Thiên văn học

Thiên văn học là việc nghiên cứu khoa học các thiên thể (như các ngôi sao, hành tinh, sao chổi, tinh vân, quần tinh, thiên hà) và các hiện tượng có nguồn gốc bên ngoài vũ trụ (như bức xạ nền vũ trụ). Nó nghiên cứu sự phát triển, tính chất vật lý, hóa học, khí tượng học, và chuyển động của các vật thể vũ trụ, cũng như sự hình thành và phát triển của vũ trụ.
Thiên văn học là một trong những ngành khoa học cổ nhất. Các nhà thiên văn học của những nền văn minh đầu tiên đã tiến hành những cuộc quan sát có phương pháp bầu trời đêm, và các dụng cụ thiên văn học đã được tìm thấy từ những giai đoạn còn sớm hơn nữa. Tuy nhiên, sự xuất hiện của kính viễn vọng là thời điểm thiên văn học bắt đầu bước vào giai đoạn khoa học hiện đại. Về lịch sử, thiên văn học từng gồm cả các ngành đo sao, hoa tiêu thiên văn, quan sát thiên văn, làm lịch, và thậm chí cả chiêm tinh học, nhưng ngành thiên văn học chuyên môn hiện đại ngày nay thường chỉ có nghĩa vật lý học thiên thể.
Từ thế kỷ XX, lĩnh vực thiên văn học chuyên nghiệp được chia thành các nhánh quan sát và thực nghiệm. Thiên văn học quan sát chú trọng tới việc thu thập và phân tích dữ liệu, sử dụng các nguyên tắc cơ bản của vật lý. Thiên văn học lý thuyết định hướng theo sự phát triển các mô hình máy tính hay mô hình phân tích để miêu tả các vật thể và hiện tượng thiên văn. Hai lĩnh vực bổ sung cho nhau, thiên văn học lý thuyết tìm cách giải thích các kết quả quan sát, và việc quan sát lại thường được dùng để xác nhận các kết quả lý thuyết.
Các nhà thiên văn nghiệp dư đã đóng góp nhiều khám phá quan trọng cho thiên văn học, và thiên văn học là một trong số ít ngành khoa học nơi các nhà thiên văn nghiệp dư có thể đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong sự phát hiện và quan sát các hiện tượng thoáng qua.
Thiên văn học cổ hay thậm chí thiên văn học cổ đại không nên bị nhầm lẫn với ngành chiêm tinh học, hệ thống niềm tin rằng những công việc của con người liên quan tới các vị trí của các vật thể vũ trụ. Dù hai lĩnh vực cùng có nguồn gốc chung và một phần phương pháp thực hiện (cụ thể, việc sử dụng lịch thiên văn), chúng là khác biệt.
Năm 2009 đã được Liên hiệp quốc coi là Năm Thiên văn học Quốc tế (IYA2009). Mục tiêu là tăng cường nhận thức và sự tham gia của mọi người vào thiên văn học.

Từ nguyên

Từ thiên văn học (chữ Hán: 天文學) trong tiếng Việt được vay mượn từ tiếng Hán. Thiên 天 trong thiên văn học 天文學 có nghĩa là trời, bầu trời, còn văn 文 có nghĩa là hiện tượng, học 學 có nghĩa là ngành. Thiên văn học 天文學 nghĩa mặt chữ là ngành nghiên cứu về các hiện tượng trên bầu trời.

"Thiên văn học" và "vật lý học thiên thể"

Nói chung, cả "thiên văn học" hay "vật lý học thiên thể" đều có thể được dùng để chỉ môn này. Dựa trên các định nghĩa chính xác của từ điển, "thiên văn học" để chỉ "việc nghiên cứu các vật thể và chủ đề bên ngoài khí quyển Trái Đất và các tính chất vật lý và hoá học của chúng" và "vật lý học thiên thể" để chỉ nhánh thiên văn học nghiên cứu "cách thức, các tính chất vật lý, và các quá trình động lực của các thiên thể và hiện tượng vũ trụ". Trong một số trường hợp, như trong phần giới thiệu của cuốn sách hướng dẫn Physical Universe (Vũ trụ Vật lý) của Frank Shu, "thiên văn học" có thể được sử dụng để miêu tả việc nghiên cứu định lượng của hiện tượng, trong khi "vật lý học thiên thể" được dùng để miêu tả vùng định hướng vật lý của hiện tượng. Tuy nhiên, bởi hầu hết các nhà thiên văn học hiện đại nghiên cứu các chủ đề liên quan tới vật lý, thiên văn học hiện đại thực tế có thể được gọi là vật lý học thiên thể. Nhiều cơ quan nghiên cứu chủ đề này có thể sử dụng "thiên văn học" và "vật lý học thiên thể", một phần dựa trên việc cơ quan của họ về lịch sử có liên quan tới một cơ sở vật lý hay không, và nhiều nhà thiên văn học chuyên nghiệp thực tế đều có bằng cấp vật lý. Một trong những tờ báo khoa học hàng đầu trong lĩnh vực có tên gọi Thiên văn học và Vật lý học thiên thể.

Phát triển khoa học

Trong thời Phục hưng, Nicolaus Copernicus đã đề xuất một mô hình Nhật tâm của hệ mặt trời. Công việc của ông được ủng hộ, mở rộng và sửa chữa bởi Galileo Galilei và Johannes Kepler. Khám phá kính viễn vọng của Galileo đã giúp đỡ rất nhiều cho những quan sát của ông.
Kepler là người đầu tiên sáng tạo một hệ thống miêu tả chính xác các chi tiết chuyển động của các hành tinh với Mặt trời ở trung tâm. Tuy nhiên, Kepler không thành công trong việc lập ra một lý thuyết cho những định luật đã được ông viết ra. Phải tới khi Newton khám phá ra chuyển động thiên thể và luật hấp dẫn các chuyển động của hành tinh cuối cùng mới được giải thích. Newton cũng đã phát triển kính viễn vọng phản xạ.
Các khám phá thêm nữa đi liền với những cải thiện trong kích thước và chất lượng kính thiên văn. Các catalogue sao chi tiết hơn được Lacaille lập ra. Nhà thiên văn học William Herschel đã thực hiện một cataloge chi tiết về các cụm sao và tinh vân, và vào năm 1781 phát hiện ra hành tinh Sao Thiên Vương, hành tinh mới đầu tiên được tìm thấy. Khoảng cách tới một ngôi sao lần đầu tiên được thông báo năm 1838 khi thị sai của 61 Cygni được Friedrich Bessel đo đạc.
Trong thế kỷ mười chín, sự quan tâm tới vấn đề ba vật thể của Euler, Clairaut, và D'Alembert đã dẫn tới những dự đoán chính xác hơn về chuyển động của Mặt Trăng và các hành tinh. Công việc này được Lagrange và Laplace chỉnh sửa thêm nữa, cho phép tính toán cả trọng lượng của các hành tinh và vệ tinh trong các nhiễu loạn của chúng.
Những tiến bộ quan trọng trong thiên văn học đến cùng sự xuất hiện của kỹ thuật mới, gồm quang phổ và chụp ảnh. Fraunhofer đã phát hiện khoảng 600 băng trong quang phổ Mặt trời năm 1814-15, mà, vào năm 1859, Kirchhoff quy cho sự hiện diện của những nguyên tố khác nhau. Các ngôi sao được chứng minh tương tự như Mặt trời của Trái Đất, nhưng ở dải nhiệt độ, khối lượng và kích thước khác biệt.
Sự tồn tại của thiên hà của Trái Đất, Ngân hà, như một nhóm sao riêng biệt, chỉ được chứng minh trong thế kỷ XX, cùng với sự tồn tại của những thiên hà "bên ngoài", ngay sau đó, sự mở rộng của vũ trụ, được quan sát thấy trong sự rời xa của hầu hết các thiên hà khỏi chúng ta. Thiên văn học hiện đại cũng đã khám phá nhiều vật thể kỳ lạ như các quasar, pulsar, blazar, và thiên hà radio, và đã sử dụng các quan sát đó để phát triển các lý thuyết vật lý miêu tả một số vật thể đó trong các thuật ngữ của các vật thể cũng kỳ lạ như vậy như các hố đen và sao neutron. Vật lý vũ trụ đã có những phát triển vượt bậc trong thế kỷ XX, với mô hình Big Bang được các bằng chứng thiên văn học và vật lý ủng hộ rộng rãi, như màn bức xạ vi sóng vũ trụ, định luật Hubble, và sự phong phú các nguyên tố vũ trụ.

Các lĩnh vực không dựa trên quang phổ điện từ

Ngoài việc phát xạ điện từ, một số vật thể có thể được quan sát từ Trái Đất có nguồn gốc từ những khoảng cách rất xa.
Thiên văn học sóng hấp dẫn là một ngành mới xuất hiện của thiên văn học, nó có mục đích sử dụng các thiết bị thám sát sóng hấp dẫn để thu thập các dữ liệu quan sát về các vật thể nén. Một số cuộc quan sát đã được tiến hành, như Laser Interferometer Gravitational Observatory LIGO, tuy nhiên các sóng hấp dẫn rất khó quan sát. Sau 100 năm Einstein tiên đoán tồn tại sóng hấp dẫn, LIGO đã thu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn lần đầu tiên từ kết quả hai lỗ đen sáp nhập vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, và phát hiện này được Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) thông báo trong cuộc họp báo tổ chức ngày 11 tháng 2 năm 2016. Tín hiệu sóng hấp dẫn thứ hai cũng đo được bởi LIGO vào ngày 26 tháng 12 năm 2015 và có thể thêm nhiều tín hiệu nữa đo được trong tương lai nhưng để phát hiện được sóng hấp dẫn đòi hỏi những thiết bị có độ nhạy rất cao.
Thiên văn học hành tinh đã được hưởng lợi từ việc quan sát trực tiếp dưới hình thức tàu vũ trụ và các phi vũ lấy mẫu vật. Chúng gồm các phi vụ bay lướt qua với các cảm biến từ xa; các thiết bị hạ cánh có thể tiến hành thực nghiệm với các vật thể trên bề mặt; các thiết bị nén cho phép cảm biến từ xa vật thể bị chôn vùi phía dưới, và các phi vụ lấy mẫu cho phép thực hiện thí nghiệm trực tiếp trong phòng thí nghiệm.

Các nghiên cứu đa lĩnh vực

Thiên văn học và vật lý vũ trụ đã phát triển khá nhiều kết nối đa lĩnh vực với các lĩnh vực khoa học khác. Khảo cổ thiên văn học là việc nghiên cứu thiên văn học truyền thống hay cổ đại trong bối cảnh văn hoá của chúng, sử dụng bằng chứng khảo cổ và nhân loại. Sinh vật học vũ trụ là việc nghiên cứu sự xuất hiện và tiến hoá của các hệ sinh thái trong vũ trụ, với sự nhấn mạnh đặc biệt trên khả năng về sự sống ngoài Trái Đất.
Việc nghiên cứu các hoá chất được tìm thấy trong vũ trụ, gồm sự thành tạo, tương tác và phá huỷ của chúng, được gọi là hoá học thiên thể (Astrochemistry). Các chất đó thường được tìm thấy trong các đám mây phân tử, dù chúng có thể xuất hiện trong những ngôi sao nhiệt độ thấp, sao lùn nâu và các hành tinh. Hoá học vũ trụ (Cosmochemistry) là việc nghiên cứu các hoá chất được tìm thấy bên trong Hệ mặt trời, gồm cả các nguồn gốc của các nguyên tố và các biến đổi trong các tỷ lệ đồng vị. Cả hai lĩnh vực này đều có sự trùng lặp trong phương pháp thiên văn học và hoá học.