天文学：你需要知道的一切

　　据美国太空网（杰米·卡特）：天文学是最古老的科学学科之一，从最初用肉眼数星星和绘制星座图发展到今天我们看到的令人印象深刻的人类技术能力展示。

　　尽管天文学已经取得了几千年的进步，天文学家仍然在努力理解宇宙的本质和人类在其中的地位。随着我们对宇宙的理解随着我们不断扩展的技术能力而增长，这个问题只会变得更加复杂。

　　随着天空的深度在我们越来越复杂的望远镜面前打开，敏感的探测器使我们能够发现最奇怪的信号类型，我们祖先凝视的布满星星的天空变成了一个令人难以置信的物体动物园，包括黑洞、白矮星、中子星和超新星。

　　与此同时，激发早期天空观察者想象力的二维星座变成了一种光学幻觉，在这背后，星系在时空中疾驰的漩涡揭示了一个始于大约138亿年前大爆炸的故事。

　　这是天文学的故事和我们对宇宙的理解是如何演变的。

　　天文学常见问题

　　什么是天文学？

　　天文学利用数学、物理和化学来研究天体和天体现象。

　　天文学的四种类型是什么？

　　天文学不能只分为四种。它是一个广泛的学科，包含许多子领域，包括观测天文学、理论天文学、行星科学、天体物理学、宇宙学和天体生物学。

　　你在天文学方面研究什么？

　　研究天文学的人探索宇宙的结构和起源，包括恒星、行星、星系和存在于其中的黑洞。天文学家的目标是通过理论和观察来回答关于我们宇宙的基本问题。

　　天文学史:开端

　　今天，地球上的大多数公民生活在不可避免的现代城市灯光的包围中，很难想象为古老部落和早期文明照亮夜晚的原始星空的令人敬畏的存在。从观察天空在我们的生活中扮演的角色，我们可以猜测我们的祖先是如何被这一壮观景象吸引的。

　　古老的纪念碑，如英国有5000年历史的巨石阵，是为了反映太阳在天空中的行程而建造的，这有助于记录时间，并在一个完全依赖季节的时代组织生活。描绘月亮和星星的艺术作品可以追溯到几千年前，例如“世界上最古老的星图”，青铜时代的内布拉圆盘。

　　根据欧洲航天局(ESA)的说法，公元前1000年左右的古代亚述-巴比伦人系统地观察和记录了天体的周期性运动，类似的记录也存在于中国早期。事实上，根据俄勒冈大学的说法，天文学可以被认为是第一门科学，因为它是最古老的书面记录存在的一门科学。

　　古希腊人将观天提升到了一个新的高度。萨摩斯的阿里斯塔克斯第一次(非常不准确地)试图计算出地球到太阳和月亮的距离，希帕克有时被认为是经验天文学之父，只用肉眼就记录了800多颗恒星的位置。根据欧空局的说法，他还开发了沿用至今的亮度标度。

　　一张Nebra圆盘的照片，这是已知最早描绘夜空的人工制品之一。Nebra圆盘估计有3600年的历史，是已知描绘夜空的最古老的人工制品之一。(图片鸣谢:uux.cn/弗兰克·文森茨)

　　天文学的历史:望远镜的到来

　　在中世纪，天文学在亚洲和伊斯兰世界继续发展。伊斯兰学者在古希腊知识的基础上不断发展，扩大了希帕克引入的目录。据欧空局称，他们还开发了测量天空中物体位置的新工具，如象限和六分仪。

　　然而，人类探索宇宙的第一次真正突破是在17世纪望远镜的发明。意大利天文学家伽利略·伽利雷是这项技术的早期采用者和开发者，这使他在了解我们的太阳系方面取得了重大进展。

　　被伟大的阿尔伯特·爱因斯坦称为“现代科学之父”的伽利略能够绘制月球表面的草图、发现木星的主要卫星、发现太阳黑子等等，都要归功于望远镜。

　　望远镜的发明推动了天文学的发展。尽管天主教会反对，但地球不是宇宙的中心，而是与其他行星及其卫星一起围绕太阳运行的观点再也不能被否认了。

　　当时天文学在帮助海员和旅行者在全球航行中发挥了关键作用，因此，首先，政府资助的天文台，巴黎天文台和皇家格林威治天文台分别于1667年和1675年建立，目的是建立更精确的恒星地图。

　　18世纪，天文学家第一次设法计算出附近恒星的距离，为恒星目录增加了第三维度。

　　根据欧空局的说法，19世纪摄影技术的出现简化了夜空的制图，恒星位置目录从几千颗恒星迅速增长到数万颗恒星。第一张月球和太阳的照片发表于19世纪40年代，大约十年后，第一颗恒星织女星的图像也随之发表。

　　光谱学是一门分析物质根据其化学成分将光分成不同波长的能力的学科，它的发现在19世纪下半叶开辟了新的完全意想不到的天文学研究途径。利用光谱学，天文学家可以研究天体的化学成分，首先是附近的天体，如月亮和太阳，然后是更远的天体，包括其他恒星甚至星系。突然之间，天文学不仅是关于事物在宇宙中的位置，而且是关于它们是由什么组成的。

　　着名天文学家伽利略·伽利雷在威尼斯展示他的望远镜。(图片鸣谢:uux.cn欢迎图片)

　　天文学史:现代的繁荣

　　自20世纪初以来，伴随着世界见证的火箭般飞速的技术进步，天文学家们看得更远、分析得更精确的能力也在不断提高。

　　20世纪初，望远镜技术的快速进步让天文学家第一次质疑银河系是宇宙的同义词，还是只是散布在太空中的众多星空宇宙中的一个。美国天文学家埃德温·哈勃在20世纪20年代解决了这个问题，当时他首先设法分辨出仙女座星云(今天被称为仙女座星系)中的单个恒星，并最终计算出它们离地球的距离。这些恒星比我们银河系中的任何其他恒星都要遥远得多，以至于哈勃断定仙女座就是它自己的银河系。一个新的、更加深邃的宇宙突然展现在天文学家的眼前。

　　其他“星云”很快被证实是星系。据《科学新闻》报道，十年内，天文学家意识到这些星云离地球越远，速度越快。这一发现导致了这样一种观点，即宇宙可能是从最遥远的过去创造它的大爆炸开始膨胀的。生活大爆炸理论诞生了。

　　第二次世界大战进一步加速了技术进步，开创了太空飞行和从太空探索宇宙的时代。仅仅几十年前还是科幻小说的东西正在迅速变成现实。

　　1957年，苏联发射了第一颗人造卫星Sputnik。从那时起，越来越多复杂的科学仪器将被安装在卫星上，地球周围轨道环境的图像将开始出现。1962年，美国宇航局的水手2号成为第一艘访问另一颗行星金星的航天器，1964年，第一颗射电天文卫星，英国的Ariel 2号，进入轨道。

　　20世纪60年代的太空竞赛随着阿波罗计划的成功登月而达到高潮。地球上的科学家第一次可以将来自另一个天体的原始岩石块握在手中。前苏联庆祝了自己在月球漫游车Lunokhod上取得的成功，该月球车用其搭载的仪器分析了25份月球土壤样本。

　　据《美国》报道，1968年，美国宇航局发射了轨道天文台2号，绰号“观星者”，这是从太空研究更广阔宇宙的第一次尝试。今天。仅仅一年后，哈勃太空望远镜的计划开始成形，尽管将这台巨大的望远镜发射升空需要20多年的时间。

　　从那以后，数十个探测器被发射去研究太阳系中的天体，包括行星、彗星、卫星和小行星。太空望远镜，连同更强大的地面望远镜，已经揭示了星空的细节，这是古代部落成员永远无法想象的。

　　詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年圣诞节发射，代表了这一始于数千年前、从卑微的起点发展起来的永恒努力的顶峰。然而，天文学家看到的越多，问题就越多，而对于宇宙的本质和我们在宇宙中的位置这些重大问题的答案仍然难以捉摸。

　　1991年发射的哈勃太空望远镜推动了天文学研究。(图片来源:uux.cn/NASA)

　　天文学的类型

　　在过去的一个世纪左右，天文学大致分为两个阵营——观测天文学(使用望远镜和相机收集关于夜空的数据)和理论天文学(使用这些数据分析、建模和理论化物体和现象如何工作)。

　　它们相互补充，然而在这两大类中，现代天文学包括许多子集，从天体测量学到系外行星学，这些子集本质上重叠，但有助于解释天文学家做的许多事情。它们的含义如下:

　　天体测量学:天文学的这一古老分支涉及太阳、月亮和行星运动的精确计算。它包括日月食和流星雨的预测。它还包括外行星学，这是一个相对较新且非常令人兴奋的领域，致力于太阳系外行星的发现和特征描述。

　　行星天文学:太阳系是如何形成的？这是贯穿行星天文学的中心问题，行星天文学主要研究太阳系中行星、卫星和其他天体的形成、演化和死亡，也包括行星地质学。

　　天体物理学:天体物理学家将物理学的定律和理论应用于天文观测。这是一种尝试，旨在理解宇宙是如何被创造的，以及它是如何演变的。

　　天体化学:天体化学家研究太空中原子、分子和离子的组成和反应。

　　天体生物学:这个新兴的、目前主要是理论性的天文学领域是对地球以外生命的研究。

　　恒星天文学:研究太阳和恒星的生命周期和结构，恒星天文学涉及恒星的分类和恒星的数量。

　　银河天文学:天文学家研究我们的星系——银河系，而河外天文学家则在银河系之外窥视，以确定这些恒星群是如何形成、变化和消亡的。

　　宇宙学:虽然它有时被用来指天文学，但严格来说，宇宙学指的是宇宙的起源和性质的科学。宇宙学中的关键概念是大爆炸理论，这是关于宇宙起源的最广泛接受的解释。宇宙学还包括纯理论学科，包括弦理论、暗物质和暗能量，以及多重宇宙的概念。

　　创造形象的支柱的并排比较。来自哈勃的左图显示了巨大的滚滚尘埃羽，一些恒星穿透了背景，而右边的JWST图像显示了一个“更清晰”的视图，显示了尘埃云中更高的对比度和更多的恒星穿过尘埃和背景。创造的标志性支柱。左边是哈勃太空望远镜的照片，右边是詹姆斯·韦伯太空望远镜的照片。(图片鸣谢:uux.cn、NASA、ESA、CSA、STScI约瑟夫·德帕斯夸莱(STScI)，安东·m·科克莫尔(STScI)，艾丽莎·帕甘(STScI)。)

　　什么是光学、红外和射电天文学？

　　所有天文学都是研究不同波长的电磁波谱，包括无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。为了全面了解那里的情况，天文学家需要研究各种波长的光。

　　光学天文学是利用观察可见光的望远镜研究天体。红外光可以在地球大气层之外被探测到，所以像哈勃太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的太空天文台也可以探测到。射电天文学是用无线电频率研究天空；射电望远镜探测并放大来自太空的无线电波。

　　这个平方公里的阵列位于澳大利亚，将依靠130，000个类似圣诞树的偶极天线来监听来自最遥远宇宙的物体发出的无线电波。(图片鸣谢:uux.cn/SKAO)

　　天文学的问题是

　　无论天文学家如何观察宇宙，他们只能得到他们所研究的行星、恒星和星系的快照。因此，虽然天文学有几十个不同的分支，但在实践中，许多分支必须重叠，天文学家才能尽可能全面地了解存在了数百万至数十亿年的天体。

　　我们正处于一些令人激动的新技术的尖端，这些技术看起来将会彻底改变天文学。除了詹姆斯·韦伯太空望远镜，一系列突破性的地面望远镜也将在十年内上线，包括薇拉·鲁宾天文台全天巡天望远镜、超大型望远镜和世界上最大的射电望远镜平方公里阵列。

　　天文学家们即将看到更深的太空，以观察以前从未见过的区域和物体。

　　天文学和占星术的区别

　　占星术和天文学有着相同的起源，但在过去的几个世纪里，它们分道扬镳。(图片来源:公共领域图片/uux.cn/Andrea ST ckel)

　　天文学和占星术起源相同。古代文明和早期部落相信天空主宰着他们的生活，通过观察天体的运动，人们可以了解未来。

　　这两个学科之间的紧密联系延续了数千年。根据天文学家的说法，在文艺复兴时期，天文学家经常被聘为君主的私人顾问，根据恒星和行星的位置为决策提供建议。

　　但是随着科学方法在随后的几个世纪里越来越强大，天文学和占星术已经分离了。虽然天文学已经成为严肃的数据驱动的观察和依赖最尖端技术的可验证预测的领域，但占星术却被降低到新时代的迷信领域，教育程度低得多的未来预测者使用玻璃晶体和简单的星图来预测一个人的生活轨迹。

　　事实上，天文学家指出，由于地球轨道的不规则性，太阳在黄道十二宫中的位置不再与太阳的实际位置相匹配，而黄道十二宫是西方占星术的支柱，并在几个世纪前被确定。所以，虽然你可能被告知你出生在金牛座，但实际上你可能出生在白羊座。