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天体物理学(学科名)

天体物理学(astrophysics)既是天文学的一个主要分支,也是物理学的分支之一,它是利用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、物理条件、化学组成和演化规律的学科。

天体物理学分为:太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、行星物理学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天体演化学等分支学科。另外,射电天文学、空间天文学、高能天体物理学也是它的分支。

用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射,可得到天体的各种物理参数。根据这些参数运用物理理论来阐明发生在天体上的物理过程,及其演变是实测天体物理学和理论天体物理学的任务。

天体上发现的某些奇特现象也能启发和推动现代物理学的发展,一些天体所具有的极端条件和宇宙环境为物理学提供了极好的天然实验室。而理论物理学中的辐射、原子核、引力、等离子体、固体和基本粒子等理论,为研究类星体、宇宙线、黑洞脉冲星、星际尘埃、超新星爆发奠定了基础。

从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起,中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体,绘制月面图,1655~1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云,后来还有哈雷发现恒星自行,到十八世纪老赫歇耳开创恒星天文学,这是天体物理学的孕育时期。

十九世纪中叶,三种物理方法分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后,对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系,天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。

天体物理学的发展,促使天文观测和研究不断出现新成果和新发现。1859年,基尔霍夫对太阳光谱的吸收线(即夫琅和费谱线)作出科学解释。他认为吸收线是光球所发出的连续光谱被太阳大气吸收而成的,这一发现推动了天文学家用分光镜研究恒星;1864年,哈根斯用高色散度的摄谱仪观测恒星,证认出某些元素的谱线,以后根据多普勒效应又测定了一些恒星的视向速度;1885年,皮克林首先使用物端棱镜拍摄光谱,进行光谱分类。通过对行星状星云和弥漫星云的研究,在仙女座星云中发现新星。这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。

1859年基尔霍夫根据热力学规律解释太阳光谱的夫琅和费线断言在太阳上存在著某些和地球上一样的化学元素这表明可以利用理论物理的普遍规律从天文实测结果中分析出天体的内在性质是为理论天体物理学的开端。

理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步几乎理论物理学每一项重要突破都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立使深入分析恒星的光谱成为可能并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理学的发展使恒星能源的疑问获得满意的解决从而使恒星内部结构理论迅速发展并且依据赫罗图的实测结果确立了恒星演化的科学理论。1917年爱因斯坦用广义相对论分析宇宙的结构创立了相对论宇宙学。

1920年,萨哈提出恒星大气电离理论,通过埃姆登、史瓦西、爱丁顿等人的研究,关于恒星内部结构的理论逐渐成熟;1905年,赫茨普龙在观测基础上将部分恒星分为巨星和矮星;1913年,罗素按绝对星等与光谱型绘制恒星分布图,即赫罗图;1916年,亚当斯和科尔许特发现相同光谱型的巨星光谱和矮星光谱存在细微差别,并确立用光谱求距离的分光视差法。1938年,贝特提出了氢聚变为氦的热核反应理论,成功地解决了主序星的产能机制问题。

1929年,哈勃在研究河外星系光谱时,提出了哈勃定律,这极大地推动了星系天文学的发展;1931~1932年,央斯基发现了来自银河系中心方向的宇宙无线电波;四十年代,英国军用雷达发现了太阳的无线电辐射,从此射电天文蓬勃发展起来;六十年代用射电天文手段又发现了类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射。

1946年美国开始用火箭在离地面30~100公里高度处拍摄紫外光谱。1957年,苏联发射人造地球卫星,为大气外层空间观测创造了条件。以后,美国、西欧、日本也相继发射用于观测天体的人造卫星。世界各国已发射数量可观的宇宙飞行器,其中装有各种类型的探测器,用以探测天体的紫外线、x射线、γ射线等波段的辐射。从此天文学进入全波段观测时代。

天体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探讨恒星结构、恒星演化、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题。

天体物理学涉及的领域广泛,天文物理学家通常应用不同学科的方法,包括力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等进行研究。

随着近代跨学科的发展,其与化学、生物、历史、计算机、工程、古生物学、考古学、气象学等学科混合,天体物理学大小分支大约三百到五百门主要专业分支,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,像星际物质或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。

由于地球大气层的干扰,红外线、紫外线、伽马射线和X射线天文学必须使用人造卫星在地球大气层外做观测实验。

光学天文学通常使用加装电荷耦合元件和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,或使用太空望远镜,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、星系和星云的化学成份。

除了宇宙线的粒子探测、陨石的实验室分析、宇宙飞行器对太阳系天体的实地采样和分析,以及尚在努力探索中的引力波观测之外,关于天体的信息都来自电磁辐射。天体物理仪器的作用是对电磁辐射进行收集定位、变换和分析处理。电磁辐射的收集和定位是由望远镜(包括射电望远镜)来实现的。

从辐射的连续谱可以判断辐射的机制,还可以得知天体的表面温度;从早型星的巴耳末系限上的跳变,可以得知天体的表面压力;由UBV测光系统也可粗略地确定恒星的光度和温度值。从线谱可以获得更多的信息:视向速度、电子温度、电子密度、化学组成、激发温度端流速度。对双星的观测研究,可以得到天体的半径、质量和光度等重要数据。研究脉动变星的光变周期与光度之间的关系,可以确定天体的距离。

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

大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理。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。学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化,这模型涵盖了宇宙膨胀(cosmic inflation)、暗能量、暗物质等等概念。

辐射转移理论是解释已知天象的有力工具,而且还可以预言尚未观测到的天体和天象。以辐射转移理论为基础建立的恒星大气理论,以热核聚变概念为基础发展起来的元素合成理论、恒星内部结构理论和天体演化理论,乃是理论天体物理学的基础。

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。

太阳系

太阳是离地球最近的一颗普通恒星。对太阳的研究,经历了从研究它的内部结构、能量来源、化学组成和静态表面结构,到使用多波段电磁辐射研究它的活动现象的过程。太阳风的影响能够为我们直接感受。日地关系密切,所以研究有关地球的科学,必须考虑太阳的因素。

对行星的研究是天体物理学的一个重要方面。近二十年来,对彗星的研究以及对行星际物质的分布、密度、温度、磁场和化学组成等方面的研究,都取得了重要成果。随着空间探测的进展,太阳系的研究又成为最活跃的领域之一。

二百多年来,关于太阳系的起源和演化问题已提出四十多种学说,但至今还没有一个学说被认为是完善的而被普遍接受。近三十年来这方面有了很大进展,大多数天文学家赞成的恒星演化学说是所谓的“弥漫说”,但也有少数人认为恒星是由超密物质转化而成的。

特殊恒星

特殊恒星更是多种多样:造父变星的光变周期为1~50天,光变幅为0.1~2个星等;长周期变星的光变周期为90~1000天,光变幅为2.5~9个星等;天琴座RR型变星的光变周期为0.05~1.5天,光变幅不超过1~2个星等;金牛座 T型变星光变不规则各种各样的恒星,为研究恒星的形成和演化规律提供了样品。另外,天体上特殊的物理条件,在地球上往往并不具备,利用天体现象探索物理规律,是天体物理学的重要职能。

星系

通过多年研究,人们对银河系的整体图像以及太阳在银河系中的地位,有了比较正确的认识。银河系的直径为十万光年,厚两万光年。通过对银河系恒星集团的研究,建立和证实了星族和银河系次系等概念。对银河系自转、旋臂结构、银核和银晕也进行了大量研究。

天体物理学从研究方法来说,可分为实测天体物理学和理论天体物理学。前者研究天体物理学 中基本观测技术、各种仪器设备的原理和结构,以及观测资料的分析处理,从而为理论研究提供资料或者检验理论模型。光学天文学是实测天体物理学的重要组成部分。后者则是对观测资料进行理论分析,建立理论模型,以解释各种天象。同时,还可预言尚未观测到的天体和天象。

按照研究对象分类是它的主要分类方法,可分为:

太阳物理学

研究太阳表面的各种现象、太阳内部结构、能量来源、化学组成等。太阳同地球有着密切的关系。研究太阳对地球的影响也是太阳物理学的一个重要方面。

②太阳系物理学

研究太阳系内除太阳以外的各种天体,如行星、卫星、小行星、流星、陨星、彗星。行星际物质等的性质、结构、化学组成等。

③恒星物理学

④恒星天文学

⑤行星物理学

⑥星系天文学

又称河外天文学,研究星系(包括银河系)、星系团、星系际空间等的形态、结构、运动、组成、物理性质等。

⑦宇宙学

从整体的角度来研究宇宙的结构和演化。包括侧重于发现宇宙大尺度观测特征的观测宇宙学和侧重于研究宇宙的运动学和动力学以及建立宇宙模型的理论宇宙学。

⑧宇宙化学

⑨天体演化学

研究天体的起源和演化。对太阳系的起源和演化的研究起步最早。虽然已取得许多重要成果,但还没有一个学说被认为是完善的而被普遍接受。恒星的样品丰富多彩,对恒星的起源和演化的研究取得了重大进展,恒星演化理论已被普遍接受。对星系的起源和演化的研究还处于摸索阶段。

天体物理学的各分支学科是互相关联、互相交叉的。随着新技术、新方法、新理论的出现和应用,天体物理学中涌现了一些新的分支学科,如射电天文学、红外天文学、紫外天文学、X射线天文学等。天体物理学同其他学科也是互相交叉、互相渗透的。也出现了一些交叉性的学科,如天体化学、天体生物学等。

⑩射电天文学

射电天文学是通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。由于地球大气的阻拦,从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面,迄今为止,绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。 射电天文学以无线电接收技术为观测手段,观测的对象遍及所有天体:从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象,直到极其遥远的银河系以外的目标。射电天文波段的无线电技术,到二十世纪四十年代才真正开始发展。

空间天文学

通过在高层大气和大气外层空间进行天文探测,收集资料,进行天文研究的学科。天文学和空间科学的边缘学 科。天体在不断发出r射线、X射线、紫外、可见光、红外、射电波等不同波长的电磁波,但只有可见光和它两侧的近红外光、近紫外光,1毫米至30米的射电波,以及红外波段中的几小段波长区间的辐射能到达地面,其余都被地球大气吸收或反射了。人造卫星上天后,人们得以完全克服地球大气的屏障,开始了对天体整个电磁波段的观测,导致了空间天文学的诞生。空间天文学采用高空飞机、平流层气球、探空火箭、人造地球卫星、行星际探测器、航天器等各种运载工具。20世纪60年代以后,对太阳系天体的空间探测成果丰硕:阿波罗飞船6次把宇航员送上月球,进行了实地考察;行星际探测器多次实现了对水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星的考察,有许多重大发现,还获得了行星际空间有关太阳风、行星际介质、行星际磁场等的大量珍贵资料。

高能天体物理学

天体物理学的一个分支学科。主要任务是研究天体上发生的各种高能现象和高能过程。它涉及的面很广,既包括有高能粒子(或高能光子)参与的各种天文现象和物理过程 ,也包括有大量能量的产生和释放的天文现象和物理过程。最早,高能天体物理学主要限于宇宙线的探测和研究,真正作为一门学科是20世纪60年代后才建立起来的。60年代以后 ,各种新的探测手段应用到天文研究中,一大批新天体、新天象的发现,使高能天体物理学得到了迅速发展。高能天体物理学的研究对象包括类星体和活动星系核、脉冲星、超新星爆发、黑洞理论、X射线源、γ射线源、宇宙线、各种中微子过程和高能粒子过程等等。

此外在某些天体上例如类星体和脉冲星等也有一些高能过程。它们都是高能天体物理学的研究对象。高能天体物理学已经取得一些重要表现在以下几个方面对于在恒星上可能发生的中微子过程作了开创性的研究发现光生中微子过程电子对湮没中微子过程以及等离子体激元衰变中微子过程等对晚期恒星的演化有重要的影响对太阳中微子的探测发现实验值与理论值有较大的差距关于超新星的爆发机制提出了一种有希望的理论超新星爆发可能是宇宙线的主要源泉在宇宙线中探测到一些能量大于 10电子伏的超高能粒子中国科学院原子能研究所云南站在1972年发现一个可能是质量大于1.8×10克的荷电粒子发现星系核的爆发现象和激烈的活动现象。

人类对宇宙的认识不断扩大,不仅使人们愈来愈深入地了解宇宙的结构和演化规律,同时也促使物理学在揭示微观世界的奥秘方面取得进展。氦元素就是首先在太阳上发现的,过了二十多年后才在地球上找到。热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。由于地面条件的限制,某些物理规律的验证只有通过宇宙这个“实验室”才能进行。六十年代天文学的四大发现类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射,促进了高能天体物理学、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展,也向物理学、化学、生物学提出了新的课题。


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