天文學

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天文學英語astronomy),是觀察和研究宇宙天體的學科,它研究天體(包括衛星行星恆星星雲銀河系等)的分布、運動、位置、狀態、結構、組成、性質及起源和演化,也研究一些在地球大氣層外的現象,像是超新星伽瑪射線暴宇宙微波背景輻射等,是自然科學中的一門基礎學科。宇宙學和天文學有些相關,而其不同處是將宇宙視為一個整體來研究[1]

天文學與其他自然科學的一個顯著不同之處在於,天文學的實驗方法是觀測,通過觀測來收集天體的各種信息。因而對觀測方法和觀測手段的研究,是天文學家努力研究的一個方向。在古代,天文學還與曆法的制定有不可分割的關係。

20世紀,天文學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:這張照片是阿波羅11號1969年環繞月球時拍攝的,大隕石坑是位於接近月球背面的中心的代達羅斯隕石坑,它的直徑有93千米(58英里)。

發展歷史[編輯]

天文學是一門古老的學科,至少已經有幾千年的歷史,不論埃及英語Egyptian astronomy巴比倫英語Babylonian astronomy古希臘中國印度英語Indian_astronomy伊朗瑪雅都有相關的研究。顧炎武日知錄》有云:「三代以上,人人皆知天文:七月流火,農夫之辭也;三星在戶,婦人之語也;月離於畢,戍卒之作也;龍尾伏辰,兒童之謠也」[2]。天文學在人類早期文明中佔有非常重要的地位。古時候,人們通過用肉眼觀察太陽、月亮、星星來確定時間方向,制定曆法,指導農業生產,這是天體測量學最早的開端。在此基礎上誕生了占星術,即通過天體的運行來占卜凶吉禍福,預測自然災害、戰爭的輸贏和個人的命運。

2世紀時,古希臘天文學家托勒密提出了地心說,認為宇宙中的天體,包括太陽,圍繞著地球運轉。這一學說受到了教會的歡迎,統治了西方社會對宇宙的認識長達一千多年。16世紀,波蘭天文學家哥白尼提出了新的宇宙體系理論——日心說。1610年,義大利天文學家伽利略首次將望遠鏡用於天文觀測,觀察到了太陽黑子、月球表面、行星的盈虧,以及木星的四顆衛星。英國著名物理學家牛頓提出了萬有引力定律,創立了經典力學,促使天體力學這一新的天文學分支的誕生,使天文學從單純描述天體的幾何關係和運動狀況進入到研究天體之間的相互作用和運動原因的新階段,在天文學史上是一次巨大的飛躍。

19世紀中葉,天文攝影分光技術的發明,使天文學家可以進一步深入地研究天體的物理性質、化學組成、運動狀態和演化規律,從而更加深入到問題本質,從而也產生了一門新的分支學科天體物理學。這又是天文學的一次重大飛躍。

20世紀第二次世界大戰結束以後,電波望遠鏡開始廣泛應用於天文觀測,開啟了除可見光外電磁波譜的一個新窗口,並在1960年代取得了被稱為「天文學四大發現」(微波背景輻射脈衝星類星體星際有機分子)的新成就[3]。隨著人類技術水平的不斷提高,空間天文學得到了迅速發展,人類可以突破地球大氣層的阻隔,到地球以外觀測天體的紫外線紅外線X射線γ射線等波段的輻射,天文學進入了全波段發展的新時代。與此同時,新技術促使地面上的望遠鏡口徑和解析率都在不斷提高,從4米、5米、6米級的望遠鏡到1990年代若干8到10米級別的望遠鏡投入使用,這些望遠鏡與空間天文衛星一道,積累了大量的觀測資料,發現了活躍星系核伽瑪射線暴X射線雙星重力透鏡暗物質暗能量等一大批新的現象和天體。

恆星天文學中一個恆星演化的例子:螞蟻星雲實際上是一個已經垂死的恆星,它正在噴出大量氣體,圖案非常對稱。(由哈柏太空望遠鏡拍攝)

天文學的研究方法與手段[編輯]

天文學是以觀測為基礎的科學。與其他學科的實驗方法不同,天文觀測是一種被動的實驗,通常觀測的對象距離觀測者極其遙遠,本身的尺度極大,演化時間極長,而且往往涉及到一些極端的物理條件,如高溫、高密度、強磁場等等,這些條件通常在地面的實驗室中是很難模擬和再現的。天文學家經常遵循「觀測——理論——觀測」的方法來進行研究,即提出理論來解釋一些天文現象,然後再根據新的觀測結果,對原來的理論進行修正或者用新的理論來代替。

由於地球大氣層對大部分電磁波段來說是不透明的,因此許多太空探測方法和手段相繼出現,例如氣球火箭人造衛星太空飛行器等,在此基礎上發展起來太空天文學,大大拓寬了天文學家的視野,使現代天文學發展成為全波段的天文學。

天文學的研究對象和領域[編輯]

天文學的研究對象是宇宙中的各種天體。隨著天文學的發展,人類觀測的宇宙範圍在不斷擴大。根據天體的尺度大小,天文學的研究對象可以分為:

  • 行星尺度:包括行星系中的行星、圍繞行星旋轉的衛星和大量的小天體,如小行星彗星流星體以及行星際物質等。太陽系是目前能夠直接觀測的唯一的行星系。但是宇宙中存在著無數像太陽系這樣的行星系統。
  • 恆星尺度:現在人們已經觀測到了億萬個恆星太陽只是無數恆星中很普通的一顆。
  • 星系尺度:太陽系處於由數百億顆恆星組成的銀河系中,銀河系是一個普通的旋渦星系,銀河系以外還存在著許多的河外星系。星系又進一步組成了星系群星系團超星系團等更大級別的天體系統。
  • 宇宙學尺度:一些天文學家提出了比超級星系團還高一級的總星系,總星系是人類目前所能觀測到的宇宙的範圍,半徑超過了100億光年

對於遙遠的天體,它的光線從發出到被人們所接收,要經過漫長的時間。例如對於10億光年以外的天體,人們觀察到的實際是它10億年前的形象。這表明天體的物理性質不僅反映出其本身的形態,還反映出其所在的演化階段。人們觀測到的眾多天體,實際上是很大時間尺度上的樣本,能夠提供它們在數億年間的演化線索。因此根據統計分類和理論研究,天文學家可以建立完整的天體演化模型。

在天文學研究中最熱門、也是最難令人信服的課題之一就是關於宇宙起源與未來的研究。對於宇宙起源問題的理論層出不窮,其中最具代表性,影響最大,也是最多人支持的就是1948年美國科學家伽莫夫等人提出的大爆炸理論。根據現在不斷完善的這個理論,宇宙是在約137億年前的一次猛烈的爆發中誕生的。然後宇宙不斷地膨脹,溫度不斷地降低,產生各種基本粒子。隨著宇宙溫度進一步下降,物質由於引力作用開始塌縮,逐級成團。在宇宙年齡約10億年時星系開始形成,並逐漸演化為今天的樣子。

現代天文學研究的領域非常廣泛,有許多非常熱門的研究課題。例如:

天文學分支[編輯]

天文學的分支主要可以分為理論天文學觀測天文學兩種。天文學觀察家常年觀察天空,並將所得到的信息整理後,理論天文學家才可能發展出新理論,解釋自然現象並對此進行預測。

天文學中習慣於按照研究方法和觀測手段來分類:

按照研究方法,天文學可分為:

按照觀測手段,天文學可分為:

其他更細分的學科還有:

天文學與占星術[編輯]

天文學應當和占星術分開。後者是一種試圖通過天體運行狀態來預測一個人命運的偽科學。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]

儘管兩者的起源相似,在古代常常混雜在一起。但當代的天文學與占星術卻有著明顯的不同:現代天文學是使用科學方法,以天體為研究對象的學科;而占星術則通過比附、聯想等方法把天體位置和人事對應。概而言之,占星學著眼於預測人的命運,且其內容並無科學根據,兩者實不應混淆。

天文學的未解問題[編輯]

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[編輯]

  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. ^ [二十世紀四大發現. 中國數字科技館. 中國科學院國家天文台. [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]. (原始內容存檔於28 June 2011). 
  7. ^ The Quest for Extraterrestrial Intelligence. Cosmic Search Magazine. [12 August 2006](原始內容存檔於18 August 2006). 
  8. ^ 11 Physics Questions for the New Century. Pacific Northwest National Laboratory. [12 August 2006]. (原始內容存檔於3 February 2006). 
  9. ^ Hinshaw, Gary. What is the Ultimate Fate of the Universe?. NASA WMAP. 15 December 2005 [28 May 2007](原始內容存檔於29 May 2007). 

外部連結[編輯]

參見[編輯]

天文學分支

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宇宙學 | 星系天文學 | 銀河系天文學 | 星系的形成和演化
恆星天文學 | 恆星演化 | 恆星形成 | 天體測量學
行星科學 | 天體化學 | 天體生物學