天體物理學

天體物理學是應用物理學的技術、方法和理論，研究天體的形態、結構、化學組成、物理狀態和演化規律的天文學分支學科。

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

　　十九世紀中葉，三種物理方法——分光學、光度學和照相術廣泛應用于天體的觀測研究以后，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的吸收線(即夫瑯和費譜線)作出科學解釋。他認為吸收線是光球所發出的連續光譜被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恒星；1864年，哈根斯用高色散度的攝譜儀觀測恒星，證認出某些元素的譜線，以后根據多普勒效應又測定了一些恒星的視向速度；1885年，皮克林首先使用物端棱鏡拍攝光譜，進行光譜分類。通過對行星狀星云和彌漫星云的研究，在仙女座星云中發現新星。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恒星分為巨星和矮星；1913年，羅素按絕對星等與光譜型繪制恒星分布圖，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，并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，薩哈提出恒星大氣電離理論，通過埃姆登、史瓦西、愛丁頓等人的研究，關于恒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制問題。

　　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公里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。以后，美國、西歐、日本也相繼發射用于觀測天體的人造衛星。現在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。

　　天體物理學分為：太陽物理學、太陽系物理學、恒星物理學、恒星天文學、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。

　　太陽是離地球最近的一顆普通恒星。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。

　　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。

　　銀河系有一、二千億顆恒星，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，可能都是從星際云到恒星之間的過渡天體。

　　特殊恒星更是多種多樣：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，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；有的紅巨星的半徑比太陽半徑大1000倍以上；白矮星的密度為每立方厘米一百公斤到十噸，中子星密度更高達每立方厘米一億噸到一千億噸。

　　各種各樣的恒星，為研究恒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，在地球上往往并不具備，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。通過對銀河系恒星集團的研究，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，星系也由恒星和氣體組成三、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。

　　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。

　　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，目前大多數天文學家贊成的恒星演化學說是所謂的“彌漫說”，但也有少數人認為恒星是由超密物質轉化而成的。

　　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。

　　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采樣和分析，以及尚在努力探索中的引力波觀測之外，目前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制，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恒星的光度和溫度值。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、質量和光度等重要數據。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恒星大氣理論，以熱核聚變概念為基礎發展起來的元素合成理論、恒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。

　　理論物理學中的輻射、原子核、引力、等離子體、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。

　　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，過了二十五年后才在地球上找到。熱核聚變概念是在研究恒星能源時提出的。由于地面條件的限制，某些物理規律的驗證只有通過宇宙這個“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。