第1章天文学概述科学中最早建立起来的两个学科，据说是天文学和医学。原因很明显，大自然中最显著的变化就是天空的一明一暗；人生在世，人最关心的就应该是自己的身体。
不断有人在问、在定义，什么是科学？答案还真的不需要有多么“高大上”。从哲学的角度来说，科学就是“真、善、美”；从认识世界的角度来说，科学就是去认识、学习和掌握事物的规律；如果单单从日常生活的角度来说，科学就是简单、合理地去处理事情。不是吗？如果你做了一件很漂亮的事情，使用了一种很合理有效的方法，那你得到的评价一定会是——你做得很科学！
天文学是很古老。我们从人们习惯的动作和语言就能够感受得到——当我们对事物无从下手、无法决定时，我们会说： “听天由命吧！”当我们做事久了，有些困倦或者是劳乏时，我们的“下意识”的动作，是张开双手，抬头看天！无论我们是否从“老天爷”那里有没有得到眷顾；不管我们能不能依靠浩瀚的天空，当我们平静下来思考时，肯定会去想关于老天、关于天文学的问题。为什么会有白天和黑夜？为什么每晚的星空会是不一样的？我们生活的地球是怎样的结构？它在浩瀚的宇宙中占有什么地位？照耀我们的太阳为什么会发光？天上的星星真的都和太阳一样吗？什么是太阳系？什么是银河系？宇宙有限还是无限？什么东西组成了宇宙？……太多太多类似的问题被我们人类一代一代地问下来，但千百年来我们却始终悔而不倦地一遍又一遍地回答着。就是因为天文学是古老的，又是崭新的；是趣味的，又是充满哲理的，它永远引导着人们的好奇心，永远会有新的东西呈献在您的面前！
宇宙学家阿兰·古斯（Alan Harvey Guth，1947— ）说得好： “我常听人说，没有免费的午餐；可是，现在看来，宇宙本身就可能是一顿免费午餐。”对我们来说，这份午餐最大的价值，就是在宇宙这个大大的盘子衬托之下的，那份人类的好奇心！
1.1天文学研究的对象和内容〖*4/5〗1.1.1什么是天文学天文学是自然科学的基础学科，是人类认识宇宙的科学。人们主要是通过观察天体的存在、测量它们的位置、反演它们内在的物理性质，来研究它们的结构、探索它们的运动和演化的规律，扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。
主要依靠观测是天文学研究方法的基本特点。因而对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力的方向之一。宇宙中的天体浩瀚无际，宇宙中的天体数目繁多、种类数不胜数，而且天体距离我们越远看起来也越暗弱。因此，观测设备的能力越高，研究暗弱目标的能力就越强，人们的眼界就越能深入到前所未及的天文领域。
天文学的发展对于人类的自然观一直有着重大的影响。哥白尼(Nicolaus Copernicus，1473—1543)的日心说曾经为自然科学从神学中解放出来打开了一道大门；康德(Immanuel Kant，1724—1804)和拉普拉斯(Pierre Simon Laplace，1749—1827)关于太阳系起源的星云学说，在18世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口；哈勃（Hubble）和他的仙女座大星云为我们彻底打开了宇宙的大门；勒梅特(Georges Lematre)以及伽莫夫（Gamow）的宇宙大爆炸，让我们觉得宇宙并不是那么陌生；爱因斯坦（ Einstein）的相对论让我们知道了什么是物质的宇宙、什么是能量的宇宙……
物理学和数学对天文学的影响非常大，它们是进行天文学研究不可或缺的理论基础。而技术科学则为天文观测提供了良好的平台。
〖3〗天文知识基础——你想知道的天文学(第3版)〖2〗第1章天文学概述〖4〗1.1.2天文学研究的对象
图1.1天文学研究对象天文学所研究的对象（图1.1）涉及宇宙空间的各种星星和物体，大到月球、太阳、行星、恒星、银河系、河外星系以至整个宇宙，小到小行星、流星体以至分布在广袤宇宙空间中大大小小的尘埃粒子（星际介质）。天文学家把所有这些星星和物体统称为天体。从这个意义上讲，地球也是一个天体，不过天文学只研究地球的总体性质，一般不讨论它的细节。另一方面，人造卫星、宇宙飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，这些人造飞行器可以称为人造天体。
我们可以把宇宙中的天体由近及远分为几个层次：
（1） 太阳系天体。包括太阳、行星（其中包括地球）、行星的卫星（其中包括月球）、小行星、彗星、流星体及星际介质等。
（2） 银河系中的各类恒星和恒星集团。包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。太阳是银河系中的一颗普通恒星。
(3) 河外星系，简称星系。指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体系统，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星际介质。
（4） 恒星、星系以及宇宙的演化物。脉冲星、中子星、黑洞、类星体、γ射线暴等与宇宙的起源及演化密切相关的天体等。
天文学还从总体上探索目前我们所观测到的整个宇宙的起源、结构、演化和未来的结局，这是天文学的一门分支学科——宇宙学的研究内容。随着观测技术的不断进步，现代天文学研究的领域非常广泛，有许多非常热门的研究课题，如类星体的红移、引力的本质、脉冲星、黑洞、活动星系、X射线双星、γ射线源等。
1.1.3天文学分支
天文学中习惯于按研究方法和观测手段来进行分类（图1.2）。
图1.2天文学分支1. 按研究方法分类
天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。
（1） 天体测量学(astrometry)： 天体测量学是天文学中发展最早的一个分支，它主要是研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。利用天体测量方法取得的观测资料，不仅可以用于天体力学和天体物理学研究，而且具有应用价值，比如用以确定地面点的位置。
天体测量学的研究方法主要是通过研究天体投影在天球上的坐标，在天球上确定一个基本参考坐标系，来测定天体的位置和运动，这种参考坐标系，就是星表。在实际应用中，可用于大地测量、地面定位和导航。地球自转和地壳运动，会使天球上和地球上的坐标系发生变化。为了修正这些变化，建立了时间和极移服务，进而研究天体测量学和地学的相互影响。
天体测量学的主要分支有：
球面天文学——天球坐标的表示和修正；
方位天文学——基本天体测量、照相天体测量、射电天体测量、空间天体测量、参考坐标系的建立、天体运动的研究；
实用天文学——时间计量、极移测量、天文大地测量、天文导航；
天文地球动力学——地球自转、地壳运动等。
（2） 天体力学（celestial mechanics）： 天体力学主要研究天体的相互作用、运动和形状。牛顿万有引力定律和行星运动三定律的建立奠定了天体力学的基础，因此，牛顿（Isac Newton，1642—1727）是天体力学的创始人。今天，我们可以准确地预报日食、月食等天象，人造天体的发射和运行都与天体力学的发展是分不开的。
天体力学的主要分支有：
天体引力理论、N体问题、摄动理论；
太阳系内各天体的运动理论、轨道计算；
天体力学定性理论、天体运动和平衡问题；
天体力学方法、现代天体力学、星际航行动力学等。
（3） 天体物理学（astrophysics）： 天体物理学应用物理学的理论、方法和技术来研究各类天体的形态、结构、分布、化学组成、物理状态和性质以及它们的演化规律。18世纪英国天文学家威廉·赫歇尔（Frederick Wilhelm Harschel，1738—1822）开创了恒星天文学。19世纪中叶，随着天文观测技术的发展，天体物理成为天文学一个独立的分支学科，并促使天文观测和研究不断作出新发现和新成果。
天体物理学按照研究方法分为实测天体物理学、理论天体物理学。
天体物理学按照研究对象分为： 太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、天体演化学等。
天体物理学涉及的边缘学科很多，主要有天体化学、天体生物学等。
2. 按观测手段分类
天文学按观测手段分为光学天文学、射电天文学、红外天文学、空间天文学等。
（1） 光学天文学： 主要观测手段是电磁辐射中的光学波段（400～760纳米）。是人类最早的天文观测手段，也是天体电磁辐射通过地球大气层的主要窗口。观测工具从肉眼到光学望远镜，用来分析天体光学波段的物理、化学性质。
（2） 射电天文学： 通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。美国无线电工程师央斯基（Karl Guthe Jansky，1905—1950）开创了射电天文学。20世纪60年代的四大天文发现： 类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射，都是用射电天文手段获得的。
（3） 红外天文学： 波段的范围在0.7～1000微米之间的电磁波，是重要的天体观测窗口。
（4） 空间天文学： 地球大气对电磁波有严重的吸收，在地面上只能进行射电、可见光和部分红外波段的观测。大气层外观测的空间望远镜（space telescope）标志着空间天文学进入了全面发展的阶段。
其他更细分的学科还有： 天文学史、业余天文学、宇宙学、星系天文学、超星系天文学、远红外天文学、γ射线天文学、高能天体天文学、无线电天文学、太阳系天文学、紫外天文学、X射线天文学、天体地质学、等离子天体物理学、相对论天体物理学、中微子天体物理学、大地天文学、行星物理学、宇宙磁流体力学、宇宙化学、宇宙气体动力学、月面学、月质学、运动学宇宙学、照相天体测量学、中微子天文学、方位天文学、航海天文学、航空天文学、河外天文学、恒星天文学、恒星物理学、后牛顿天体力学、基本天体测量学、考古天文学、空间天体测量学、历书天文学、球面天文学、射电天体测量学、射电天体物理学、实测天体物理学、实用天文学、太阳物理学、太阳系化学、星系动力学、星系天文学、天体生物学、天体演化学、天文地球动力学、天文动力学等。
1.2天文学与人类社会
可能有人会问，既然天文学的研究对象是星星、太阳、月亮，那么天文学和我们地球上人类的生活、工作又有什么关系呢？其实，作为一门基础研究学科，目前天文学学科研究的许多内容，在较短的时间跨度内与我们人类似乎关系不大。比如，银河系如何运动这类基本问题的研究显然同我们生活没有什么关系。但是，另一方面，天文学家的工作在不少方面又是同人类社会密切相关的。图1.3给出了与天文学相关的一些领域。
图1.3天文学相关领域
人类的生活和工作离不开时间，而昼夜交替、四季变化的严格规律须由天文方法来确定，这就是时间和历法的问题。如果没有全世界统一的标准时间系统，没有完善的历法，人类的各种社会活动将无法有序进行，一切都会处在混乱之中。
人类已经进入空间时代。发射各种人造地球卫星、月球探测器或行星探测器，除了技术保证外，这些飞行器要按预定目标发射并取得成功，离不开它们运动轨道的计算和严格的时间表安排，而这些恰恰正是天文学在发挥着不可替代的作用。
太阳是离我们最近的一颗恒星，它的光和热在几十亿年时间内哺育了地球上的万物，其中包括人类。太阳一旦发生剧烈活动，对地球上的气候、无线电通信、宇航员的生活和工作等将会产生重大影响，天文学家责无旁贷地承担着对太阳活动的监测、预报工作。不仅如此，地球上发生的一些重大自然灾害，比如地震、厄尔尼诺现象（图1.4）图1.4厄尔尼诺现象与地球自转有关
等也可能与太阳有关。（目前，科学家已经明白厄尔尼诺现象与地球甚至太阳有关，但是，还没有充分的证据表明，这些天文现象和厄尔尼诺现象之间是怎样的因果关系。就是说，它们之间哪个是“因”、哪个是“果”，读者如果有兴趣，可以尝试自己查找资料研究一下。）天文学家的努力也在为防灾、减灾作出自己的贡献。
特殊天象的出现，比如日食、月食、流星雨等，现代天文学已可以作出预报，有的已可以作长期准确的预报。
1.2.1天文学的哲学意义
天文学对人类发展的影响首推天文学的哲学意义！
天文学的哲学意义，从人类认识宇宙的几次大飞跃中就能够体现出来。
第一次大飞跃是人们认识到地球是球形的，日、月、星辰远近不同，它们的运动都有规律可循。观测它们的位置可以制成星表，利用它们运动的规律性可以制定历法。古人往往凭主观猜测或幻想来看待天与地的各种问题，有些看法成了流传的神话故事，如我国的“盘古开天地”“嫦娥奔月”等。然而，经过长期观测和思考，人类逐渐形成了科学认识。例如，从月食时地球投到月球上的圆弧影子等现象推断大地为球形；用三角测量法测定太阳和月球的距离和大小等。公元2世纪，集当时的天文学成就，古希腊人托勒密（Claudius Ptolemaeus，约90—168）在其名著《天文学大成》中阐述了宇宙地心体系（地心说），认为地球静止地位于宇宙中心，大行星和恒星在各自的轨道上每天绕地球一圈。他试图运用数学的方法给天体以科学的描述，否认了上帝创造宇宙的传统理论，是人类哲学思想的飞跃。
第二次大飞跃是1543年哥白尼在名著《天体运行论》提出宇宙日心体系（日心说），形成了太阳系的概念。他论证了地球和行星依次在各自轨道上绕太阳公转；月球是绕地球转动的卫星，同时随地球绕太阳公转；日、月、星辰每天东升西落的现象是地球自转的反映；恒星比太阳远得多……正如书名中“revolution”一词有运行（绕转或公转）和革命的双关意思，从此自然科学便开始从神学中解放出来。17世纪初，伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）制成了天文望远镜，看到了月面，发现了木星的卫星，观察到了太阳黑子，从而极大地支持了“日心说”，开创了近代天文学。
第三次大飞跃是万有引力定律和天体力学的建立。开普勒(Johannes Kepler，1571—1630)分析第谷·布拉赫(Tycho Brahe，1546—1601)留下的行星观测资料，发现行星运动三定律；牛顿的名著《自然哲学的数学原理》给出了万有引力定律，奠定了天体力学的基础。哈雷（Edmund Helley，1656—1742）对彗星的研究、勒威耶(Urbain Jean Joseph Leverrier，1811—1877)和亚当斯(John Couch Adams，1819—1892)对海王星的发现，都说明人类的哲学思想和自然科学研究的共鸣。
第四次大飞跃是认识到太阳系有其产生到衰亡的演化史。在牛顿时代，人们认为自然界只是存在往复的机械运动，绝对不变的自然观占主导地位。打破僵化的自然观的人物是德国的哲学家康德和法国的数学家拉普拉斯，他们分别提出了太阳系起源的星云假说，阐述了科学的宇宙思想。
第五次大飞跃是建立银河系和星系的概念。美国科学院沙普利柯蒂斯(Harloy Shapley&Curtis)的大争论： 星云是河外的还是河内天体？是不是星系？哈勃(Edwin P. Hubble，1889—1953)通过测定M31星系中“造父变星”的距离，开创了河外星系天文学，大大扩展了人类的视野和宇宙观。
第六次大飞跃是天体物理学的兴起。19世纪中叶以后，照相术、光谱分析和光度测量技术相继应用于天文观测，导致天体物理学的兴起，认识到了恒星的化学组成以及恒星内部的物理结构，使人类的哲学思想进一步深化，认识宇宙的科学幻想得到了实现。
第七次大飞跃是时空观的革命。20世纪初期，爱因斯坦(Albert Einstein，1879—1955)创立了相对论，把时间、空间与物质及其运动紧密联系起来。打破了经典物理学的“绝对时空观”。阐述了“引力弯曲”“时间延长”“多维时空”等超出人类普通哲学思想的科学观念。完成了自然科学的彻底革命。
我们说哲学是科学的先导。天文学研究许多都是在哲学的导引下完成的。
1.2.2天文学对基础学科的作用
天文学是自然科学的基础学科，所以对其他学科具有联系和指导作用。
数学： 天体位置的确定，观测数据的处理都需要数学。所以天文学成为推动数学发展的动力。
物理： 经典力学体系的建立，万有引力定律的发现，是研究太阳系内天体运动的需要。
海王星的发现证实了万有引力定律。
水星凌日、黑洞、日食的观测验证了广义相对论。
物理学中极端条件下物理规律的验证只能依赖天体环境。天体物理学已经成为天文学的主流学科。
化学： He元素是天文学家在太阳大气光谱中首先发现的。同时研究宇宙中气体和尘埃的相互作用，可以揭晓元素形成的机制。天体化学(astrochemistry)已经是天文学中热门的科学。
生物： 天文学家通过研究不同天体环境中的生物分子，了解构成生命的组件的起源，这些生物分子如何构成生命，生命怎样与其诞生的环境互相影响，以及最终探究生命能否及怎样扩展到其他行星之外。
地外文明的探索，天文生物学 (astrobiology)、地外生物学(exobiology)等学科的兴起，都说明了生物学与天文学的密切联系。
气象： 最让人与天文学产生密切联想的就是气象学了。甚至许多人都搞不清天文学与气象学之间的区别。其实，天文学研究的“天”和气象学研究的“天”是两个完全不同的概念。天文学上的“天”是指宇宙空间，气象学上的“天”是地球大气层。天文学家研究地球大气层以外各类天体的性质和天体上发生的各种现象——天象；气象学家则研究地球大气层内发生的各种现象——气象。所以，预报日食、月食的发生和流星雨的出现是天文学家的事，而预报台风、高温、寒潮则是气象学家的职责。但是，天文学与气象学还是联结最紧密的学科。地球本身也是一个天体，地球大气影响天文观测，从某种意义上说天气决定了观测的成败(地面光学，红外)，例如大气扰动影响成像质量，大气折射影响观测精度等。天文对气象的影响也是很明显的： 地球绕太阳公转形成了地球上的四季（图1.5），月球对地球的引力作用形成了海水每天的潮涨潮落，地球上近年来对气候影响最大的厄尔尼诺现象就与地球自转的变化有关等。
图1.5地球绕日公转形成四季
1.2.3天文学对技术科学的推动作用
天文学是观测的科学，观测技术和观测水平的不断进步对天文学的发展起着关键的作用。天文望远镜的发明就是光学技术的伟大成果，而天文望远镜的发展更是推动了光学、机械和控制技术的发展。
天文信息的终端接收设备从肉眼到照相底片再到CCD(电荷耦合器件)，体现了人类获得外来信息能力的不断提升过程，对军事技术、航天工业、遥感技术以及人类日常生活都产生了重大的影响。
空间探测器的研究无疑推动了航空航天技术的发展。
1.2.4天文学对人类日常生活的影响
天文学是一门古老的学科，是一门观测的科学，在历史上它与人类的生产活动和日常生活密切相关，例如季节的变化、潮水涨落、野外方向的确定等。
天文学对工农业生产的作用体现在：
计量时间——制定时间标准，应用于尖端科学。所谓“差之毫厘，谬以千里”，时间精度的提高大大地支持了科学技术特别是航空、航天和军事技术的发展。
星表，年历的编制——服务于农业生产，航海，航空，航天，GPS精密定位等。
研究和预报太阳活动——飞船运行，卫星发射，通信保障等。越来越多的情况表明，太阳活动对人类生活影响的重要性。
精密定轨，测距——计算和控制卫星轨道，研究地月系演化。
天文高灵敏度探测器——遥感和军事上的应用等。