包邮简明天文学教程(第4版)

第1章 绪论 【本章简介】 本章主要介绍了天文学的研究对象、方法和特点，讨论了天文学对于人类生存和社会进步所具有的重要意义，简述了天文学学科分类以及发展简况，介绍了世界以及中国天文学发展的简史。 【本章目标】 > 了解天文学的研究对象、方法和特点。 > 了解天文学与相关学科的关系。 > 了解天文学研究的科学分支及发展情况。 > 了解国内外天文学发展简史。 1.1 概述 一、天文学的研究对象 天文学是以科学的方式，观测和研究宇宙中各个层次的结构形成与演化，乃至整个宇宙的起源与演化的学科，是六大自然科学的基础学科之一。它的研究对象是天体，即研究天体的位置和运动，研究天体的化学组成、物理状态和过程，研究天体的结构和演化规律，研究如何利用关于天体的知识来造福人类。 天文学和人类历史同样悠久。天文学的研究内容和许多概念，总是伴随着人类社会的文明和进步而不断发展的。因此，人们对天体的认识和理解，在不同历史时期是大不相同的。古代天文学无非是把日月星辰的视位置和视运动作为主要研究内容。现代则把天体作为宇宙间各种星体的总称，包括太阳、月亮、行星、卫星、彗星、流星体(群)、陨星、小行星、恒星、星云、星系、星团、星际物质、暗物质和暗能量等，所以天文学的研究对象也就是人类认识的宇宙。作为一颗行星的地球，本身也是一个天体，也是它的研究对象。但地球大气层以下的各个圈层则不属于天文学的研究范畴，而是地学的研究领域。 20世纪50年代人造地球卫星上天，使宇宙间又增添了人造天体。关于它们的运行轨道、运行状态也是天文学义不容辞的研究内容。 二、天文学的研究方法和特点 天文学以天体的观测作为基本的研究方法，所以，它与其他学科比较，天文学不是以室内实验为主，而是强调观测的科学。在望远镜发明以前，天文观测采用的是目视方法，直接观测天体在天空的视位置和视运动，另外也粗略地估计星星的亮度和颜色。17世纪以后相继有了光学望远镜、分光镜和光度计，不仅提高了天体位置观测的准确度，而且扩大了人们对宇宙的认识。到了20世纪，由于大口径望远镜的问世，使得人类探测宇宙的深度和广度与日俱增，不少模型、学说由观测得以证实，新天体、新发现大量涌现。20世纪30年代以后，人们越来越广泛地使用无线电方法研究天体和宇宙间的辐射，从而诞生了射电天文学。诸如类星体、脉冲星、星际有机分子、微波背景辐射等天文学新概念相继出现。20世纪50年代人造地球卫星发射成功，人类把观测范围由地面扩展到地外空间，天文学家可以自由地探测天体的各种辐射。现代，天文空间探测已经有了长足的发展，人类不仅把望远镜送上天，而且借助太空飞行器踏上月球，或把仪器送到其他行星上进行直接观测或实验。因此，尽管关于天文学是“被动观测的科学”的说法现在已经不很全面了，但大部分情况下我们还是不能主动去实验，只能被动地观测。所以观测在天文学研究中仍有其特殊的重要性。 天文观测还强调对天体进行全局、整体图景的综合研究。表现在观测上是全波段研究的方法，在整个电磁辐射多波谱上采用多种手段(如强度、偏振、谱等)的配合，甚至是异地同时的联合观测；在理论上强烈依赖模型和假设。由于观测结果的不确定性较大，概念的更新迅速，假说在新的观测基础上又不断被修正或推翻。所以天文学既是古老的学科，又是发展的学科。 天文学还需要把观测所获得的大量原始资料进行精“加工”。利用计算机进行理论分析，才能揭示出它们的本质，即利用数学、物理学以及其他学科的研究成果，通过理论分析、归纳、推理和综合等方法，得出有关天体的科学结论。反过来，它又促进了其他相关学科的发展。例如，宇宙间的超高温、超低温、超高压、超高速、超高磁场、超高密度、超高真空、强引力场、强辐射场等极端环境，只有借助近代物理学理论才能得到深入研究和科学解释，它是地球上所无法建造的特殊“实验室”。而正是这个宇宙“实验室”又推动了当代天体物理学的飞速发展，从而为物理学开辟了新的前沿。这也体现了观测数据积累、统计分析和样本研究的重要性。使天文学研究发生重大变化的另一个技术进步是快速互联网技术，这使得异地海量天文数据的交换和处理成为可能，使得观测数据具有巨大的科学产出的潜在意义。没有计算机，就没有现代天文学。 此外，天文学还具有大科学和大数据的特征，需要较大的投资强度，需要强有力的协调，需要观测设备和选址合适的天文台，需要全球范围的合作研究。 天文学研究方法还需要哲学观点的支持，因为哲学是关于世界观、宇宙观的科学，是自然科学知识和社会科学知识的概括和总结。天文学上一些重大变革常是世界观变革的先导，现代天文学的发展丰富了唯物辩证法的基本规律和范畴。 三、天文学研究的意义 天文学与任何其他科学一样，是为人类生产和生活服务的。不过，天文学的历史极为悠久。整个人类文明发展史证明，天文学对于人类生存和社会进步具有极其重要的意义。 1.时间服务 准确的时间不单是人类日常生活不可缺少的，而且对许多生产和科研部门更为重要。*早的天文学就是农业和牧业民族为了确定较准确的季节而诞生和发展起来的，而现代的一些生产和科研工作更离不开精确的时间。例如，某些生产、科学研究、国防建设和宇航部门，对时间精度要求精确到千分之一秒，甚至百万分之一秒，否则就会失之毫厘，差之千里。而准确的时间是靠对天体的观测获得并验证的。 2.在大地测量中的应用 对地球形状大小的认识是靠天文学知识获取的。确定地球上的位置离不开地理坐标，而测定地理经度和纬度，无论是经典方法还是现代技术，都属于天文学的工作内容。 3.人造天体的发射及应用 目前，人类已向宇宙发射了数以千计的人造天体，其中包括人造行星卫星、星际探测器和太空实验站等。它们已经广泛应用于国民经济、文化教育、科学研究和国防军事。仅就人造地球卫星而言，有通信卫星、气象卫星、测地卫星、资源卫星、导航卫星等，根据不同需要又有地球同步卫星、太阳同步卫星等。所有人造天体都需要精确地设计和确定它们的轨道、轨道对赤道面的倾角、偏心率等。这些轨道要素需要进行实时跟踪，才能保持对这些人造天体的控制和联系。这一切都得借助天体力学知识。 4.导航服务 天文导航是实用天文学的一个分支学科，它以天体为观测目标并参照它们来确定舰船、飞机和宇宙飞船的位置。早期的航海航空定位使用六分仪(测高、测方位)和航海钟，靠观测太阳、月亮、几颗大行星和明亮恒星，应用定位线图解方法来确定位置，其精度较低，且受地球上天气条件限制。随着电子技术的进步，已发展了多种无线电导航技术来克服这方面的缺陷。宇宙航行开始以后，为了确定飞船在空间的位置和航向，天文导航也有相当重要的作用。目前，全球卫星定位系统(简称GPS)技术的应用，使卫星导航更精确。卫星导航不仅普遍用于航天、航空、航海，而且还广泛用于陆面交通管理、嵌入电子地图和地理信息系统(简称GIS)的定位。 5.探索宇宙奥秘，揭示自然界规律 茫茫宇宙，深邃奥秘。随着对宇宙认识的深入，人类从宇宙中不断获得地球上难以想象的新发现。例如，19世纪初曾有位西方哲学家断言，恒星的化学组成是人类永远不可能知道的。但过了不久，由于分光学(光谱分析)的应用，很快知道了太阳的化学组成，其中的氦元素就是首先在太阳上发现的(1868年)，25年后人们才在地球上找到它。太阳何以会源源不断地发射如此巨大的能量，这也曾是科学家早就努力探索的课题。直到20世纪30年代有人提出氢聚变为氦的热核反应理论，才完满地解决了太阳产能机制问题。几十年后，人类在地球上成功地实验了这种聚变反应──氢弹爆炸。 20世纪60年代后，天文学中的四大发现(类星体、脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子)令人大开眼界：①类星体，现在天文学家对它已经了解，所谓类星体就是活动星系核(关于“活动星系核”将在第11章中介绍)。但人们发现当时只知道它是与恒星不同的、远离地球的特殊天体，在很长一段时间对它的本质是疑惑的。②脉冲星，是20世纪30年代曾预言的超高密态的中子星，其巨大引力可把电子牢牢束缚住，以致形成简并中子态，它的密度每立方厘米达数亿吨。③微波背景辐射，即弥漫全天的辐射，其相对应的温度约为绝对温度3K。现在已有证据表明它是原始的宇宙大爆炸以后，冷却到现在的残留余温。④星际有机分子，人类早已知道恒星之间的空间充满着星际物质，但在宇宙间居然发现了氨、甲酸、乙醇等较为复杂的有机分子，这就意味着宇宙空间可能存在由分子合成生命的过程。生命在宇宙的其他地方只要条件具备，就可生成和发展。21世纪是信息和航天时代，随着高科技的进步，地面和空间望远镜的发展，现代天文学突飞猛进。 通过对宇宙的探索，人类的认识能力是不断提高的。从地心说到日心说，从开普勒关于行星三大定律的发现到牛顿万有引力定律的建立，从哈勃发现星系红移规律到大爆炸宇宙理论的热门话题，一个接一个的宇宙奥秘被发现和揭穿。新发现的天体现象又成为了认识天体的新起点。新的观测事实如果与旧理论相矛盾，又促使人们去建立新的理论，探寻新的定律。天文学研究始终处于发现和探索未知世界的过程中。人类对未知世界的探索是推动天文学不断进步的动力。 6.天文与地学的关系 地球作为一颗普通的行星，运行于宇宙空间亿万颗星体之间，地球的形成、演化及重大地质历史事件无不与其宇宙环境有关。事实表明，地球本身记录了在地质历史时期所经历的天文过程的丰富信息。例如，地球自转变慢，就是通过古代珊瑚化石的研究证实的。珊瑚也像树木年轮那样具有“年带”。珊瑚每天周期性地分泌碳酸钙，在身上形成一条条“日纹”。3.2亿年前的珊瑚化石，每个年带含有400条日纹，表明那时地球一年自转400圈，说明那时地球自转比现在快得多，这与理论推算的结果也是吻合的。再例如，从地球上一些地质周期与天文周期的相关性研究，也说明天文与地学关系密切。 全球性冰期成因一直是科学家努力探讨的问题。据盖亚卫星的测量，太阳相对于银心的公转速度约为220km/s，绕银心旋转一圈所需的时间约为2.5亿年。在*近7亿年间，曾出现过三次大冰期，即震旦纪大冰期、晚古生代大冰期和第四纪大冰期，它们的时间间隔也正好是2.5亿～3.5亿年。目前大部分有关这方面的探讨文章均认为冰期成因与天文因素有关。其具体因果机制有三种观点：①有人认为，太阳系在银河系中运动，当太阳位于近银心点附近，万有引力常量G值减小，太阳光度变弱，导致地球上发生冰期。②还有人认为，银河系的物质密度分布不均，当太阳运行在银河系中物质密度较大的位置时，太阳光被遮蔽而导致冰期。③也有人认为地球运动三要素(轨道偏心率、黄赤交角、岁差)周期性改变是导致地球冰期的主要原因。通过对三个参量(即要素)变化的计算，可求知地质历史时期太阳对地球任何纬度的日照量，进而认为这三个参数的变化与地球上第四纪的亚冰期和间冰期有因果关系。 太阳绕银河系中心运转时，有在银河两侧往返运动的特征，其周期约为0.8亿年，即太阳系在银道面一侧的时间为0.4亿年。有趣的是在地质史上，从显生宙以来的构造运动，也表现出0.4亿年的周期。 地球上生物的发展和灭绝也可能与某些宇宙环境因素有关。*令人迷惑不解的地质历史事件莫过于中生代恐龙的灭绝了。目前已有较多的古生物学家和地质学家认为它与天文因素有关。导致恐龙灭绝的，除上述某些天文事件外，还可能有下列原因：①小行星或彗星撞击地球，骤然改变地表环境。②太阳活动加剧，耀斑大量爆发。当地球磁场改变(如磁极倒转)，使地球失去磁场屏障，太阳辐射粒子和宇宙线强烈袭击地球。③超新星爆发可释放宇宙间罕见的巨大能量。如果有靠近太阳系的超新星爆发，足以给地球造成灾难性的影响。 7.探索地外生命和地外文明 人类在探索宇宙奥秘过程中，对地外生命和地外文明的寻找是*令人神往的。科学家为了探索