天文學

觀察和研究宇宙間天體的學科
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天文學(英語:astronomy[註 1])是一門研究天體天文現象自然科學。它使用數學物理化學來解釋它們的起源和演化。感興趣的天體包括行星衛星恒星星雲星系彗星。相關現象包括超新星爆炸、伽馬射線暴類星體耀變體脈衝星宇宙微波背景輻射。 更通俗地說,天文學研究起源於地球大氣層之外的一切事物。宇宙學是天文學的一個分支,從整體上研究宇宙[1]

可觀察宇宙的對數表示。 著名的天文物體用中文標記
哈伯太空望遠鏡拍攝的一個巨大超新星殘骸:馬賽克組成的蟹狀星雲

天文學是最古老的自然科學之一。歷史記載中的早期文明對夜空進行了系統的觀測。其中包括巴比倫天文學希臘天文學印度天文學英语Indian astronomy埃及天文學英语Egyptian astronomy中國天文學瑪雅文明和許多古代美洲原住民的天文學。在過去,天文學包括多種學科,如天體量測天文航海觀測天文學和製作曆法。如今,專業天文學通常被與天體物理學畫上等號[2]

專業天文學分為觀測理論兩個分支。觀測天文學的重點是從對天體的觀測中獲取數據,然後利用物理學的基本原理對這些數據進行分析。理論天文學的面向是發展電腦或分析模型來描述天體和現象。這兩個領域相輔相成。理論天文學尋求解釋觀測結果,而觀測結果被用來證實理論結果。[原創研究?]

天文學是少數幾個業餘愛好者發揮活躍角色作用的科學之一。這對於瞬變事件的發現和觀測尤其如此。業餘天文學家幫助了許多重要發現,例如發現新的彗星。[來源請求]

語源编辑

 
1873年的澳大利亞新南威爾士天文台
 
19世紀時位於厄瓜多基多基多天文台,位置在赤道以南12角分處[3]

漢語中「天文」一詞最早出現於《易傳》。《易經·賁卦·彖辭》:「剛柔交錯,天文也;文明以止,人文也。觀乎天文,以察時變;觀乎人文,以化成天下。」「文」是指一切現象或形相,「天文」就是指自然現象。[4][5]

"天文學"和"天體物理學"術語的使用编辑

"天文學"和"天體物理學"是同義詞[6][7][8]。根據嚴格的詞典定義,"天文學"是指"對地球大氣層外的物體和物質及其物理和化學性質的研究"[9],而"天體物理學"指的是天文學中處理"天體和現象的行為、物理性質和動力學過程"的分支[10]。在某些情况下,正如徐遐生在介紹性質的:教科書《物理宇宙》時所:天文學可用於描述該學科的定性研究,而天體物理學則用於描述該學科的物理導向版本[11]。然而,由於大多數現代天文學研究涉及與物理學有關的學科,因此現代天文學實際上可以稱為天體物理學[6]。在有些領域,例如天體測量學,是純粹的天文學,而不是天體物理學。科學家對這一課題進行研究的各個部門可能會使用"天文學"和"天體物理學",部分取決於該部門在歷史上是否隸屬於物理部門[7],許多專業的天文學家擁有物理學學位而不是天文學學位[8]。該領域主要科學期刊的一些標題,包括"天文期刊"、"天文物理期刊"和"天文與天體物理學報"。

歷史编辑

 
17世紀的荷蘭製圖師弗雷德里克·德·威特英语Frederik de Wit繪製的星圖

古代编辑

在早期的歷史時期,天文學只包括觀察和預測肉眼可見物體的運動。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。除了儀式上的用途外,這些天文台還可用來確定季節,這是知道何時種植作物和瞭解一年長度的重要因素[12]

在望遠鏡等工具發明之前,早期對恒星的研究是用肉眼進行的。隨著文明的發展,最顯著的是美索不達米亞希臘波斯天文學英语Persian astronomy印度天文學英语Indian astronomy中國天文學埃及天文學英语Egyptian astronomy中美洲,天文觀測站被建立起來,關於宇宙性質的想法開始發展。大多數早期天文學包括繪製恒星和行星的位置圖,這門科學現在被稱為天體測量學。經由這些觀測,形成了關於行星運動的早期想法,並從哲學上探討了太陽、月亮和地球在宇宙中的性質。當時,地球被認為是宇宙的中心,太陽、月亮和恒星圍繞地球旋轉。這被稱為宇宙的地心模型,或以托勒密為名的托勒密體系[13]

 
,西元前6世紀倫敦(肖恩)收藏西元前6世紀的耆那教天文學文本,蘇里亞普拉伊納普蒂斯特拉(Suryaprajnaptisūtra )。上圖:约1500年的手稿[14]

早期,一個特別重要的發展是數學和科學天文學的開始,它始於巴比倫人,為後來在許多其它文明中發展起來的天文傳統奠定了基礎[15]巴比倫人發現月食在一個稱為沙羅的重複週期中反覆重現[16]

 
希臘的赤道日晷。在西元前2-3世紀的奧克斯的亞歷山大英语Ai-Khanoum,是今天的阿富汗

繼巴比倫人之後,古希臘希臘化世界在天文學方面取得了重大進展。希臘天文學的特點是從一開始就尋求對天體現象的理性和物理解釋[17]。西元前3世紀,阿里斯塔克斯估計了月亮和太陽的大小和距離英语On the Sizes and Distances (Aristarchus),他提出了地球和行星圍繞太陽旋轉的太陽系模型,現在稱為日心說模型[18]。在西元前2世紀,喜帕恰斯發現了歲差,計算了月球的大小和距離,並發明了已知最早的天文設備,如星盤[19]。喜帕恰斯還創建了一個包含1,020顆恒星的綜合目錄,北半球的大部分星座都來自希臘天文學[20]安提基特拉機械(約西元前150-80年)是早期的類比計算機,設計用於計算給定日期的太陽月亮行星的位置。複雜性類似的科技人工製品直到14世紀才重新出現,當時在歐洲出現了機械的天文鐘[21]

中世紀编辑

中世紀期間(直到13世紀),歐洲天文學停滯不前,但依然有許多重要的天文學家。沃林福德的理查英语Richard of Wallingford(1292-1336)對天文學和測時法英语Horology做出了重大貢獻,包括發明了第一個天文鐘,能夠量測行星和其他天體之間角度的矩仪英语Rectangulus,以及可用於天文學計算,如月球太陽行星經度,並可預測日食,被稱為阿爾比安(Albion)的行星定位儀尼克爾·奧里斯姆(1320-1382)和讓·布里丹(1300-1361)首先討論了地球自轉的證據,此外,布里丹還發展了動力理論[註 2],該理論能够證明行星能够在沒有天使干預的情况下運動[22]喬治·範·派爾巴赫英语Georg von Peuerbach(1423-1461)和約翰·繆勒(1436-1476)幫助了天文學的進步,有助於哥白尼在幾十年後發展日心模型。

與此同時,天文學在伊斯蘭世界以及世界其他地區蓬勃發展。這導致9世紀初穆斯林世界出現了第一個觀測站[23][24][25]。964年,波斯穆斯林天文學家阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲在他的"恒星之書"中描述了仙女座星系,這是本星系群中最大的星系[26]。由埃及阿拉伯天文學家Ali ibn Ridwan英语Ali ibn Ridwan中國天文學家於1006年觀測到的超新星SN 1006,是有記錄以來視星等最明亮的恒星事件。一些對科學做出重大貢獻的著名伊斯蘭[註 3]天文學家包括巴塔尼塔比·伊本·庫拉阿卜杜勒-拉赫曼·蘇菲比魯尼AbūIshāq Ibrāh h Al-Zarqīl英语AbūIshāq Ibrāh h Al-ZarqīlAl-Birjandi英语Al-Birjandi、以及馬拉蓋天文台撒馬爾罕天文台英语Ulugh Beg Observatory。在那段時間裡,西方天文學家引入了許多阿拉伯的恆星名稱英语List of Arabic star names[27][28]

人們還認為大辛巴威廷布克圖的廢墟[29]可能也設有天文台[30]。在後古代史西非,天文學家研究了恒星的運動及其與季節的關係,根據複雜的數學計算,繪製了星圖以及其他行星的精確軌道圖。 桑海的歷史學家馬哈茂德·卡蒂英语Mahmud Kati在1583年8月記錄了一場流星雨[31][32]。歐洲人此前認為,在殖民統治前的中世紀,撒哈拉以南非洲沒有天文觀測,但現代發現情况並非如此[33][34][35][36]

六個多世紀以來[註 4],羅馬天主教會為天文學研究提供的財政和社會支持可能比所有其他機構都多。 教會的動機之一是定出每年复活节的日期[37]

科學革命编辑

 
伽利略月球的素描。他發現月球表面佈滿了凹凸的山
 
歐洲早期天圖,約1000年

文藝復興期間,尼古拉·哥白尼提出太陽系日心說伽利略·伽利萊約翰內斯·開普勒再在哥白尼的基礎上進一步完善日心說。伽利略首次利用望遠鏡觀察天體,發現月球表面佈滿了凹凸的山,而不是光滑一片。1610年,伽利略發現木星的四顆衛星,這是對地心說的重大打擊。[38]

約翰內斯·開普勒是最早用科學定律正確解釋日心說的科學家,但他無法解釋這些定律背後的科學原理。[39]之後,伊薩克·牛頓發明天體力學萬有引力定律,才從根本上解釋了行星的運行。反射望遠鏡也是由牛頓所發明。[38]

英國天文學家約翰·佛蘭斯蒂德彙編的星表收錄了超過3千顆恆星。[40]隨著望遠鏡大小和質量的提高,天文學家陸續發現更多的星體和天文現象。法國天文學家尼可拉·路易·拉卡伊的星表收錄了將近1萬顆南天恆星。威廉·赫歇爾彙編了星雲、星團星表,並於1781年發現第七顆行星天王星。這是自遠古時期以來第一顆被發現的新行星。[41]1838年,弗里德里希·威廉·貝塞爾利用視差原理測量天津增廿九的距離,是為首次成功測得恆星的距離。[42]

18至19世紀,李安納·歐拉亞歷克西斯·克勞德·克萊羅讓·勒朗·達朗貝爾研究三體問題,對月球和行星的運行作出了更準確的預測。約瑟夫·拉格朗日皮耶爾-西蒙·拉普拉斯在此基礎上,從衛星和行星的軌道擾動推算出它們的質量。[43]

光譜儀天文攝影等新技術出現之後,天文學有了飛快的發展。1814至15年,約瑟夫·夫琅和費在太陽的光譜當中觀察到大約600條譜線。古斯塔夫·基爾霍夫在1859年解釋,這些譜線是由不同化學元素產生的。人們發現,恆星其實類似於太陽,只不過有著不同的溫度、質量和大小。[27]

到了20世紀,科學家才認識到地球所身處的銀河系是一個獨立的星系,並且在銀河系外還存在別的星系。這些星系都在遠離銀河系,科學家以此發現宇宙正在膨脹。[44]奇異的星體現象陸續被發現,如類星體脈衝星耀變體電波星系等。理論天文學家則提出黑洞中子星等天體來解釋這些觀測現象。物理宇宙學也在20世紀蓬勃發展,其中的大爆炸理論,已得到宇宙微波背景輻射哈勃定律以及宇宙化學元素豐度的充分支持。太空望遠鏡的發射意味著,科學家能夠通過電磁波譜中一般被大氣層所遮掩的部分來觀察宇宙。2016年,雷射干涉引力波天文台(LIGO)宣佈首次直接探測到源自黑洞碰撞的引力波訊號,展開了以引力波作天文觀測的時代。

觀測天文學编辑

,乃至電磁輻射,是人類對天象的主要觀測途徑。[45]觀測天文學的不同領域可依電磁波譜的區域所分,其中有的波長可從地球表面觀測,稱之大氣窗口,有的則須要在高海拔甚至在地球大氣層以外才能有效觀測。

射電天文學编辑

射電天文學利用波長超過1毫米左右的電磁輻射進行觀測。[46]和其他類型的觀測天文學領域不同的是,射電天文學所觀測的無線電波可以視為,而不是單獨的光子,所以相對較短波長的輻射更容易測定波幅相位[46]

儘管天體自身的熱輻射也會發出無線電波,但是絕大部分的無線電波都是同步輻射所致,也就是電子磁場中運動時發出的輻射。[46]此外,還有星際氣體所產生的某些譜線,也處於無線電波的波長範圍內,特別是的21cm譜線。[11][46]

可通過無線電波觀測的天體包括超新星、星際氣體、脈衝星活動星系核等。[11][46]

紅外天文學编辑

 
智利的阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列(ALMA)是地球上海拔最高的天文台之一[47]

紅外天文學通過紅外輻射進行天文觀測,此類輻射的波長比紅光更長,位於人類肉眼的觀測範圍以外。紅外天文學能最有效觀測溫度較低、無法發出可見光的天體,例如行星星周盤及光線被塵埃遮蔽的星雲等。紅外輻射的波長較可見光長,所以可以穿透可見光所無法穿透的塵埃雲,有助於研究分子雲深處的年輕恆星和星系核。例如,廣域紅外線巡天探測衛星(WISE)已成功觀測到多個銀河系內的原恆星和這些恆星所在的星團[48][49]除了十分接近可見光的紅外光以外,大部分紅外輻射都會被地球大氣層吸收;大氣本身也會產生較強的紅外輻射,進一步影響觀測。因此,紅外天文台都必須在海拔高、濕度低的地點建造,甚至是作為衛星發射到太空。[50]某些分子在紅外輻射範圍有較強的譜線,這有助於研究天體的化學成分,如彗星所含的[51]

可見光天文學编辑

 
毛納基火山上的昴星團望遠鏡(左)和凱克天文台(中)在近紅外和可見光範圍觀測。美國太空總署望遠鏡英语NASA Infrared Telescope Facility(右)只在近紅外範圍觀測

自遠古起,人類便利用肉眼作可見光天文觀測。最早的觀測都是以圖畫記錄下來。19世紀末,人們開始對天象進行攝影。現代天文攝影技術一般使用數碼探測器,特別是感光耦合元件(CCD)。雖然可見光的波長範圍大約在4000Å至7000Å(即400nm至700nm)之間,[52]但可見光攝影設備也可以用來觀測一部分的近紫外線近紅外線

紫外線天文學编辑

紫外線天文學利用波長在100至3200Å(10至320nm)間的紫外輻射進行觀測。此類輻射會被地球大氣層吸收,所以觀測只能在大氣上層或太空中進行。紫外線天文學最適合研究發射紫外線的高溫藍色恆星(OB星),包括銀河系以外的藍色恆星,以及行星狀星雲超新星遺跡等等。不過,紫外線會被星際塵埃吸收,所以取得的數據必須再利用其它方法加以校準。[46]

X射線天文學编辑

X射線天文學在X射線範圍觀測天體。宇宙中的X射線來自於同步輻射[註 5]、溫度高於1千萬開爾文的稀薄氣體發出的熱輻射(見軔致輻射)以及溫度高於1千萬開爾文的稠密氣體發出的熱輻射(見黑體輻射)。發出X射線的天體有:X射線聯星脈衝星超新星遺跡橢圓星系星系群活動星系核等。由於X射線會被地球大氣層吸收,所以X射線觀測必須用高空氣球火箭X射線天文衛星進行。[46]

伽馬射線天文學编辑

伽馬射線天文學所觀測的是電磁波譜中波長最短的輻射。伽馬射線可通過康普頓伽瑪射線天文台等衛星或大氣切倫科夫望遠鏡英语IACT來觀測。[46]切倫科夫望遠鏡不直接探測伽馬射線,而是觀測大氣吸收伽馬射線時所產生的可見光閃光。[53]

伽馬射線暴是突然發出伽馬射線的天體,持續時間從幾毫秒到幾千秒不等,大部分伽馬射線源都屬於此類。只有一成的伽馬射線源為持續性射源,這包括脈衝星、中子星及活動星系核等可能為黑洞的天體。[46]

不以電磁輻射觀測的領域编辑

除了電磁輻射以外,還能通過一些別的方法研究天象。

中微子天文學利用屏蔽效果極佳的地下中微子探測器測量中微子的流量。這類設施包括俄美鎵實驗英语SAGE (ruSsian American Gallium Experiment)(SAGE)、GALLEX超級神岡探測器等。絕大數穿過地球的中微子都來自太陽,但也曾經有探測到24顆來自SN 1987A超新星爆發的中微子。[46]宇宙射線由極高能量粒子(原子核)組成,在進入地球大氣層時會衰變或被吸收,過程中會產生一系列的衍生粒子。現今的天文台可通過探測此類粒子來研究宇宙射線。[54]未來的中微子探測器能力將會提高,有望探測到宇宙射線衝擊大氣時所發出的粒子。[46]

引力波天文學通過觀測引力波來研究遙遠的大質量天體,是一門新興的天文學領域。雷射干涉引力波天文台(LIGO)是其中一座正在運行的引力波探測器,它在2015年9月14日探測到歷史上首個引力波訊號,訊號源自雙黑洞[55]2017年,LIGO和室女座干涉儀共同探測到首個來自雙中子星GW170817)的引力波訊號。[56]

科學家可結合電磁輻射、中微子和引力波等不同方法研究同一個天體,這種做法稱為多元訊息天文學英语multi-messenger astronomy[57][58]

天體測量學與天體力學编辑

 
NGC 6357星團和星雲

天文學乃至所有科學中最古老的一個領域,是對各天體位置的測量。在歷史上,準確測量日、月、行星、恆星的位置,有天文航海和制訂曆法等作用。

18世紀開始,天文學家以精確測定的行星位置作為基礎,發展出完善的引力攝動理論,可以極精確地推算過去和未來的行星位置。這門學科稱為天體力學。今天,科學家對近地天體進行大規模追蹤,目的是預測這些天體何時會近距離略過地球以及評估與地球相撞的風險。[59]

太陽系周邊恆星的視差宇宙距離尺度的起始點。在用視差測量附近恆星的距離後,可以通過比對,推測遙遠恆星的各種屬性。通過測量恆星的徑向速度自行,天文學家可以繪出銀河系內恆星的運行軌跡,從而算出銀河系暗物質的分佈。[60]

1990年代,天文學家開始利用多普勒光譜學觀察太陽系周邊恆星的擺動。這種方法可以用來發現一些較大的系外行星(詳見系外行星偵測法)。[61]

理論天文學编辑

理論天文學家的研究手段包括數學模型及用電腦做數值模擬,即天體物理學。數學模型一般能揭示天文現象背後更深層次的原理,數值模擬則可以演示現實中難以觀察的現象。[62][63]

具體分支编辑

太陽天文學编辑

 
太陽光球紫外線圖像,美國太空總署太陽過渡區與日冕探測器(TRACE)太空望遠鏡攝
 
斯洛伐克洛姆尼茨基山太陽天文台

太陽離地球約8光分,或稱之天文單位,是距離地球最近,也是天文研究最為關注的恆星。太陽是一顆典型的主序矮星,屬於G2V類,年齡有46億年。[64]雖然太陽不是一顆變星,但太陽粒子數會上下波動,每11年為一太陽週期。太陽粒子是太陽表面上溫度較平均低的區域,一般有強烈的磁場活動。[65]

自進入主序至今,太陽的亮度已增加了40%,期間它的亮度有過週期性波動,對地球上的氣候有著極大的影響。[66]例如,蒙德極小期很可能導致了中世紀期間的小冰期[67]

在結構上,人們一般所能見到的太陽表面稱為光球[68]光球以外是一層薄薄的色球[69]色球以外有一層薄薄的過渡層,溫度劇烈上升,直到最外面的超高溫日冕[70]太陽的中心有著極高的溫度和壓力,足以產生持續的核聚變。包圍著中心的是輻射層,這裡的等離子體以輻射的形式把能量傳遞出來。輻射層以外是對流層,這裡的氣體以對流的形式把能量傳遞到外層。[71]科學家相信,對流層氣體的翻滾運動所產生的磁場活動導致了太陽粒子的形成。[72]

太陽時時刻刻都從表面向外噴射大量的等離子體粒子,就是所謂的太陽風。太陽風會一直達到太陽系的邊緣──太陽層頂。太陽風在經過地球時會與地磁場磁層)相互作用,會因此轉向,但也有一部分會被困在環繞地球的范艾倫輻射帶中。當太陽風粒子沿著磁場線進入地球兩極的大氣層時,就會產生極光[73]

行星科學编辑

行星科學的研究對象,除了有太陽系內的行星衛星矮行星彗星小行星等等,還包括太陽系外行星。科學家最先通過望遠鏡觀察太陽系內的天體,再通過航天器,如今已對太陽系自身的形成和演化有了較好的認識。[74]

 
照片攝於火星。一個塵卷風沿著隕石坑壁向上爬(黑點),留下了一條暗暗的軌跡。塵卷風是火星大氣層現象,類似於地球上的龍捲風

從內向外,太陽系可分為內行星、小行星帶和外行星。內行星包括水星金星地球火星,均為類地行星;外行星包括木星土星天王星海王星,均為氣態巨行星[75]在八大行星以外,還有柯伊伯帶和可能延續1光年的奧爾特雲

太陽系行星是在46億年前的原行星盤中誕生的。經過相互吸引、碰撞和吸積,原行星盤中逐漸積累起大塊物質,這些物質慢慢演變為原行星。太陽風「吹走」大部分的離散物質,只有質量足夠大的行星才得以保留其大氣層。在接著的後期重轟炸期期間,行星繼續受到太陽系剩餘物質的劇烈碰撞。這些碰撞的歷史遺跡在月球上的諸多撞擊坑中就有跡可循。其中一些原行星也互相碰撞,科學家相信,月球就很有可能是在此類碰撞中形成的。[76]

當行星達到一定的質量後,其內部的物質會根據不同的密度而分離,這段過程稱為行星分化。分化的結果是,行星的中心為石質或金屬核,可分為固態和液態核,外層為幔和外殼。有些行星核可以產生磁場,避免大氣層被太陽風剝離。[77]

行星和衛星內部高溫的原因包括:行星形成時碰撞的殘留熱量、放射性物質(鋁-26等等)的衰變以及其他天體所造成的潮汐力。一些行星和衛星的內部熱量足以推動火山作用等地質活動,擁有大氣層的行星和衛星還會經受表面侵蝕。較小的天體如果不受潮汐力的影響,會比大天體更快地降溫。除了受隕石撞擊以外,小天體的地質活動會隨溫度的降低而息止。[78]

恆星天文學编辑

 
螞蟻星雲。星雲中心的垂死恆星向外噴出大量物質,產生的形狀高度對稱,與普通爆炸的混亂形狀有明顯的不同

研究恆星和恆星演化,對人們了解宇宙有著重要的意義。科學家對恆星的了解來自於觀察、理論以及對恆星內部的電腦模擬。[79]恆星會在稱為暗星雲的高密度塵埃和氣體中形成。當星雲的穩定性受到破壞時,塵埃和氣體就會在自身引力下坍塌形成原恆星。當原恆星核心的密度和溫度達到一定程度後,就會啟動核聚變,使恆星形成。[80]

幾乎所有原子量大於化學元素都是在恆星核心中形成的。[79]

恆星的屬性主要取決於它開始時的質量:質量越大,亮度就越高,氫在其核心聚變成氦的過程也發生得越快。隨著時間的推移,氫會完全轉化為氦,此時恆星會進入演化過程中的下一個階段。恆星核需要有更高的溫度才能使氦聚變。核心溫度足夠高的恆星會一邊使外層膨脹,一邊增加核心密度,形成紅巨星。紅巨星會迅速用盡氦燃料,因此壽命不長。質量更大的恆星會逐步以更重的元素進行聚變,再經過一連串的演化階段。[81]

恆星的質量決定了它最終的歸宿:8個太陽質量以上的恆星會坍縮,成為超新星[82]而8個太陽質量以下的恆星則會噴出外層的物質,形成行星狀星雲[83]超新星爆炸後的殘骸是一顆密度極高的中子星;如果恆星質量超過3個太陽質量,則超新星殘骸將會是一個黑洞[84]相互公轉的聯星會有更加複雜的演化過程,例如,白矮星會從其伴星不斷吸取物質,最終可引發超新星爆炸。[85]行星狀星雲和超新星都有助於把恆星內部經聚變產生的「金屬元素」(在天文學中泛指氫、氦以外的一切元素)分散到星際介質當中。全靠這兩者,包括太陽系在內的行星系統才會由氫和氦以外的多種元素所組成。[86]

銀河系天文學编辑

 
銀河系旋臂結構示意圖

太陽系所處的銀河系屬於棒旋星系,是本星系群中的一員。銀河系由氣體、塵埃、恆星等各種天體所組成,這些天體繞銀河系的中心公轉,並通過相互引力束縛在一起。太陽系位於銀河系一個螺旋臂的外端,因此銀河系有很大部分受塵埃的阻擋,觀測不易。

銀河系中心是一個棒形隆起物,稱為核球。科學家相信在核球的最中心處有一個超大質量黑洞。從核球起有四條主螺旋臂向外輻射至外端,此處的恆星形成非常活躍,含較多的第一星族恆星。這些結構都基本位於同一平面上,平面以外還有一個扁球形銀暈,主要含年齡更大的第二星族恆星,亦含數以百計的球狀星團[87]

恆星和恆星之間的空間充斥著低密度的物質,稱為星際介質。其中由氫等元素組成的分子雲是恆星誕生的區域,密度相對較高。高密度的星前核心暗星雲坍縮[註 6],形成原恆星。[80]

大質量恆星出現後,分子雲變為由發光氣體和等離子體形成的電離氫區。這些恆星產生的恆星風和超新星爆炸最終使雲團疏散開來,往往留下若干年輕的疏散星團。這些星團慢慢分散開,其中的恆星融入銀河系眾多的恆星當中。[88]

在研究過銀河系及其他星系中物質的運動情況後,科學家發現普通的可見物質只是星系總質量的一小部分。圍繞星系的暗物質暈組成星系的大部分質量,但暗物質的本質仍然是一個未解之謎。[89]

星系天文學编辑

 
圖中的數個藍色環狀天體是同一個星系的多個重複影像。中間黃色星系的質量產生引力透鏡效應,使來自背後遙遠星系的光線轉向,造成扭曲和重影的效果

對銀河系以外天體的研究分支包括:星系的形成和演化星系分類活動星系觀測以及星系群星系團的觀測。對星系群和星系團等的觀測對了解宇宙大尺度結構有重要的意義。

大部分星系都可根據形狀具體劃分為螺旋星系橢圓星系不規則星系[90]

顧名思義,橢圓星系的截面呈橢圓形。星系中的恆星沿著隨機軌道,而不是一個特別的方向運行。在橢圓星系中,星際塵埃幾乎不存在或完全不存在,恆星誕生的區域少,恆星普遍較老。橢圓星系常見於星系團的中心,很可能是大星系相撞的產物。

螺旋星系呈扁盤形,沿一個方向旋轉,中心有一個凸起的球狀物或棒狀物,從中伸出若干條螺旋臂,向外放射。螺旋臂發亮,充滿塵埃,是恆星誕生的區域,其中的年輕大質量恆星呈藍色。螺旋星系外圍一般是由老恆星組成的暈。銀河系和鄰近的仙女座星系都屬於螺旋星系。

不規則星系是外表混亂,無法歸為螺旋或橢圓星系的星系。宇宙中有四分之一的星系都屬於此類。混亂的形狀很可能是引力擾動的結果。

活動星系會發出巨大的能量,但這些能量並不來自它的恆星、塵埃或氣體,而是來自它的緻密核心。科學家相信,星系中心的超大質量黑洞在吸入物質後發出大量輻射,形成活動星系核。電波星系會發出大量的無線電波,並散發出羽狀或葉狀的巨大氣體結構。其他的活動星系則會發出波長較短的高能輻射,如西佛星系類星體耀變體。類星體是可觀測宇宙中持續亮度最高的天體。[91]

宇宙在大尺度上的結構由星系群和星系團組成。最大的星系集體稱為超星系團。宇宙中的物質在最大尺度上形成纖維狀結構長城,之間則是巨大的空洞[92]

物理宇宙學编辑

宇宙學的研究對象是整個宇宙。物理宇宙學家通過觀測宇宙大尺度結構,對宇宙的開端和演化有了深入的認識。現代宇宙學的核心思想是大爆炸理論:宇宙在138億年前誕生,自此後不斷膨脹至今。[93][94]1965年,科學家發現宇宙微波背景輻射,奠定了大爆炸的觀測基礎。[94]

宇宙在膨脹期間經歷了多個發展階段。宇宙學家猜測,宇宙最初曾有過極快速的宇宙暴脹,使波動的初始條件得以勻化。接著的核合成過程產生了早期宇宙的各種原子核(見核宇宙編年學)。[94]

此時宇宙充斥著離子光子不可穿透。直到中性原子形成,太空才變得「透明」。第一次不受阻擋穿透太空的光線,至今仍游離於宇宙中,形成宇宙微波背景。有相當一段時間,由於恆星還未形成,宇宙是漆黑一片的。[95]

不同區域的物質質量密度有微乎其微的差異,物質因此開始聚合,形成各個尺度上的階級式結構。密度較高的物質成為了氣體雲和最早期的恆星──第三星族恆星。這些大質量恆星激發了再電離過程,製造了早期宇宙中的許多重元素。重元素在衰變後成為輕元素,使核合成週期可以延續下去。[96]

在引力的作用下,物質形成了大尺度纖維狀結構和巨大的空洞。氣體和塵埃逐漸聚集,形成早期星系。這些星系不斷納入更多的物質,並互相形成星系群和星系團,再組成超星系團。[97]

暗物質暗能量的存在對宇宙的結構有著決定性作用。兩者合起來,共佔全宇宙質量的96%之多。因此,科學家正在極力試圖探究其背後的物理原理。[98]

跨學科研究编辑

天文學和天體物理學與其他科學領域有著密切的跨學科關係。考古天文學利用考古學人類學證據,研究遠古或傳統天文學在文化中的角色和地位。[99]天體生物學研究生物系統在宇宙中的起源演化和分佈,並特別關注地外生物能否存在,人類又如何能探測這些生命這些問題。[100]天體統計學英语Astrostatistics將統計學方法應用在分析不可勝計的天文觀測數據上。[101]

天體化學研究宇宙中化學物質的形成和反應。[102]宇宙化學專門研究太陽系內化學物質的分佈、來源以及同位素比率的變化。[103]

天文鑒證科學英语forensic astronomy利用天文學的知識,解答法律、歷史上的疑問,例如驗證拍攝照片的日期或確認有關天文藝術作品的創作時間。

業餘天文學编辑

 
業餘天文學家可以自己搭建觀測器材,並舉辦星空饗宴。圖為位於美國佛蒙特州的Stellafane天文俱樂部

天文學是眾多科學領域中,業餘者能夠最大程度參與的領域。[104]

業餘天文學家可以對各種天體和天文現象進行觀測,有的甚至會自己搭建觀測器材。最普遍的觀測對象包括:日、月、各大行星、小行星、彗星、流星雨、恆星以及星團、星系、星雲等深空天體。業餘天文俱樂部分佈在世界各地,有的會為成員提供各種幫助,從搭建器材乃至完成觀測梅西耶星表(共110個)或赫歇爾目錄(共400個)中的所有天體。

天文攝影是業餘天文學的一個分支。許多業餘天文學家會選擇專門觀測某一類天體或某一類天文現象。[105][106]

大部分業餘天文學家都在可見光範圍內做觀測,但也有一小部分用可見光以外的波長進行觀測,包括在傳統天文望遠鏡上加上紅外濾光片,或使用射電望遠鏡卡爾·央斯基在1930年代開始在無線電波長進行觀測,開創了業餘射電天文學。業餘天文學家不但可以使用自己的器材,還可以使用開放給業餘者的專業射電天文望遠鏡。[107][108]

與大多數現代科學領域不同的是,業餘天文學家至今仍在為天文學作出重大的貢獻。比如,他們通過掩星的方法提高小行星軌道的測量精度,發現新彗星,又對變星做定期觀測。隨著數碼科技的提升,業餘天文攝影也有了極大的進步。[109][110][111]

天文學未解之謎编辑

儘管隨著天文學的驚人發展,人類已經對宇宙的認知有了翻天覆地的變化,但是在今天仍然有一些至關重要的天文學未解之謎。要解答這些謎題,有可能需要新的地面或太空觀測儀器,乃至理論和實驗物理上的新發展。

  • 恆星質量分佈從何而來?為什麼不論初始條件如何,天文學家都會觀測到相同的初始質量函數[112]有待對恆星和行星的誕生過程有更深入的了解。
  • 宇宙中是否存在其他生命體?是否存在其他智慧生物?如果存在,應如何解決費米悖論?證實地球以外生物的存在,對許多科學和哲學問題有至關重要的意義。[113][114]太陽系是平平凡凡,還是絕無僅有?
  • 暗物質暗能量的本質是甚麼?這兩者在宇宙的發展和未來有著決定性作用,然而人類對它們的本質尚且一無所知。[115]宇宙的終極命運是甚麼?[116]
  • 第一批星系是如何形成的?[117]超大質量黑洞是如何形成的?[118]
  • 超高能宇宙射線從何而來?[119]
  • 元素在宇宙中的豐度為甚麼比大爆炸模型所預測的低四倍?[120]

注释编辑

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