天文學

蟹狀星雲是一個超新星遺跡,圖為哈勃太空望遠鏡所攝的整合圖片

天文學是一門自然科學,它運用數學物理化學等方法來解釋宇宙間的天體,包括行星衛星彗星恆星星系等等,以及各種現象,如超新星爆炸伽瑪射線暴宇宙微波背景輻射等等。廣義地來說,任何源自地球大氣層以外的現象都屬於天文學的研究範圍。物理宇宙學與天文學密切相關,但它把宇宙視為一個整體來研究。[1]

天文學有著遠古的歷史。自有文字記載起,巴比倫、古希臘、印度、古埃及、努比亞伊朗中國瑪雅以及許多古代美洲文明就有對夜空做詳盡的觀測記錄。天文學在歷史上還涉及到天體測量學天文航海觀測天文學曆法的制訂,今天則一般與天體物理學同義。[2]

到了20世紀,天文學逐漸分為觀測天文學與理論天文學兩個分支。觀測天文學以取得天體的觀測數據為主,再以基本物理原理加以分析;理論天文學則開發用於分析天體現象的電腦模型和分析模型。兩者相輔相成,理論可解釋觀測結果,觀測結果可證實理論。

與不少現代科學範疇不同的是,天文學仍舊有比較活躍的業餘社群。業餘天文學家對天文學的發展有著重要的作用,特別是在發現和觀察彗星等短暫的天文現象上。

歷史

17世紀星圖,荷蘭製圖師 弗雷德里克·德·威特英语Frederik de Wit

早期天文學只能對肉眼可見的天體作預測。某些古代文化建造過可能具有天文觀測作用的巨大建築物,除了可以舉行儀式以外,還能用於判斷季節、耕收的日期以及一年的時長。[3]

在望遠鏡發明之前,人們只能用肉眼觀察夜空。在美索不達米亞古希臘波斯印度中國古埃及中美洲等地,人們開始建造天文台,思索宇宙的本質。早期天文學以記錄恆星和行星在天上的位置為主,今天這項範疇稱為天體測量學。在這些觀測的基礎上,開始萌發出有關行星的運動、日月地在宇宙中的地位等的哲學思想。不少文化把地球視為宇宙的中心,日月星辰皆繞地球旋轉,是為地心說[4]

巴比倫是最早利用數學和科學方法研究天象的文化,這為日後其他文化的天文研究奠下了基礎。[5]例如,巴比倫人發現月食會週期性發生,他們稱之為沙羅週期[6]

前3至前2世紀古希臘赤道式日晷,今阿富汗 阿伊-哈努姆英语Alexandria on the Oxus出土

接著巴比倫人研究天象的還有古希臘文化。古希臘天文學的特點在於用理性、基於現實的方法來解釋天文現象。[7]公元前3世紀,阿里斯塔克斯對日月的大小和距離進行估算,發表《論日月之大小及距離》(古希腊语Περὶ μεγεθῶν καὶ ἀποστημάτων ἡλίου καὶ σελήνης)一作,並首次提出太陽系日心說[8]公元前2世紀,喜帕恰斯發現了歲差現象,對月球的大小和距離進行了估算,發明了世界上最早的天文儀器──星盤[9]還彙編了含1020顆星的詳細星表。[10]安提基特拉機械(約前150至80年)是一部可計算日月行星在某一日的確切位置的模擬計算機。如此複雜的天文儀器,要等到14世紀歐洲人發明機械天文鐘後,才再次出現。[11]

中世紀期間(直到13世紀),歐洲天文學停滯不前。與此同時,伊斯蘭世界及其他文化的天文學則蓬勃發展(見中古伊斯蘭天文學)。9世紀初,伊斯蘭世界出現最早的天文台[12][13][14]964年,波斯天文學家阿左飛發現本星系群中最大的星系仙女座星系,並記錄在《恆星之書》中。[15]1006年爆發的超新星SN 1006是歷史記載中視星等最高的天體事件,埃及阿拉伯天文學家 阿里·伊本·里德萬英语Ali ibn Ridwan中國天文學家都有記載。在伊斯蘭世界對天文學有較大貢獻的還有:巴塔尼 泰比特英语Thābit ibn Qurra 阿布·馬沙爾英语Abu Maʿshar比魯尼 阿爾-宰尔嘎里英语Abū Ishāq Ibrāhīm al-Zarqālī 阿爾-比利安蒂英语Al-Birjandi,以及 馬拉蓋天文台英语Maragheh observatory 兀鲁伯天文台英语Ulugh Beg等等。這段時期伊斯蘭天文學家對恆星的命名,有不少至今仍在西方通用。[16][17]考古學家相信,在大津巴布韋廷巴克圖發現的建築遺跡[18]很有可能是天文台。[19]

科學革命

伽利略月球的素描。他發現月球表面佈滿了凹凸的山
歐洲早期天圖,約1000年

文藝復興期間,尼古拉·哥白尼提出太陽系日心說伽利略·伽利萊約翰內斯·開普勒再在哥白尼的基礎上進一步完善日心說。伽利略首次利用望遠鏡觀察天體,發現月球表面佈滿了凹凸的山,而不是光滑一片。1610年,伽利略發現木星的四顆衛星,這是對地心說的重大打擊。[20]

約翰內斯·開普勒是最早用科學定律正確解釋日心說的科學家,但他無法解釋這些定律背後的科學原理。[21]之後,伊薩克·牛頓發明天體力學萬有引力定律,才從根本上解釋了行星的運行。反射望遠鏡也是由牛頓所發明。[20]

英國天文學家約翰·佛蘭斯蒂德彙編的星表收錄了超過3千顆恆星。[22]隨著望遠鏡大小和質量的提高,天文學家陸續發現更多的星體和天文現象。法國天文學家尼可拉·路易·拉卡伊的星表收錄了將近1萬顆南天恆星。威廉·赫歇爾彙編了星雲、星團星表,並於1781年發現第七顆行星天王星。這是自遠古時期以來第一顆被發現的新行星。[23]1838年,弗里德里希·威廉·貝塞爾利用視差原理測量天津增廿九的距離,是為首次成功測得恆星的距離。[24]

18至19世紀,李安納·歐拉亞歷克西斯·克勞德·克萊羅讓·勒朗·達朗貝爾研究三體問題,對月球和行星的運行作出了更準確的預測。約瑟夫·拉格朗日皮耶爾-西蒙·拉普拉斯在此基礎上,從衛星和行星的軌道擾動推算出它們的質量。[25]

光譜儀天文攝影等新技術出現之後,天文學有了飛快的發展。1814至15年,約瑟夫·夫琅和費在太陽的光譜當中觀察到大約600條譜線。古斯塔夫·基爾霍夫在1859年解釋,這些譜線是由不同化學元素產生的。人們發現,恆星其實類似於太陽,只不過有著不同的溫度、質量和大小。[16]

到了20世紀,科學家才認識到地球所身處的銀河系是一個獨立的星系,並且在銀河系外還存在別的星系。這些星系都在遠離銀河系,科學家以此發現宇宙正在膨脹。[26]奇異的星體現象陸續被發現,如類星體脈衝星耀變體電波星系等。理論天文學家則提出黑洞中子星等天體來解釋這些觀測現象。物理宇宙學也在20世紀蓬勃發展,其中的大爆炸理論,已得到宇宙微波背景輻射哈勃定律以及宇宙化學元素豐度的充分支持。太空望遠鏡的發射意味著,科學家能夠通過電磁波譜中一般被大氣層所遮掩的部分來觀察宇宙。2016年,雷射干涉引力波天文台(LIGO)宣佈首次直接探測到源自黑洞碰撞的引力波訊號,展開了以引力波作天文觀測的時代。