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天文学简介

天文学(Astronomy)是研究天体和宇宙的学科。(这一概念可能有点交叉,简单地说,天文学是研究宇宙的学科。)天体即大气层以外的物体,包括日月星辰和人造天体。天文学研究天体的位置、分布、运动、状态、结构、物理性质、化学组成、相互关系、起源和演化等。宇宙包含了所有的时间、空间、物质和能量,也包含了人类的思维和想象。我国汉代的古籍《淮南子》便记载了远在战国时期,商鞅的门客尸佼(著有《尸子》)给宇宙下了一个定义:“天地四方曰宇,往古来今曰宙”,表明宇宙在空间上包罗万象,在时间上永无止境。宇宙虽然大得无法想象,但它与我们自身其实是密切相关的。例如,我们体内的绝大部分化学元素就是几十亿年前恒星演化的结果。天文学是自然科学的一门基础学科。天文学与其他自然科学的一个显著不同之处在于,天文学主要是观测科学(目前人类能够亲临现场或发射探测器登陆而研究的很少),同时也是综合科学。它的研究对象大都是在遥远甚至不可及的宇宙空间,研究的主要手段就是通过观测来收集天体的各种信息。因而,对观测方法和观测手段的研究,也是天文学家努力研究的一个方向。在古代,天文学还与历法的制定有不可分割的关系。现代天文学已经发展成为观测全电磁波段的科学。

天文学发展简史

天文学是一门古老的学科,至少已经有几千年的历史。天文学在人类早期文明中占有非常重要的地位。古时候,人们通过用肉眼观察太阳、月亮、星星来确定时间和方向,制定历法,指导农业生产,这是天体测量学最早的开端。在此基础上诞生了占星术,即通过天体的运行来占卜凶吉祸福,预测自然灾害、战争输赢和个人命运。

公元2世纪,古希腊天文学家托勒密 (Claudius Ptolemy,约90年—168年)提出了地心说,认为宇宙中的天体,包括太阳,围绕着地球运转。这一学说受到了教会的欢迎,统治了西方社会对宇宙的认识长达一千多年。16世纪,波兰天文学家哥白尼 (Nicolaus Copernicus,1473.2.19-1543.5.24)提出了新的宇宙体系理论——日心说。1609年到1610年,意大利天文学家伽利略 (Galileo Galilei,1564.2.15-1642.1.8)首次将望远镜用于天文观测,先后观察到了月球表面有山脉地形、有四颗卫星围绕木星旋转、金星也有盈亏(地心说无法解释金星的盈亏现象)以及太阳上面有黑子。17世纪英国物理学家牛顿 (Sir Isaac Newton,1643.1.4-1727.3.31)提出了万有引力定律,创立了经典力学,促使天体力学这一新的天文学分支的诞生,使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和运动原因的新阶段。1846年海王星的发现,消除了人们对天体力学理论性的怀疑,使哥白尼的学说由三百多年来的假说成为事实,在天文学史上是一次巨大的飞跃。(注:从1846年9月23日海王星的发现到2011年9月23日它刚好围绕太阳公转一周)

19世纪中叶,分光术、测光术和照相技术的发明,使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律,从而更加深入到问题的本质,由此,也产生了一门新的分支学科——天体物理学。这是天文学的又一次重大飞跃。

20世纪20年代,美国天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble,1889.11.20-1953.9.28)测定了M31星系的距离,确定了M31是我们所在的银河系之外的星系,使人们的视野从太阳系、银河系延伸到更为遥远的宇宙空间。

20世纪第二次世界大战结束以后,射电望远镜开始广泛应用于天文观测,开启了除可见光以外的电磁波谱的一个新窗口,并在1960年代取得了被称为“天文学四大发现”(微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子)的新成就。

随着人类技术水平的不断提高,空间天文学得到了迅速发展, 具有代表性的1990年代哈勃空间望远镜、钱德拉X射线望远镜等一系列空间望远镜被送入太空,使得人类可以突破地球大气层的阻隔,到地球以外观测来自天体的紫外线、红外线、X射线、γ射线等波段的辐射,天文学进入了全波段发展的新时代。与此同时,自适应光学等新技术促使地面上的望远镜口径和分辨率也在不断提高,从4米、5米、6米级的望远镜到1990年代末若干810米级别的望远镜投入使用,这些望远镜与空间天文卫星一道,积累了大量的观测资料,发现了活动星系核、伽玛射线暴、X射线双星、引力透镜、暗物质与暗能量等一大批新的现象和天体。

天文学研究方法与手段

天文学的研究对象是宇宙中的各种天体。随着天文学的发展,人类观测的宇宙范围在不断扩大。根据天体的尺度大小,天文学的研究对象可以分为:

行星尺度: 包括行星系中的行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体,如小行星、彗星、流星体以及行星际物质等。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。

恒星尺度: 现在人们已经观测到了亿万个恒星,太阳只是无数恒星中很普通的一颗。

星系尺度: 太阳系处于由数百亿颗恒星组成的银河系中,银河系是一个普通的旋涡星系,银河系以外还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了星系群、星系团和超星系团等更大级别的天体系统。

宇宙学尺度: 一些天文学家提出了比超星系团还高一级的总星系,总星系是人类目前所能观测到的宇宙的范围,半径超过了100亿光年。

对于遥远的天体,它的光线从发出到被人们所接收,要经过漫长的时间。例如对于10亿光年以外的天体,人们观察到的实际是它10亿年前的形象。这表明天体的物理性质不仅反映出其本身的形态,还反映出其所在的演化阶段。人们观测到的众多天体,实际上是很大时间尺度上的样本,能够提供它们在数亿年间的演化线索。因此根据统计分类和理论研究,天文学家可以建立完整的天体演化模型。

在天文学研究中最热门、也是最难令人信服的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷,其中最具代表性,影响最大,也是最多人支持的的就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论,宇宙是在约137亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀,温度不断地降低,产生各种基本粒子。随着宇宙温度进一步下降,由于引力作用物质开始塌缩,逐级成团。在宇宙年龄约10亿年时星系开始形成,并逐渐演化为今天的样子。

现代天文学研究的领域非常广泛,有许多非常热门的研究课题。例如:中微子振荡问题、日震与星震、超新星、脉冲星、中子星和奇异星、X射线双星、类星体和活动星系核、黑洞和吸积盘、γ射线暴、星系团、宇宙微波背景辐射、引力透镜、引力波的探测、暗物质与暗能量……

天文学分支学科

天文学的分支主要可以分为理论天文学与观测天文学两种。观测天文学是指用各种观测设备观测天体,将得到的信息进行处理分析,得出天体的物理规律、化学组成及演化规律等。理论天文学是指运用现有的基础科学理论,借助数学、计算机等手段,加以可能条件进行计算、分析,得出某种理论,从而对观测现象进行解释并对此进行预测,由观测进行验证,再反过来修正理论,进而发展出新理论的研究方式。

天文学中习惯于按照研究方法和观测手段来分类。

按照研究方法,天文学可分为:天体测量学、天体力学、天体物理学(主要研究物理学在天文学中的应用以及利用物理学来解释天文学观测的结果)。

按照观测手段,天文学可分为:光学天文学、射电天文学、红外线天文学、X射线天文学、伽马射线天文学、空间天文学。

天文学与气象学

天文学与气象学的分界简单来说就是大气层。天文学的研究对象在大气层以外,地球大气层内的物体和现象通常并不是天文学研究的对象,除非它们起源于太空,例如:流星、流星余迹、陨星、极光等,当然,地球作为一个整体也是天文学研究的对象。而气象学是研究地球大气层中的物理现象、物理过程及其变化规律的一门科学。气象学是与国民经济密切相关的重要学科,预报天气和研究气候特征是气象学的重要任务。

天文学与占星术

从天文星相看命理生死是全世界的古老传统,人类敬畏天象,因此就想方设法观察日月星辰的运行法则。古人发现星座的升降伴随着季节的变化,于是就把星座当成了导致季节变化的原因,进而认为可以通过观察星座预测世事。而恰恰是由于用星座的变化来预测季节的来临比较准确,因而占星术诞生后就很快地流行开,就有了“从天象预测国家兴衰和个人命运”。古希腊天文学家托勒密对占星术做了归纳整理,写成一部著作,成为西方占星术的主要经典。同时,天文学工作带来的不菲收入也是占星家的真正动力所在,早期的科学家,像哥白尼、开普勒等人,都在一定程度上接受占星术。

但是,应当将天文学和占星术(Astrology)分开。后者是一种试图通过天体运行状态来预测一个人命运的伪科学。尽管两者的起源相似,在古代又常常混杂在一起。而随着现代科学的兴起,天文学逐渐摆脱了占星术而独立发展,天体的真相被逐步揭开,占星术才逐渐被驱逐出了学术界。当代的天文学与占星术明显的不同在于:现代天文学是使用科学方法,以天体为研究对象的学科;而占星术则通过比附、联想等方法把天体位置和世事人事变化相对应。

 

SOHO (Solar & Heliospheric Observatory) Real-Time Images SOHO卫星实时太阳监测图像

 

太阳黑子图

太阳磁场图

840万公里日冕图

450万公里日冕图

171埃100万K远紫外图

195埃150万K远紫外图

284埃200万K远紫外图

304埃6~8万K远紫外图

 

Objects of the Solar System 太阳系天体

 

水星 Mercury

金星 Venus

地球 Earth

火星 Mars

木星 Jupiter

土星 Saturn

天王星 Uranus

海王星 Neptune

冥王星 Pluto

水星和金星大小比较

金星和地球大小比较

火星和地球大小比较

水金地火大小比较

木星和土星大小比较

天王星和地球大小比较

海王星和地球大小比较

太阳木星地球月亮大小比较

太阳系八大行星大小比较

小行星-1-谷神星-Ceres

小行星-2-智神星-Pallas

小行星-3-婚神星-Juno

小行星-4-灶神星-Vesta

小行星-951-Gaspra

小行星-243-Ida

小行星-433-Eros

小行星-253-Methilde

小行星-21-Lutetia

灶神星Vesta和其它小行星大小比较

哈雷彗星-1986.3.8

海尔-波普彗星-1995.7.23

百武彗星-1996.3.25

鹿林彗星-2009.2.25

英仙座流星雨-2016.8.13

月球正面

月球背面

太阳系八大行星和冥王星

 

Deep Sky Objects - Star Clusters, Galaxies & Nebula 深空天体——星团、星系和星云

 

半人马座Ω球状星团

天蝎座球状星团M4

天蝎座疏散星团M6

金牛座疏散星团M45(昴星团)

   

室女座透镜星系NGC4886

椭圆星系M60和旋涡星系NGC4647

旋涡星系M100

不规则星系LMC

金牛座蟹状星云M1

人马座三裂星云M20

猎户座星云M42

天琴座环状星云M57

 

Domestic Observatories & Telescopes 部分国内天文台和望远镜

 

国家天文台兴隆观测站

中科院紫金山天文台

上海天文台25m射电望远镜

上海天文台65米天马射电望远镜

密云站50m射电望远镜

云南天文台25m射电望远镜

新疆天文台25m射电望远镜

德令哈13.7m毫米波射电望远镜

郭守敬望远镜(LAMOST)

兴隆站2.16m光学望远镜

云南天文台2.4m光学望远镜

怀柔站太阳塔

 

Abroad Observatories & Telescopes 部分国外天文台和望远镜

 

KPNO

KPNO

full view of KPNO

KPNO 4m Telescope

ESO at La Silla

ESO at La Silla

Apache Point Observatory

SDSS 2.5m Telescope

Wilson 100-inch Hooker

Palomar 200-inch Hale

Hawai'i Gemini North 8.1m

Chile Gemini South 8.1m

ESO VLT 8.2m×4

Mauna Kea 8.2m Subaru

LBT 8.4m×2

9.2m SALT

Mauna Kea Keck 10m×2

Hobby-Eberly 10m

CANARIAS 10.4m GTC

25m×27 VLA

 

Mauna Kea Gemini (to S)

Mauna Kea CFHT (to N)

KPNO from 2.1m (to N)

KPNO from 4m (to S)

 

Australia Parkes Radio Telescope

Jodrell Bank Lovell

200-inch Hale

Gran Telescopio CANARIAS (GTC)

 

Wilson 100-inch Dome

VLT at Cerro Paranal

Looking East Lick 3m

JWST

ALMA

TMT

E-ELT

SkyChart

Space Observatories & Telescopes 部分空间天文台和望远镜

Compton γ射线空间天文台

Swift γ射线爆望远镜

Chandra X射线望远镜

XMM-Newton X射线望远镜

FUSE 远紫外光谱探测器

GALEX星系演化探测器

Hubble空间望远镜

Kepler空间望远镜

IRAS红外天文卫星

WISE宽场红外巡天探测器

COBE宇宙微波背景探测器

WMAP微波各向异性探测器

附:

模拟星空Stellarium 0.8.2软件  Stellarium 0.10.1软件  手机星图(汉化版)  漫游宇宙  照片叠加软件DSS  星迹叠加软件Startrails  图片拼接软件PTGui  ASI摄像头驱动软件  行星视频图片处理RegiStax V5  天文图片校准叠加软件RegiStar  数码照片简单处理工具  桌面抓图工具  天文游戏:天地大冲撞

感谢国家天文台LAMOST 项目之提供网络空间 京ICP备05002854号-2

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