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《上知天文》、天文學概述，宇宙是人類的免費午餐

2021-04-12

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上知天文、下知地理是我們每一個小夥伴從小的夢想……

這裡，就是我們夢想起航的地方！

天文學是最古老的科學，自有人類文明史以來，天文學就有重要的地位。

我們的祖先通過勞動積累和觀察認識自然、了解自然的知識。

無數的謎題已經被人類揭開：為什麼會有白天和黑夜？為什麼每晚的星空都不一樣？我們的地球是怎樣的結構？它在浩瀚的宇宙中占有什麼樣的地位？太陽為什麼會發光？天上的星星都是跟太陽一樣嗎？什麼是太陽系？什麼是銀河系？

然而還有更多的謎題等待著我們：宇宙是有限還是無限？什麼物質是宇宙的基本組成？我們的宇宙來自哪裡？我們的宇宙將會去往何方？……

天文學是古老的，天文學又是嶄新的，天文學是有趣的，天文學也是充滿哲理的，它牽動著人類的好奇之心，永遠有新的東西呈現在我們面前。

宇宙就是人類擁有的免費午餐、最大的盛宴。

太陽系八大行星繞日軌道

一、天文學研究的對象和內容

1）什麼是天文學

天文學（Astronomy）是自然科學的基礎學科，是人類認識宇宙的科學。

人們主要是通過觀察天體的存在、測量他們的位置、反演它們內在的物理性質來研究它們的構造、探索它們的運動和演化的規律，擴展人類對廣闊宇宙空間中物質世界的認識，了解宇宙的結構和發展。

在天文學研究方法中天文觀測是最基本的特點。

所以在天文學發展過程中，天文學家一直在努力改進觀測方法和觀測手段。

面對浩瀚的宇宙，那些距離我們遙遠的天體是如此的暗弱，這就要求我們擁有更高、更強解析力的觀測設備。

通過改進設備，我們才能深入到更深遠的宇宙，了解前人所未能涉及的天文領域。

天文學的研究對於我們的生活有很大的實際意義，對於人類的自然觀有很大的影響。

古代的天文學家通過觀測太陽、月球和其他一些天體及天象，確定了時間、方向和曆法。

這也是天體測量學的開端。

如果從人類觀測天體，記錄天象算起，天文學的歷史至少已經有五六千年了。

天文學在人類早期的文明史中，占有非常重要的地位。

埃及的金字塔、歐洲的巨石陣都是很著名的史前天文遺址。

哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473-1543）的日心說曾經使自然科學從神學中解放出來；康德(Immanuel Kant,1724-1804)和拉普拉斯(Pierre Simon Laplace，1749-1827）關於太陽系起源的星雲說，在十八世紀形上學的自然觀上打開了第一個缺口；對日全食的觀測證實了愛因斯坦廣義相對論理論……

現代物理學和數學的發展，尤其是以廣義相對論為基礎的宇宙學的發展，對天文學產生了巨大影響，它們是現代天文學研究中最重要的理論基礎。

而現代科學技術的進步，則為天文觀測提供了良好的平台。

2）天文學研究的對象

天文學所研究的對象涉及宇宙空間中的各種星星和物體，隨著天文學的發展，人類的探測範圍由目測的太陽、月球、天空中的星星到達了距地球約132億光年的距離，根據尺度和規模，天文學的研究對象可以分為：

2.1行星層次 包括行星系中的行星、圍繞行星旋轉的衛星和大量的小天體，如小行星、彗星、流星體以及行星際物質等。

恆星系統。

從這個意義上說，我們的地球也是一個天體，只不過天文學研究地球的總體性質而一般不討論它的細節。

2.2恆星層次 現時人們已經觀測到了億萬個恆星，太陽只是無數恆星中很普通的一顆。

2.3星系層次 人類所處的太陽系只是處於由無數恆星組成的銀河系中的一隅。

而銀河系也只是一個普通的星系，除了銀河系以外，還存在著許多的河外星系。

星系又進一步組成了更大的天體系統，星系群、星系團和超星系團。

2.4宇宙 一些天文學家提出了比超星系團還高一級的總星系。

按照現今的理解，總星系就是現時人類所能觀測到的宇宙的範圍，半徑超過了132億光年。

2.5人造天體 人造衛星、宇宙飛船、空間站等人造飛行器的運動性質也屬於天文學的研究範圍。

在天文學研究中最熱門、也是最難令人信服的課題之一就是關於宇宙起源、結構、演化和未來的研究，這是天文學的一個分支學科——宇宙學研究的方向。

隨著觀測技術的進步，現代天文學研究的領域非常廣泛，有許多非常熱門的研究課題。

比如：太陽中微子的丟失、類星體的紅移、引力的本質、脈衝星、黑洞、活動星系、X射線雙星，γ射線源等等。

二、天文學分支

天文學中一般是按照研究方法、觀測手段以及研究對象進行分類（見圖2.1）

天文學各分支學科相互關係示意圖2.1

1）按研究方法分類

主要是包含天體測量學、天體力學、天體物理學三門分支學科。

1.1天體測量學（astrometry）：天體測量學是天文學中發展最早的一個分支，它的主要內容是研究和測定各種天體的位置和運動，建立天球參考系等。

天體測量學的研究方法主要是通過研究天體投影在天球上的坐標，在天球上確定一個基本參考系，來測定天體的位置和運動，這種參考系就是星表。

在實際應用中，可用於大地測量、地面定位和導航。

地球自轉和地殼運動，會使天球上和地球上的坐標系發生變化。

為了修正這些變化，建立了時間和極移服務，進而研究天體測量學和地學的相互影響。

2.2天體力學（celestial mechanics）：天體力學主要研究天體的相互作用、運動和形狀，運動研究中包括天體的自轉。

早期的研究對象是太陽系的天體，目前已經擴展到恆星、星團、星系。

牛頓（Isac Newton，1642-1727）是天體力學的創始人，他的萬有引力定律和行星運動三定律的建立奠定了天體力學的基礎，讓研究工作從運動學發展到動力學。

如今，我們已經能夠準確地預報日食、月食等天象，人造天體的發射和運行都與天體力學的發展密不可分。

2.3天體物理學（astrophysics）：天體物理學是天文學中最年輕的一門分支學科，它運動物理學理論、方法和技術，來研究各種天體的形態、結構、分布、化學組成、物理狀態和性質以及它們的演化規律。

18世紀英國天文學家威廉-赫謝爾（Frederick Wilhelm Harschel，1738-1822）開創了恆星天文學。

19世紀中葉，隨著天文觀測技術的發展，天體物理成為天文學有一個獨立的分子學科，並促使天文觀測和研究不斷做出新發現和新成果。

天體物理學涉及的邊緣學科很多，主要有：射電天體物理學、紅外天體物理學、紫外天文學、X射線天體物理學、γ射線天體物理學、天體化學、天體生物學等。

2）按照觀測手段分類

主要包括光學天文學、射電天文學、紅外天文學、空間天文學等。

2.1光學天文學：主要觀測手段是電磁波中的可見光波段（400~760納米）。

這個波段的電磁波也是人類最早的天文觀測手段，也是天體電磁輻射通過地球大氣層的主要窗口。

觀測工具從肉眼到光學望遠鏡，用來分析天體光學波段的物理、化學性質。

2.2射電天文學：這是一門通過觀測天體的無線電波來研究天文現象的學科。

美國無線電工程師央斯基（Karl Guthe Jansky，1905-1950）開創了射電天文學。

20世紀60年代的四大天文發現：類星體、脈衝星、星際分子和宇宙微波背景輻射都是用射電天文學手段獲得的。

2.3紅外天文學：波段範圍在0.7~1000微米之間的電磁波，是重要的天體觀測窗口。

2.4空間天文學：地球大氣對電磁波有嚴重的吸收，所以我們在地面上只能進行射電、可見光和部分紅外波段的觀測。

隨著空間技術的發展，在大氣層外進行觀測已經成為可能，現在我們已經擁有了可以在大氣層外觀測的空間望遠鏡（space telescope）。

最著名的就是哈勃空間望遠鏡（HST），它的升空標誌著空間天文學進入了全面發展的階段。

3）按研究對象分類

這個部分主要就是指天體演化學。

其中包括太陽系、太陽、恆星、音和諧、河外星系和宇宙學等分支學科。