天体物理学
天體物理學（英語：Astrophysics），又稱天文物理學，是研究宇宙的物理學，這包括星體的物理性質（光度，密度，溫度，化學成分等等）和星體與星體彼此之間的交互作用。應用物理理論與方法，天體物理學探討恆星演化、恆星結構、星际物质、宇宙微波背景、太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題[1]。由於天體物理學是一門很廣泛的學問，天文物理學家通常應用很多不同的學術領域，包括力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學以及原子分子与光物理学等等。在实践中，天体物理学研究通常涉及理论和观测领域的大量工作。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 ; 以及宇宙的起源和最终命运。
历史
[编辑]天文学是一门古老的科学，但长期以来一直与物理学的研究相分离。在亚里士多德时代的世界观中，天上和地面的世界是截然不同的。天体似乎是永恒不变的球体，其唯一的运动是在圆周上做永恒的匀速运动。而地球世界则是经历出生，成长与消亡的领域；在这里，物体的自然运动是直线运动，并在到达目的地时结束。因此，人们认为天体是由一种与地球物体根本不同的物质构成的——要么是柏拉图所主张的“火元素”，要么是亚里士多德所主张的“以太”[2][3]。在17世纪，伽利略[4]，笛卡尔[5] 和牛顿[6]等自然哲学家开始相信天体和地球上的物体是由同种物质构成的，并且遵循相同的自然规律。他们面临的挑战是，当时还没有发明出能够证明这些断言的工具[7]。
在19世纪的大部分时间里，天文学研究都集中在测量天体位置和计算天体运动的常规工作上[8][9]。然而一种全新的天文学（不久后被称为天体物理学）开始崭露头角，这源于威廉·海德·沃拉斯顿和约瑟夫·夫琅禾费的发现：当把太阳光分解时，在光谱中观察到了大量的暗线。[10] 到了1860年，物理学家古斯塔夫·基尔霍夫和化学家罗伯特·本生证实，太阳光谱中的暗线与已知气体光谱中的明线相对应，而特定的谱线对应着独特的化学元素 [11]。基尔霍夫推断，太阳光谱中的暗线是由太阳大气中的化学元素吸收产生的[12]。通过这种方式，人们证实了在太阳和恒星中发现的化学元素同样存在于地球上。
诺曼·洛克耶拓展了对太阳和恒星的光谱研究，他在1868年的太阳光谱中不仅探测到了暗线，还探测到了辐射明线。他与化学家爱德华·弗兰克兰合作，研究了不同温度和压强下元素的光谱，却无法将太阳光谱中的一条黄线与任何已知元素联系起来。他提出这条谱线代表了一种新的元素，并根据希腊神话中太阳的化身赫利俄斯将其命名为“氦”。[13][14]
1885年，爱德华·皮克林在哈佛大学天文台启动了一项宏大的恒星光谱分类计划。在这项计划中，一个由女性计算员组成的团队（其中最著名的有威廉敏娜·弗莱明、安东妮亚·莫里和安妮·坎农）对相片上记录的光谱进行了分类。到1890年，他们编制了一份包含10,000多颗恒星的星表，并将其分为13个光谱类型。坎农在1924年将该星表扩充至9卷，包含超过25万颗恒星，并发展出了著名的哈佛分类法，该分类法于1922年被全球采纳使用。[15]
1895年，乔治·埃勒里·海尔和詹姆斯·爱德华·凯勒与来自欧洲和美国的10位副主编组成团队[16]，创办了《天体物理学杂志：光谱学与天文物理学国际评论》[17]。该杂志旨在填补天文学和物理学期刊之间的空白，为以下内容提供发表平台：分光镜在天文领域应用的文章；与天文物理学密切相关的实验室研究（包括金属和气体光谱的波长测定，以及辐射和吸收实验）；关于太阳、月球、行星、彗星、流星和星云的理论；以及用于望远镜和实验室的仪器设备[16]。
1920年前后，在赫罗图（至今仍作为恒星分类及其演化的基础）被发现后，亚瑟·爱丁顿在他的论文《恒星的内部结构》中，预言了恒星内部核聚变过程的机制[18][19]。当时，恒星能量的来源还是一个谜；爱丁顿正确地推测，其能量源自氢聚变为氦，并根据爱因斯坦的方程 E = mc2 释放出巨大的能量。这是一个非凡的猜测，因为在那个时代，核聚变、热核能量、甚至恒星主要由氢组成这一事实（参见金属丰度）都尚未被发现[20]。
1925年，塞西莉亚·海伦·佩恩（后来的塞西莉亚·佩恩-加波施金）在拉德克利夫学院撰写了一篇极具影响力的博士论文。她在论文中将萨哈电离理论应用于恒星大气，从而将光谱类型与恒星的温度联系起来 [21]。最重要的是，她发现恒星的主要成分是氢和氦，和地球的化学组成大不一样。尽管符合爱丁顿的猜测，这一发现依然太出乎意料，以至于她的论文审阅人（包括罗素）说服她在发表前修改了这一结论。然而，后来的研究证实了她的发现。[22][23]
到20世纪末，天体光谱学的研究已扩展到涵盖从无线电波到可见光、X射线和伽马射线的完整电磁波谱[24]。进入21世纪，天文观测的手段进一步扩大，将引力波和中微子的观测也纳入其中。
理論天體物理
[编辑]理论天体物理学致力于根据观测数据建立理论模型，并推演出这些模型的观测结果。理论天体物理学家使用的工具多种多样，包括使用数学模型进行分析和计算机数值模拟。分析模型可以提供每一個步驟是否吻合現行或假設的物理定律，計算機數值模擬則主要用於推算出物理數學模型是否有矛盾之處，這可以使觀測者證實或證偽某個模型是否正確，並且從模型當中選擇一個恰當的理論來說明觀測數據。
一旦某個物理模型大體上被驗證，實測天體物理學家就會依據該模型輸入觀測資料，一旦發現某些不吻合之處，該理論就會進行修正，直到全面吻合，所有觀測數據都合乎理論預測以後，便可稱該理論為已經證實的天體物理理論。如果，理論與數據有大批不吻合，該理論會先被限定為有限理論，一直到發展出其他可以全面吻合的理論以後，該理論會被廢棄掉。
理论天体物理学研究的主要课题包括太阳系的形成与演化，恒星动力学与恒星演化，星系的形成和演化，磁流体力学，宇宙的大尺度结构，宇宙线的起源，广义相对论与物理宇宙学（包括弦宇宙学和天体粒子物理学）。相对论天体物理学不仅是评估大尺度结构特性的工具（在这些结构中，引力在所研究的物理现象中起着重要作用），也是黑洞物理学和引力波研究的基础。目前天体物理学中一些广受认可和研究的理论与模型包括大爆炸、宇宙暴胀、暗物质、暗能量以及物理学基本理论。这些研究现已被纳入了ΛCDM模型。
實測天體物理
[编辑]观测天文学运用望远镜，照相，光谱分析等技术记录和分析天体的数据，为天体物理研究提供基础。天體物理實驗數據大多數是依賴觀測電磁輻射獲得。
早期的望远镜只能接收可见光信号，现代天文观测已经可以覆盖从无线电波到X射线和伽马射线的几乎整个电磁波谱。根据使用的电磁波波段，观测天文学主要有以下分支[25]: 160 。：
- 射電天文學通常使用數毫米的波長來研究天體，是實測天體物理學研究當中最主要的重要研究手段。例如研究星間氣體的冷物質及塵埃、宇宙微波背景輻射、紅位移、波霎，這樣的研究通常需要超大型無線電望遠鏡陣列。
- 紅外線天文學通常使用可見光以外的長波來研究天體。紅外線觀測通常使用類似光學望遠鏡的構造，冷光天體通常使用紅外線來探測，例如矮星或系外行星探測。
- 光學天文學是最古老的天文學。光學望遠鏡通常使用加裝CCD和光譜儀的望遠鏡來做觀測。由於大氣層會干涉觀測數據的品質，還必須配備調適光學系統，或使用太空望遠鏡，才能得到最優良的影像。在光譜頻域裏，恆星的可見度非常高。藉著觀測化學頻譜，可以分析恆星、星系和星雲的化學成份。
- 紫外線天文學、X射線天文學及伽馬射線天文學研究高能量的星體活動，例如「雙星波霎」、「黑洞」 、「磁星」等等，這些類型的輻射通常沒有辦法有效穿透地球的大氣。通常有兩類型的望遠鏡用於研究這一類的星體活動，地面的切倫可夫望遠鏡（IACT）及太空的電磁光譜望遠鏡。切倫可夫望遠鏡（IACT）例如羅西X射線計時探測器、錢德拉X射線天文台及康普頓伽瑪射線天文台。太空的電磁光譜望遠鏡，例如高能立體視野望遠鏡（H.E.S.S.）及神奇伽馬射線望遠鏡。
其他種類的觀測技術也已经运用在天体物理学中，形成了新的观测天文学分支，包括：
天文学的观测平台也不在局限于地球表面，而是包括：
- 地面望遠鏡依然是重要的观测平台，特别是运用了干涉技术的现代天文望远镜阵列。
- 太空望遠鏡在太空中進行觀測，可讓觀測結果避免受到地球大氣層的干擾，科學家常透過使用人造衛星在地球大氣層外進行紅外線、紫外線、伽瑪射線和X射線天文學等電磁波波段的觀測實驗，以獲得更佳的觀測結果。
- 太空探測器大大地擴展了天文學的疆界。目前全球各國已經發射數百個太空探測器在太空中進行天體物理研究。
对太阳的觀測在天体物理中有重要意义，因为其他恒星都距离太远。对太阳的研究可以为其他恒星提供宝贵的信息。
現代天文觀測數據龐大，很多时候使用分散式運算或超級電腦來進行分析，通常一批觀測數據都要處理多年才能完成。
分支和相关學科
[编辑]天体物理学的分支学科和與天體物理学相關的天文學科：
參見
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ astronomy | Definition & Facts. Encyclopedia Britannica. [2020-08-26]. （原始内容存档于2015-05-10） （英语）.
- ^ Lloyd, G. E. R. Aristotle: The Growth and Structure of His Thought
. Cambridge: Cambridge University Press. 1968: 134–135. ISBN 978-0-521-09456-6.
- ^ Cornford, Francis MacDonald. Plato's Cosmology: The Timaeus of Plato translated, with a running commentary. Indianapolis: Bobbs Merrill Co. c. 1957: 118 [1937].
- ^ Galilei, Galileo. Van Helden, Albert , 编. Sidereus Nuncius or The Sidereal Messenger. Chicago: University of Chicago Press. 1989: 21, 471989. ISBN 978-0-226-27903-9.
- ^ Edward Slowik. Descartes' Physics. Stanford Encyclopedia of Philosophy. 2013 [2005] [2015-07-18].
- ^ Westfall, Richard S. Never at Rest: A Biography of Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press. 1983: 731–7321980. ISBN 978-0-521-27435-7.
- ^ Ladislav Kvasz. Galileo, Descartes, and Newton – Founders of the Language of Physics (PDF). Acta Physica Slovaca (Institute of Philosophy, Academy of Sciences of the Czech Republic). 2013 [2015-07-18].
- ^ Case, Stephen. 'Land-marks of the universe': John Herschel against the background of positional astronomy. Annals of Science. 2015, 72 (4): 417–434. Bibcode:2015AnSci..72..417C. PMID 26221834. S2CID 205397708. doi:10.1080/00033790.2015.1034588.
The great majority of astronomers working in the early nineteenth century were not interested in stars as physical objects. Far from being bodies with physical properties to be investigated, the stars were seen as markers measured in order to construct an accurate, detailed and precise background against which solar, lunar and planetary motions could be charted, primarily for terrestrial applications.
- ^ Donnelly, Kevin. On the boredom of science: positional astronomy in the nineteenth century. The British Journal for the History of Science. September 2014, 47 (3): 479–503. S2CID 146382057. doi:10.1017/S0007087413000915.
- ^ Hearnshaw, J.B. The analysis of starlight. Cambridge: Cambridge University Press. 1986: 23–29. ISBN 978-0-521-39916-6.
- ^ Kirchhoff, Gustav. Ueber die Fraunhofer'schen Linien. Annalen der Physik. 1860, 185 (1): 148–150. Bibcode:1860AnP...185..148K. doi:10.1002/andp.18601850115.
- ^ Kirchhoff, Gustav. Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht. Annalen der Physik. 1860, 185 (2): 275–301. Bibcode:1860AnP...185..275K. doi:10.1002/andp.18601850205
.
- ^ Cortie, A. L. Sir Norman Lockyer, 1836 – 1920. The Astrophysical Journal. 1921, 53: 233–248. Bibcode:1921ApJ....53..233C. doi:10.1086/142602.
- ^ Jensen, William B. Why Helium Ends in "-ium" (PDF). Journal of Chemical Education. 2004, 81 (7): 944–945. Bibcode:2004JChEd..81..944J. doi:10.1021/ed081p944.
- ^ Hetherington, Norriss S.; McCray, W. Patrick. Weart, Spencer R. , 编. Spectroscopy and the Birth of Astrophysics. American Institute of Physics, Center for the History of Physics. [July 19, 2015]. （原始内容存档于September 7, 2015）.
- ^ 16.0 16.1 Hale, George Ellery. The Astrophysical Journal. The Astrophysical Journal. 1895, 1 (1): 80–84. Bibcode:1895ApJ.....1...80H. doi:10.1086/140011.
- ^ Template:List journal
- ^ Eddington, A. S. The Internal Constitution of the Stars. The Scientific Monthly. October 1920, 11 (4): 297–303. Bibcode:1920Sci....52..233E. JSTOR 6491. PMID 17747682. doi:10.1126/science.52.1341.233.
- ^ Eddington, A. S. On the radiative equilibrium of the stars. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1916, 77: 16–35. Bibcode:1916MNRAS..77...16E. doi:10.1093/mnras/77.1.16 .
- ^ McCracken, Garry; Stott, Peter. McCracken, Garry; Stott, Peter , 编. Fusion Second. Boston: Academic Press. 2013: 13. ISBN 978-0-12-384656-3. doi:10.1016/b978-0-12-384656-3.00002-7 （英语）.
Eddington had realized that there would be a mass loss if four hydrogen atoms combined to form a single helium atom. Einstein's equivalence of mass and energy led directly to the suggestion that this could be the long-sought process that produces the energy in the stars! It was an inspired guess, all the more remarkable because the structure of the nucleus and the mechanisms of these reactions were not fully understood.
- ^ Payne, C. H. Stellar Atmospheres; A Contribution to the Observational Study of High Temperature in the Reversing Layers of Stars (学位论文). Cambridge, Massachusetts: Radcliffe College. 19251925. Bibcode:1925PhDT.........6P.
- ^ Haramundanis, Katherine. Payne-Gaposchkin [Payne], Cecilia Helena. Hockey, Thomas; Trimble, Virginia; Williams, Thomas R. (编). Biographical Encyclopedia of Astronomers. New York: Springer. 2007: 876–878 [July 19, 2015]. ISBN 978-0-387-30400-7.
- ^ Steven Soter and Neil deGrasse Tyson. Cecilia Payne and the Composition of the Stars. American Museum of Natural History. American Museum of Natural History. 2000.
- ^ Biermann, Peter L.; Falcke, Heino. Frontiers of Astrophysics—Workshop summary. Panvini, Robert S.; Weiler, Thomas J. (编). Fundamental Particles and Interactions. AIP Conference Proceedings 423. American Institute of Physics. 1998: 236–248. Bibcode:1998AIPC..423..236B. ISBN 1-56396-725-1. arXiv:astro-ph/9711066 . doi:10.1063/1.55085.
- ^ Schneider and Arny. Pathways to Astronomy. 2025.
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