天文学概述

翻开人类文明史的第一页，天文学就占有显著的地位。 巴比伦的泥碑，古埃及的金字塔，都是历史的见证。在中国的殷商时期留下的甲骨文里，也有丰富的天文纪录，表明在黄河流域，天文学的起源可以追溯到殷商以前更为远古的时代。

　　几千年来，在人类社会文明的进程中，天文学的研究范畴和天文的概念都有很大的发展。在这里我们对天文学的特征、现状和趋向做一个概括描述。

天文学研究的特点

　　天文学是一门古老的学科，它的研究对象是辽阔空间中的天体。几千年来，人们主要是通过观察天体的存在、测量它们的位置来研究它们的结构、探索它们的运动和演化的规律，扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。

　　主要依*观测是天文学研究方法的基本特点。不断的创造和改革观测手段，也就成为天文学家一个致力不懈的课题。宇宙中的天体浩瀚无际，而且天体离开我们越远看起来也越暗弱。因此，观测设备的威力越高，研究暗弱目标的能力就越强，人的眼界就越能深入到前未企及的天文领域。

　　天文学的发展对于人类的自然观一直有着重大的影响。哥白尼的日心说曾经使自然科学从神学中解放出来；康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云学说，在十八世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口；对日全食的观测证实了广义相对论理论……。

　　天文学研究中的一个重大课题是各类天体的起源和演化。在我们观测到的天体中，千万岁的年龄是很年轻的。太阳的年龄约为五十亿年，也只是一个中年的恒星。人类的文明史至今也不过几千年，而一个天文学家毕其一生也不过是几十年。所以从短暂的观测来探讨天体百亿年的演变历史，应当说是天文学研究的又一特点。

　　一个天体的物理特征，除了反应出它的基本结构以外，还可以反映出它所处的演化阶段。天体的信息是通过辐射（比如光）传给我们的。对于遥远的天体，光在旅途中要经历漫长的时间，比如对于里我们一亿光年的天体，光要用一亿年才能送到它的信息，而我们看到的是它一亿年前的形象。

　　这样，我们所观测到的许许多多天体，展示给我们的是时间上各不相同的“样本”。特别是河外星系，代表着从百万年到上百亿年前的各种“样本”，包含着上百亿年的演化线索。因此通过统计分类和理论探讨，我们就可以建立起天体演化的模型。

星空巡礼

　　现在我们环顾一下目前所认识的天文世界。

　　太阳和太阳系

　　太阳是太阳系的中心天体，占太阳系总质量的99.86%，太阳系的其他成员是：行星、小行星、彗星、流星，它们都围绕着太阳旋转。

　　从天文学的角度看，地球是一个适于生物存在和繁衍的星星。虽然我们相信宇宙中还会有千千万万个能够繁衍生命的星球，但以目前的科学水平，我们还不能发现它们。作为行星，地球只是太阳系的一个普通成员。它的物理结构和化学组成虽然有自己的特点，但并不特殊。

　　连地球在内，太阳系内已经知道的有九大行星，从离太阳最近的算起，依次为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。它们都沿着同一方向自西向东绕着太阳转动，轨道都是椭圆的。大多数行星的轨道，都大致在同一平面上。冥王星离太阳最远，轨道直径约120亿公里。但太阳系的疆界可能还要遥远的多。

　　除了水星和金星，太阳系的行星周围都有卫星。地球有一个卫星——月亮，直径约3500公里，在太阳系里算是一个大型卫星。目前为止，除了几颗尚待证实的以外，已经确知的卫星共有34颗。

　　小行星是太阳系里较小的天体，已经发现并正式命名的有两千多颗，其中最大的一颗——谷神星，直径约为1000公里。大部分小行星分布在火星和木星的轨道之间。

　　彗星也是太阳系中质量较小的天体。绝大多数彗星沿着非扁的椭圆轨道绕日运行。它*近太阳时显得十分明亮，而且拖着一条扫帚形的尾巴。

　　流星体是太阳系内更小的天体，流星体是固态的，也绕着太阳转送，但轨道千差万别。它们进入地球大气层时，由于速度很高，同地球大气的分子碰撞而发热、发光，形成明亮的光迹，划过太空，称为流星现象。绝大部分流星体在落到地面以前时化为气体，也有一些比较大的或特别大的在大气中没有耗尽，落到地面上就是陨石。

　　太阳是地球上光和热的源泉。从天文学的观点来看，它还作为离我们最近的一颗恒星而占有特殊的地位。作为恒星来说，太阳很普通又很典型。它在各类恒星中不算亮也不算暗，不大也不小。太阳的中心处在很高的压力下，温度约1500万度。那里的高温高压条件导致热核聚变，每秒钟释放的能量可供地球上按现在的消费水平使用上1000万年。这种能量中的主要部分，辗转经历千万年的时间才传到太阳表面，然后辐射到周围的空间中去。

　　太阳表面经常出现的以黑子和磁场为标志的太阳活动，是宇宙电动力学现象的一个重要事例。这种活动趋于剧烈时便发生耀斑现象，表现为各种波长的电磁辐射的突增和“高”能量质点的抛射。这是天文世界中极为重要、极其复杂的能量聚集、存储、引发和释放过程的一个特写，尽管这在恒星世界中还属于很小规模的活动。

　　随着二十世纪天体物理学的进展，我们已经能够大概描绘出太阳以及绝大部分恒星的发生和发展的历程。

　　恒星世界

　　银河系中估计有数以千亿计的恒星，比较稀疏地分布在约十万光年的空间范围内。他们的化学组成大同小异，从以求出的恒星质量来看，它们的质量差别也不是很大：小的大约为太阳的百分之几，最大的也不过太阳的120倍。不同质量的恒星能够在自己的各自演化阶段中呈现出不同的颜色和光度，以每秒钟发出的能量来看，可能相差很大。例如一些超巨星，光度可达太阳的200万倍，而象白矮星那样的暗星，光度只有太阳的几十万分之一。当然还有许多我们没有能够观测到的那些并不发光或正在熄灭的星体。

　　许多恒星的光都会发生引人注目的变化。比如变星的光度变化是周期性的，周期从一小时到几百上千天不等。另一些恒星的光度变化是突发性的，其中最剧烈的是新星和超新星爆发。它们是处在演化过程中的某个转折点上，内部严重失去平衡，导致星体的剧烈爆炸。规模小的可以引起光度突增几万至几百万倍，成为新星；规模的大的则几乎把星体全部质量都抛射出去，这时的光度突增可大千万倍至上亿倍，成为超新星。如果这样的爆发发生在太阳的位置上，太阳系的九大行星会在顷刻之间被蒸发掉。

　　恒星的大小也十分悬殊。尽管处在氢燃烧阶段的各类恒星直径相差不过几百倍，但是在演化的某个阶段上却不同，如超巨星的直径可达太阳的几百或几千倍。而演化末期的白矮星和中子星，星体物质高度压缩，内部密度分别可达水的十万倍到百亿倍，可直径只有太阳的几万分之一。

　　尽管各种恒星的性质千差万别，但是它们的演化几乎都可以用核聚变为主的理论来解释。上面所说的形形色色的恒星，都可以被认定是具有某种起始质量的星体演化到某一特定阶段的表现。恒星演化理论的建立，无疑是二十世纪天文学的重大成就。尽管这种理论还很不完善，但它为理解恒星的基本性质奠定了坚实的基础。

　　恒星在空间中常常不是孤独的。估计由两颗星组成的双星可能占全部恒星的三分之一。还有三、五颗星聚在一起的聚星。也有几十、几百至几百万个聚在一起的，形成星团。所有恒星都沉浸在星际物质的海洋中。星际物质包括星际气体和尘埃，平均密度约为每立方厘米一个院子。星际物质高度密集的地方形成星云。星云与恒星是天文世界中两种相互矛盾又相互转化的实体。星云是构成恒星的原料，而恒星向空间抛射的物质也成为星云的一部分原料。

　　银河系与河外星系

　　夏夜仰望天空，可以看到横贯天空的银河。从望远镜里看去，银河带实际上是由千千万万颗星星组成的。这个庞大的恒星集团取名为银河系。在银河系里，大部分恒星集中在一个扁球状的空间范围内，侧面看上去象一个铁饼。人们肉眼看到的银河正是这个“铁饼”的一部分投影。在银河系里，恒星的总数在千亿颗以上，此外还有各种类型的银河星云、星际气体和尘埃。

　　银河系以外还有许许多多同银河系规模相当的庞大天体系统，它们曾形象地被称为“宇宙岛”，一般称为河外星系，简称星系。

　　星系也聚成大大小小的集团，有双重星系、多重星系以至星系团。用目前最大的望远镜可以观测到数以十亿计的星系，其中离我们最远的估计达150亿光年。

　　河外星系按它们的形态可以分为椭圆星系、漩涡星系和不规则星系。它们的演化历程目前尚无定论。河外星系的观测使天文学研究的范围扩展到以百亿光年为尺度的广阔空间，使我们对大尺度空间中的物理状态有了实测的基础，成为现代宇宙学的一个支柱。

天文学的历史

　　早在16世纪以前，中国的天象观测已经达到非常精确的程度。中国古代天文学家设计制造出很多精巧的观测仪器，通过恒星观测，议定岁时，上百次地改进历法。我国是世界上古代天项纪录最多也最系统的国家，从殷商时代的甲骨文钟就可以找到当时的天象纪录，我国历史上关于新星和超新星的记录约有80条，占全世界这类纪录的90%。在西方，古代天文学家倾注很大力量，研究行星在星空背景中的运动。他们年复一年、精益求精地测量行星的位置和分析行星运动的规律，终于导致了中世纪哥白尼日心学说的创立。这给当时的宗教势力以有力的打击，是历史上自然科学的一次辉煌胜利。

　　日心说的发展到十七世纪达到顶峰，牛顿把力学概念应用于行星运动的研究上，发现和验证了万有引力定律和力学定律，并创立了天文学的一个新的分支——天体力学。天体力学的诞生，使天文学从单纯的描述天体的几何关系，进入到研究天体之间相互作用的阶段。

　　在牛顿以后的二百年中，天体力学的发展给应用数学以有力的推动。从微积分到现在的数学物理方法，已成为现代科学中必不可少的工具。

　　天体之间的引力作用虽然说明了许多天文现象，却不足以阐明天体的本质。十九世纪中叶以来，物理学的重大发展把天文学推进到一个新的阶段。以测量天体亮度和分析天体光谱为起点的天体物理学称为天文学的一个新的生长点。

　　十九世纪末到二十世纪初，量子理论、相对论、原子核物理和高能物理的创立，给了天文学以新的理论工具。研究天体的化学组成、物理性质、运动状态和演化规律，是人类对天体的认识深入到问题的本质。天体物理学使天文学家们可以有根有据地谈论天体的演化。天体物理学的诞生标志着现代天文学的起点。天文观测也在这时进入到一个新的阶段。

　　回顾十七世纪以前，人们在漫长的年代里只是*肉眼来观测天象，能看到的星星不过六、器千克。十七世纪，伽利略首创的天文望远镜，使人类的眼界突然大大开阔。随着光学技术的发展，望远镜的口径越来越大，人类的视野从我们周围的太阳系，扩大到银河系，又扩大到河外星系。

　　目前，各种望远镜的视野里，有种类繁多、结构复杂、内容丰富的遥远而暗弱的天文对象呈现出来。二十世纪初以来，直径2米到6米的大型光学望远镜的发展，尤其是近三四十年来射电天文学和空间天文学的相继诞生，是天文观测手段不但具有空前的探测能力和精度，而且是天文学的领域扩展到整个电磁波段。十分明显，我们的时代正在经历着天文学的一次新的巨大飞跃。

　　观测手段的飞跃使天体物理学进入空前活跃的阶段。如果说天体物理学在它诞生之初就对物理学做出某些贡献，那么最近天文学上接连发现的新现象，可以说给物理学以一连串的冲击。像红外源、分子源、天体微波激射源的发现对恒星形成的研究提供了重要的线索；脉冲星、X射线源、γ射线源的测定，则推动了恒星演化的研究；星际分子的发现，吸引了生物学界和化学界的注意；类星体、射电星系和星系核活动等高能现象的发现，对以至的物理学规律提出了尖锐的挑战；结合各种类型星体观测资料的积累和分析，星系演化和大尺度宇宙学的观测研究也已提到日程上来。

　　自从人造卫星上天以来，日地空间物理学已经取得了大量的新结果；宇宙飞船远访行星，以及在月球、火星、金星上的着陆考察，使太阳系的构成和演化的研究展现出崭新的局面。

　　人们看到广阔无边的宇宙空间有着地面实验室难以模拟的物理条件：高真空度，中子星内部每立方厘米10亿吨的高密度、脉冲星表面高达一万亿高斯的磁场、恒星内部和恒星爆发时产生的超过100亿度的高温、一些星系和星系核抛射物质所具有的极高速度……。

　　这些可能正孕育着人类认识自然的一次新的突破。光学、射电和空间观测手段的发展，将反过来促进观测技术的迅速发展，从而再导致更多的新发现。在这样的背景下，当前的天文学领域将日益集中天文学、力学、高能物理学、等离子体物理学、数学、化学的重大课题，成为富有生命力的多学科交*点。

天文学的学科分支

　　在天文学的悠久历史中，随着研究方法的发展，先后创立了天体测量学、天体力学和天体物理学。它们是按研究方法分类的学科。

　　到二十世纪三十年代为止，所有的天文观测都是用光学手段进行的。但是，在此后的时间里，射电天文和空间天文的手段相继出现，开展了对天体的无线电和天体的红外、紫外、X射现和γ射线的观测。射电天文学和空间天文学就成为按观测手段分类的新学科。

　　按照传统的观念，学科分支应该是根据研究对象来区分的。天文对象可分为太阳系、太阳、银河系、河外星系和“物理宇宙”。这里将太阳作为一个特殊的恒星，把银河系作为一个特殊的星系，以突出它们的地位。当然，这些不同的天文学层次之间的界限使分明的，但对它们所有的研究方法和观测手段则是大同小异的。因此对天文学来说，按研究对象的学科分类，辅以研究方法和观测手段的分类，应该是一种可行的办法。

　　天文学的分支大体有：天体测量学、天体力学、天体物理学、射电天文学、空间天文学、天体演化学。