恒星天文学

天文学是一门自然科学，它运用数学、物理和化学等方法来解释宇宙间的天体，包括行星、卫星、彗星、恒星、星系等等，以及各种现象，如超新星爆炸、伽马射线暴、宇宙微波背景辐射等等。广义地来说，任何源自地球大气层以外的现象都属于天文学的研究范围。物理宇宙学与天文学密切相关，但它把宇宙视为一个整体来研究。天文学有着远古的历史。自有文字记载起，巴比伦、古希腊、印度天文学、古埃及天文学、努比亚、伊朗、中国、玛雅以及许多古代美洲文明就有对夜空做详尽的观测记录。天文学在历史上还涉及到天体测量学、天文航海、观测天文学和历法的制订，今则一般与天体物理学同义。到了20世纪，天文学逐渐分为观测天文学与理论天文学两个分支。观测天文学以取得天体的观测数据为主，再以基本物理原理加以分析；理论天文学则开发用于分析天体现象的电脑模型和分析模型。两者相辅相成，理论可解释观测结果，观测结果可证实理论。与不少现代科学范畴不同的是，天文学仍旧有比较活跃的业余社群。业余天文学家对天文学的发展有着重要的作用，特别是在发现和观察彗星等短暂的天文现象上。早期天文学只能对肉眼可见的天体作预测。某些古代文化建造过可能具有天文观测作用的巨大建筑物，除了可以举行仪式以外，还能用于判断季节、耕收的日期以及一年的时长。在望远镜发明之前，人们只能用肉眼观察夜空。在美索不达米亚、古希腊、波斯、印度、中国、古埃及和中美洲等地，人们开始建造天文台，思索宇宙的本质。早期天文学以记录恒星和行星在天上的位置为主，今天这项范畴称为天体测量学。在这些观测的基础上，开始萌发出有关行星的运动、日月地在宇宙中的地位等的哲学思想。不少文化把地球视为宇宙的中心，日月星辰皆绕地球旋转，是为地心说。巴比伦是最早利用数学和科学方法研究天象的文化，这为日后其他文化的天文研究奠下了基础。例如，巴比伦人发现月食会周期性发生，他们称之为沙罗周期。接着巴比伦人研究天象的还有古希腊文化。古希腊天文学的特点在于用理性、基于现实的方法来解释天文现象。公元前3世纪，阿里斯塔克斯对日月的大小和距离进行估算，发表《论日月之大小及距离》（古希腊语：Περὶ μεγεθῶν καὶ ἀποστημάτων ἡλίου καὶ σελήνης）一作，并首次提出太阳系日心说。公元前2世纪，喜帕恰斯发现了岁差现象，对月球的大小和距离进行了估算，发明了世界上最早的天文仪器──星盘，还汇编了含1020颗星的详细星表。安提基特拉机械（约前150至80年）是一部可计算日月行星在某一日的确切位置的模拟计算机。如此复杂的天文仪器，要等到14世纪欧洲人发明机械天文钟后，才再次出现。中世纪期间（直到13世纪），欧洲天文学停滞不前。与此同时，伊斯兰世界及其他文化的天文学则蓬勃发展（见中古伊斯兰天文学）。9世纪初，伊斯兰世界出现最早的天文台。964年，波斯天文学家阿左飞发现本星系群中最大的星系仙女座星系，并记录在《恒星之书》中。1006年爆发的超新星SN 1006是历史记载中视星等最高的天体事件，埃及阿拉伯天文学家阿里·伊本·里德万（英语：Ali ibn Ridwan）和中国天文学家都有记载。在伊斯兰世界对天文学有较大贡献的还有：巴塔尼、泰比特（英语：Thābit ibn Qurra）、阿布·马沙尔（英语：Abu Maʿshar）、比鲁尼、阿尔-宰尔嘎里（英语：Abū Ishāq Ibrāhīm al-Zarqālī）、阿尔-比利安蒂（英语：Al-Birjandi），以及马拉盖天文台（英语：Maragheh observatory）和兀鲁伯天文台（英语：Ulugh Beg）等等。这段时期伊斯兰天文学家对恒星的命名，有不少至今仍在西方通用。考古学家相信，在大津巴布韦和廷巴克图发现的建筑遗迹很有可能是天文台。文艺复兴期间，尼古拉·哥白尼提出太阳系日心说。伽利略·伽利莱和约翰内斯·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。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。之后，伊萨克·牛顿发明天体力学和万有引力定律，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。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。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·赫歇尔汇编了星云、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。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。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·拉格朗日和皮耶尔-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。在光谱仪和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。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。奇异的星体现象陆续被发现，如类星体、脉冲星、耀变体和电波星系等。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。空间天文台的发射意味着，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，激光干涉引力波天文台（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。光，乃至电磁辐射，是人类对天象的主要观测途径。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。射电天文学利用波长超过1毫米左右的电磁辐射进行观测。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波，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和相位。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，也就是电子在磁场中运动时发出的辐射。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，特别是氢的21cm谱线。可通过无线电波观测的天体包括超新星、星际气体、脉冲星和活动星系核等。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。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。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，如彗星所含的水。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，但可见光摄影设备也可以用来观测一部分的近紫外线和近红外线。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。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（电子围绕磁场线旋转所发出的辐射）、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、星系群及活动星系核等。由于X射线会被地球大气层吸收，所以X射线观测必须用高海拔气球（英语：high-altitude balloon）、火箭或X射线天文卫星进行。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。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。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。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。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。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。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。激光干涉引力波天文台（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。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。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）。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。太阳系周边恒星的视差是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和自行，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。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）。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。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。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。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。例如，蒙德极小期很可能导致了中世纪期间的小冰期。在结构上，人们一般所能见到的太阳表面称为光球，光球以外是一层薄薄的色球，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。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。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。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。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。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、地球和火星，均为类地行星；外行星包括木星、土星、天王星和海王星，均为气态巨行星。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。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。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（铀、钍、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。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。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。几乎所有原子量大于氢和氦的化学元素都是在恒星核心中形成的。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。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，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。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。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。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。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。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。高密度的星前核心或暗星云坍缩（坍缩与否的临界点由金斯长度决定），形成原恒星。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。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。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和星系团的观测。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、椭圆星系及不规则星系。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、类星体和耀变体。类星体是可观测宇宙中持续亮度最高的天体。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和长城，之间则是巨大的空洞。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。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。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）。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。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。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。暗物质和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。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和人类学证据，研究远古或传统天文学在文化中的角色和地位。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。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。天体化学研究宇宙中化学物质的形成和反应。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。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。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。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）或赫歇尔目录（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。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。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。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。