天體物理學(xué)

天體物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)的技術(shù)、方法和理論，研究天體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理狀態(tài)和演化規(guī)律的天文學(xué)分支學(xué)科。

　　從公元前129年古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯目測(cè)恒星光度起，中間經(jīng)過1609年伽利略使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體，繪制月面圖，1655～1656年惠更斯發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)和獵戶座星云，后來還有哈雷發(fā)現(xiàn)恒星自行，到十八世紀(jì)老赫歇耳開創(chuàng)恒星天文學(xué)，這是天體物理學(xué)的孕育時(shí)期。

　　十九世紀(jì)中葉，三種物理方法——分光學(xué)、光度學(xué)和照相術(shù)廣泛應(yīng)用于天體的觀測(cè)研究以后，對(duì)天體的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理狀態(tài)的研究形成了完整的科學(xué)體系，天體物理學(xué)開始成為天文學(xué)的一個(gè)獨(dú)立的分支學(xué)科。

　　天體物理學(xué)的發(fā)展，促使天文觀測(cè)和研究不斷出現(xiàn)新成果和新發(fā)現(xiàn)。1859年，基爾霍夫?qū)μ��?yáng)光譜的吸收線(即夫瑯和費(fèi)譜線)作出科學(xué)解釋。他認(rèn)為吸收線是光球所發(fā)出的連續(xù)光譜被太陽(yáng)大氣吸收而成的，這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了天文學(xué)家用分光鏡研究恒星；1864年，哈根斯用高色散度的攝譜儀觀測(cè)恒星，證認(rèn)出某些元素的譜線，以后根據(jù)多普勒效應(yīng)又測(cè)定了一些恒星的視向速度；1885年，皮克林首先使用物端棱鏡拍攝光譜，進(jìn)行光譜分類。通過對(duì)行星狀星云和彌漫星云的研究，在仙女座星云中發(fā)現(xiàn)新星。這些發(fā)現(xiàn)使天體物理學(xué)不斷向廣度和深度發(fā)展。

　　1905年，赫茨普龍?jiān)谟^測(cè)基礎(chǔ)上將部分恒星分為巨星和矮星；1913年，羅素按絕對(duì)星等與光譜型繪制恒星分布圖，即赫羅圖；1916年，亞當(dāng)斯和科爾許特發(fā)現(xiàn)相同光譜型的巨星光譜和矮星光譜存在細(xì)微差別，并確立用光譜求距離的分光視差法。

　　在天體物理理論方面，1920年，薩哈提出恒星大氣電離理論，通過埃姆登、史瓦西、愛丁頓等人的研究，關(guān)于恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論逐漸成熟；1938年，貝特提出了氫聚變?yōu)榘钡臒岷朔磻?yīng)理論，成功地解決了主序星的產(chǎn)能機(jī)制問題。

　　1929年，哈勃在研究河外星系光譜時(shí)，提出了哈勃定律，這極大地推動(dòng)了星系天文學(xué)的發(fā)展；1931～1932年，央斯基發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心方向的宇宙無線電波；四十年代，英國(guó)軍用雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的無線電輻射，從此射電天文蓬勃發(fā)展起來；六十年代用射電天文手段又發(fā)現(xiàn)了類星體、脈沖星、星際分子、微波背景輻射。

　　1946年美國(guó)開始用火箭在離地面30～100公里高度處拍攝紫外光譜。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射人造地球衛(wèi)星，為大氣外層空間觀測(cè)創(chuàng)造了條件。以后，美國(guó)、西歐、日本也相繼發(fā)射用于觀測(cè)天體的人造衛(wèi)星�，F(xiàn)在世界各國(guó)已發(fā)射數(shù)量可觀的宇宙飛行器，其中裝有各種類型的探測(cè)器，用以探測(cè)天體的紫外線、x射線、γ射線等波段的輻射。從此天文學(xué)進(jìn)入全波段觀測(cè)時(shí)代。

　　天體物理學(xué)分為：太陽(yáng)物理學(xué)、太陽(yáng)系物理學(xué)、恒星物理學(xué)、恒星天文學(xué)、星系天文學(xué)、宇宙學(xué)、宇宙化學(xué)、天體演化學(xué)等分支學(xué)科。另外，射電天文學(xué)、空間天文學(xué)、高能天體物理學(xué)也是它的分支。

　　太陽(yáng)是離地球最近的一顆普通恒星。對(duì)太陽(yáng)的研究，經(jīng)歷了從研究它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量來源、化學(xué)組成和靜態(tài)表面結(jié)構(gòu)，到使用多波段電磁輻射研究它的活動(dòng)現(xiàn)象的過程。太陽(yáng)風(fēng)的影響能夠?yàn)槲覀冎苯痈惺堋Ｈ盏仃P(guān)系密切，所以研究有關(guān)地球的科學(xué)，必須考慮太陽(yáng)的因素。

　　對(duì)行星的研究是天體物理學(xué)的一個(gè)重要方面。近二十年來，對(duì)彗星的研究以及對(duì)行星際物質(zhì)的分布、密度、溫度、磁場(chǎng)和化學(xué)組成等方面的研究，都取得了重要成果。隨著空間探測(cè)的進(jìn)展，太陽(yáng)系的研究又成為最活躍的領(lǐng)域之一。

　　銀河系有一、二千億顆恒星，其物理狀態(tài)千差萬別。球狀體、紅外星、天體微波激射源、赫比格一阿羅天體，可能都是從星際云到恒星之間的過渡天體。

　　特殊恒星更是多種多樣：造父變星的光變周期為1～50天，光變幅為0.1～2個(gè)星等；長(zhǎng)周期變星的光變周期為90～1000天，光變幅為2.5～9個(gè)星等；天琴座RR型變星的光變周期為0.05～1.5天，光變幅不超過1～2個(gè)星等；金牛座 T型變星光變不規(guī)則，沒有固定的周期；新星爆發(fā)時(shí)拋出大量物質(zhì)，光度急驟增加幾萬到幾百萬倍；有的紅巨星的半徑比太陽(yáng)半徑大1000倍以上；白矮星的密度為每立方厘米一百公斤到十噸，中子星密度更高達(dá)每立方厘米一億噸到一千億噸。

　　各種各樣的恒星，為研究恒星的形成和演化規(guī)律提供了樣品。另外，天體上特殊的物理?xiàng)l件，在地球上往往并不具備，利用天體現(xiàn)象探索物理規(guī)律，是天體物理學(xué)的重要職能。

　　通過多年研究，人們對(duì)銀河系的整體圖像以及太陽(yáng)在銀河系中的地位，有了比較正確的認(rèn)識(shí)。銀河系的直徑為十萬光年，厚兩萬光年。通過對(duì)銀河系恒星集團(tuán)的研究，建立和證實(shí)了星族和銀河系次系等概念。對(duì)銀河系自轉(zhuǎn)、旋臂結(jié)構(gòu)、銀核和銀暈也進(jìn)行了大量研究。

　　河外星系與銀河系屬于同一天體層次。星系按形態(tài)大致分為五類：旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系、橢圓星系、不規(guī)則星系。按星系的質(zhì)量大小，又可分為矮星系、巨星系、超巨星系，它們的質(zhì)量依次約為太陽(yáng)的一百萬到十億倍、幾百億倍和萬億倍以上。同銀河系一樣，星系也由恒星和氣體組成三、五個(gè)、十來個(gè)、幾十個(gè)以至成百上千個(gè)星系組成星系集團(tuán)，稱星系群、星系團(tuán)。

　　通過各種觀測(cè)手段，人們的視野擴(kuò)展到150億光年的宇宙“深處“。這就是“觀測(cè)到的宇宙”，或稱為“我們的宇宙”，也就是總星系。

　　研究表明，宇宙物質(zhì)由化學(xué)元素周期表中近百種化學(xué)元素和289種同位素組成。在不同宇宙物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了地球上不存在的礦物和分子。

　　二百多年來，關(guān)于太陽(yáng)系的起源和演化問題已提出四十多種學(xué)說，但至今還沒有一個(gè)學(xué)說被認(rèn)為是完善的而被普遍接受。近三十年來這方面有了很大進(jìn)展，目前大多數(shù)天文學(xué)家贊成的恒星演化學(xué)說是所謂的“彌漫說”，但也有少數(shù)人認(rèn)為恒星是由超密物質(zhì)轉(zhuǎn)化而成的。

　　用物理學(xué)的技術(shù)和方法分析來自天體的電磁輻射，可得到天體的各種物理參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)運(yùn)用物理理論來闡明發(fā)生在天體上的物理過程，及其演變是實(shí)測(cè)天體物理學(xué)和理論天體物理學(xué)的任務(wù)。

　　除了宇宙線的粒子探測(cè)、隕石的實(shí)驗(yàn)室分析、宇宙飛行器對(duì)太陽(yáng)系天體的實(shí)地采樣和分析，以及尚在努力探索中的引力波觀測(cè)之外，目前關(guān)于天體的信息都來自電磁輻射。天體物理儀器的作用是對(duì)電磁輻射進(jìn)行收集定位、變換和分析處理。電磁輻射的收集和定位是由望遠(yuǎn)鏡(包括射電望遠(yuǎn)鏡)來實(shí)現(xiàn)的。

　　從輻射的連續(xù)譜可以判斷輻射的機(jī)制，還可以得知天體的表面溫度；從早型星的巴耳末系限上的跳變，可以得知天體的表面壓力；由UBV測(cè)光系統(tǒng)也可粗略地確定恒星的光度和溫度值。從線譜可以獲得更多的信息：視向速度、電子溫度、電子密度、化學(xué)組成、激發(fā)溫度端流速度。對(duì)雙星的觀測(cè)研究，可以得到天體的半徑、質(zhì)量和光度等重要數(shù)據(jù)。研究脈動(dòng)變星的光變周期與光度之間的關(guān)系，可以確定天體的距離。

　　輻射轉(zhuǎn)移理論是解釋已知天象的有力工具，而且還可以預(yù)言尚未觀測(cè)到的天體和天象。以輻射轉(zhuǎn)移理論為基礎(chǔ)建立的恒星大氣理論，以熱核聚變概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來的元素合成理論、恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論和天體演化理論，乃是理論天體物理學(xué)的基礎(chǔ)。

　　理論物理學(xué)中的輻射、原子核、引力、等離子體、固體和基本粒子等理論，為研究類星體、宇宙線、黑洞脈沖星、星際塵埃、超新星爆發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

　　人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)不斷擴(kuò)大，不僅使人們愈來愈深入地了解宇宙的結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律，同時(shí)也促使物理學(xué)在揭示微觀世界的奧秘方面取得進(jìn)展。氮元素就是首先在太陽(yáng)上發(fā)現(xiàn)的，過了二十五年后才在地球上找到。熱核聚變概念是在研究恒星能源時(shí)提出的。由于地面條件的限制，某些物理規(guī)律的驗(yàn)證只有通過宇宙這個(gè)“實(shí)驗(yàn)室”才能進(jìn)行。六十年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)——類星體、脈沖星、星際分子、微波背景輻射，促進(jìn)了高能天體物理學(xué)、宇宙化學(xué)、天體生物學(xué)和天體演化學(xué)的發(fā)展，也向物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)提出了新的課題。