天文学

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  天文学汉语拼音:tiɑnwenxue;英语:astronomy),研究宇宙内所有天体和散布在其中的一切物质的组成、距离、运动、物理性质和结构的科学。在中国殷商时代留下的甲骨文物里,有丰富的天文记录,表明在黄河流域,天文学的起源可以追溯到殷商以前更为古远的世代。几千年来,在人类社会文明的进程中,天文学的研究范畴和天文的概念都有很大的发展。

研究对象和方法

  天文学是一门古老的学科。它的研究对象是辽阔空间中的天体。几千年来,主要是通过接收天体投来的辐射,发现它们的存在,测量它们的位置,研究它们的结构,探索它们的运动和演化的规律,逐步扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。

  作为一颗行星地球本身也是一个天体。但从学科的分野来说,“天”是相对于“地”的。地面上实验室里所熟悉的科学实验方法,很多不能搬到天文学领域,从这个意义上来说,天文学的实验方法是一种“被动”的方法。即是说只能靠观测(“观察”和“测量”)自然界业已发生的现象来收集感性认识的素材。而不能像其他许多学科那样,“主动”地去影响或变革所研究的对象来布置自己的实验。观测是天文学实验方法的基本特点。不断地创造和改革观测手段,也就成为天文学家的一个致力不懈的课题。宇宙中的天体何止“恒河沙数”,而同类型的天体离观测位置愈远,观测愈显暗弱。因此,观测设备的功力愈益提高,观测暗弱目标的能力就愈益增强,观测视野就愈益深入到前所未能企及的天文领域,同时也就愈益扩展到遥远的空间深处。另一方面,浩瀚的宇宙空间,无时无刻都在演出着地面上很难进行或很难重复进行的各种天体物理实验,它在规模、内容和条件上,是地面实验室无法比拟的,这才使得天文工作者的被动观测得以长年地在地面上进行。

  天文学和其他学科一样,在其发展中并不是孤立地前进,而是随时都同许多邻近学科互相借鉴,互相渗透的。它从应用光学电子学以及各种工程技术中汲取养料,创造独特的观测手段。而天文观测手段的每一发展,又都会促进应用科学的进步。天文学借助于数学来分析天文观测结果和进行理论演算;反过来,由于天文学上的应用而发展起来的数学方法,又丰富了数学的内容。物理学各个分支以及力学化学等的研究成果,是天文工作的理论基础;而天文学的各种发现以及天体的理论研究,又多次地反过来为物理学和其他有关学科开辟新的研究前沿。

  天文学的发展对于人类自然观发生重大的影响。N.哥白尼日心学说(见天文学史)曾经使自然科学神学中解放出来。I.康德P.-S.拉普拉斯关于太阳系起源的星云学说,在18世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。在当今的天文学前沿上,辩证法与形而上学、唯物主义唯心主义的斗争,仍然在持续地进行。

  天文学研究中的一个重大课题是各类天体的起源和演化。在所观测到的天体中,百万年的年龄算是很年轻的。太阳的年龄约为50亿年,是一个中年的恒星。但人类的文明史迄今不过几千年,而天文学家毕其一生也不过百岁,因此所能研究的天文现象,在天体的演化史中只相当于一刹那的过程。从“一刹那”的观测来探讨百亿年的演变,这是天文学研究的又一个特点。

  天文学家虽然无法进行长达亿年的观测,但可观测到数以亿计的天体。一个天体的物理特征,除了反映出它的基本结构以外,还反映它所处的演化阶段。此外,天体的信息是通过辐射(比如光)传给观测者的。对于遥远的天体,光在旅途中要经历漫长的时间。如说对于离观测者一亿光年的天体,它的光要用一亿年才送到观测者的眼里。而观测者看到的则是它一亿年前的形象。这样所观测到的许许多多天体,展示的是时间上各不相同的“样本”。特别是现在所观测到的河外(银河系以外的)天体,代表的是从百万年直到上百亿年前的各种“样本”,包含着上百亿年的演化线索。因此,通过统计分类和理论探讨就可建立起天体演化的模型。

  这样天文学是在极其“短暂”的千百年时间里,以基本上“被动”的观测方法,面向广阔无边的宇宙空间,探索各类天体在漫长时间历程中的存在和演变。它不断借鉴同代科学技术的精华,充实自己的实验设备和理论知识,同时也不断地以自己的成就丰富这个技术宝库。正是这样,天文学循着观测——理论——观测的发展途径,不断把人的视野伸展到宇宙的新的深处。

太阳和太阳系

  太阳太阳系的中心天体,占有太阳系总质量的99.86%。太阳系的其他成员:行星小行星彗星流星,都绕着太阳旋转。

  从天文学的角度看,地球贵在是一个适于生物存在和繁衍的行星。作为行星,地球只是太阳系的一个普通成员。它的直径约13,000千米,与太阳相距约1.5亿千米,每年绕太阳公转一周。它的物理结构和化学组成虽然都有自己的特点,但并不特殊。连地球在内,太阳系内已经知道的有八个行星,从离太阳最近的算起,依次为水星金星地球火星木星土星天王星海王星(根据2006年颁布的《行星定义》,冥王星已被定为矮行星)。它们都沿着同一方向自西向东绕着太阳转动,轨道都是椭圆的。大多数行星的轨道,都大致在同一平面上。矮行星冥王星离太阳最远,轨道直径约120亿千米。但太阳系的疆界可能还要遥远得多。

  除了水星和金星,太阳系的行星周围都有卫星。地球有一个卫星——月球,直径约3,480千米,在太阳系里算是一个大型卫星。截至现在,除了几颗尚待证实外,连月球在内,已经确知的卫星已超过160颗。

  小行星是太阳系里较小的天体,截至2005年上半年已发现并正式编号的有10万多颗,其中最大的一颗——谷神星,直径约1,000千米。大部分小行星分布在火星和木星的轨道之间的主带中,小行星运动受到木星的强烈影响,表现出复杂的共振特性。

  彗星也是太阳系中质量较小的天体。绝大多数彗星沿着非常扁的椭圆轨道绕日运行。它靠近太阳时显得十分明亮,而且拖着一条扫帚形的尾巴。

  流星体是太阳系内更小的天体,大小从0.01毫米到10米不等。流星体是固态的,也绕太阳转动,但轨道千差万别。它们进入地球大气层时,由于速度很高,同地球大气的分子碰撞而发热、发光,形成明亮的光迹,划过长空,称为流星现象。绝大部分流星体在进入地球大气时化为气体,也有一些比较大的或特别大的,在大气中没有耗尽,落到地面上便是陨石

  太阳是地球上光和热的源泉。从天文学的观点来看,它还作为离地球最近的一颗恒星而占有特殊的地位。它在各类恒星中不算亮也不算暗,不算大也不算小。日面上经常出现的以黑子和磁场为标志的太阳活动,是宇宙电动力学现象的一个重要事例。这种活动趋于剧烈时便发生耀斑爆发事件,表现为各种波长电磁辐射的突增和“高”能量质点的抛射。这是天文世界中极为重要、极其复杂的能量聚集、存储、引发和释放过程的一个特写,尽管在恒星世界中这还属于一种较小规模的活动。

  20世纪天体物理学的进展,已经能够较清楚地描绘出太阳(以及绝大部分恒星)的发生和发展的历程。大约在50亿年前,太阳的前身——银河系里的一团尘埃——气体云,由于引力收缩,在几亿年中聚集成为发光的“星前”天体,随即形成了太阳系的雏形。星前天体在继续收缩中使中心部分愈来愈热,当温度升至700万度以上时,便产生核聚变,也就是由四个氢原子核聚变为一个氦原子核的“氢燃烧”过程。氢燃烧释放出的巨大能量使太阳内部的辐射压力和气体压力一起抵挡住进一步的引力收缩,这时太阳便进入了较为稳定的平衡时期。

  太阳所含的估计足够燃烧100亿年。太阳现在的年龄约50亿岁,正处在中年。到了氢燃烧末期,太阳的核心部分主要是聚变的产物——,外壳部分则仍以氢为主。由氦构成的核心由于引力作用,愈缩愈密,氢包壳则在继续燃烧中膨胀,使太阳变成表面温度较低而体积很大的红巨星。红巨星的氦核心部分继续收缩,直到中心温度达到一亿度时,开始了内部的“氦燃烧”,也就是氦聚变成碳的过程。到了氦燃烧末期,由碳构成的核心不断收缩,而其外壳可能很快膨胀成为与中心脱离的行星状星云,而中心体在太阳原始质量的条件下不足以引起“碳燃烧”,就继续收缩,直到形成密度非常大、亮度很低的白矮星

恒星

  银河系中估计有2,000亿颗以上的恒星,比较稀疏地分布在尺度约10万光年的空间范围里。在已经研究过的恒星中,它们的化学组成大同小异(虽然这个小异绝不是无关紧要的),质量的差别也不是很大:恒星最小的质量大约为太阳的百分之几,最大的不超过太阳的120倍。不同质量的恒星在自己的各个演化阶段中呈现出不同的颜色和光度。不同恒星的光度,以每秒钟发出的能量来看,可能相差很大。如一些超巨星,光度可达太阳的200万倍,而像白矮星那样的暗星,光度则只有太阳的几十万分之一。当然还有许多我们没有能够观测到的那些并不发光或正在熄灭的星体,它们的光度等于或接近于零。

  许多恒星的光度发生引人注目的变化。其中变星的光度变化大多是周期性的,周期从一小时到几百天不等,也有的可长达两三年。另有一些恒星的光度变化是突发性的,其中变化最剧烈的是新星和超新星。它们是处在演化过程的某个转折点上,内部严重失去平衡,导致星体的剧烈爆炸。规模较小的可引起光度突增几万至几百万倍,称为新星。而规模大的则几乎把星体全部质量都抛射出去,这时的光度突变可达千万倍至上亿倍,称为超新星

  恒星的大小十分悬殊。尽管处在氢燃烧阶段的各类恒星直径相差最多不过几百倍,但在演化的某些阶段上则不然,如包壳膨胀时形成的超巨星,直径可达太阳的几百或几千倍。而演化末期的白矮星中子星,星体物质高度压缩,内部密度分别可达水的十万倍到百万亿倍,直径分别只有太阳的几万分之一到几十分之一。

  尽管各种恒星的性质千差万别,但它们的演化几乎都可用核聚变为主的理论来解释。事实上,只要确定星体的起始质量和化学组成,就可推断出这颗恒星从诞生到死亡的每一个阶段的物理特性。上面所说的形形色色的恒星,都可被认为是具有某种起始质量的星体演化到某一特定阶段的表现。恒星演化理论的建立,无疑是20世纪天文学的一个重大成就。尽管这种理论并非无懈可击,但它为理解恒星的基本性质奠定了坚实的基础。而由此引申出来的一些结果,如化学元素的起源学说,以及包括黑洞在内的超密态天体的预测等,除了天文学上的意义外,对现代物理学的影响也是不可低估的。

  恒星在空间中常常不是孤栖独处的。估计由两颗星组成的双星可能占全部恒星的1/3。还有三五颗星聚在一起的,组成聚星。也有几十、几百乃至几百万个聚在一起的,形成星团。所有恒星都沉浸在星际物质的海洋中。星际物质包括星际气体和尘埃,平均密度约为每立方厘米一个原子。星际物质高度密集的地方形成星云。星云是构成恒星的原料,而恒星向空间抛射的物质也成为星云的一部分原料。

银河系与河外星系

  夏夜仰望天空,可以看到横贯天空的银河。从望远镜里看去,银河带实际上是由千千万万颗恒星组成的。这个庞大的恒星集团取名为银河系。在银河系里,大部分恒星集中在一个扁球状的空间范围内。肉眼看到的银河正是这个“扁球状银河系”的一部分投影。银河系里恒星的总数在2,000亿颗以上,此外还有各种类型的银河星云、星际气体和尘埃。

  银河系的扁球密集部分,直径约十万光年,中心厚约一万光年;除了扁球系统外,还有一部分恒星稀疏地分布在一个圆球状的空间范围内,形成所谓的银晕。整个银河系在转动着,离开中心的距离不同,转动速度也不同。太阳带着太阳系的其他天体,以每秒220千米的速度绕银河系中心转动,转一周约需2.3亿年。

  银河系以外还有许许多多同银河系规模相当的庞大天体系统,它们曾被形象地称为宇宙岛,一般称为河外星系,简称星系

  星系也聚成大大小小的集团,有双重星系多重星系以至由成百上千个星系组成的星系团。用现代望远镜包括哈勃空间望远镜可观测到星系的数目估计在500亿以上,其中离地球最远的天体,超过了100亿光年。

  河外星系按它们的形态可以分为椭圆星系旋涡星系不规则星系等类型。它们的演化历程尚无定论。但20世纪60年代以来,许多正在经历着高能过程的河外目标,陆续进入天文学研究的前沿。这些目标包括类星体、各种射电星系赛弗特星系蝎虎座BL型天体等,统称为“活动星系核”。对它们的研究涉及宇宙间规模巨大的能量产生、释放和转移的过程,同时也接触到星系的发生和发展的线索。

  河外星系的观测使天文研究的范围扩展到以百亿光年为尺度的广阔空间,这对大尺度空间中的物理状态有了实测的基础,成为宇宙学(研究大尺度空间中的空、时性质和物质运动规律的科学)的一个重要支柱。日益精致的宇宙微波背景辐射的探测,把宇宙学的研究推进到新的前沿;星系的分布呈集聚倾向,大的星系团可含有上千个星系,尺度达千万光年;对星系团内星系运动的测量,发现了维持动力学平衡的引力大部分源于团内暗物质。星系空间中暗物质的存在,而且质量远远超过了“可见物质”,是对当前天文学研究中的一大挑战。宇宙空间中以星系集聚为标志的大轮廓,体现为宇宙大尺度上的结构呈显著的不均匀性。更深一步的测量在积极进行中。

人类认识宇宙的两次飞跃

  古代的天文学家测量太阳、月亮、星星在天空的位置,研究它们的位置随着时间变化的规律、从而为农、牧业生产的需要确立了时间节气历法。就是说是他们最初创建了天体测量学,认识到天体运行的规律性,把它应用到时间服务和历书编算(也就是所谓的“授时”和“编历”)上。千百年来,天体测量学通过授时和编历为生产服务,而生产力的发展又不断地促进了天体测量学的发展。

  早在16世纪以前,中国的天象观测已达到非常精确的程度。中国古代天文学家,如落下闳张衡祖冲之一行郭守敬等,设计制造出精巧的观测仪器,通过恒星观测,以定岁时,上百次地改进历法。在西方,古代天文学家倾注很大精力,研究行星在星空背景中的运动。他们年复一年,精益求精地测量行星的位置和分析行星运动的规律,终于导致了中世纪哥白尼日心学说的创立。

  日心学说的发展到17世纪达到了高峰。I.牛顿力学概念应用于行星运动的研究,发现和验证了万有引力定律力学定律,并创立了天文学的一个新的分支——天体力学。天体力学的诞生,使天文学从单纯描述天体的几何关系,进入到研究天体之间相互作用的阶段。就是说,从单纯研究天体运动的状况,进入到研究造成这些运动的原因。特别应该指出的是,牛顿奠定力学规律的最精确的“实验”是从观测太阳和行星的运动开始的。这是历史上最初把宇宙空间作为实验基地的一次巨大进展。

  这一段历史,记载了那时的天文学家以极大的耐力(事实上,用了一二千年的时间)不断地积累资料,补充资料,使得天文观测和理论分析达到了很高的水平,从而在一定程度上弥补了天文学只能“被动”实验的缺陷,即单纯依靠观测的缺陷。而他们在当时的条件下选定了行星的运动作为研究目标,收到了很大的效果。

  在牛顿以后的200年中,我们还看到了天体力学的发展给应用数学以有力的推动。从微积分到现在的数学物理方法,已成为现代科学中必不可少的工具。

  天体之间的引力作用虽然说明了许多天文现象(地球运动、潮汐现象、太阳系天体乃至星团、星系动力学现象),却不足以阐明天体的本质。19世纪中叶以来,物理学的重大发展把天文学推进到一个新的阶段。以测定天体亮度和分析天体光谱为起点的天体物理学成为天文学科的一个新的生长点。19世纪末到20世纪初,量子力学相对论原子核物理学高能物理学的创立,给了天文学以新的理论工具。研究天体的化学组成、物理性质、运动状态和演化规律,使人类对天体的认识深入到问题的本质。天体物理学带来的第一个成就,是天文学家从此可以有根据地阐述天体的演化。

  天体物理学的诞生标志着现代天文学的起点。天文观测也在这时进入到一个新的阶段。回顾17世纪以前,天文工作者在漫长的年代里只是靠肉眼来观测天象,能看到的星星不过五六千颗。17世纪,伽利略首创的天文望远镜,使人类的视野大大开阔。随着光学技术的发展,望远镜的口径愈来愈大,人类的视野从太阳系的周围,从太阳系所在的由数以千亿计的恒星和星云组成的银河系,扩大到银河系以外的空间。用各种望远镜包括哈勃空间望远镜能观测的河外星系数目估计在500亿以上。这些非常遥远而暗弱的天文对象,需要有很大的望远镜来进行观测,特别是分光观测。20世纪初以来,直径2米直到5~6米及至10米大型光学望远镜的发展,尤其重要的是近五六十年来射电天文学空间天文学的相继诞生,使天文观测手段不但具有空前的探测能力和精度,而且使天文观测的领域扩展到了整个电磁波段。除可见光以外,天体的紫外、红外、无线电X射线γ射线的辐射也都能接收到。

  观测手段的进步使天体物理学进入空前活跃的阶段。从太阳光谱中发现了化学元素氦,对星云谱线的分析提供了原子禁线理论的线索,对太阳和恒星内部结构的研究建立了热核聚变的理论,从恒星演化的理论引申出元素综合的假说,这些成就奠定了天体物理学发展的基础。20世纪的中后期,天文学上接连发现的新现象,给物理学科包括天体物理学和其他物理学科分支以一连串的冲击。如红外源、分子源、天体微波激射源的发现对恒星形成的研究提供了重要的线索;脉冲星、X射线源(见X射线天文学)、γ射线源(见γ射线天文学)的测定,则推动了恒星各阶段演化的研究;星际分子的发现,引起了生物学界和化学界的关注;类星体射电星系等高能现象的发现,对已知的物理学规律提出了尖锐的挑战;结合各种类型星系观测资料的积累和分析,星系演化和大尺度宇宙学的观测研究也已经提到了日程。从近处看,太阳由表及里也都有一些新的发现,如太阳内部“核工厂”中的“中微子失踪之谜”,太阳表面层的脉动,日冕上出现的冕洞,都向太阳物理学和物理学提出了新的课题;自从人造卫星上天以来,日地空间物理学已经取得了大量的新结果;宇宙飞船远访行星,以及在月球、火星、金星上的着陆考察,使太阳系的构成和演化的研究展现出崭新的局面。

  这一切标志着天文学史上一次新的巨大飞跃带来的成果。把宇宙空间作为科学实验基地使人们有了更深的印象和更大的信心。这个基地有地面实验室难以模拟的物理条件,如星际空间中每立方厘米不到一个原子的高度真空,中子星内部每立方厘米包含着10亿吨物质的高密度,脉冲星表面上强达1万亿高斯的磁场,恒星内部和恒星爆发时产生的超过100亿度的高温,星系和星系核抛射物质所具有的极高速度——接近于光速、有的看起来甚至大于光速好几倍的速度等,宇宙空间中诸如此类的表演,绝不仅是物理学、力学、化学乃至生物实验室的简单补充。事实上,在这里交织着宏观世界和微观世界研究的前沿,可能正酝酿着人类认识自然的一次新的突破,新的天文学分支粒子天体物理学的诞生。光学、射电和空间观测手段的发展,给予天文学、物理学以及其他学科的冲击,将反过来促进天文观测技术的迅速发展,从而再导致更多的新发现。在这样的背景下,当前的天文学领域将日益集中天文学、力学高能物理学等离子体物理学数学乃至生物学的重大课题,成为富有生命力的多学科交叉点。

  随着电子计算机光学技术自动化技术的迅速发展,地面天文观测设备,将会产生口径30米以上与光学红外望远镜以1平方千米接收面积的射电望远镜。其检测暗弱信息和分辨微小细节的能力将达到空前的程度。天体演化学宇宙学以及天体物理学其他分支学科的发展将会继续加速,而一些重要的物理学领域,如高能物理学原子核物理学广义相对论等离子体物理学等可能在天文研究中找到重要的突破口。

  人造天体的发射和应用,给天体力学带来了新的使命,促进了它在理论上和计算技术上的发展。在天体测量方面,由于射电天文、空间技术和激光技术的应用,通过对一些位置已知天体的观测,已能辨别出地面上微小到几厘米的变化,从而开创了天文学、地球物理学大地测量学的交叉点天体地球动力学

学科分支

  在天文学的悠久历史中,随着研究方法的发展,先后创立了天体测量学天体力学天体物理学。它们基本上是按研究方法分类的学科。当然,这里所说的方法包括理论和实验两方面的内容。

  到20世纪30年代为止,所有的天文观测都是用光学手段进行的。但在此后的一二十年间,射电天文和空间天文的手段相继出现,开展了对天体的无线电和天体的红外、紫外、X射线和γ射线的观测。射电天文学和空间天文学遂成为按观测手段分类的重要学科。

  这里按研究方法和观测手段所作的分类,并没有穷尽“类”的完整性。如从研究方法来说,也可把宇宙化学这些学科列为天文学的学科分支,不过它们还不具备像天体物理学等三门学科那样的成熟程度和历史地位。同样,从观测手段的分类来说,人们往往不把光学天文学看作一个专门的学科分支,这是因为光学天文方法的成熟程度和历史地位如此突出,以致在传统概念中天文学本身基本上就是“光学天文学”,通常只是把光学天文实测手段,即天文仪器(指光学天文仪器)单独列为一个学科分支,而不包括用光学方法观测的天文对象和研究结果。另外,射电天文学空间天文学,由于现阶段观测手段已日臻完善,而每一次的革新都会带来天文上的新发现、新课题,因此观测手段和研究结果紧密相连,交错发展,使这两门学科还保持着自己的特殊性,成为独立的分支。