天文學概述

翻開人類文明史的第一頁，天文學就占有顯著的地位。 巴比倫的泥碑，古埃及的金字塔，都是歷史的見證。在中國的殷商時期留下的甲骨文里，也有豐富的天文紀錄，表明在黃河流域，天文學的起源可以追溯到殷商以前更為遠古的時代。

　　幾千年來，在人類社會文明的進程中，天文學的研究范疇和天文的概念都有很大的發展。在這里我們對天文學的特征、現狀和趨向做一個概括描述。

天文學研究的特點

　　天文學是一門古老的學科，它的研究對象是遼闊空間中的天體。幾千年來，人們主要是通過觀察天體的存在、測量它們的位置來研究它們的結構、探索它們的運動和演化的規律，擴展人類對廣闊宇宙空間中物質世界的認識。

　　主要依*觀測是天文學研究方法的基本特點。不斷的創造和改革觀測手段，也就成為天文學家一個致力不懈的課題。宇宙中的天體浩瀚無際，而且天體離開我們越遠看起來也越暗弱。因此，觀測設備的威力越高，研究暗弱目標的能力就越強，人的眼界就越能深入到前未企及的天文領域。

　　天文學的發展對于人類的自然觀一直有著重大的影響。哥白尼的日心說曾經使自然科學從神學中解放出來；康德和拉普拉斯關于太陽系起源的星云學說，在十八世紀形而上學的自然觀上打開了第一個缺口；對日全食的觀測證實了廣義相對論理論……。

　　天文學研究中的一個重大課題是各類天體的起源和演化。在我們觀測到的天體中，千萬歲的年齡是很年輕的。太陽的年齡約為五十億年，也只是一個中年的恒星。人類的文明史至今也不過幾千年，而一個天文學家畢其一生也不過是幾十年。所以從短暫的觀測來探討天體百億年的演變歷史，應當說是天文學研究的又一特點。

　　一個天體的物理特征，除了反應出它的基本結構以外，還可以反映出它所處的演化階段。天體的信息是通過輻射（比如光）傳給我們的。對于遙遠的天體，光在旅途中要經歷漫長的時間，比如對于里我們一億光年的天體，光要用一億年才能送到它的信息，而我們看到的是它一億年前的形象。

　　這樣，我們所觀測到的許許多多天體，展示給我們的是時間上各不相同的“樣本”。特別是河外星系，代表著從百萬年到上百億年前的各種“樣本”，包含著上百億年的演化線索。因此通過統計分類和理論探討，我們就可以建立起天體演化的模型。

星空巡禮

　　現在我們環顧一下目前所認識的天文世界。

　　太陽和太陽系

　　太陽是太陽系的中心天體，占太陽系總質量的99.86%，太陽系的其他成員是：行星、小行星、彗星、流星，它們都圍繞著太陽旋轉。

　　從天文學的角度看，地球是一個適于生物存在和繁衍的星星。雖然我們相信宇宙中還會有千千萬萬個能夠繁衍生命的星球，但以目前的科學水平，我們還不能發現它們。作為行星，地球只是太陽系的一個普通成員。它的物理結構和化學組成雖然有自己的特點，但并不特殊。

　　連地球在內，太陽系內已經知道的有九大行星，從離太陽最近的算起，依次為：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。它們都沿著同一方向自西向東繞著太陽轉動，軌道都是橢圓的。大多數行星的軌道，都大致在同一平面上。冥王星離太陽最遠，軌道直徑約120億公里。但太陽系的疆界可能還要遙遠的多。

　　除了水星和金星，太陽系的行星周圍都有衛星。地球有一個衛星——月亮，直徑約3500公里，在太陽系里算是一個大型衛星。目前為止，除了幾顆尚待證實的以外，已經確知的衛星共有34顆。

　　小行星是太陽系里較小的天體，已經發現并正式命名的有兩千多顆，其中最大的一顆——谷神星，直徑約為1000公里。大部分小行星分布在火星和木星的軌道之間。

　　彗星也是太陽系中質量較小的天體。絕大多數彗星沿著非扁的橢圓軌道繞日運行。它*近太陽時顯得十分明亮，而且拖著一條掃帚形的尾巴。

　　流星體是太陽系內更小的天體，流星體是固態的，也繞著太陽轉送，但軌道千差萬別。它們進入地球大氣層時，由于速度很高，同地球大氣的分子碰撞而發熱、發光，形成明亮的光跡，劃過太空，稱為流星現象。絕大部分流星體在落到地面以前時化為氣體，也有一些比較大的或特別大的在大氣中沒有耗盡，落到地面上就是隕石。

　　太陽是地球上光和熱的源泉。從天文學的觀點來看，它還作為離我們最近的一顆恒星而占有特殊的地位。作為恒星來說，太陽很普通又很典型。它在各類恒星中不算亮也不算暗，不大也不小。太陽的中心處在很高的壓力下，溫度約1500萬度。那里的高溫高壓條件導致熱核聚變，每秒鐘釋放的能量可供地球上按現在的消費水平使用上1000萬年。這種能量中的主要部分，輾轉經歷千萬年的時間才傳到太陽表面，然后輻射到周圍的空間中去。

　　太陽表面經常出現的以黑子和磁場為標志的太陽活動，是宇宙電動力學現象的一個重要事例。這種活動趨于劇烈時便發生耀斑現象，表現為各種波長的電磁輻射的突增和“高”能量質點的拋射。這是天文世界中極為重要、極其復雜的能量聚集、存儲、引發和釋放過程的一個特寫，盡管這在恒星世界中還屬于很小規模的活動。

　　隨著二十世紀天體物理學的進展，我們已經能夠大概描繪出太陽以及絕大部分恒星的發生和發展的歷程。

　　恒星世界

　　銀河系中估計有數以千億計的恒星，比較稀疏地分布在約十萬光年的空間范圍內。他們的化學組成大同小異，從以求出的恒星質量來看，它們的質量差別也不是很大：小的大約為太陽的百分之幾，最大的也不過太陽的120倍。不同質量的恒星能夠在自己的各自演化階段中呈現出不同的顏色和光度，以每秒鐘發出的能量來看，可能相差很大。例如一些超巨星，光度可達太陽的200萬倍，而象白矮星那樣的暗星，光度只有太陽的幾十萬分之一。當然還有許多我們沒有能夠觀測到的那些并不發光或正在熄滅的星體。

　　許多恒星的光都會發生引人注目的變化。比如變星的光度變化是周期性的，周期從一小時到幾百上千天不等。另一些恒星的光度變化是突發性的，其中最劇烈的是新星和超新星爆發。它們是處在演化過程中的某個轉折點上，內部嚴重失去平衡，導致星體的劇烈爆炸。規模小的可以引起光度突增幾萬至幾百萬倍，成為新星；規模的大的則幾乎把星體全部質量都拋射出去，這時的光度突增可大千萬倍至上億倍，成為超新星。如果這樣的爆發發生在太陽的位置上，太陽系的九大行星會在頃刻之間被蒸發掉。

　　恒星的大小也十分懸殊。盡管處在氫燃燒階段的各類恒星直徑相差不過幾百倍，但是在演化的某個階段上卻不同，如超巨星的直徑可達太陽的幾百或幾千倍。而演化末期的白矮星和中子星，星體物質高度壓縮，內部密度分別可達水的十萬倍到百億倍，可直徑只有太陽的幾萬分之一。

　　盡管各種恒星的性質千差萬別，但是它們的演化幾乎都可以用核聚變為主的理論來解釋。上面所說的形形色色的恒星，都可以被認定是具有某種起始質量的星體演化到某一特定階段的表現。恒星演化理論的建立，無疑是二十世紀天文學的重大成就。盡管這種理論還很不完善，但它為理解恒星的基本性質奠定了堅實的基礎。

　　恒星在空間中常常不是孤獨的。估計由兩顆星組成的雙星可能占全部恒星的三分之一。還有三、五顆星聚在一起的聚星。也有幾十、幾百至幾百萬個聚在一起的，形成星團。所有恒星都沉浸在星際物質的海洋中。星際物質包括星際氣體和塵埃，平均密度約為每立方厘米一個院子。星際物質高度密集的地方形成星云。星云與恒星是天文世界中兩種相互矛盾又相互轉化的實體。星云是構成恒星的原料，而恒星向空間拋射的物質也成為星云的一部分原料。

　　銀河系與河外星系

　　夏夜仰望天空，可以看到橫貫天空的銀河。從望遠鏡里看去，銀河帶實際上是由千千萬萬顆星星組成的。這個龐大的恒星集團取名為銀河系。在銀河系里，大部分恒星集中在一個扁球狀的空間范圍內，側面看上去象一個鐵餅。人們肉眼看到的銀河正是這個“鐵餅”的一部分投影。在銀河系里，恒星的總數在千億顆以上，此外還有各種類型的銀河星云、星際氣體和塵埃。

　　銀河系以外還有許許多多同銀河系規模相當的龐大天體系統，它們曾形象地被稱為“宇宙島”，一般稱為河外星系，簡稱星系。

　　星系也聚成大大小小的集團，有雙重星系、多重星系以至星系團。用目前最大的望遠鏡可以觀測到數以十億計的星系，其中離我們最遠的估計達150億光年。

　　河外星系按它們的形態可以分為橢圓星系、漩渦星系和不規則星系。它們的演化歷程目前尚無定論。河外星系的觀測使天文學研究的范圍擴展到以百億光年為尺度的廣闊空間，使我們對大尺度空間中的物理狀態有了實測的基礎，成為現代宇宙學的一個支柱。

天文學的歷史

　　早在16世紀以前，中國的天象觀測已經達到非常精確的程度。中國古代天文學家設計制造出很多精巧的觀測儀器，通過恒星觀測，議定歲時，上百次地改進歷法。我國是世界上古代天項紀錄最多也最系統的國家，從殷商時代的甲骨文鐘就可以找到當時的天象紀錄，我國歷史上關于新星和超新星的記錄約有80條，占全世界這類紀錄的90%。在西方，古代天文學家傾注很大力量，研究行星在星空背景中的運動。他們年復一年、精益求精地測量行星的位置和分析行星運動的規律，終于導致了中世紀哥白尼日心學說的創立。這給當時的宗教勢力以有力的打擊，是歷史上自然科學的一次輝煌勝利。

　　日心說的發展到十七世紀達到頂峰，牛頓把力學概念應用于行星運動的研究上，發現和驗證了萬有引力定律和力學定律，并創立了天文學的一個新的分支——天體力學。天體力學的誕生，使天文學從單純的描述天體的幾何關系，進入到研究天體之間相互作用的階段。

　　在牛頓以后的二百年中，天體力學的發展給應用數學以有力的推動。從微積分到現在的數學物理方法，已成為現代科學中必不可少的工具。

　　天體之間的引力作用雖然說明了許多天文現象，卻不足以闡明天體的本質。十九世紀中葉以來，物理學的重大發展把天文學推進到一個新的階段。以測量天體亮度和分析天體光譜為起點的天體物理學稱為天文學的一個新的生長點。

　　十九世紀末到二十世紀初，量子理論、相對論、原子核物理和高能物理的創立，給了天文學以新的理論工具。研究天體的化學組成、物理性質、運動狀態和演化規律，是人類對天體的認識深入到問題的本質。天體物理學使天文學家們可以有根有據地談論天體的演化。天體物理學的誕生標志著現代天文學的起點。天文觀測也在這時進入到一個新的階段。

　　回顧十七世紀以前，人們在漫長的年代里只是*肉眼來觀測天象，能看到的星星不過六、器千克。十七世紀，伽利略首創的天文望遠鏡，使人類的眼界突然大大開闊。隨著光學技術的發展，望遠鏡的口徑越來越大，人類的視野從我們周圍的太陽系，擴大到銀河系，又擴大到河外星系。

　　目前，各種望遠鏡的視野里，有種類繁多、結構復雜、內容豐富的遙遠而暗弱的天文對象呈現出來。二十世紀初以來，直徑2米到6米的大型光學望遠鏡的發展，尤其是近三四十年來射電天文學和空間天文學的相繼誕生，是天文觀測手段不但具有空前的探測能力和精度，而且是天文學的領域擴展到整個電磁波段。十分明顯，我們的時代正在經歷著天文學的一次新的巨大飛躍。

　　觀測手段的飛躍使天體物理學進入空前活躍的階段。如果說天體物理學在它誕生之初就對物理學做出某些貢獻，那么最近天文學上接連發現的新現象，可以說給物理學以一連串的沖擊。像紅外源、分子源、天體微波激射源的發現對恒星形成的研究提供了重要的線索；脈沖星、X射線源、γ射線源的測定，則推動了恒星演化的研究；星際分子的發現，吸引了生物學界和化學界的注意；類星體、射電星系和星系核活動等高能現象的發現，對以至的物理學規律提出了尖銳的挑戰；結合各種類型星體觀測資料的積累和分析，星系演化和大尺度宇宙學的觀測研究也已提到日程上來。

　　自從人造衛星上天以來，日地空間物理學已經取得了大量的新結果；宇宙飛船遠訪行星，以及在月球、火星、金星上的著陸考察，使太陽系的構成和演化的研究展現出嶄新的局面。

　　人們看到廣闊無邊的宇宙空間有著地面實驗室難以模擬的物理條件：高真空度，中子星內部每立方厘米10億噸的高密度、脈沖星表面高達一萬億高斯的磁場、恒星內部和恒星爆發時產生的超過100億度的高溫、一些星系和星系核拋射物質所具有的極高速度……。

　　這些可能正孕育著人類認識自然的一次新的突破。光學、射電和空間觀測手段的發展，將反過來促進觀測技術的迅速發展，從而再導致更多的新發現。在這樣的背景下，當前的天文學領域將日益集中天文學、力學、高能物理學、等離子體物理學、數學、化學的重大課題，成為富有生命力的多學科交*點。

天文學的學科分支

　　在天文學的悠久歷史中，隨著研究方法的發展，先后創立了天體測量學、天體力學和天體物理學。它們是按研究方法分類的學科。

　　到二十世紀三十年代為止，所有的天文觀測都是用光學手段進行的。但是，在此后的時間里，射電天文和空間天文的手段相繼出現，開展了對天體的無線電和天體的紅外、紫外、X射現和γ射線的觀測。射電天文學和空間天文學就成為按觀測手段分類的新學科。

　　按照傳統的觀念，學科分支應該是根據研究對象來區分的。天文對象可分為太陽系、太陽、銀河系、河外星系和“物理宇宙”。這里將太陽作為一個特殊的恒星，把銀河系作為一個特殊的星系，以突出它們的地位。當然，這些不同的天文學層次之間的界限使分明的，但對它們所有的研究方法和觀測手段則是大同小異的。因此對天文學來說，按研究對象的學科分類，輔以研究方法和觀測手段的分類，應該是一種可行的辦法。

　　天文學的分支大體有：天體測量學、天體力學、天體物理學、射電天文學、空間天文學、天體演化學。