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天文学

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可观察宇宙的对数表示。 著名的天文物体用中文标记
可观察宇宙的对数表示。 著名的天文物体用中文标记
由哈勃空间望远镜拍摄的一个巨大超新星残骸:马赛克组成的蟹状星云
哈勃空间望远镜拍摄的一个巨大超新星残骸:马赛克组成的蟹状星云

天文学(英语:astronomy[注 1])是一门研究天体天文现象自然科学。它使用数学物理化学来解释它们的起源和演化。感兴趣的天体包括行星卫星恒星星云星系彗星。相关现象包括超新星爆炸、伽马射线暴类星体耀变体脉冲星宇宙微波背景辐射。 更通俗地说,天文学研究起源于地球大气层之外的一切事物。宇宙学是天文学的一个分支,从整体上研究宇宙[1]

天文学是最古老的自然科学之一。历史记载中的早期文明对夜空进行了系统的观测。其中包括巴比伦天文学希腊天文学印度天文学英语Indian astronomy埃及天文学英语Egyptian astronomy中国天文学玛雅文明和许多古代美洲原住民的天文学。在过去,天文学包括多种学科,如天体量测天文航海观测天文学和制作历法。如今,专业天文学通常被与天体物理学画上等号[2]

专业天文学分为观测理论两个分支。观测天文学的重点是从对天体的观测中获取数据,然后利用物理学的基本原理对这些数据进行分析。理论天文学的面向是发展电脑或分析模型来描述天体和现象。这两个领域相辅相成。理论天文学寻求解释观测结果,而观测结果被用来证实理论结果。[原创研究?]

天文学是少数几个业余爱好者发挥活跃角色作用的科学之一。这对于瞬变事件的发现和观测尤其如此。业余天文学家帮助了许多重要发现,例如发现新的彗星。[来源请求]

语源

1873年的澳大利亚新南威尔士天文台
1873年的澳大利亚新南威尔士天文台
19世纪时位于厄瓜多尔基多的基多天文台,位置在赤道以南12角分处[3]
19世纪时位于厄瓜多尔基多基多天文台,位置在赤道以南12角分处[3]

汉语中“天文”一词最早出现于《易传》。《易经·贲卦·彖辞》:“刚柔交错,天文也;文明以止,人文也。观乎天文,以察时变;观乎人文,以化成天下。”“文”是指一切现象或形相,“天文”就是指自然现象。[4][5]

"天文学"和"天体物理学"术语的使用

"天文学"和"天体物理学"是同义词[6][7][8]。根据严格的词典定义,"天文学"是指"对地球大气层外的物体和物质及其物理和化学性质的研究"[9],而"天体物理学"指的是天文学中处理"天体和现象的行为、物理性质和动力学过程"的分支[10]。在某些情况下,正如徐遐生在介绍性质的:教科书《物理宇宙》时所:天文学可用于描述该学科的定性研究,而天体物理学则用于描述该学科的物理导向版本[11]。然而,由于大多数现代天文学研究涉及与物理学有关的学科,因此现代天文学实际上可以称为天体物理学[6]。在有些领域,例如天体测量学,是纯粹的天文学,而不是天体物理学。科学家对这一课题进行研究的各个部门可能会使用"天文学"和"天体物理学",部分取决于该部门在历史上是否隶属于物理部门[7],许多专业的天文学家拥有物理学学位而不是天文学学位[8]。该领域主要科学期刊的一些标题,包括"天文期刊"、"天文物理期刊"和"天文与天体物理学报"。

历史

17世纪的荷兰制图师弗雷德里克·德·威特(英语:Frederik de Wit)绘制的星图
17世纪的荷兰制图师弗雷德里克·德·威特英语Frederik de Wit绘制的星图

古代

在早期的历史时期,天文学只包括观察和预测肉眼可见物体的运动。在一些地方,早期文化聚集了大量可能具有天文用途的文物。除了仪式上的用途外,这些天文台还可用来确定季节,这是知道何时种植作物和了解一年长度的重要因素[12]

在望远镜等工具发明之前,早期对恒星的研究是用肉眼进行的。随着文明的发展,最显著的是美索不达米亚希腊波斯天文学英语Persian astronomy印度天文学英语Indian astronomy中国天文学埃及天文学英语Egyptian astronomy中美洲,天文观测站被建立起来,关于宇宙性质的想法开始发展。大多数早期天文学包括绘制恒星和行星的位置图,这门科学现在被称为天体测量学。经由这些观测,形成了关于行星运动的早期想法,并从哲学上探讨了太阳、月亮和地球在宇宙中的性质。当时,地球被认为是宇宙的中心,太阳、月亮和恒星围绕地球旋转。这被称为宇宙的地心模型,或以托勒密为名的托勒密体系[13]

,公元前6世纪伦敦(肖恩)收藏公元前6世纪的耆那教天文学文本,苏里亚普拉伊纳普蒂斯特拉(Suryaprajnaptisūtra )。上图:约1500年的手稿[14]
,公元前6世纪伦敦(肖恩)收藏公元前6世纪的耆那教天文学文本,苏里亚普拉伊纳普蒂斯特拉(Suryaprajnaptisūtra )。上图:约1500年的手稿[14]

早期,一个特别重要的发展是数学和科学天文学的开始,它始于巴比伦人,为后来在许多其它文明中发展起来的天文传统奠定了基础[15]巴比伦人发现月食在一个称为沙罗的重复周期中反复重现[16]

希腊的赤道日晷。在公元前2-3世纪的奥克斯的亚历山大(英语:Ai-Khanoum),是今天的阿富汗
希腊的赤道日晷。在公元前2-3世纪的奥克斯的亚历山大英语Ai-Khanoum,是今天的阿富汗

继巴比伦人之后,古希腊希腊化世界在天文学方面取得了重大进展。希腊天文学的特点是从一开始就寻求对天体现象的理性和物理解释[17]。公元前3世纪,阿里斯塔克斯估计了月亮和太阳的大小和距离英语On the Sizes and Distances (Aristarchus),他提出了地球和行星围绕太阳旋转的太阳系模型,现在称为日心说模型[18]。在公元前2世纪,喜帕恰斯发现了岁差,计算了月球的大小和距离,并发明了已知最早的天文设备,如星盘[19]。喜帕恰斯还创建了一个包含1,020颗恒星的综合目录,北半球的大部分星座都来自希腊天文学[20]安提基特拉机械(约公元前150-80年)是早期的类比计算机,设计用于计算给定日期的太阳月亮行星的位置。复杂性类似的科技人工制品直到14世纪才重新出现,当时在欧洲出现了机械的天文钟[21]

中世纪

中世纪期间(直到13世纪),欧洲天文学停滞不前,但依然有许多重要的天文学家。沃林福德的理查英语Richard of Wallingford(1292-1336)对天文学和测时法英语Horology做出了重大贡献,包括发明了第一个天文钟,能够量测行星和其他天体之间角度的矩仪英语Rectangulus,以及可用于天文学计算,如月球太阳行星经度,并可预测日食,被称为阿尔比安(Albion)的行星定位仪尼克尔·奥里斯姆(1320-1382)和让·布里丹(1300-1361)首先讨论了地球自转的证据,此外,布里丹还发展了动力理论[注 2],该理论能够证明行星能够在没有天使干预的情况下运动[22]乔治·范·派尔巴赫英语Georg von Peuerbach(1423-1461)和约翰·缪勒(1436-1476)帮助了天文学的进步,有助于哥白尼在几十年后发展日心模型。

与此同时,天文学在伊斯兰世界以及世界其他地区蓬勃发展。这导致9世纪初穆斯林世界出现了第一个观测站[23][24][25]。964年,波斯穆斯林天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲在他的"恒星之书"中描述了仙女座星系,这是本星系群中最大的星系[26]。由埃及阿拉伯天文学家Ali ibn Ridwan英语Ali ibn Ridwan中国天文学家于1006年观测到的超新星SN 1006,是有记录以来视星等最明亮的恒星事件。一些对科学做出重大贡献的著名伊斯兰[注 3]天文学家包括巴塔尼塔比·伊本·库拉阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲比鲁尼AbūIshāq Ibrāh h Al-Zarqīl英语AbūIshāq Ibrāh h Al-ZarqīlAl-Birjandi英语Al-Birjandi、以及马拉盖天文台撒马尔罕天文台英语Ulugh Beg Observatory。在那段时间里,西方天文学家引入了许多阿拉伯的恒星名称英语List of Arabic star names[27][28]

人们还认为大津巴布韦廷布克图的废墟[29]可能也设有天文台[30]。在后古代史西非,天文学家研究了恒星的运动及其与季节的关系,根据复杂的数学计算,绘制了星图以及其他行星的精确轨道图。 桑海的历史学家马哈茂德·卡蒂英语Mahmud Kati在1583年8月记录了一场流星群[31][32]。欧洲人此前认为,在殖民统治前的中世纪,撒哈拉以南非洲没有天文观测,但现代发现情况并非如此[33][34][35][36]

六个多世纪以来[注 4],罗马天主教会为天文学研究提供的财政和社会支持可能比所有其他机构都多。 教会的动机之一是定出每年复活节的日期[37]

科学革命

伽利略对月球的素描。他发现月球表面布满了凹凸的山
伽利略月球的素描。他发现月球表面布满了凹凸的山
欧洲早期天图,约1000年
欧洲早期天图,约1000年

文艺复兴期间,尼古拉·哥白尼提出太阳系日心说伽利略·伽利莱约翰内斯·开普勒再在哥白尼的基础上进一步完善日心说。伽利略首次利用望远镜观察天体,发现月球表面布满了凹凸的山,而不是光滑一片。1610年,伽利略发现木星的四颗卫星,这是对地心说的重大打击。[38]

约翰内斯·开普勒是最早用科学定律正确解释日心说的科学家,但他无法解释这些定律背后的科学原理。[39]之后,伊萨克·牛顿发明天体力学万有引力定律,才从根本上解释了行星的运行。反射望远镜也是由牛顿所发明。[38]

英国天文学家约翰·弗兰斯蒂德汇编的星表收录了超过3千颗恒星。[40]随着望远镜大小和质量的提高,天文学家陆续发现更多的星体和天文现象。法国天文学家尼可拉·路易·拉卡伊的星表收录了将近1万颗南天恒星。威廉·赫谢尔汇编了星云、星团星表,并于1781年发现第七颗行星天王星。这是自远古时期以来第一颗被发现的新行星。[41]1838年,弗里德里希·威廉·贝塞尔利用视差原理测量天津增廿九的距离,是为首次成功测得恒星的距离。[42]

18至19世纪,李安纳·欧拉亚历克西斯·克劳德·克莱罗让·勒朗·达朗贝尔研究三体问题,对月球和行星的运行作出了更准确的预测。约瑟夫·拉格朗日皮耶尔-西蒙·拉普拉斯在此基础上,从卫星和行星的轨道扰动推算出它们的质量。[43]

光谱仪天文摄影等新技术出现之后,天文学有了飞快的发展。1814至15年,约瑟夫·夫琅和费在太阳的光谱当中观察到大约600条谱线。古斯塔夫·基尔霍夫在1859年解释,这些谱线是由不同化学元素产生的。人们发现,恒星其实类似于太阳,只不过有着不同的温度、质量和大小。[27]

到了20世纪,科学家才认识到地球所身处的银河系是一个独立的星系,并且在银河系外还存在别的星系。这些星系都在远离银河系,科学家以此发现宇宙正在膨胀。[44]奇异的星体现象陆续被发现,如类星体脉冲星耀变体电波星系等。理论天文学家则提出黑洞中子星等天体来解释这些观测现象。物理宇宙学也在20世纪蓬勃发展,其中的大爆炸理论,已得到宇宙微波背景辐射哈勃定律以及宇宙化学元素丰度的充分支持。太空观察站的发射意味着,科学家能够通过电磁波谱中一般被大气层所遮掩的部分来观察宇宙。2016年,镭射干涉引力波天文台(LIGO)宣布首次直接探测到源自黑洞碰撞的引力波讯号,展开了以引力波作天文观测的时代。

观测天文学

,乃至电磁辐射,是人类对天象的主要观测途径。[45]观测天文学的不同领域可依电磁波谱的区域所分,其中有的波长可从地球表面观测,称之大气窗口,有的则须要在高海拔甚至在地球大气层以外才能有效观测。

射电天文学

射电天文学利用波长超过1毫米左右的电磁辐射进行观测。[46]和其他类型的观测天文学领域不同的是,射电天文学所观测的无线电波可以视为,而不是单独的光子,所以相对较短波长的辐射更容易测定波幅相位[46]

尽管天体自身的热辐射也会发出无线电波,但是绝大部分的无线电波都是同步辐射所致,也就是电子磁场中运动时发出的辐射。[46]此外,还有星际气体所产生的某些谱线,也处于无线电波的波长范围内,特别是的21cm谱线。[11][46]

可通过无线电波观测的天体包括超新星、星际气体、脉冲星活动星系核等。[11][46]

红外天文学

智利的阿塔卡马大型毫米波/次毫米波阵列(ALMA)是地球上海拔最高的天文台之一[47]
智利的阿塔卡马大型毫米波/次毫米波阵列(ALMA)是地球上海拔最高的天文台之一[47]

红外天文学通过红外辐射进行天文观测,此类辐射的波长比红光更长,位于人类肉眼的观测范围以外。红外天文学能最有效观测温度较低、无法发出可见光的天体,例如行星星周盘及光线被尘埃遮蔽的星云等。红外辐射的波长较可见光长,所以可以穿透可见光所无法穿透的尘埃云,有助于研究分子云深处的年轻恒星和星系核。例如,广域红外线巡天探测卫星(WISE)已成功观测到多个银河系内的原恒星和这些恒星所在的星团[48][49]除了十分接近可见光的红外光以外,大部分红外辐射都会被地球大气层吸收;大气本身也会产生较强的红外辐射,进一步影响观测。因此,红外天文台都必须在海拔高、湿度低的地点建造,甚至是作为卫星发射到太空。[50]某些分子在红外辐射范围有较强的谱线,这有助于研究天体的化学成分,如彗星所含的[51]

可见光天文学

毛纳基火山上的昴星团望远镜(左)和凯克天文台(中)在近红外和可见光范围观测。美国宇航局望远镜(英语:NASA Infrared Telescope Facility)(右)只在近红外范围观测
毛纳基火山上的昴星团望远镜(左)和凯克天文台(中)在近红外和可见光范围观测。美国宇航局望远镜英语NASA Infrared Telescope Facility(右)只在近红外范围观测

自远古起,人类便利用肉眼作可见光天文观测。最早的观测都是以图画记录下来。19世纪末,人们开始对天象进行摄影。现代天文摄影技术一般使用数码探测器,特别是感光耦合元件(CCD)。虽然可见光的波长范围大约在4000Å至7000Å(即400nm至700nm)之间,[52]但可见光摄影设备也可以用来观测一部分的近紫外线近红外线

紫外线天文学

紫外线天文学利用波长在100至3200Å(10至320nm)间的紫外辐射进行观测。此类辐射会被地球大气层吸收,所以观测只能在大气上层或太空中进行。紫外线天文学最适合研究发射紫外线的高温蓝色恒星(OB星),包括银河系以外的蓝色恒星,以及行星状星云超新星遗迹等等。不过,紫外线会被星际尘埃吸收,所以取得的数据必须再利用其它方法加以校准。[46]

X射线天文学

特大质量黑洞所射出的X射线喷流,由美国宇航局昌德拉X射线天文台发现
特大质量黑洞所射出的X射线喷流,由美国宇航局昌德拉X射线天文台发现

X射线天文学在X射线范围观测天体。宇宙中的X射线来自于同步辐射[注 5]、温度高于1千万开尔文的稀薄气体发出的热辐射(见轫致辐射)以及温度高于1千万开尔文的稠密气体发出的热辐射(见黑体辐射)。发出X射线的天体有:X射线联星脉冲星超新星遗迹椭圆星系星系群活动星系核等。由于X射线会被地球大气层吸收,所以X射线观测必须用高空气球火箭X射线天文卫星进行。[46]

伽马射线天文学

伽马射线天文学所观测的是电磁波谱中波长最短的辐射。伽马射线可通过康普顿伽马射线天文台等卫星或大气切连科夫望远镜英语IACT来观测。[46]切连科夫望远镜不直接探测伽马射线,而是观测大气吸收伽马射线时所产生的可见光闪光。[53]

伽马射线暴是突然发出伽马射线的天体,持续时间从几毫秒到几千秒不等,大部分伽马射线源都属于此类。只有一成的伽马射线源为持续性射源,这包括脉冲星、中子星及活动星系核等可能为黑洞的天体。[46]

不以电磁辐射观测的领域

除了电磁辐射以外,还能通过一些别的方法研究天象。

中微子天文学利用屏蔽效果极佳的地下中微子探测器测量中微子的流量。这类设施包括俄美镓实验英语SAGE (ruSsian American Gallium Experiment)(SAGE)、GALLEX、超级神冈探测器等。绝大数穿过地球的中微子都来自太阳,但也曾经有探测到24颗来自SN 1987A超新星爆发的中微子。[46]宇宙射线由极高能量粒子(原子核)组成,在进入地球大气层时会衰变或被吸收,过程中会产生一系列的衍生粒子。现今的天文台可通过探测此类粒子来研究宇宙射线。[54]未来的中微子探测器能力将会提高,有望探测到宇宙射线冲击大气时所发出的粒子。[46]

引力波天文学通过观测引力波来研究遥远的大质量天体,是一门新兴的天文学领域。镭射干涉引力波天文台(LIGO)是其中一座正在运行的引力波探测器,它在2015年9月14日探测到历史上首个引力波讯号,讯号源自双黑洞[55]2017年,LIGO和室女座干涉仪共同探测到首个来自双中子星(GW170817)的引力波讯号。[56]

科学家可结合电磁辐射、中微子和引力波等不同方法研究同一个天体,这种做法称为多元讯息天文学英语multi-messenger astronomy[57][58]

天体测量学与天体力学

NGC 6357星团和星云
NGC 6357星团和星云

天文学乃至所有科学中最古老的一个领域,是对各天体位置的测量。在历史上,准确测量日、月、行星、恒星的位置,有天文航海和制订历法等作用。

18世纪开始,天文学家以精确测定的行星位置作为基础,发展出完善的引力摄动理论,可以极精确地推算过去和未来的行星位置。这门学科称为天体力学。今天,科学家对近地天体进行大规模追踪,目的是预测这些天体何时会近距离略过地球以及评估与地球相撞的风险。[59]

太阳系周边恒星的视差宇宙距离尺度的起始点。在用视差测量附近恒星的距离后,可以通过比对,推测遥远恒星的各种属性。通过测量恒星的径向速度自行,天文学家可以绘出银河系内恒星的运行轨迹,从而算出银河系暗物质的分布。[60]

1990年代,天文学家开始利用多普勒光谱学观察太阳系周边恒星的摆动。这种方法可以用来发现一些较大的系外行星(详见系外行星侦测法)。[61]

理论天文学

理论天文学家的研究手段包括数学模型及用电脑做数值模拟,即天体物理学。数学模型一般能揭示天文现象背后更深层次的原理,数值模拟则可以演示现实中难以观察的现象。[62][63]

具体分支

太阳天文学

太阳光球的紫外线图像,美国宇航局太阳过渡区与日冕探测器(TRACE)太空观察站摄
太阳光球紫外线图像,美国宇航局太阳过渡区与日冕探测器(TRACE)太空观察站摄
斯洛伐克洛姆尼茨基山太阳天文台
斯洛伐克洛姆尼茨基山太阳天文台

太阳离地球约8光分,或称之天文单位,是距离地球最近,也是天文研究最为关注的恒星。太阳是一颗典型的主序矮星,属于G2V类,年龄有46亿年。[64]虽然太阳不是一颗变星,但太阳粒子数会上下波动,每11年为一太阳周期。太阳粒子是太阳表面上温度较平均低的区域,一般有强烈的磁场活动。[65]

自进入主序至今,太阳的亮度已增加了40%,期间它的亮度有过周期性波动,对地球上的气候有着极大的影响。[66]例如,蒙德极小期很可能导致了中世纪期间的小冰期[67]

在结构上,人们一般所能见到的太阳表面称为光球[68]光球以外是一层薄薄的色球[69]色球以外有一层薄薄的过渡层,温度剧烈上升,直到最外面的超高温日冕[70]太阳的中心有着极高的温度和压力,足以产生持续的核聚变。包围着中心的是辐射层,这里的等离子体以辐射的形式把能量传递出来。辐射层以外是对流层,这里的气体以对流的形式把能量传递到外层。[71]科学家相信,对流层气体的翻滚运动所产生的磁场活动导致了太阳粒子的形成。[72]

太阳时时刻刻都从表面向外喷射大量的等离子体粒子,就是所谓的太阳风。太阳风会一直达到太阳系的边缘──太阳层顶。太阳风在经过地球时会与地磁场磁层)相互作用,会因此转向,但也有一部分会被困在环绕地球的范艾伦辐射带中。当太阳风粒子沿着磁场线进入地球两极的大气层时,就会产生极光[73]

行星科学

行星科学的研究对象,除了有太阳系内的行星卫星矮行星彗星小行星等等,还包括太阳系外行星。科学家最先通过望远镜观察太阳系内的天体,再通过航天器,如今已对太阳系自身的形成和演化有了较好的认识。[74]

照片摄于火星。一个尘卷风沿着陨石坑壁向上爬(黑点),留下了一条暗暗的轨迹。尘卷风是火星大气层现象,类似于地球上的龙卷风
照片摄于火星。一个尘卷风沿着陨石坑壁向上爬(黑点),留下了一条暗暗的轨迹。尘卷风是火星大气层现象,类似于地球上的龙卷风

从内向外,太阳系可分为内行星、小行星带和外行星。内行星包括水星金星地球火星,均为类地行星;外行星包括木星土星天王星海王星,均为气态巨行星[75]在八大行星以外,还有柯伊伯带和可能延续1光年的奥尔特云

太阳系行星是在46亿年前的原行星盘中诞生的。经过相互吸引、碰撞和吸积,原行星盘中逐渐积累起大块物质,这些物质慢慢演变为原行星。太阳风“吹走”大部分的离散物质,只有质量足够大的行星才得以保留其大气层。在接着的后期重轰炸期期间,行星继续受到太阳系剩余物质的剧烈碰撞。这些碰撞的历史遗迹在月球上的诸多撞击坑中就有迹可循。其中一些原行星也互相碰撞,科学家相信,月球就很有可能是在此类碰撞中形成的。[76]

当行星达到一定的质量后,其内部的物质会根据不同的密度而分离,这段过程称为行星分化。分化的结果是,行星的中心为石质或金属核,可分为固态和液态核,外层为幔和外壳。有些行星核可以产生磁场,避免大气层被太阳风剥离。[77]

行星和卫星内部高温的原因包括:行星形成时碰撞的残留热量、放射性物质(铝-26等等)的衰变以及其他天体所造成的潮汐力。一些行星和卫星的内部热量足以推动火山作用等地质活动,拥有大气层的行星和卫星还会经受表面侵蚀。较小的天体如果不受潮汐力的影响,会比大天体更快地降温。除了受陨石撞击以外,小天体的地质活动会随温度的降低而息止。[78]

恒星天文学

蚂蚁星云。星云中心的垂死恒星向外喷出大量物质,产生的形状高度对称,与普通爆炸的混乱形状有明显的不同
蚂蚁星云。星云中心的垂死恒星向外喷出大量物质,产生的形状高度对称,与普通爆炸的混乱形状有明显的不同

研究恒星和恒星演化,对人们了解宇宙有着重要的意义。科学家对恒星的了解来自于观察、理论以及对恒星内部的电脑模拟。[79]恒星会在称为暗星云的高密度尘埃和气体中形成。当星云的稳定性受到破坏时,尘埃和气体就会在自身引力下坍塌形成原恒星。当原恒星核心的密度和温度达到一定程度后,就会启动核聚变,使恒星形成。[80]

几乎所有原子量大于化学元素都是在恒星核心中形成的。[79]

恒星的属性主要取决于它开始时的质量:质量越大,亮度就越高,氢在其核心聚变成氦的过程也发生得越快。随着时间的推移,氢会完全转化为氦,此时恒星会进入演化过程中的下一个阶段。恒星核需要有更高的温度才能使氦聚变。核心温度足够高的恒星会一边使外层膨胀,一边增加核心密度,形成红巨星。红巨星会迅速用尽氦燃料,因此寿命不长。质量更大的恒星会逐步以更重的元素进行聚变,再经过一连串的演化阶段。[81]

恒星的质量决定了它最终的归宿:8个太阳质量以上的恒星会坍缩,成为超新星[82]而8个太阳质量以下的恒星则会喷出外层的物质,形成行星状星云[83]超新星爆炸后的残骸是一颗密度极高的中子星;如果恒星质量超过3个太阳质量,则超新星残骸将会是一个黑洞[84]相互公转的联星会有更加复杂的演化过程,例如,白矮星会从其伴星不断吸取物质,最终可引发超新星爆炸。[85]行星状星云和超新星都有助于把恒星内部经聚变产生的“金属元素”(在天文学中泛指氢、氦以外的一切元素)分散到星际介质当中。全靠这两者,包括太阳系在内的行星系统才会由氢和氦以外的多种元素所组成。[86]

银河系天文学

银河系旋臂结构示意图
银河系旋臂结构示意图

太阳系所处的银河系属于棒旋星系,是本星系群中的一员。银河系由气体、尘埃、恒星等各种天体所组成,这些天体绕银河系的中心公转,并通过相互引力束缚在一起。太阳系位于银河系一个螺旋臂的外端,因此银河系有很大部分受尘埃的阻挡,观测不易。

银河系中心是一个棒形隆起物,称为核球。科学家相信在核球的最中心处有一个特大质量黑洞。从核球起有四条主螺旋臂向外辐射至外端,此处的恒星形成非常活跃,含较多的第一星族恒星。这些结构都基本位于同一平面上,平面以外还有一个扁球形银晕,主要含年龄更大的第二星族恒星,亦含数以百计的球状星团[87]

恒星和恒星之间的空间充斥着低密度的物质,称为星际介质。其中由氢等元素组成的分子云是恒星诞生的区域,密度相对较高。高密度的星前核心暗星云坍缩[注 6],形成原恒星。[80]

大质量恒星出现后,分子云变为由发光气体和等离子体形成的电离氢区。这些恒星产生的恒星风和超新星爆炸最终使云团疏散开来,往往留下若干年轻的疏散星团。这些星团慢慢分散开,其中的恒星融入银河系众多的恒星当中。[88]

在研究过银河系及其他星系中物质的运动情况后,科学家发现普通的可见物质只是星系总质量的一小部分。围绕星系的暗物质晕组成星系的大部分质量,但暗物质的本质仍然是一个未解之谜。[89]

星系天文学

图中的数个蓝色环状天体是同一个星系的多个重复影像。中间黄色星系的质量产生引力透镜效应,使来自背后遥远星系的光线转向,造成扭曲和重影的效果
图中的数个蓝色环状天体是同一个星系的多个重复影像。中间黄色星系的质量产生引力透镜效应,使来自背后遥远星系的光线转向,造成扭曲和重影的效果

对银河系以外天体的研究分支包括:星系的形成和演化星系分类活动星系观测以及星系群星系团的观测。对星系群和星系团等的观测对了解宇宙大尺度结构有重要的意义。

大部分星系都可根据形状具体划分为螺旋星系椭圆星系不规则星系[90]

顾名思义,椭圆星系的截面呈椭圆形。星系中的恒星沿着随机轨道,而不是一个特别的方向运行。在椭圆星系中,星际尘埃几乎不存在或完全不存在,恒星诞生的区域少,恒星普遍较老。椭圆星系常见于星系团的中心,很可能是大星系相撞的产物。

螺旋星系呈扁盘形,沿一个方向旋转,中心有一个凸起的球状物或棒状物,从中伸出若干条螺旋臂,向外放射。螺旋臂发亮,充满尘埃,是恒星诞生的区域,其中的年轻大质量恒星呈蓝色。螺旋星系外围一般是由老恒星组成的晕。银河系和邻近的仙女座星系都属于螺旋星系。

不规则星系是外表混乱,无法归为螺旋或椭圆星系的星系。宇宙中有四分之一的星系都属于此类。混乱的形状很可能是引力扰动的结果。

活动星系会发出巨大的能量,但这些能量并不来自它的恒星、尘埃或气体,而是来自它的致密核心。科学家相信,星系中心的特大质量黑洞在吸入物质后发出大量辐射,形成活动星系核。电波星系会发出大量的无线电波,并散发出羽状或叶状的巨大气体结构。其他的活动星系则会发出波长较短的高能辐射,如西佛星系类星体耀变体。类星体是可观测宇宙中持续亮度最高的天体。[91]

宇宙在大尺度上的结构由星系群和星系团组成。最大的星系集体称为超星系团。宇宙中的物质在最大尺度上形成纤维状结构长城,之间则是巨大的空洞[92]

物理宇宙学

宇宙学的研究对象是整个宇宙。物理宇宙学家通过观测宇宙大尺度结构,对宇宙的开端和演化有了深入的认识。现代宇宙学的核心思想是大爆炸理论:宇宙在138亿年前诞生,自此后不断膨胀至今。[93][94]1965年,科学家发现宇宙微波背景辐射,奠定了大爆炸的观测基础。[94]

宇宙在膨胀期间经历了多个发展阶段。宇宙学家猜测,宇宙最初曾有过极快速的宇宙暴胀,使波动的初始条件得以匀化。接着的核合成过程产生了早期宇宙的各种原子核(见核宇宙编年学)。[94]

此时宇宙充斥着离子光子不可穿透。直到中性原子形成,太空才变得“透明”。第一次不受阻挡穿透太空的光线,至今仍游离于宇宙中,形成宇宙微波背景。有相当一段时间,由于恒星还未形成,宇宙是漆黑一片的。[95]

不同区域的物质质量密度有微乎其微的差异,物质因此开始聚合,形成各个尺度上的阶级式结构。密度较高的物质成为了气体云和最早期的恒星──第三星族恒星。这些大质量恒星激发了再电离过程,制造了早期宇宙中的许多重元素。重元素在衰变后成为轻元素,使核合成周期可以延续下去。[96]

在引力的作用下,物质形成了大尺度纤维状结构和巨大的空洞。气体和尘埃逐渐聚集,形成早期星系。这些星系不断纳入更多的物质,并互相形成星系群和星系团,再组成超星系团。[97]

暗物质暗能量的存在对宇宙的结构有着决定性作用。两者合起来,共占全宇宙质量的96%之多。因此,科学家正在极力试图探究其背后的物理原理。[98]

跨学科研究

天文学和天体物理学与其他科学领域有着密切的跨学科关系。考古天文学利用考古学人类学证据,研究远古或传统天文学在文化中的角色和地位。[99]天体生物学研究生物系统在宇宙中的起源演化和分布,并特别关注地外生物能否存在,人类又如何能探测这些生命这些问题。[100]天体统计学英语Astrostatistics将统计学方法应用在分析不可胜计的天文观测数据上。[101]

天体化学研究宇宙中化学物质的形成和反应。[102]宇宙化学专门研究太阳系内化学物质的分布、来源以及同位素比率的变化。[103]

天文鉴证科学英语forensic astronomy利用天文学的知识,解答法律、历史上的疑问,例如验证拍摄照片的日期或确认有关天文艺术作品的创作时间。

业余天文学

业余天文学家可以自己搭建观测器材,并举办星空飨宴。图为位于美国佛蒙特州的Stellafane天文俱乐部
业余天文学家可以自己搭建观测器材,并举办星空飨宴。图为位于美国佛蒙特州的Stellafane天文俱乐部

天文学是众多科学领域中,业余者能够最大程度参与的领域。[104]

业余天文学家可以对各种天体和天文现象进行观测,有的甚至会自己搭建观测器材。最普遍的观测对象包括:日、月、各大行星、小行星、彗星、流星群、恒星以及星团、星系、星云等深空天体。业余天文俱乐部分布在世界各地,有的会为成员提供各种帮助,从搭建器材乃至完成观测梅西耶星表(共110个)或赫谢尔目录(共400个)中的所有天体。

天文摄影是业余天文学的一个分支。许多业余天文学家会选择专门观测某一类天体或某一类天文现象。[105][106]

大部分业余天文学家都在可见光范围内做观测,但也有一小部分用可见光以外的波长进行观测,包括在传统天文望远镜上加上红外滤光片,或使用射电望远镜卡尔·央斯基在1930年代开始在无线电波长进行观测,开创了业余射电天文学。业余天文学家不但可以使用自己的器材,还可以使用开放给业余者的专业射电天文望远镜。[107][108]

与大多数现代科学领域不同的是,业余天文学家至今仍在为天文学作出重大的贡献。比如,他们通过掩星的方法提高小行星轨道的测量精度,发现新彗星,又对变星做定期观测。随着数码科技的提升,业余天文摄影也有了极大的进步。[109][110][111]

天文学未解之谜

尽管随着天文学的惊人发展,人类已经对宇宙的认知有了翻天覆地的变化,但是在今天仍然有一些至关重要的天文学未解之谜。要解答这些谜题,有可能需要新的地面或太空观测仪器,乃至理论和实验物理上的新发展。

  • 恒星质量分布从何而来?为什么不论初始条件如何,天文学家都会观测到相同的初始质量函数[112]有待对恒星和行星的诞生过程有更深入的了解。
  • 宇宙中是否存在其他生命体?是否存在其他智慧生物?如果存在,应如何解决费米佯谬?证实地球以外生物的存在,对许多科学和哲学问题有至关重要的意义。[113][114]太阳系是平平凡凡,还是绝无仅有?
  • 暗物质暗能量的本质是什么?这两者在宇宙的发展和未来有着决定性作用,然而人类对它们的本质尚且一无所知。[115]宇宙的终极命运是什么?[116]
  • 第一批星系是如何形成的?[117]特大质量黑洞是如何形成的?[118]
  • 超高能宇宙射线从何而来?[119]
  • 元素在宇宙中的丰度为什么比大爆炸模型所预测的低四倍?[120]

注释

  1. ^ 来自希腊语ἀ στρονομία,字面意思是研究恒星规律的科学
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来源

外部链接

参见

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天文学
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