“那是1571年的圣若望庆日，在神圣罗马帝国威尔德斯达特的一栋三层洋房中，一个婴儿呱呱坠地。人们向天祈祷，祈求着上帝的保佑；而他们不会想到，这个婴儿，将会与浩瀚星空结下不解之缘；而他的大名也将被后世的天文学者们永远铭记——约翰内斯·开普勒。”

CHAP.Ⅰ

天文先导

似乎是受到了圣若望冥冥之中的影响，开普勒一生都在研究神学和占星术，而他在哲学和科学编史学方面的作用其实超出了其在天文学与自然哲学的历史发展中的作用。但是这并不妨碍开普勒成为一位杰出的天文学家，他“第一个天体物理学家与最后一个科学占星家”的名号也因此得来。

开普勒是早产儿，孩提时体弱多病。然而，他超常的数学才能经常给他外祖父旅馆内的客人留下深刻的印象。他在很小的时候就接触到并喜爱上了天文学，而这种喜爱贯穿了他的一生。在他6 岁时，他跟随妈妈看到了C/1577 V1（也就是1577年大彗星）。在他9 岁时，他观察到了另外一次天文事件——1580年的月食，并记录道“月亮看起来非常红”。然而，童年患上天花，使他的视力衰弱，因此限制了他天文观察的能力。1589年，在经过文法学院、拉丁学校以及毛尔布劳恩神学院的学习之后，开普勒进入了图宾根大学的图宾根神学院。在那里，他师从维塔斯·穆勒学习哲学，跟随雅各布·黑尔布兰德学习神学。

开普勒儿时观测的1577年大彗星吸引了全欧洲的天文学家

开普勒在上学期间展现了极高的数学才能，并作为一名熟练的占星家给同学占星。在1583-1631年间担任图宾根大学数学教授的迈克尔·马斯特林的教导下，他学习了关于行星运动的托勒密体系与哥白尼日心说。在那段时间，他成为了哥白尼的拥护者。一次学生辩论中，他从理论和神学两个角度捍卫日心说，坚称太阳是宇宙动力的主要来源。

虽然他很想成为一名牧师，在他学业将要结束之际，开普勒被推荐担任格拉茨新教学校的数学与天文学教师。他于1594年4月接受了该职位。开普勒也就是在1595年在格拉茨教学期间发表了他的第一部天文学著作，也是第一步公开发表的捍卫哥白尼学说的著作《宇宙的奥秘》。《宇宙的奥秘》出版之后，在格拉茨新教学校督导的支持下，开普勒开始了雄心勃勃的计划，进一步发展和完善他的作品。他计划编写另外4部书籍：一部关于宇宙的静止天体；一部关于行星及其运动；一部关于行星的物理属性与地理特征的形成；一部是关于天空对地球的影响，涵盖大气光学、气象学和占星术。

但是因为开普勒的视力因为童年患上天花而衰弱，他无法通过观测得到准确的数据。（第一台天文望远镜在1609年才被伽利略制作出来）因为没有精确的数据，开普勒无法涉许多议题。结果，开普勒将精力转向年代学与“和谐”，即音乐、数学及物质世界之间的命理关系，以及它们的占星结果。通过假设地球拥有精神，他建立了一个将占星内容和天文距离与天气与其它地球现象联系起来的推测系统。然而，到了1599年，他又发现他的工作受到数据不准确性的限制。（可见一双好眼睛对当时的天文学家有多重要）

虽然开普勒本人的眼睛不好，但是当代科学家们为开普勒赋予了一双分辨率有9500万像素的眼睛。这双慧眼为人类发现了2662颗系外行星。

在同年的12月份，第谷（天文史上的一位奇人，其编纂的星表的数据甚至已经接近了肉眼分辨率的极限）邀请开普勒在布拉格会面。1600年1月1日，开普勒启程，希望第谷的资助能够帮解决他的观测问题以及经济问题。1600年2月4日，开普勒在伊泽拉河畔见到了第谷及其助手。伊泽拉河畔是第谷的新天文台所在地。开普勒以客人的身份在这里住了两个月，分析了第谷对火星的观测数据。第谷严密地保护着他的数据，但是对开普勒的理论思想印象深刻，所以之后给了他更多接近数据的机会。1600年8月2日，在拒绝皈依天主教之后，开普勒和他的家人被驱逐出格拉茨。几个月后，开普勒及他的家人来到了布拉格，接受了第谷接近一整年的资助。9月，第谷获得了制作《鲁道夫星表》的委任。但在10月24日第谷出人意料的逝世了，两天之后，开普勒被委任成为他的继任者，作为皇家数学家负责完成第谷未完成的工作。接下来作为皇家数学家的11年是开普勒一生中最为多产的时间，诸如《天文学的光学需知》等著作都在这期间发表。

1611年，布拉格政治与宗教之间日益紧张的关系达到了白热化的程度。处于政治和宗教漩涡中心的开普勒不可避免的卷入到王位继承的问题上，路德教和天主教等教会的影响也使开普勒的生活举步维艰。同年妻子和三个孩子相继感染了匈牙利斑疹热和天花。在失去两位亲人之后，开普勒辗转搬到了林茨，并在这里度过了大部分后半生。

1630年11月15日，开普勒在雷根斯堡逝世。

CHAP.II

科学硕果

开普勒一生著有多部科学著作，成为天文学历史上的一阶重要阶梯。

《宇宙的奥秘》

开普勒的第一部重要的天文学著作是《宇宙的奥秘》，是第一部捍卫哥白尼学说、公开发表的作品。开普勒声称在格拉茨教学的时顿悟，在黄道十二宫图中展示了木星合土星（也就是大合）的周期变化。他意识到正多边体按照规定的比率与一个内切圆和外切圆相连，他推测这可能是宇宙的几何基础。在寻找符合已知的天文学发现、独特排列的多面体的努力失败后，开普勒开始用立体的多面体进行实验。他发现五个柏拉图多面体中的每一个都可通过球体进行独特的内切和外切。先构建这些多面体，每一个多面体装在一个球体里，这个球体又装在另一个多面体内，每个多面体可产生6层，分别对应6个已知的星球（水星、金星、地球、火星、木星和土星）。对这些多面体进行正确的排序，开普勒发现假设这些星球环绕着太阳，那么球体可以按照一定的间距进行排列，间距对应于每个星球路径的相对尺寸。《宇宙的奥秘》可以视为将日心说理论现代化的重要的第一步，尽管它的主要论点有瑕疵，但它代表了清除哥白尼学说中托勒密理论残留的第一步。

开普勒在书中设计的太阳系模型

《天文学的光学需知》

在开普勒慢慢分析第谷的火星观测数据的同时，他还从其1600年关于月球的文章中拾起了对光学规律的研究。不论是月食还是日食现象都有无法解释的现象，例如不可预期的阴影大小、月全食的红色、以及传说中环绕日全食的罕见光线。1603年的大部分时间，开普勒暂停了他的其它工作，而专注于光学理论研究。由此撰写的手稿以《天文学的光学需知》为题发表。文中，开普勒对控制光强的平方反比定律、平面镜与曲面镜的反射、小孔成像原理以及光学的天文学含义，如视差与天体的可见大小进行了描述。他还将光学研究延伸到人的眼睛，并被神经学家广泛认为开普勒是意识到图像由眼睛晶状体翻转投射到视网膜上的第一人。《天文学的光学需知》也通常被认为是现代光学的基础。

开普勒在书中绘制的不同动物的眼睛结构

《新天文学》

《新天文学》是根据第谷的研究方向进行的火星轨道研究发展的顶峰。开普勒运用等分点对各种火星轨道近似值进行重复计算，并最终创造了一个平均误差在2角分之内，基本上与第谷的观测相一致的模型。但是他对这个复合体以及仍然有点不准确的结果感到不满意。因为在某些点，这个模型与数据的差异达到8弧分。根据对地球和火星远日点和近日点的测量，他创立了一个公式。根据这个公式，行星的运动速度与它距太阳的距离成反比。为简化计算任务，1602年底，开普勒运用几何学重新阐述了这个比例，行星在同样的时间内扫过同样的面积，这就是关于行星运动的开普勒第二定律（也就是面积定律）。之后，他运用几何速率法则，假定轨道是卵形轨道，开始计算火星的整体轨道。在经历大约40次的尝试失败以后，1605年初，他最终偶然想到了椭圆轨道这个概念，他之前认为这个解决方法太简单，以至于早期的天文学家们都忽略了。在发现椭圆形轨道适用于火星的数据之后，他立即推断出所有行星都以太阳为中心按照椭圆轨道运动，这就是关于行星运动的开普勒第一定律（也就是椭圆定律）。

《世界的和谐》

在《世界的和谐》中，开普勒尝试用音乐解释自然世界的比例，特别是天文学与占星学方面。开普勒认为“和谐”的中心是“天体音乐”。 开普勒从研究正多边形和多面体开始，他把他的和谐分析扩展到音乐、气象学和占星学。对于占星学来说，和谐源于这些音调与人类灵魂的互动。在这部作品的最后部分，开普勒介绍了行星运动，特别是轨道速度与距太阳的轨道距离之间的关系。开普勒清楚的说明了人们所知的行星运动开普勒第三定律（也就是调和定律）。然而，直到17世纪60年代，人们才意识到该纯力学定律对于行星动力学的更广泛的意义。

《哥白尼天文学概要》

自从完成了《新天文学》之后，开普勒就开始计划编制天文学教科书。1615年，他完成了《哥白尼天文学概要》三卷中的第一卷。第一卷在1617年印刷，第二卷1620年印刷，第三卷在1621年印刷。尽管这个书简单涉及了日心说，开普勒的这套教科书成了他自己椭圆定律的巅峰之作，是其最富影响力的作品。它包含了全部三条行星运动定律，并尝试用物理因素解释天体运动，而且书中明确的将行星运动的头两条定律扩展到其它行星、月球及木星的卫星。

CHAP. III

解读星系

最广泛流传并且应用于今日科研学习之中的，是开普勒归纳总结出的三条定律。

(1)椭圆定律：所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。

(2)面积定律：行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等。

(3)调和定律：所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道半长轴的立方成比例。

在开普勒之后的学者们进一步研究把第一定律修改成为：所有行星（和彗星）的轨道都属于圆锥曲线，而太阳则在它们的一个焦点上。第二定律只在行星质量比太阳质量小得多的情况下才是精确的。如果考虑到行星也吸引太阳，这便是一个二体问题。经过修正后的第三定律的精确公式为：

式中m1和m2为两个行星的质量；ma为太阳的质量）。

下面是这三定律的严格证明

开一：

开二：

可以看出开二的实质就是有心力场下二体问题的角动量守恒。

开三：

不难发现为什么k的值和中心天体有关。

CHAP. IV 

生命如星

“天上的立法者”是后世科学史家对开普勒的称呼，以表达对这位先驱和他卓越成就的敬意——愿后世的学者，在研究之中，莫忘这位在数百年前奠定下天文学地基的人。

开普勒的一生是不幸的。他被疾病折磨，被教会驱逐，科学的巨人面对起生活的苦难，也像普通人一样渺小无力；但他之所以是巨人，是在决难的时刻，依然秉持着他对科学真理的探求之心，用他顽强的一生，开辟出人类天文的新篇章。

在他生命的最后几年，开普勒花了很多时间旅行，从布拉格皇宫到林茨，从乌尔姆到萨根临时的家，以及最后到雷根斯堡。之后墓地被瑞典军队毁坏，只有开普勒的墓志铭流传下来：

我曾测天高，今欲量地深。

我的灵魂来自上天，凡俗肉体归于此地。

CHAP. EXTRA

星科社速报

（1）近日，国家天文台王守成博士、马骏研究员，云南大学陈丙秋副教授，云南天文台龙潜研究员等人基于LAMOST数据构建了搜寻仙女星系（M31）星团的新方法，并从仙女星系全景考古巡天（PAndAS）测光数据中证认出117个高置信度的M31星团候选体，其中109个为M31星系盘中年轻的星团，另外8个为M31星系晕中年老的球状星团。这是天文学家继哈勃望远镜后利用LAMOST等地面望远镜批量搜寻仙女星系星团盘中年轻星团的突破性工作。 王守成等人从LAMOST DR6 数据中挑选出M31中346个星团、银河系前景天体和背景星系，结合文献中给出的M31星团与非星团样本作为训练样本，构造了一类双通道深度卷积神经网络（CNN）模型，该模型在测试样本中达到了99%的准确率。利用这个模型，研究人员从PAndAS测光巡天获得的2100多万幅图像中证认出117个高置信度的M31星团候选体（图2），大多数候选源为M31星系盘中年轻的星团；另外8个位于离M31中心超过8.15万光年的遥远晕中，它们是年老的球状星团。 

文章链接：https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2022/02/aa42169-21/aa42169-21.html。 

（2）近日，国家天文台博士生刘思琦、罗阿理研究员，中国科学技术大学王俊贤教授及上海天文台沈世银研究员等人在LAMOST海量光谱中发现了1547个致密星系，其中1417个为最新发现的，包括大量绿豌豆星系、蓝莓星系及紫葡萄星系等。这是迄今为止一次性新发现致密星系数量最多的研究工作。这些星系个头小，亮度暗，观测非常受限。在这之前，最大的具有光谱信息的致密星系样本仅约800个成员。研究团队对这些星系的恒星形成率、金属丰度以及周边环境进行了系统研究，为了解早期宇宙星系的形成与演化提供了新的视角。该成果发表在国际知名天文期刊《天体物理学报》（2022, ApJ, 927,57）。 研究人员对这些新发现星系的恒星形成率、金属丰度以及环境进行了系统研究。他们利用光谱拟合首先得到了这些星系质量，并通过谱线强度的测量得到了这些星系的恒星形成率，发现普遍大于相同红移的一般星系主序恒星形成率。研究人员进一步对这些星系进行了金属丰度的测量，发现与以往的研究结论一致，这些致密星系具有更低的金属丰度。通过与相同红移的一般星系的环境相比较，发现这些星系相互之间距离更远，位于更加离散的星际环境中。随着LAMOST巡天的继续开展，更多的绿豌豆星系、蓝莓星系及紫葡萄星系将会陆续被发现，这为认识早期宇宙的星系形成与演化带来更多可能性。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac4bd9。 

（3）北京时间3月24日，国际科学期刊《自然》以封面文章形式发布了德国马普天文研究所的研究人员向茂盛博士和Hans-Walter Rix教授合作的一项重大成果。基于中国科学院国家天文台运行的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）和欧空局天体测量卫星盖亚望远镜（Gaia）的巡天观测数据，研究人员获取了迄今最为精确的大样本恒星年龄信息，按照时间序列清晰还原了银河系幼年和青少年时期的形成与演化图像，改写了人们对银河系早期形成历史的认知。 研究团队发现，这两组恒星的年龄以大约80亿年为界同样清晰地被分成截然不同的两组。也就是说，从时间上看，银河系的集成和演化历史分成两个明确的阶段，从130亿年前到80亿年前的早期阶段和80亿年前至今的晚期阶段。早期阶段形成了银河系的厚盘和银晕，晚期阶段形成了银河系薄盘。超高的时间分辨率使得研究团队得到了清晰的银河系早期集成和增丰图像：银河系厚盘恒星从130亿年以前就已经开始形成，这距离宇宙大爆炸仅仅过去8亿年时间（对应宇宙学红移为7）。最古老的厚盘星甚至要比银河系内晕恒星年老约10-20亿年。银河系内晕结构被认为主要是百手巨人恩塞拉都斯矮星系（Gaia-Sausage-Enceladus，GSE）碰撞银河系并被吸积并合时形成。也就是说，早期厚盘要比今天我们看到的主要恒星银晕结构领先10-20亿年形成，这刷新了对银河系早期形成历史的传统认知。 形成厚盘恒星的气体大约在80亿年前耗尽，厚盘形成停止。差不多与此同时，新的气体开始从银河系周围聚集到一个更薄的盘上形成银河系薄盘恒星。薄盘形成过程一直持续至今。至此，一个时间轴上被精确刻画的早期银河系形成和演化图像得以呈现，《自然》期刊审稿人评价该成果是第一次能够对银河系的形成历史提供如此清晰地描绘。银河系作为普通星系的代表，是我们研究宇宙中一般星系形成与演化问题的重点实验室，它可以帮助天文学家追溯从极早期宇宙一直到今天所发生的一个个精彩故事。

论文链接：

www.nature.com/articles/s41586-022-04496-5。 

PRESENTED BY 诸星风雪&涟星lem