天文學(xué)概述

翻開人類文明史的第一頁，天文學(xué)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(shí)期留下的甲骨文里，也有豐富的天文紀(jì)錄，表明在黃河流域，天文學(xué)的起源可以追溯到殷商以前更為遠(yuǎn)古的時(shí)代。

　　幾千年來，在人類社會文明的進(jìn)程中，天文學(xué)的研究范疇和天文的概念都有很大的發(fā)展。在這里我們對天文學(xué)的特征、現(xiàn)狀和趨向做一個(gè)概括描述。

天文學(xué)研究的特點(diǎn)

　　天文學(xué)是一門古老的學(xué)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(jié)構(gòu)、探索它們的運(yùn)動(dòng)和演化的規(guī)律，擴(kuò)展人類對廣闊宇宙空間中物質(zhì)世界的認(rèn)識。

　　主要依*觀測是天文學(xué)研究方法的基本特點(diǎn)。不斷的創(chuàng)造和改革觀測手段，也就成為天文學(xué)家一個(gè)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(yuǎn)看起來也越暗弱。因此，觀測設(shè)備的威力越高，研究暗弱目標(biāo)的能力就越強(qiáng)，人的眼界就越能深入到前未企及的天文領(lǐng)域。

　　天文學(xué)的發(fā)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(jīng)使自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來；康德和拉普拉斯關(guān)于太陽系起源的星云學(xué)說，在十八世紀(jì)形而上學(xué)的自然觀上打開了第一個(gè)缺口；對日全食的觀測證實(shí)了廣義相對論理論……。

　　天文學(xué)研究中的一個(gè)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(gè)中年的恒星。人類的文明史至今也不過幾千年，而一個(gè)天文學(xué)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(yīng)當(dāng)說是天文學(xué)研究的又一特點(diǎn)。

　　一個(gè)天體的物理特征，除了反應(yīng)出它的基本結(jié)構(gòu)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(yuǎn)的天體，光在旅途中要經(jīng)歷漫長的時(shí)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(shí)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(tǒng)計(jì)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(xiàn)在我們環(huán)顧一下目前所認(rèn)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(zhì)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(zhuǎn)。

　　從天文學(xué)的角度看，地球是一個(gè)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(gè)能夠繁衍生命的星球，但以目前的科學(xué)水平，我們還不能發(fā)現(xiàn)它們。作為行星，地球只是太陽系的一個(gè)普通成員。它的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成雖然有自己的特點(diǎn)，但并不特殊。

　　連地球在內(nèi)，太陽系內(nèi)已經(jīng)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(zhuǎn)動(dòng)，軌道都是橢圓的。大多數(shù)行星的軌道，都大致在同一平面上。冥王星離太陽最遠(yuǎn)，軌道直徑約120億公里。但太陽系的疆界可能還要遙遠(yuǎn)的多。

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

　　小行星是太陽系里較小的天體，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(zhì)量較小的天體。絕大多數(shù)彗星沿著非扁的橢圓軌道繞日運(yùn)行。它*近太陽時(shí)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(nèi)更小的天體，流星體是固態(tài)的，也繞著太陽轉(zhuǎn)送，但軌道千差萬別。它們進(jìn)入地球大氣層時(shí)，由于速度很高，同地球大氣的分子碰撞而發(fā)熱、發(fā)光，形成明亮的光跡，劃過太空，稱為流星現(xiàn)象。絕大部分流星體在落到地面以前時(shí)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(xué)的觀點(diǎn)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(dǎo)致熱核聚變，每秒鐘釋放的能量可供地球上按現(xiàn)在的消費(fèi)水平使用上1000萬年。這種能量中的主要部分，輾轉(zhuǎn)經(jīng)歷千萬年的時(shí)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(jīng)常出現(xiàn)的以黑子和磁場為標(biāo)志的太陽活動(dòng)，是宇宙電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的一個(gè)重要事例。這種活動(dòng)趨于劇烈時(shí)便發(fā)生耀斑現(xiàn)象，表現(xiàn)為各種波長的電磁輻射的突增和“高”能量質(zhì)點(diǎn)的拋射。這是天文世界中極為重要、極其復(fù)雜的能量聚集、存儲、引發(fā)和釋放過程的一個(gè)特寫，盡管這在恒星世界中還屬于很小規(guī)模的活動(dòng)。

　　隨著二十世紀(jì)天體物理學(xué)的進(jìn)展，我們已經(jīng)能夠大概描繪出太陽以及絕大部分恒星的發(fā)生和發(fā)展的歷程。

　　恒星世界

　　銀河系中估計(jì)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，比較稀疏地分布在約十萬光年的空間范圍內(nèi)。他們的化學(xué)組成大同小異，從以求出的恒星質(zhì)量來看，它們的質(zhì)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(zhì)量的恒星能夠在自己的各自演化階段中呈現(xiàn)出不同的顏色和光度，以每秒鐘發(fā)出的能量來看，可能相差很大。例如一些超巨星，光度可達(dá)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(dāng)然還有許多我們沒有能夠觀測到的那些并不發(fā)光或正在熄滅的星體。

　　許多恒星的光都會發(fā)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(shí)到幾百上千天不等。另一些恒星的光度變化是突發(fā)性的，其中最劇烈的是新星和超新星爆發(fā)。它們是處在演化過程中的某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，內(nèi)部嚴(yán)重失去平衡，導(dǎo)致星體的劇烈爆炸。規(guī)模小的可以引起光度突增幾萬至幾百萬倍，成為新星；規(guī)模的大的則幾乎把星體全部質(zhì)量都拋射出去，這時(shí)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(fā)發(fā)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(fā)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(gè)階段上卻不同，如超巨星的直徑可達(dá)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(zhì)高度壓縮，內(nèi)部密度分別可達(dá)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(zhì)千差萬別，但是它們的演化幾乎都可以用核聚變?yōu)橹鞯睦碚搧斫忉尅Ｉ厦嫠�說的形形色色的恒星，都可以被認(rèn)定是具有某種起始質(zhì)量的星體演化到某一特定階段的表現(xiàn)。恒星演化理論的建立，無疑是二十世紀(jì)天文學(xué)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(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　恒星在空間中常常不是孤獨(dú)的。估計(jì)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(gè)聚在一起的，形成星團(tuán)。所有恒星都沉浸在星際物質(zhì)的海洋中。星際物質(zhì)包括星際氣體和塵埃，平均密度約為每立方厘米一個(gè)院子。星際物質(zhì)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(zhuǎn)化的實(shí)體。星云是構(gòu)成恒星的原料，而恒星向空間拋射的物質(zhì)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(yuǎn)鏡里看去，銀河帶實(shí)際上是由千千萬萬顆星星組成的。這個(gè)龐大的恒星集團(tuán)取名為銀河系。在銀河系里，大部分恒星集中在一個(gè)扁球狀的空間范圍內(nèi)，側(cè)面看上去象一個(gè)鐵餅。人們?nèi)庋劭吹降你y河正是這個(gè)“鐵餅”的一部分投影。在銀河系里，恒星的總數(shù)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(guī)模相當(dāng)?shù)凝嫶筇祗w系統(tǒng)，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(tuán)，有雙重星系、多重星系以至星系團(tuán)。用目前最大的望遠(yuǎn)鏡可以觀測到數(shù)以十億計(jì)的星系，其中離我們最遠(yuǎn)的估計(jì)達(dá)150億光年。

　　河外星系按它們的形態(tài)可以分為橢圓星系、漩渦星系和不規(guī)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(xué)研究的范圍擴(kuò)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(tài)有了實(shí)測的基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)支柱。

天文學(xué)的歷史

　　早在16世紀(jì)以前，中國的天象觀測已經(jīng)達(dá)到非常精確的程度。中國古代天文學(xué)家設(shè)計(jì)制造出很多精巧的觀測儀器，通過恒星觀測，議定歲時(shí)，上百次地改進(jìn)歷法。我國是世界上古代天項(xiàng)紀(jì)錄最多也最系統(tǒng)的國家，從殷商時(shí)代的甲骨文鐘就可以找到當(dāng)時(shí)的天象紀(jì)錄，我國歷史上關(guān)于新星和超新星的記錄約有80條，占全世界這類紀(jì)錄的90%。在西方，古代天文學(xué)家傾注很大力量，研究行星在星空背景中的運(yùn)動(dòng)。他們年復(fù)一年、精益求精地測量行星的位置和分析行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，終于導(dǎo)致了中世紀(jì)哥白尼日心學(xué)說的創(chuàng)立。這給當(dāng)時(shí)的宗教勢力以有力的打擊，是歷史上自然科學(xué)的一次輝煌勝利。

　　日心說的發(fā)展到十七世紀(jì)達(dá)到頂峰，牛頓把力學(xué)概念應(yīng)用于行星運(yùn)動(dòng)的研究上，發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證了萬有引力定律和力學(xué)定律，并創(chuàng)立了天文學(xué)的一個(gè)新的分支——天體力學(xué)。天體力學(xué)的誕生，使天文學(xué)從單純的描述天體的幾何關(guān)系，進(jìn)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(xué)的發(fā)展給應(yīng)用數(shù)學(xué)以有力的推動(dòng)。從微積分到現(xiàn)在的數(shù)學(xué)物理方法，已成為現(xiàn)代科學(xué)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(xiàn)象，卻不足以闡明天體的本質(zhì)。十九世紀(jì)中葉以來，物理學(xué)的重大發(fā)展把天文學(xué)推進(jìn)到一個(gè)新的階段。以測量天體亮度和分析天體光譜為起點(diǎn)的天體物理學(xué)稱為天文學(xué)的一個(gè)新的生長點(diǎn)。

　　十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初，量子理論、相對論、原子核物理和高能物理的創(chuàng)立，給了天文學(xué)以新的理論工具。研究天體的化學(xué)組成、物理性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和演化規(guī)律，是人類對天體的認(rèn)識深入到問題的本質(zhì)。天體物理學(xué)使天文學(xué)家們可以有根有據(jù)地談?wù)撎祗w的演化。天體物理學(xué)的誕生標(biāo)志著現(xiàn)代天文學(xué)的起點(diǎn)。天文觀測也在這時(shí)進(jìn)入到一個(gè)新的階段。

　　回顧十七世紀(jì)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(jì)，伽利略首創(chuàng)的天文望遠(yuǎn)鏡，使人類的眼界突然大大開闊。隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡的口徑越來越大，人類的視野從我們周圍的太陽系，擴(kuò)大到銀河系，又?jǐn)U大到河外星系。

　　目前，各種望遠(yuǎn)鏡的視野里，有種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)容豐富的遙遠(yuǎn)而暗弱的天文對象呈現(xiàn)出來。二十世紀(jì)初以來，直徑2米到6米的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，尤其是近三四十年來射電天文學(xué)和空間天文學(xué)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(xué)的領(lǐng)域擴(kuò)展到整個(gè)電磁波段。十分明顯，我們的時(shí)代正在經(jīng)歷著天文學(xué)的一次新的巨大飛躍。

　　觀測手段的飛躍使天體物理學(xué)進(jìn)入空前活躍的階段。如果說天體物理學(xué)在它誕生之初就對物理學(xué)做出某些貢獻(xiàn)，那么最近天文學(xué)上接連發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，可以說給物理學(xué)以一連串的沖擊。像紅外源、分子源、天體微波激射源的發(fā)現(xiàn)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(dòng)了恒星演化的研究；星際分子的發(fā)現(xiàn)，吸引了生物學(xué)界和化學(xué)界的注意；類星體、射電星系和星系核活動(dòng)等高能現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，對以至的物理學(xué)規(guī)律提出了尖銳的挑戰(zhàn)；結(jié)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(xué)的觀測研究也已提到日程上來。

　　自從人造衛(wèi)星上天以來，日地空間物理學(xué)已經(jīng)取得了大量的新結(jié)果；宇宙飛船遠(yuǎn)訪行星，以及在月球、火星、金星上的著陸考察，使太陽系的構(gòu)成和演化的研究展現(xiàn)出嶄新的局面。

　　人們看到廣闊無邊的宇宙空間有著地面實(shí)驗(yàn)室難以模擬的物理?xiàng)l件：高真空度，中子星內(nèi)部每立方厘米10億噸的高密度、脈沖星表面高達(dá)一萬億高斯的磁場、恒星內(nèi)部和恒星爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的超過100億度的高溫、一些星系和星系核拋射物質(zhì)所具有的極高速度……。

　　這些可能正孕育著人類認(rèn)識自然的一次新的突破。光學(xué)、射電和空間觀測手段的發(fā)展，將反過來促進(jìn)觀測技術(shù)的迅速發(fā)展，從而再導(dǎo)致更多的新發(fā)現(xiàn)。在這樣的背景下，當(dāng)前的天文學(xué)領(lǐng)域?qū)⑷找婕�中天文學(xué)、力學(xué)、高能物理學(xué)、等離子體物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)的重大課題，成為富有生命力的多學(xué)科交*點(diǎn)。

天文學(xué)的學(xué)科分支

　　在天文學(xué)的悠久歷史中，隨著研究方法的發(fā)展，先后創(chuàng)立了天體測量學(xué)、天體力學(xué)和天體物理學(xué)。它們是按研究方法分類的學(xué)科。

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

　　按照傳統(tǒng)的觀念，學(xué)科分支應(yīng)該是根據(jù)研究對象來區(qū)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(gè)特殊的恒星，把銀河系作為一個(gè)特殊的星系，以突出它們的地位。當(dāng)然，這些不同的天文學(xué)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(xué)來說，按研究對象的學(xué)科分類，輔以研究方法和觀測手段的分類，應(yīng)該是一種可行的辦法。

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