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天体物理学本文重定向自 天体物理学

哈勃超深空是以可见光拍摄的最深远的宇宙影象之一。

天体物理学(英语:Astrophysics),又称天文物理学,是研究宇宙的物理学,这包括星体的物理性质(光度密度温度化学成分等等)和星体与星体彼此之间的相互作用。应用物理理论与方法,天体物理学探讨恒星演化恒星结构星际物质宇宙微波背景太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题[1]。由于天体物理学是一门很广泛的学问,天文物理学家通常应用很多不同的学术领域,包括力学电磁学统计力学量子力学相对论粒子物理学以及原子分子与光物理学等等。由于近代跨学科的发展,与化学、生物、历史、计算机、工程、古生物学、考古学、气象学等学科的混合,天体物理学目前大小分支300—500门主要专业分支,成为物理学当中最前沿的庞大领导学科,是引领近代科学及科技重大发展的前导科学,同时也是历史最悠久的古老传统科学。

天体物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得。比较冷的星体,像星际物质星际云会发射无线电波。大爆炸后,经过红移,遗留下来的微波,称为宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要非常大的无线电望远镜。

太空探索大大地扩展了天文学的疆界。太空中的观测可让观测结果避免受到地球大气层的干扰,科学家常透过使用人造卫星在地球大气层外进行红外线紫外线伽马射线X射线天文学等电磁波波段的观测实验,以获得更佳的观测结果。

光学天文学通常使用加装电荷耦合元件光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质,故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统,或改由大气层外的空间天文台来观测,才能得到最优良的影像。在这频域里,恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱,可以分析恒星星系星云的化学成分。

理论天体物理学家的工具包括分析模型计算机模拟。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解个中奥妙;计算机模拟可以显现出一些非常复杂的现象或效应其背后的机制。

在实践中,现代天文学研究通常涉及理论和观测物理领域的大量工作。天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质暗能量黑洞和其他天体的性质 ; 以及宇宙的起源最终命运。理论天文学家还研究了太阳系的形成和演化恒星动力学演化 ; 星系的形成与演化 ;磁流体力学 ; 宇宙中物质的大尺度结构宇宙线的起源; 广义相对论狭义相对论量子物理宇宙学,其中包括弦宇宙学天体粒子物理学

大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论宇宙学原理。由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实,科学家确定大爆炸模型是正确无误。最近,学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化,这模型涵盖了宇宙暴胀cosmic inflation)、暗能量暗物质等等概念。

理论天体物理学家及实测天体物理学家分别扮演这门学科当中的两大主力研究者,两者专业分工。理论天体物理学家通常扮演大胆假设的研究者,理论不断推陈出新,对于数据的验证关心程度较低,假设程度太高时,经常会演变成伪科学,一般都是天体物理学研究者当中的激进人士。实测天体物理学家通常本身精通理论天体物理,在相当程度上来说也有能力自行发展理论,扮演小心求证的研究者,通常是物理实证主义的奉行者,只相信观测数据,经常对理论天体物理学所提出的假说进行证伪或证实的活动,一般都是天体物理学研究者当中的保守人士。

历史

天文学的历史纪录虽然很久远,但是它长期以来都跟物理学分开,直到物理学发展才开始结合起来,主要发展的目的是历法。

天文学在历史当中,中国、欧洲、非洲、中东、印度、美洲都有独立的发展历史,其中以中国的历史纪录长度最久,但是中国并没有发展出天体物理学,最早有天体物理学研究的纪录是印度。

天文学在古代历史上的发展分支:

  • 中国古代天文学
  • 印度古代天文学
  • 非洲古代天文学
    • 埃及古代天文学
    • 非洲部落天文学
  • 近东古代天文学
    • 两河流域天文学
      • 美索不达米亚天文学
      • 巴比伦天文学
    • 阿拉伯天文学
      • 巴格达学派
      • 开罗学派
      • 西阿拉伯学派
  • 美洲古代天文学
    • 玛雅天文学
  • 欧洲古代天文学
    • 希腊古代天文学

也有一种看法认为非洲古代天文学、两河流域天文学及美洲古代天文学都是由传说中的姆大陆亚特兰提斯所流传而来的,但是这项说法缺乏考古学上的证据,虽无法证伪,但也无法证实。欧洲天文学主要源自于非洲古代天文学及两河流域天文学,现代天体物理学是由欧洲天文学建立起来的。

中国古代天文学

中国古代研究天文学的目的主要是历法、占卦及气象,用途多数是封建时代的权威创造或制造传说。由于中国封建制度维持相当长久,因此拥有全球历史上最完整的天文记录。

中国天文学史最早可达四千年以前,并且是首个计算出木星周期的民族,木星在古代中国称为“岁星”,占卦用途的重要辅星。由公元前十八世纪起,中国历朝各代均有专属的正式天文观测单位,其特色是精于记录,善于利用于政治目的,并发展过一百多种历法,同时对哈雷彗星记录多达31次,对于天象的纪录,项目种类繁多,由日食、月食、彗星、流星、太阳黑子等等,不一而足,甚至详细至许多不明飞行物体的记载,是世界上最丰富完整的天文记录。唯独中国古代天文学不求其背景发生原因,仅用于政治目的,因此,四千年来从未有任何系统理论上的进展。由于记录详细,现代多数将中国古代天文记录用于历史天文学当中的考证,用以补足欧洲因黑暗时代所造成的大破坏时期的天文资料不足。

中国的天文记录依地区又可分成中原地区、西南地区及北部地区天文记录:

  • 中原地区:主要由汉族记载,长度约四千年,是全球天文史当中最完整的记载。
  • 西南地区:主要由彝族及藏族记载。
  • 北部地区:主要由蒙古及鞑靼族记载。

中国天文学的发展,由于长期的政教分离制,未曾受到宗教的影响,其记录客观详实、四千年来不曾中断;然而又由于皇权及政治上的需求,导致其不重视理论研究,在系统理论方面一直不曾进步。此外,中国地区的一些少数民族天文学史亦相当的发达。

中国古代天体物理学

据考证,古代中国曾经有两批人企图建立如同欧洲的现代物理学,分别是战国时代的墨家宋明理学家。墨家因战乱而导致所有文献遗失,宋明理学家则因政治压迫而没有继续发展下去,因而丧失建立并发展现代天文学的先机。先秦时代的道家则是仅对当时已知的天体运行规律做了总结式的叙述,并没有详细解释其观测过程、其理论推导过程,故而仅能作为一种中国古代天文学的资料、而不能与现代天文学接轨,具体资料可以参见《淮南子·天文训》等道家经典。

中国及印度、非洲一些地区的文明,是现存已发现的最早建立太阳系结构推测记录的地区文明。

印度古代天文学

印度古代天文学,在最早期的吠陀经当中便有零星的记载。

非洲古代天文学

非洲古代天文学主要分成埃及古代天文学及部落天文学两个分支。埃及古代天文学本身有发展的历史纪录,非洲部分地区的部落天文学则大异其趣,有许多根本上不可能发现的精准天文知识,加上邻近地区近代发现的蓝种人、绿种人、鸵鸟人及法老王系的人种变异,此外与玛雅历法同源的天狼星历法,使得许多学者认为这些部落有其他的高级文明影响而制定这些大异其趣的天文学及历法。

近东古代天文学

近东古代天文学分成阿拉伯天文学及两河流域天文学。

两河流域天文学最早由苏美人于大洪水后所开始发展,前后发展出美索不达米亚天文学及巴比伦天文学。

美索不达米亚天文学是有记载以来的最古老的天文学,估计约公元前三十世纪的后期就已经有了历法,距今大约五千年。

阿拉伯天文学一般也称穆斯林天文学,公元七世纪伊斯兰教兴起后 直到十五世纪左右各伊斯兰文化地区的天文学。阿拉伯天文学大体形成了三个学派,即巴格达学派、开罗学派和西阿拉伯学派。

美洲古代天文学

美洲古代天文学主要指的是印加民族天文学,其中包含了玛雅族的玛雅历

美洲地区的某些部分天文学与非洲地区的部落天文学似乎有背景共通条件,被怀疑是全新世后五千年当中,有历史记载之前的消失文明所创造而流传下来的天文学,而且被普遍怀疑并非由地球上发展出来的天文学,特别是天狼星历法。

欧洲天文学

欧洲天文学主要来自于希腊古代天文学,一般认为希腊古代天文学受到非洲及近东的天文学影响很深。此外,北欧神话体系当中,亦有少量的天文学含量。

亚里斯多德学派的世界观认为,天体世界在天空倾向于完美物体,理应为球形。

历史天体物理

历史天体物理学主要利用古代历史记录、古温及古地质还原天体状态,用于古生物学、地质学、考古学及部分天体物理学说的验证上,这门学科近年来逐渐成为天体物理当中一门重要的学科,有相当程度的实用性。

由于天体运动具有不可逆算性,天体撞击会导致原有的轨道痕迹完全消失而无法进行逆计算,天体状态的还原精确度通常只能回算到一定的年代为止,年代较久远的逆运算只能透过古温粗略计算地球轨道位置,用于估计地质年代当中的古温及轨道影响。

考古学方面,年代在全新世以内的天文年代学近年来成为相当重要的参考,使用于计算古代气候变化对于社会发展的影响帮助非常的大。例如,古代大洪水的考证问题上,天文年代学及地质学成为最重要的参考依据。另还有土耳其地下墓穴也为是考古确定天文年代的例子。

理论天体物理

理论天体物理学的起点可由十六世纪开始计算起,绝大多数的理论提出系以“物理建模方法”提出假设,建立物理模型,验证方法则多数以“波普尔论证法”来进行确认,主要采取“证实主义”或“证伪主义”两种手法交错并用。理论的状态多数有以下几种:

  • 全部理论证实:目前不存在。
  • 部分理论证实:例如“广义相对论”及“牛顿力学”。
  • 理论证伪:为数庞大,例如,中国的“混天说”。
  • 技术力无法验证理论:例如,“夸克星”,通常都是理论当中存在尚未验证的物理假说。
  • 理论错判证实:例如,“牛顿力学”曾经被错判证实。“夸克星”则曾经有两年的时间被认为已经找到(SN1987A,约1989-1990年之间被错误地认为存在夸克星)。
  • 伪科学:数量庞大的民间学说,例如一整批以科幻小说为基础的幻想学说、科普及神学天体物理,通常的特征是理论自身不自洽。例如,“星际之门虫洞物理”,“星际之门”当中的“虫洞物理”与现实研究中的“虫洞物理”差距非常地大,而目前现实中的“虫洞物理”,实际也并未被列入合格的天体物理理论,实际的“虫洞物理”认为“虫洞”的大小如果小于一光年,则无任何可能传送任何物质进行太空旅行,“星际之门虫洞物理”与此差距极大,而开启虫洞颈部的维持能量是“负能量”,“星际之门虫洞物理”却是使用“正能量”来维持,“量子虫洞”是采用“虚粒子对相互作用”来维持“量子虫洞”的恒稳态,能够穿透“量子虫洞”的只有超流体,而“星际之门虫洞物理”却是什么物质都可以传送。事实上两者的说法都没有经过检验。
  • 未经检验的假说:例如,“人造月球假说”及“平行宇宙”与一整批与霍金宣称有关的说法。由于通俗易懂、貌似合理,检验方法却需要耗费大量金钱,因而大批未经检验的假说在民间流传,被误认为已经检验的正统科学,透过大众文化传播,成为非专业信徒型学科。

绝大多数的天体物理理论都处于“部分理论证实”及“技术力无法验证理论”的状态,基本的过滤方式是“证实方法”或“证伪方法”,持续过滤到每一个步骤都与数据吻合。

现代理论天体物理学家使用多样的研究工具,包含了分析模型及计算机数值模拟,分析模型可以提供每一个步骤是否吻合现行或假设的物理定律,计算机数值模拟则主要用于推算出物理数学模型是否有矛盾之处。理论天体物理学家致力于发展理论模型以便理解这些模型与观测的拟合程度,这可以使观测者证实或证伪某个模型是否正确,并且从模型当中选择一个恰当的理论来说明观测数据。

一旦某个物理模型大体上被验证,实测天体物理学家就会依据该模型输入观测资料,一旦发现某些不吻合之处,该理论就会进行修正,直到全面吻合,所有观测数据都合乎理论预测以后,便可称该理论为已经证实的天体物理理论。如果,理论与数据有大批不吻合,该理论会先被限定为有限理论,一直到发展出其他可以全面吻合的理论以后,该理论会被废弃掉。

理论天体物理研究的范围非常地广泛,包含了:“星体动力”、“星体演化”、“银河生成及演化”、“电磁动力”、“广义相对论”、“宇宙学”、“弦宇宙论”、“天体粒子物理”、“引力波”、“宇宙生命”、“宇宙航行”、“宇宙通讯”等等,课题包罗万象。

实测天体物理

现代天体物理的发展方式多数采取物理数学的方法,先发展相关理论,然后再透过实测天体物理学的技术手段来验证,并且透过观测数据来修正理论上的缺失,因此常常会看到由于实测天体物理技术的发展,事后发现理论天体物理的陈述荒唐到完全无法吻合的现象,进而全面修正理论天体物理的模型。实测天体物理扮演天体物理当中最重要的把关及验证,因此,理论天体物理上的盖棺论定一向是由实测天体物理来执行,这也使得实测天体物理学家多数都是这个领域当中最保守的菁英人士在运行。

实测天体物理目前持有全球最尖端的科技来进行研究,技术的演进,天体物理实验数据已经可以采取多种管道获得,包含了地面各类望远镜、空间天文台及空间探测器。此外,由于需求的缘故,实测天体物理学家是目前建造超级电脑的最积极人士,全球最尖端的超级电脑有大批是由实测天体物理学家所建造及持有,其次则是高能物理学家所建造及持有,多数的实测天体物理学家同时也是电脑专家及理论物理学家,经常会透过全球虚拟天文台的数据互换来进行研究,超级运算的领域当中,有许多出身于实测天体物理学的工作者。

地面望远镜

  • 射电天体物理学通常使用数毫米的波长来研究天体,是实测天体物理学研究当中最主要的重要研究手段。例如研究星间气体的冷物质及尘埃、宇宙微波背景辐射、红位移、波霎,这样的研究通常需要超大型无线电望远镜阵列。
  • 红外线天体物理学通常使用可见光以外的长波来研究天体。红外线观测通常使用类似光学望远镜的构造,冷光天体通常使用红外线来探测,例如矮星或系外行星探测。
  • 光学天体物理学是最古老的天文学。光学望远镜通常使用加装CCD光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层会干涉观测数据的品质,还必须配备调适光学系统,或使用空间天文台,才能得到最优良的影像。在光谱频域里,恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱,可以分析恒星星系星云的化学成分。
  • 紫外线天体物理学、X射线天体物理学及γ射线天体物理学研究高能量的星体活动,例如“双星波霎”、“黑洞” 、“磁星”等等,这些类型的辐射通常没有办法有效穿透地球的大气。通常有两类型的望远镜用于研究这一类的星体活动,地面的切伦可夫望远镜(IACT)及太空的电磁光谱望远镜。切伦可夫望远镜(IACT)例如地面的RXTE、钱德拉X射线天文台康普顿伽马射线天文台。太空的电磁光谱望远镜,例如高能立体视野望远镜(H.E.S.S.)及MAGIC。

空间天文台

由于大气层会干涉观测,在太空中进行观测可以取得比较无干扰的数据,空间天文台成为最佳的探测方式之一。

空间探测器

目前全球各国已经发射数百个空间探测器在太空中进行天体物理研究。

全球虚拟天文台

由于互联网的成熟,目前大部分实测天体物理学家都可以透过全球连线的虚拟天文台来获取天文数据,并且在任意舒适的地点进行数据分析研究,目前的天文数据库数量惊人,尚未进行分析的天文数据,估计可供研究达数百年。仅星系照片便达数千万颗,95%以上均尚未分类,大部分都还没有进行过初级的辨识分析,绝大多数的已知星体均尚未进行测距。

其他种类的观测技术

  • 引力波观测
  • 中微子观测
  • 宇宙射线观测
  • 太阳物理观测

数据分析

现代由于观测数据过于庞大,估计数百年内都无法分析完成,实测天体物理学家亦开始分工进行数据分析,分为专职进行观测的研究者及专职进行数据分析的研究者,分工项目相当的细密,并且多数使用分散式运算或超级电脑来进行分析,目前通常一批观测数据都要处理多年才能完成,往往某类天文重大发现都是在两三年以前就已经取得观测数据。

分支学科

按照研究方法分:

  • 历史天体物理学
  • 理论天体物理学
  • 实测天体物理学

与天体物理学相关的跨学科的分支学科,可分为:

  1. ^ Definition & Facts. Encyclopedia Britannica. [2020-08-26] (英语).

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