天體物理學

天體物理學

天體物理學(astrophysics)既是天文學的一個主要分支,也是物理學的分支之一,它是利用物理學的技術、方法和理論來研究天體的形態、結構、物理條件、化學組成和演化規律的學科。

天體物理學分為:太陽物理學太陽系物理學恆星物理學、恆星天文學、行星物理學、星系天文學、宇宙學、宇宙化學、天體演化學等分支學科。另外,射電天文學、空間天文學、高能天體物理學也是它的分支。

用物理學的技術和方法分析來自天體的電磁輻射,可得到天體的各種物理參數。根據這些參數運用物理理論來闡明發生在天體上的物理過程,及其演變是實測天體物理學和理論天體物理學的任務。

天體上發現的某些奇特現象也能啓發和推動現代物理學的發展,一些天體所具有的極端條件和宇宙環境為物理學提供了極好的天然實驗室。而理論物理學中的輻射、原子核、引力、電漿、固體和基本粒子等理論,為研究類星體、宇宙線、黑洞脈沖星、星際塵埃、超新星爆發奠定了基礎。

  • 中文名稱
    天體物理學
  • 外文名稱
    Astrophysics
  • 研究對象
    宇宙
  • 類別
    太陽物理學、星系天文學等
  • 學術領域
    力學、相對論、粒子物理學等
  • 人物
    赫羅圖、愛因斯坦、哈勃等

簡介

天體物理學分為:太陽物理學、太陽系物理學、恆星物理學、恆星天文學、行星物理學星系天文學、宇宙學、宇宙化學天體演化學等分支學科。另外,射電天文學空間天文學高能天體物理學也是它的分支。

天體物理學圖解天體物理學圖解

天體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相互作用。套用物理理論與方法,天體物理學探討恆星結構、恆星演化太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。由于天體物理學是一門很廣泛的學問,天文物理學家通常套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、粒子物理學等等。由于近代跨學科的發展,與化學、生物、歷史、電腦、工程、古生物學考古學、氣象學等學科的混合,天體物理學大小分支大約三百到五百門主要專業分支,成為物理學當中最前沿的龐大領導學科,是引領近代科學及科技重大發展的前導科學,同時也是歷史最悠久的古老傳統科學。

天體物理實驗資料大多數是依賴觀測電磁輻射獲得。比較冷的星體,像星際物質星際雲會發射無線電波。大霹靂後,經過紅移,遺留下來的微波,稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要非常大的無線電望遠鏡。

太空探索大大地擴展了天文學的疆界。由于地球大氣層的幹擾,紅外線、紫外線、伽馬射線和X射線天文學必須使用人造衛星在地球大氣層外做觀測實驗。

光學天文學通常使用加裝電荷耦合元件光譜儀的望遠鏡來做觀測。由于大氣層會幹涉觀測資料的品質,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。在這頻域裏,恆星的可見度非常高。借著觀測化學頻譜,可以分析恆星、星系和星雲的化學成份。

理論天體物理學家的工具包括分析模型電腦模擬。天文過程的分析模型時常能使學者更深刻地理解內中奧妙;電腦模擬可以顯現出一些非常復雜的現象或效應。

大霹靂模型的兩個理論棟梁是廣義相對論宇宙學原理。由于太初核合成理論的成功和宇宙微波背景輻射實驗證實,科學家確定大霹靂模型是正確無誤。學者又創立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化,這模型涵蓋了宇宙膨脹(cosmic inflation)、暗能量、暗物質等等概念。

理論天體物理學家及實測天體物理學家分別扮演這門學科當中的兩大主力研究者,兩者專業分工。理論天體物理學家通常扮演大膽假設的研究者,理論不斷推陳出新,對于資料的驗證關心程度較低,假設程度太高時,經常會演變成偽科學,一般都是天體物理學研究者當中的激進人士。

實測天體物理學家通常本身精通理論天體物理,在相當程度上來說也有能力自行發展理論,扮演小心求證的研究者,通常是物理實證主義的奉行者,隻相信觀測資料,經常對理論天體物理學所提出的假說進行證偽或證實的活動,一般都是天體物理學研究者當中的保守人士。

銀河系有一、二千億顆恆星,其物理狀態千差萬別。球狀體、紅外星、天體微波激射源、赫比格一阿羅天體,可能都是從星際雲到恆星之間的過渡天體。

金牛座T型變星光變不規則,沒有固定的周期;新星爆發時拋出大量物質,光度急驟增加幾萬到幾百萬倍;有的紅巨星半徑比太陽半徑大1000倍以上;白矮星的密度為每立方釐米一百公斤到十噸,中子星密度更高達每立方釐米一億噸到一千億噸。

天體物理學天體物理學

各種各樣的恆星,為研究恆星的形成和演化規律提供了樣品。另外,天體上特殊的物理條件,在地球上往往並不 具備,利用天體現象探索物理規律,是天體物理學的重要職能。

通過各種觀測手段,人們的視野擴展到150億光年的宇宙"深處"。這就是"觀測到的宇宙",或稱為"我們的宇宙",也就是總星系

研究表明,宇宙物質由化學元素周期表中近百種化學元素和289種同位素組成。在不同宇宙物質中發現了地球上不存在的礦物和分子。

物理學的技術和方法分析來自天體的電磁輻射,可得到天體的各種物理參數。根據這些參數運用物理理論來闡明發生在天體上的物理過程,及其演變是實測天體物理學和理論天體物理學的任務。

理論物理學中的輻射、原子核、引力、電漿、固體和基本粒子等理論,為研究類星體、宇宙線、黑洞脈沖星、星際塵埃、超新星爆發奠定了基礎。

天體物理學天體物理學

天體上特殊的物理條件,在地球上往往並不具備,所以利用天體現象探索物理規律,是天體物理學的重要職能。

天體物理學的發展,促使天文觀測和研究不斷的出現新成果和新發現,使天體物理學不斷向廣度和深度發展。

分類

天體物理學從研究方法來說,可分為實測天體物理學和理論天體物理學。前者研究天體物理學 中基本觀測技術、各種儀器設備的原理和結構,以及觀測資料的分析處理,從而為理論研究提供資料或者檢驗理論模型光學天文學是實測天體物理學的重要組成部分。後者則是對觀測資料進行理論分析,建立理論模型,以解釋各種天象。同時,還可預言尚未觀測到的天體和天象。 天體物理學按照研究對象,可分為:

天體物理學天體物理學

太陽學科

太陽物理學

研究太陽表面的各種現象、太陽內部結構、能量來源、化學組成等。太陽同地球有著密切的關系。研究太陽對地球的影響也是太陽物理學的一個重要方面。

②太陽系物理學

研究太陽系內除太陽以外的各種天體,如行星、衛星、小行星、流星、隕星、彗星。行星際物質等的性質、結構、化學組成等。

恆星學科

③恆星物理學

研究各種恆星的性質、結構、物理狀況、化學組成、起源和演化等。銀河系的恆星有一、二千億顆,其物理狀況千差萬別。有些恆星上具有非常特殊的條件,如超高溫、超高壓、超高密、超強磁場等等,這些條件地球上並不具備。利用恆星上的特殊物理條件探索物理規律是恆星物理學的重要任務。④恆星天文學。 研究銀河系內的恆星、星團、星雲、星際物質等的空間分布和運動特徵,從而深入探討銀河系的結構和本質。

天體物理天體物理

④恆星天文學

星系學科

⑤行星物理學

⑥星系天文學

又稱河外天文學,研究星系(包括銀河系)、星系團、星系際空間等的形態、結構、運動、組成、物理性質等。

宇宙學科

⑦宇宙學

從整體的角度來研究宇宙的結構和演化。包括側重于發現宇宙大尺度觀測特征的觀測宇宙學和側重于研究宇宙的運動學和動力學以及建立宇宙模型的理論宇宙學。

⑧宇宙化學

⑨天體演化學

研究天體的起源和演化。對太陽系的起源和演化的研究起步最早。雖然已取得許多重要成果,但還沒有一個學說被認為是完善的而被普遍接受。恆星的樣品豐富多彩,對恆星的起源和演化的研究取得了重大進展,恆星演化理論已被普遍接受。對星系的起源和演化的研究還處于摸索階段。

天體物理學天體物理學

天體物理學的各分支學科是互相關聯、互相交叉的。隨著新技術、新方法、新理論的出現和套用,天體物理學中涌現了一些新的分支學科,如射電天文學、紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學等。天體物理學同其他學科也是互相交叉、互相滲透的。也出現了一些交叉性的學科,如天體化學、天體生物學等。

其他學科

⑩射電天文學

射電天文學是通過觀測天體的無線電波來研究天文現象的一門學科。由于地球大氣的阻攔,從天體來的無線電波隻有波長約1毫米到30米左右的才能到達地面,迄今為止,絕大部分的射電天文研究都是在這個波段內進行的。 射電天文學以無線電接收技術為觀測手段,觀測的對象遍及所有天體:從近處的太陽系天體到銀河系中的各種對象,直到極其遙遠的銀河系以外的目標。射電天文波段的無線電技術,到二十世紀四十年代才真正開始發展。

⑪空間天文學

通過在高層大氣和大氣外層空間進行天文探測,收集資料,進行天文研究的學科。天文學和空間科學的邊緣學 科。天體在不斷發出r射線X射線、紫外、可見光、紅外、射電波等不同波長的電磁波,但隻有可見光和它兩側的近紅外光、近紫外光,1毫米至30米的射電波,以及紅外波段中的幾小段波長區間的輻射能到達地面,其餘都被地球大氣吸收或反射了。人造衛星上天後,人們得以完全克服地球大氣的屏障,開始了對天體整個電磁波段的觀測,導致了空間天文學的誕生。空間天文學採用高空飛機、平流層氣球、探空火箭、人造地球衛星、行星際探測器、航天器等各種運載工具。20世紀60年代以後,對太陽系天體的空間探測成果豐碩:阿波羅飛船6次把宇航員送上月球,進行了實地考察;行星際探測器多次實現了對水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星的考察,有許多重大發現,還獲得了行星際空間有關太陽風、行星際介質、行星際磁場等的大量珍貴資料。

⑫高能天體物理學

天體物理學的一個分支學科。主要任務是研究天體上發生的各種高能現象和高能過程。它涉及的面很廣,既包括有高能粒子(或高能光子)參與的各種天文現象和物理過程 ,也包括有大量能量的產生和釋放的天文現象和物理過程。最早,高能天體物理學主要限于宇宙線的探測和研究,真正作為一門學科是20世紀60年代後才建立起來的。60年代以後 ,各種新的探測手段套用到天文研究中,一大批新天體、新天象的發現,使高能天體物理學得到了迅速發展。高能天體物理學的研究對象包括類星體和活動星系核、脈沖星、超新星爆發、黑洞理論、X射線源、γ射線源、宇宙線、各種中微子過程和高能粒子過程等等。

此外﹐在某些天體上﹐例如類星體和脈沖星等﹐也有一些高能過程。它們都是高能天體物理學的研究對象。高能天體物理學已經取得一些重要表現在以下幾個方面﹕對于在恆星上可能發生的中微子過程作了開創性的研究﹐發現光生中微子過程﹑電子對湮沒中微子過程以及電漿激元衰變中微子過程等﹐對晚期恆星的演化有重要的影響﹔對太陽中微子的探測發現實驗值與理論值有較大的差距﹔關于超新星的爆發機製﹐提出了一種有希望的理論﹔超新星爆發可能是宇宙線的主要源泉﹔在宇宙線中探測到一些能量大于 10電子伏的超高能粒子﹐中國科學院原子能研究所雲南站在1972年發現一個可能是質量大于1.8×10克的荷電粒子﹔發現星系核的爆發現象和激烈的活動現象。

起源

利用理論物理方法研究天體的物理性質和過程的一門學科。1859年﹐基爾霍夫根據熱力學規律解釋太陽光譜的夫琅和費線﹐斷言在太陽上存在著某些和地球上一樣的化學元素﹐這表明﹐可以利用理論物理的普遍規律從天文實測結果中分析出天體的內在性質﹐是為理論天體物理學的開端。理論天體物理學的發展緊密地依賴于理論物理學的進步﹐幾乎理論物理學每一項重要突破﹐都會大大推動理論天體物理學的前進。二十世紀二十年代初量子理論的建立﹐使深入分析恆星的光譜成為可能﹐並由此建立了恆星大氣的系統理論。三十年代原子核物理學的發展﹐使恆星能源的疑問獲得滿意的解決﹐從而使恆星內部結構理論迅速發展﹔並且依據赫羅圖的實測結果﹐確立了恆星演化科學理論。1917年愛因斯坦用廣義相對論分析宇宙的結構﹐創立了相對論宇宙學。1929年哈勃發現了河外星系的譜線紅移與距離間的關系﹐以後人們利用廣義相對論的引力理論來分析有關河外天體的觀測資料﹐探索大尺度上的物質結構和運動﹐這就形成了現代宇宙學。

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發展

從公元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯目測恆星光度起,中間經過1609年伽利略使用光學望遠鏡觀測天體,繪製月面圖,1655~1656年惠更斯發現土星光環和獵戶座星雲,後來還有哈雷發現恆星自行,到十八世紀老赫歇耳開創恆星天文學,這是天體物理學的孕育時期。

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十九世紀中葉,三種物理方法--分光學、光度學和照相術廣泛套用于天體的觀測研究以後,對天體的結構、化學組成、物理狀態的研究形成了完整的科學體系,天體物理學開始成為天文學的一個獨立的分支學科。

天體物理學的發展,促使天文觀測和研究不斷出現新成果和新發現。1859年,基爾霍夫對太陽光譜吸收線(即夫琅和費譜線)作出科學解釋。他認為吸收線是光球所發出的連續光譜太陽大氣吸收而成的,這一發現推動了天文學家用分光鏡研究恆星;1864年,哈根斯用高色散度的攝譜儀觀測恆星,證認出某些元素的譜線,以後根據多普勒效應又測定了一些恆星的視向速度;1885年,皮克林首先使用物端棱鏡拍攝光譜,進行光譜分類。通過對行星狀星雲和彌漫星雲的研究,在仙女座星雲中發現新星。這些發現使天體物理學不斷向廣度和深度發展。

1905年,赫茨普龍在觀測基礎上將部分恆星分為巨星和矮星;1913年,羅素按絕對星等與光譜型繪製恆星分布圖,即赫羅圖;1916年,亞當斯和科爾許特發現相同光譜型的巨星光譜和矮星光譜存在細微差別,並確立用光譜求距離的分光視差法。

在天體物理理論方面,1920年,薩哈提出恆星大氣電離理論,通過埃姆登、史瓦西、愛丁頓等人的研究,關于恆星內部結構的理論逐漸成熟;1938年,貝特提出了氫聚變為氨的熱核反應理論,成功地解決了主序星的產能機製問題。

1929年,哈勃在研究河外星系光譜時,提出了哈勃定律,這極大地推動了星系天文學的發展;1931~1932年,央斯基發現了來自銀河系中心方向的宇宙無線電波;四十年代,英國軍用雷達發現了太陽的無線電輻射,從此射電天文蓬勃發展起來;六十年代用射電天文手段又發現了類星體、脈沖星、星際分子、微波背景輻射。

1946年美國開始用火箭在離地面30~100公裏高度處拍攝紫外光譜。1957年,蘇聯發射人造地球衛星,為大氣外層空間觀測創造了條件。以後,美國、西歐、日本也相繼發射用于觀測天體的人造衛星。世界各國已發射數量可觀的宇宙飛行器,其中裝有各種類型的探測器,用以探測天體的紫外線、x射線、γ射線等波段的輻射。從此天文學進入全波段觀測時代。

研究

太陽是離地球最近的一顆普通恆星。對太陽的研究,經歷了從研究它的內部結構、能量來源、化學組成和靜態表面結構,到使用多波段電磁輻射研究它的活動現象的過程。太陽風的影響能夠為我們直接感受。日地關系密切,所以研究有關地球的科學,必須考慮太陽的因素。

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對行星的研究是天體物理學的一個重要方面。近二十年來,對彗星的研究以及對行星際物質的分布、密度、溫度、磁場和化學組成等方面的研究,都取得了重要成果。隨著空間探測的進展,太陽系的研究又成為最活躍的領域之一。

特殊恆星更是多種多樣:造父變星的光變周期為1~50天,光變幅為0.1~2個星等;長周期變星的光變周期為90~1000天,光變幅為2.5~9個星等;天琴座RR型變星的光變周期為0.05~1.5天,光變幅不超過1~2個星等;金牛座 T型變星光變不規則各種各樣的恆星,為研究恆星的形成和演化規律提供了樣品。另外,天體上特殊的物理條件,在地球上往往並不具備,利用天體現象探索物理規律,是天體物理學的重要職能。

通過多年研究,人們對銀河系的整體圖像以及太陽在銀河系中的地位,有了比較正確的認識。銀河系的直徑為十萬光年,厚兩萬光年。通過對銀河系恆星集團的研究,建立和證實了星族和銀河系次系等概念。對銀河系自轉、旋臂結構、銀核和銀暈也進行了大量研究。

河外星系與銀河系屬于同一天體層次。星系按形態大致分為五類:旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系、橢圓星系、不規則星系。按星系的質量大小,又可分為矮星系、巨星系、超巨星系,它們的質量依次約為太陽的一百萬到十億倍、幾百億倍和萬億倍以上。同銀河系一樣,星系也由恆星和氣體組成三、五個、十來個、幾十個以至成百上千個星系組成星系集團,稱星系群、星系團。

二百多年來,關于太陽系的起源和演化問題已提出四十多種學說,但至今還沒有一個學說被認為是完善的而被普遍接受。近三十年來這方面有了很大進展,大多數天文學家贊成的恆星演化學說是所謂的"彌漫說",但也有少數人認為恆星是由超密物質轉化而成的。

除了宇宙線的粒子探測、隕石的實驗室分析、宇宙飛行器對太陽系天體的實地採樣和分析,以及尚在努力探索中的引力波觀測之外,關于天體的信息都來自電磁輻射。天體物理儀器的作用是對電磁輻射進行收集定位、變換和分析處理。電磁輻射的收集和定位是由望遠鏡(包括射電望遠鏡)來實現的。

從輻射的連續譜可以判斷輻射的機製,還可以得知天體的表面溫度;從早型星的巴耳末系限上的跳變,可以得知天體的表面壓力;由UBV測光系統也可粗略地確定恆星的光度和溫度值。從線譜可以獲得更多的信息:視向速度、電子溫度、電子密度、化學組成、激發溫度端流速度。對雙星的觀測研究,可以得到天體的半徑、質量和光度等重要資料。研究脈動變星的光變周期與光度之間的關系,可以確定天體的距離。

輻射轉移理論是解釋已知天象的有力工具,而且還可以預言尚未觀測到的天體和天象。以輻射轉移理論為基礎建立的恆星大氣理論,以熱核聚變概念為基礎發展起來的元素合成理論、恆星內部結構理論和天體演化理論,乃是理論天體物理學的基礎。

人類對宇宙的認識不斷擴大,不僅使人們愈來愈深入地了解宇宙的結構和演化規律,同時也促使物理學在揭示微觀世界的奧秘方面取得進展。氮元素就是首先在太陽上發現的,過了二十五年後才在地球上找到。熱核聚變概念是在研究恆星能源時提出的。由于地面條件的限製,某些物理規律的驗證隻有通過宇宙這個"實驗室"才能進行。六十年代天文學的四大發現--類星體、脈沖星、星際分子、微波背景輻射,促進了高能天體物理學、宇宙化學、天體生物學和天體演化學的發展,也向物理學、化學、生物學提出了新的課題。

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