天体物理学

天体物理学（Astrophysics），又称天文物理学，是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质（光度，密度，温度，化学成分等等）和星体与星体彼此之间的交互作用。应用物理理论与方法，天体物理学探讨恒星演化、恒星结构、星际物质、宇宙微波背景、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题。由于天体物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常应用很多不同的学术领域，包括力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学以及原子分子与光物理学等等。在实践中，天体物理学研究通常涉及理论和观测领域的大量工作。天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质，暗能量，黑洞和其他天体的性质 ; 以及宇宙的起源和最终命运。

## 历史

天文学是一门古老的科学，但长期以来一直与物理学的研究相分离。在亚里士多德时代的世界观中，天上和地面的世界是截然不同的。天体似乎是永恒不变的球体，其唯一的运动是在圆周上做永恒的匀速运动。而地球世界则是经历出生，成长与消亡的领域；在这里，物体的自然运动是直线运动，并在到达目的地时结束。因此，人们认为天体是由一种与地球物体根本不同的物质构成的——要么是柏拉图所主张的“火元素”，要么是亚里士多德所主张的“以太”。在17世纪，伽利略，笛卡尔 和牛顿等自然哲学家开始相信天体和地球上的物体是由同种物质构成的，并且遵循相同的自然规律。他们面临的挑战是，当时还没有发明出能够证明这些断言的工具。

在19世纪的大部分时间里，天文学研究都集中在测量天体位置和计算天体运动的常规工作上。然而一种全新的天文学（不久后被称为天体物理学）开始崭露头角，这源于威廉·海德·沃拉斯顿和约瑟夫·夫琅禾费的发现：当把太阳光分解时，在光谱中观察到了大量的暗线。到了1860年，物理学家古斯塔夫·基尔霍夫和化学家罗伯特·本生证实，太阳光谱中的暗线与已知气体光谱中的明线相对应，而特定的谱线对应着独特的化学元素。基尔霍夫推断，太阳光谱中的暗线是由太阳大气中的化学元素吸收产生的。通过这种方式，人们证实了在太阳和恒星中发现的化学元素同样存在于地球上。

诺曼·洛克耶拓展了对太阳和恒星的光谱研究，他在1868年的太阳光谱中不仅探测到了暗线，还探测到了辐射明线。他与化学家爱德华·弗兰克兰合作，研究了不同温度和压强下元素的光谱，却无法将太阳光谱中的一条黄线与任何已知元素联系起来。他提出这条谱线代表了一种新的元素，并根据希腊神话中太阳的化身赫利俄斯将其命名为“氦”。

1885年，爱德华·皮克林在哈佛大学天文台启动了一项宏大的恒星光谱分类计划。在这项计划中，一个由女性计算员组成的团队（其中最著名的有威廉敏娜·弗莱明、安东妮亚·莫里和安妮·坎农）对相片上记录的光谱进行了分类。到1890年，他们编制了一份包含10,000多颗恒星的星表，并将其分为13个光谱类型。坎农在1924年将该星表扩充至9卷，包含超过25万颗恒星，并发展出了著名的哈佛分类法，该分类法于1922年被全球采纳使用。

1895年，乔治·埃勒里·海尔和詹姆斯·爱德华·凯勒与来自欧洲和美国的10位副主编组成团队，创办了《天体物理学杂志：光谱学与天文物理学国际评论》。该杂志旨在填补天文学和物理学期刊之间的空白，为以下内容提供发表平台：分光镜在天文领域应用的文章；与天文物理学密切相关的实验室研究（包括金属和气体光谱的波长测定，以及辐射和吸收实验）；关于太阳、月球、行星、彗星、流星和星云的理论；以及用于望远镜和实验室的仪器设备。

1920年前后，在赫罗图（至今仍作为恒星分类及其演化的基础）被发现后，亚瑟·爱丁顿在他的论文《恒星的内部结构》中，预言了恒星内部核聚变过程的机制。当时，恒星能量的来源还是一个谜；爱丁顿正确地推测，其能量源自氢聚变为氦，并根据爱因斯坦的方程 E = mc2 释放出巨大的能量。这是一个非凡的猜测，因为在那个时代，核聚变、热核能量、甚至恒星主要由氢组成这一事实（参见金属丰度）都尚未被发现。

1925年，塞西莉亚·海伦·佩恩（后来的塞西莉亚·佩恩-加波施金）在拉德克利夫学院撰写了一篇极具影响力的博士论文。她在论文中将萨哈电离理论应用于恒星大气，从而将光谱类型与恒星的温度联系起来。最重要的是，她发现恒星的主要成分是氢和氦，和地球的化学组成大不一样。尽管符合爱丁顿的猜测，这一发现依然太出乎意料，以至于她的论文审阅人（包括罗素）说服她在发表前修改了这一结论。然而，后来的研究证实了她的发现。

到20世纪末，天体光谱学的研究已扩展到涵盖从无线电波到可见光、X射线和伽马射线的完整电磁波谱。进入21世纪，天文观测的手段进一步扩大，将引力波和中微子的观测也纳入其中。

## 理论天体物理

理论天体物理学致力于根据观测数据建立理论模型，并推演出这些模型的观测结果。理论天体物理学家使用的工具多种多样，包括使用数学模型进行分析和计算机数值模拟。分析模型可以提供每一个步骤是否吻合现行或假设的物理定律，计算机数值模拟则主要用于推算出物理数学模型是否有矛盾之处，这可以使观测者证实或证伪某个模型是否正确，并且从模型当中选择一个恰当的理论来说明观测数据。

一旦某个物理模型大体上被验证，实测天体物理学家就会依据该模型输入观测资料，一旦发现某些不吻合之处，该理论就会进行修正，直到全面吻合，所有观测数据都合乎理论预测以后，便可称该理论为已经证实的天体物理理论。如果，理论与数据有大批不吻合，该理论会先被限定为有限理论，一直到发展出其他可以全面吻合的理论以后，该理论会被废弃掉。

理论天体物理学研究的主要课题包括太阳系的形成与演化，恒星动力学与恒星演化，星系的形成和演化，磁流体力学，宇宙的大尺度结构，宇宙线的起源，广义相对论与物理宇宙学（包括弦宇宙学和天体粒子物理学）。相对论天体物理学不仅是评估大尺度结构特性的工具（在这些结构中，引力在所研究的物理现象中起着重要作用），也是黑洞物理学和引力波研究的基础。目前天体物理学中一些广受认可和研究的理论与模型包括大爆炸、宇宙暴胀、暗物质、暗能量以及物理学基本理论。这些研究现已被纳入了ΛCDM模型。

## 实测天体物理

观测天文学运用望远镜，照相，光谱分析等技术记录和分析天体的数据，为天体物理研究提供基础。天体物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得。

早期的望远镜只能接收可见光信号，现代天文观测已经可以覆盖从无线电波到X射线和伽马射线的几乎整个电磁波谱。根据使用的电磁波波段，观测天文学主要有以下分支。

- 射电天文学通常使用数毫米的波长来研究天体，是实测天体物理学研究当中最主要的重要研究手段。例如研究星间气体的冷物质及尘埃、宇宙微波背景辐射、红位移、波霎，这样的研究通常需要超大型无线电望远镜阵列。
- 红外线天文学通常使用可见光以外的长波来研究天体。红外线观测通常使用类似光学望远镜的构造，冷光天体通常使用红外线来探测，例如矮星或系外行星探测。
- 光学天文学是最古老的天文学。光学望远镜通常使用加装CCD和光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层会干涉观测数据的品质，还必须配备调适光学系统，或使用太空望远镜，才能得到最优良的影像。在光谱频域里，恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析恒星、星系和星云的化学成分。
- 紫外线天文学、X射线天文学及伽马射线天文学研究高能量的星体活动，例如“双星波霎”、“黑洞”、“磁星”等等，这些类型的辐射通常没有办法有效穿透地球的大气。通常有两类型的望远镜用于研究这一类的星体活动，地面的切伦可夫望远镜（IACT）及太空的电磁光谱望远镜。切伦可夫望远镜（IACT）例如罗西X射线计时探测器、钱德拉X射线天文台及康普顿伽玛射线天文台。太空的电磁光谱望远镜，例如高能立体视野望远镜（H.E.S.S.）及神奇伽马射线望远镜。

其他种类的观测技术也已经运用在天体物理学中，形成了新的观测天文学分支，包括：

- 引力波天文学：通过重力波观测来研究天体。
- 中微子天文学：对中微子进行观测。
- 宇宙射线天文学：对宇宙射线观测

天文学的观测平台也不在局限于地球表面，而是包括：

- 地面望远镜依然是重要的观测平台，特别是运用了干涉技术的现代天文望远镜阵列。
- 太空望远镜在太空中进行观测，可让观测结果避免受到地球大气层的干扰，科学家常透过使用人造卫星在地球大气层外进行红外线、紫外线、伽玛射线和X射线天文学等电磁波波段的观测实验，以获得更佳的观测结果。
- 太空探测器大大地扩展了天文学的疆界。目前全球各国已经发射数百个太空探测器在太空中进行天体物理研究。

对太阳的观测在天体物理中有重要意义，因为其他恒星都距离太远。对太阳的研究可以为其他恒星提供宝贵的信息。

现代天文观测数据庞大，很多时候使用分散式运算或超级电脑来进行分析，通常一批观测数据都要处理多年才能完成。

## 分支和相关学科

天体物理学的分支学科和与天体物理学相关的天文学科：

- 物理宇宙学
- 观测宇宙学
- 高能天体物理
- 粒子天体物理学
- 核天体物理学
- 中微子天文学
- 观测天文学
- 射电天文学
- 红外线天文学
- 光学天文学
- 紫外线天文学
- X射线天文学
- γ射线天文学
- 等离子体天体物理
- 天体动力学
- 天体演化学
- 黑洞物理学
- 天体化学
- 天体生物学
- 星系天文学，又称河外天文学
- 恒星物理学
- 星震学
- 恒星动力学
- 行星地质学
- 太阳物理学
- 太阳圈物理学
- 日震学
- 系外行星学