，发出的射电辐射强度为2×1034尔格/秒，它位于银河系动力学中心的0.2光年之内。它的周围有速度高达300千米/秒的运动着的电离气体，也有很强的红外辐射源。已知的所有的恒星级天体的活动都无法解释人马座A的奇异特性。因此，人马座A似乎是大质量黑洞的最佳候选者。但是由于当前对大质量的黑洞还没有结论性的证据，因此天文学家们避免用结论性的语言提到大质量的黑洞。
中国科学院上海天文台沈志强研究员领衔的国际天文研究小组，在经过8年的研究后，找到了银河系中心人马座A是超大质量黑洞的确凿证据。
这一研究成果刊登在英国《自然》杂志上。该杂志评价说：“这是天文学家第一次看到如此接近黑洞中心的区域，也终于找到了迄今为止最令人信服的证据，支持了‘银河系中心存在超大质量黑洞’的观点。”
人马座A这个神秘射电发射源位于距离地球2.6万光年的银河系的中心，被公认是研究黑洞物理的最佳目标。从1997年开始，沈志强和他的合作者，包括美国国家射电天文台台长鲁国镛、美国加州理工学院的梁茂昌、美国哈佛史密松天体物理中心的贺曾朴和赵军辉，将目光锁定在这一天体上，并最终测定人马座A的直径大小仅为1.5亿千米，相当于地球公转的轨道半径，因此推算出该天体质量密度异乎寻常的高，比目前任何已知的黑洞候选者的密度都至少要大1万亿倍，有力地支持了人马座A存在超大质量黑洞的物理解释。
研究小组成功拍摄到的迄今为止最接近该黑洞的射电照片，这是确定人马座A区域直径最有力的支持。从1997年开始，该国际研究小组利用位于北半球10个射电望远镜，展开大量观测，并用新方法不断提高观测精度，最终获得了世界上第一张3.5毫米波长的高分辨率图像。这是目前天文学中可提供的最高空间分辨率，也是人类第一次看到距离黑洞中心如此近的区域。
黑洞是研究宇宙起源的关键问题之一。根据黑洞理论，黑洞的密度如此之大，以至于光都无法逃脱它的引力，因此从外表看，这种天体是全黑的。这使得天文学家寻找黑洞的工作十分困难，使天文学家只能根据黑洞能够剧烈“吞噬”附近天体这一性质确定其存在，也使得如何从观测上证实黑洞成为现代天体物理学最具挑战性的课题。
美国宇航局2010年11月15日发现地球附近有一个年仅30岁的黑洞，这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。
这个最年轻的黑洞是天文学家利用美国宇航局的钱德拉X射线望远镜发现的，它为观测这类婴儿期天体提供了独一无二的机会。美国宇航局声称，这个黑洞将能够帮助科学家更好地理解大质量恒星是如何爆炸的，恒星爆炸后留下的是黑洞还是中子星，以及银河系和其他星系黑洞的数量。
这个30岁的黑洞是距离地球约5000万光年的M100星系中的超新星“SN1979C”的余烬。根据钱德拉X射线望远镜、美国雨燕卫星、欧洲宇航局牛顿X射线天文望远镜及德国伦琴卫星获得的数据显示，那里有一个明亮的X射线源，这个X射线源在1995～2007年这段观测期内一直非常稳定，这表明这个天体是一个黑洞，它正在吞噬这颗超新星和伴星落下的物质。
这是唯一一个人类全程见证它形成的黑洞，也是超新星爆炸能够形成黑洞的唯一的直接证据。
现代物理中的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。由于黑洞中的光无法逃逸，因此我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。例如，恒星在被吸入黑洞时会在黑洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧烈摩擦，强烈发热而发出X射线。借由对这类X射线的观测，可以间接发现黑洞并对之进行研究。黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数研究者认同。
当然，仍然有些科学家认为宇宙中不存在黑洞，如果说有，还需要进一步的证明。
4.2.3 河外星系
在人类还没有完全搞清楚银河系的同时，科学家的眼光已经投向了更远的星系。这就是银河系以外的星系，并且有了更为惊人的发现。
河外星系，简称星系，是位于银河系之外，由几十亿至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统。目前已发现大约10亿个河外星系。银河系也只是这极多的星系中一个普通的星系。人们估计河外星系的总数在千亿个以上。千亿以上！这让人对宇宙的无边无际有了多么深刻的印象。
河外星系曾经被叫作河外星云。河外星云这个名词已用得不多，但由于历史上的原因仍然保留着。河外星系也与银河系类似，是由大量的恒星、星团、“银河”星云和星际物质构成的巨大天体系统。河外星系一般用肉眼看不见，即使通过一般望远镜去观察，也还是一片雾气，跟星云一样，所以以前人们一直把它们也当作星云，称为河外星云。后来经过深入的研究，天文学家才发现二者完全不同：早期所能观察到的“河外星云”实际上都是银河系的内部成员，是由气体和尘埃组成的；真正的河外星云是处在银河系以外区域的星系。为了不至于混淆，现代天文学再也不用“河外星云”这个词了，而一律改称“河外星系”。
第一个发现的河外星系是仙女座大星云（M31）。随着望远镜口径的增大，观测技术的进步，哈勃望远镜和各种航天探测器的上天，发现的河外星系也越来越多。时下，在观测所及的范围内可以观测到10亿个以上的星系。在这众多的河外星系中，只有极少数很亮的才有专门的名字。有的以发现者的名字来命名，如大、小麦哲伦星云；有的以所在星座的名称来命名，如猎犬座星云等。绝大多数河外星系是以某个星云、星团表的号数来命名。
1917年，美国天文学家里奇拍摄星云NGC6946时，在其中发现了一颗新星。后来美国天文学家柯蒂斯也有类似的发现。由于星云中的新星极其暗弱，他们猜测星云应该极其遥远，是银河系外的天体。
1924年，美国天文学家哈勃用当时世界最大的天文望远镜——威尔逊山天文台2.5米直径的望远镜观察仙女座星云，第一次发现星云其实是由许多恒星组成的，并利用其中的造父变星测定出仙女座星云位于70万光年之外。这远远超出了银河系的范围，证明它是银河系之外的星系。此后，哈勃又测定出三角座星云和星云NGC6822也位于银河系之外。
4.2.4 哈勃
学习天文学，不能不认识哈勃。
哈勃（1889-1953）是研究现代宇宙理论最著名的人物之一，是河外天文学的奠基人。他发现了银河系外星系的存在及宇宙在不断膨胀，是提供宇宙膨胀实例证据的第一人。
1906年6月，17岁的哈勃高中毕业，获得芝加哥大学奖学金，前往芝加哥大学学习，在大学期间，他受天文学家海尔的启发，开始对天文学产生更大的兴趣。在校期间获得了数学和天文学学位。1910年，21岁的哈勃在芝加哥大学毕业，获得奖学金，前往英国牛津大学学习法律，23岁时获文学士学位。1913年在美国肯塔基州开业当律师。后来，他终于集中精力研究天文学，并返回芝加哥大学，在25岁时到叶凯士天文台攻读研究生，28岁时获博士学位，在该校设于威斯康星州的叶凯士天文台工作。哈勃在获得天文学哲学博士学位和从军两年以后，于1919年退伍到威尔逊天文台（现属海尔天文台）专心研究河外星系并有了新发现。
哈勃对20世纪的天文学做出了许多贡献，被尊为一代宗师。其中最重大的成果有两项：一是确认河外星系是与银河系相当的恒星系统，开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙的新概念；二是发现了星系的红移与星际距离变化的关系，促使现代宇宙学诞生。
哈勃还对旋涡星云的空间分布进行了研究，1936年在所著的《星云世界》一书中绘出了旋涡星云按银道坐标的空间分布图。该图表明，在银道面上几乎完全看不到旋涡星云，在银道面两旁所见也不多，而随着银纬增高，所见到的旋涡星云增多。这一现象是由于银河系内银道面附近浓密的星际物质的吸光作用造成的。这后来被认为是黑洞存在的间接证据。
他还研究了银河星云的发光机制，在1922年指出：发射星云近旁往往有光谱型早于B1型的恒星，反射星云近旁往往有晚于B1型的恒星。
1953年，哈勃在回家途中突发中风，不幸逝世。1990年，美国国家航空航天局发射了太空望远镜，为纪念哈勃的丰功伟绩，将其命名为“哈勃太空望远镜”（Hubble Space Telescope， HST）。这是美国国家航空航天局“大天文台计划”的4个空间望远镜中的第一颗。另外3颗分别为康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台、斯必泽红外空间望远镜。
哈勃太空望远镜以光学与近红外观测为主。这4个空间望远镜覆盖了电磁波全波段，为人类认识广袤宇宙做出了划时代的伟大贡献。
哈勃太空望远镜在轨道上环绕着地球运行，它位于地球的大气层之上，因此对星系影像的观测不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。这些重要的性能使之成为天文史上重要的仪器之一，帮助天文学家解决了许多重要的问题，使人们对天文物理有了更多的认识。哈勃的著作有《星云世界》《用观测手段探索宇宙学问题》等，这两部书都是现代天文学名著。他曾经获得太平洋天文学会奖章和英国皇家天文学会金质奖章。
虽然哈勃逝世已经60年了，但是，借助哈勃太空望远镜，他的目光仍然在巡视宇宙，给人类以新的视野，用无限宇宙的博大，唤起人类抛弃蜗居地球所产生的狭小胸怀。