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天文學

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天文学英语astronomy),是观察和研究宇宙天体的学科,它研究天体(包括衛星行星恆星星云銀河系等)的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化,也研究一些在地球大氣層外的現象,像是超新星伽玛射线暴宇宙微波背景辐射等,是自然科学中的一门基础学科。宇宙學和天文学有些相關,而其不同處是將宇宙視為一個整體來研究[1]

天文学与其他自然科学的一个显著不同之处在于,天文学的实验方法是观测,通过观测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究,是天文学家努力研究的一个方向。在古代,天文学还与历法的制定有不可分割的关系。

20世紀,天文学領域慢慢分為觀測天文學理論天文學,觀測天文學主要在利用對天體的觀測來得到資料,然後再用基本的物理學定律加以分析。理論天文學則是發展可以描述天體或天文現象的電腦程式或是解析工具。這二個領域是互補的,理論天文學可以解釋觀測天文學得到的結果,觀測天文學可以驗證理論天文學的論點及模型。

業餘天文學家參與了許多重大的天文學發現,而天文學也是少數業餘從事者仍然活躍,而有相當貢獻的學科。業餘天文學家的貢獻主要在發現或是觀測一些暫態的現象

月球天文照片:这张照片是阿波罗11号1969年环绕月球时拍摄的,大陨石坑是位于接近月球背面的中心的代达罗斯陨石坑,它的直径有93千米(58英里)。

发展历史[编辑]

天文学是一门古老的学科,至少已经有几千年的历史,不論埃及英语Egyptian astronomy巴比倫英语Babylonian astronomy古希腊中國印度英语Indian_astronomy伊朗瑪雅都有相關的研究。顾炎武日知錄》有云:“三代以上,人人皆知天文:七月流火,农夫之辞也;三星在户,妇人之语也;月离于毕,戍卒之作也;龙尾伏辰,儿童之谣也”[2]。天文学在人类早期文明中佔有非常重要的地位。古时候,人们通过用肉眼观察太阳、月亮、星星来确定时间方向,制定历法,指导农业生产,这是天体测量学最早的开端。在此基础上诞生了占星术,即通过天体的运行来占卜凶吉祸福,预测自然灾害、战争的输赢和个人的命运。

2世纪時,古希腊天文学家托勒密提出了地心说,认为宇宙中的天体,包括太阳,围绕着地球运转。这一学说受到了教会的欢迎,统治了西方社会对宇宙的认识长达一千多年。16世纪,波兰天文学家哥白尼提出了新的宇宙体系理论——日心说。1610年,意大利天文学家伽利略首次将望远镜用于天文观测,观察到了太阳黑子、月球表面、行星的盈亏,以及木星的四颗卫星。英国著名物理学家牛顿提出了万有引力定律,创立了经典力学,促使天体力学这一新的天文学分支的诞生,使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和运动原因的新阶段,在天文学史上是一次巨大的飞跃。

19世纪中叶,天文攝影分光技术的发明,使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律,从而更加深入到问题本质,从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。

20世纪第二次世界大战结束以后,电波望远镜开始广泛应用于天文观测,开启了除可见光外电磁波谱的一个新窗口,并在1960年代取得了被称为“天文学四大发现”(微波背景辐射脉冲星类星体星际有机分子)的新成就[3]。随着人类技术水平的不断提高,空間天文學得到了迅速发展,人类可以突破地球大气层的阻隔,到地球以外观测天体的紫外线红外线X射线γ射线等波段的辐射,天文学进入了全波段发展的新时代。与此同时,新技术促使地面上的望远镜口径和解析率都在不断提高,从4米、5米、6米级的望远镜到1990年代若干8到10米级别的望远镜投入使用,这些望远镜与空间天文卫星一道,积累了大量的观测资料,发现了活躍星系核伽玛射线暴X射线双星重力透镜暗物质暗能量等一大批新的现象和天体。

恒星天文学中一个恒星演化的例子:蚂蚁星云实际上是一个已经垂死的恒星,它正在喷出大量气体,图案非常对称。(由哈柏太空望遠鏡拍摄)

天文学的研究方法与手段[编辑]

天文学是以观测为基础的科学。与其他学科的实验方法不同,天文观测是一种被动的实验,通常观测的对象距离观测者极其遥远,本身的尺度极大,演化时間极长,而且往往涉及到一些极端的物理条件,如高温、高密度、强磁场等等,这些条件通常在地面的实验室中是很难模拟和再现的。天文学家经常遵循“观测——理论——观测”的方法来进行研究,即提出理论来解释一些天文现象,然后再根据新的观测结果,对原来的理论进行修正或者用新的理论来代替。

由于地球大气层对大部分电磁波段来说是不透明的,因此许多太空探测方法和手段相继出现,例如气球火箭人造卫星航天器等,在此基础上发展起来太空天文学,大大拓宽了天文学家的视野,使现代天文学发展成为全波段的天文学。

天文学的研究对象和领域[编辑]

天文学的研究对象是宇宙中的各种天体。随着天文学的发展,人类观测的宇宙范围在不断扩大。根据天体的尺度大小,天文学的研究对象可以分为:

  • 行星尺度:包括行星系中的行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体,如小行星彗星流星体以及行星际物质等。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。
  • 恒星尺度:现在人们已经观测到了亿万个恒星太阳只是无数恒星中很普通的一颗。
  • 星系尺度:太阳系处于由数百亿颗恒星组成的银河系中,银河系是一个普通的旋涡星系,银河系以外还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了星系群星系团超星系團等更大级别的天体系统。
  • 宇宙学尺度:一些天文学家提出了比超級星系团还高一级的总星系,总星系是人类目前所能观测到的宇宙的范围,半径超过了100亿光年

对于遥远的天体,它的光线从发出到被人们所接收,要经过漫长的时间。例如对于10亿光年以外的天体,人们观察到的实际是它10亿年前的形象。这表明天体的物理性质不仅反映出其本身的形态,还反映出其所在的演化阶段。人们观测到的众多天体,实际上是很大时间尺度上的样本,能够提供它们在数亿年间的演化线索。因此根据统计分类和理论研究,天文学家可以建立完整的天体演化模型。

在天文学研究中最热门、也是最难令人信服的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷,其中最具代表性,影响最大,也是最多人支持的就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论,宇宙是在约137亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀,温度不断地降低,产生各种基本粒子。随着宇宙温度进一步下降,物质由于引力作用开始塌缩,逐级成团。在宇宙年龄约10亿年时星系开始形成,并逐渐演化为今天的样子。

现代天文学研究的领域非常广泛,有许多非常热门的研究课题。例如:

天文学分支[编辑]

天文学的分支主要可以分为理论天文学观测天文学两种。天文学观察家常年观察天空,并将所得到的信息整理后,理论天文学家才可能发展出新理论,解释自然现象并对此进行预测。

天文学中习惯于按照研究方法和观测手段来分类:

按照研究方法,天文学可分为:

按照观测手段,天文学可分为:

其他更细分的学科还有:

天文学与占星术[编辑]

天文学应当和占星术分开。后者是一种试图通过天体运行状态来预测一个人命运的伪科学。在1975年,美國186位知名科學家(當中包括18位諾貝爾得獎者),曾在《人道主義者》雜誌上發表聯署文章批判占星學,指稱為偽科學[4]

尽管两者的起源相似,在古代常常混杂在一起。但当代的天文学与占星术却有着明显的不同:现代天文学是使用科学方法,以天体为研究对象的学科;而占星术则通过比附、联想等方法把天体位置和人事对应。概而言之,占星学着眼于预测人的命运,且其內容並無科學根據,兩者實不應混淆。

天文学的未解問題[编辑]

天文學在對於了解宇宙及其相關特性上,已有很大的進展。但仍有些天文學上的問題找不到解答。若要回答這些問題,可能要有新的地面或太空的天文儀器,也許在理論天文學或是觀測天文學上需有新的進展。

參考文獻[编辑]

  1. ^ Unsöld, A.; Baschek, B.|page=1. Introduction. The New Cosmos: An Introduction to Astronomy and Astrophysics. Springer. 2001. ISBN 3-540-67877-8. 
  2. ^ 《日知錄》卷三十
  3. ^ [二十世纪四大发现. 中国数字科技馆. 中国科学院国家天文台. [2013-12-19]. 
  4. ^ The Humanist, volume 35, no.5 (September/October 1975); pp. 4–6. The statement is reproduced in 'The Strange Case of Astrology' by Paul Feyerabend, published in Grim (1990) pp.19–23.
  5. ^ Kroupa, Pavel. The Initial Mass Function of Stars: Evidence for Uniformity in Variable Systems. Science. 2002, 295 (5552): 82–91. arXiv:astro-ph/0201098. Bibcode:2002Sci...295...82K. doi:10.1126/science.1067524. PMID 11778039. 
  6. ^ Rare Earth: Complex Life Elsewhere in the Universe?. Astrobiology Magazine. [12 August 2006]. (原始内容存档于28 June 2011). 
  7. ^ The Quest for Extraterrestrial Intelligence. Cosmic Search Magazine. [12 August 2006]. (原始内容存档于18 August 2006). 
  8. ^ 11 Physics Questions for the New Century. Pacific Northwest National Laboratory. [12 August 2006]. (原始内容存档于3 February 2006). 
  9. ^ Hinshaw, Gary. What is the Ultimate Fate of the Universe?. NASA WMAP. 15 December 2005 [28 May 2007]. (原始内容存档于29 May 2007). 

外部链接[编辑]

参见[编辑]