天體物理學

天體物理學（Astrophysics），又稱天文物理學，是研究宇宙的物理學，這包括星體的物理性質（光度，密度，溫度，化學成分等等）和星體與星體彼此之間的交互作用。應用物理理論與方法，天體物理學探討恆星演化、恆星結構、星際物質、宇宙微波背景、太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題。由於天體物理學是一門很廣泛的學問，天文物理學家通常應用很多不同的學術領域，包括力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學以及原子分子與光物理學等等。在實踐中，天體物理學研究通常涉及理論和觀測領域的大量工作。天體物理學家的一些研究領域包括試圖確定暗物質，暗能量，黑洞和其他天體的性質 ; 以及宇宙的起源和最終命運。

## 歷史

天文學是一門古老的科學，但長期以來一直與物理學的研究相分離。在亞里斯多德時代的世界觀中，天上和地面的世界是截然不同的。天體似乎是永恆不變的球體，其唯一的運動是在圓周上做永恆的勻速運動。而地球世界則是經歷出生，成長與消亡的領域；在這裡，物體的自然運動是直線運動，並在到達目的地時結束。因此，人們認為天體是由一種與地球物體根本不同的物質構成的——要麼是柏拉圖所主張的「火元素」，要麼是亞里斯多德所主張的「以太」。在17世紀，伽利略，笛卡爾 和牛頓等自然哲學家開始相信天體和地球上的物體是由同種物質構成的，並且遵循相同的自然規律。他們面臨的挑戰是，當時還沒有發明出能夠證明這些斷言的工具。

在19世紀的大部分時間裡，天文學研究都集中在測量天體位置和計算天體運動的常規工作上。然而一種全新的天文學（不久後被稱為天體物理學）開始嶄露頭角，這源於威廉·海德·沃拉斯頓和約瑟夫·夫琅禾費的發現：當把太陽光分解時，在光譜中觀察到了大量的暗線。到了1860年，物理學家古斯塔夫·基爾霍夫和化學家羅伯特·本生證實，太陽光譜中的暗線與已知氣體光譜中的明線相對應，而特定的譜線對應著獨特的化學元素。基爾霍夫推斷，太陽光譜中的暗線是由太陽大氣中的化學元素吸收產生的。通過這種方式，人們證實了在太陽和恆星中發現的化學元素同樣存在於地球上。

諾曼·洛克耶拓展了對太陽和恆星的光譜研究，他在1868年的太陽光譜中不僅探測到了暗線，還探測到了輻射明線。他與化學家愛德華·弗蘭克蘭合作，研究了不同溫度和壓強下元素的光譜，卻無法將太陽光譜中的一條黃線與任何已知元素聯繫起來。他提出這條譜線代表了一種新的元素，並根據希臘神話中太陽的化身赫利俄斯將其命名為「氦」。

1885年，愛德華·皮克林在哈佛大學天文台啟動了一項宏大的恆星光譜分類計劃。在這項計劃中，一個由女性計算員組成的團隊（其中最著名的有威廉敏娜·弗萊明、安東妮亞·莫里和安妮·坎農）對相片上記錄的光譜進行了分類。到1890年，他們編制了一份包含10,000多顆恆星的星表，並將其分為13個光譜類型。坎農在1924年將該星表擴充至9卷，包含超過25萬顆恆星，並發展出了著名的哈佛分類法，該分類法於1922年被全球採納使用。

1895年，喬治·埃勒里·海爾和詹姆斯·愛德華·凱勒與來自歐洲和美國的10位副主編組成團隊，創辦了《天體物理學雜誌：光譜學與天文物理學國際評論》。該雜誌旨在填補天文學和物理學期刊之間的空白，為以下內容提供發表平台：分光鏡在天文領域應用的文章；與天文物理學密切相關的實驗室研究（包括金屬和氣體光譜的波長測定，以及輻射和吸收實驗）；關於太陽、月球、行星、彗星、流星和星雲的理論；以及用於望遠鏡和實驗室的儀器設備。

1920年前後，在赫羅圖（至今仍作為恆星分類及其演化的基礎）被發現後，亞瑟·愛丁頓在他的論文《恆星的內部結構》中，預言了恆星內部核聚變過程的機制。當時，恆星能量的來源還是一個謎；愛丁頓正確地推測，其能量源自氫聚變為氦，並根據愛因斯坦的方程 E = mc2 釋放出巨大的能量。這是一個非凡的猜測，因為在那個時代，核聚變、熱核能量、甚至恆星主要由氫組成這一事實（參見金屬豐度）都尚未被發現。

1925年，塞西莉亞·海倫·佩恩（後來的塞西莉亞·佩恩-加波施金）在拉德克利夫學院撰寫了一篇極具影響力的博士論文。她在論文中將薩哈電離理論應用於恆星大氣，從而將光譜類型與恆星的溫度聯繫起來。最重要的是，她發現恆星的主要成分是氫和氦，和地球的化學組成大不一樣。儘管符合愛丁頓的猜測，這一發現依然太出乎意料，以至於她的論文審閱人（包括羅素）說服她在發表前修改了這一結論。然而，後來的研究證實了她的發現。

到20世紀末，天體光譜學的研究已擴展到涵蓋從無線電波到可見光、X射線和伽馬射線的完整電磁波譜。進入21世紀，天文觀測的手段進一步擴大，將引力波和中微子的觀測也納入其中。

## 理論天體物理

理論天體物理學致力於根據觀測數據建立理論模型，並推演出這些模型的觀測結果。理論天體物理學家使用的工具多種多樣，包括使用數學模型進行分析和電腦數值模擬。分析模型可以提供每一個步驟是否吻合現行或假設的物理定律，電腦數值模擬則主要用於推算出物理數學模型是否有矛盾之處，這可以使觀測者證實或證偽某個模型是否正確，並且從模型當中選擇一個恰當的理論來說明觀測數據。

一旦某個物理模型大體上被驗證，實測天體物理學家就會依據該模型輸入觀測資料，一旦發現某些不吻合之處，該理論就會進行修正，直到全面吻合，所有觀測數據都合乎理論預測以後，便可稱該理論為已經證實的天體物理理論。如果，理論與數據有大批不吻合，該理論會先被限定為有限理論，一直到發展出其他可以全面吻合的理論以後，該理論會被廢棄掉。

理論天體物理學研究的主要課題包括太陽系的形成與演化，恆星動力學與恆星演化，星系的形成和演化，磁流體力學，宇宙的大尺度結構，宇宙線的起源，廣義相對論與物理宇宙學（包括弦宇宙學和天體粒子物理學）。相對論天體物理學不僅是評估大尺度結構特性的工具（在這些結構中，引力在所研究的物理現象中起著重要作用），也是黑洞物理學和引力波研究的基礎。目前天體物理學中一些廣受認可和研究的理論與模型包括大爆炸、宇宙暴脹、暗物質、暗能量以及物理學基本理論。這些研究現已被納入了ΛCDM模型。

## 實測天體物理

觀測天文學運用望遠鏡，照相，光譜分析等技術記錄和分析天體的數據，為天體物理研究提供基礎。天體物理實驗數據大多數是依賴觀測電磁輻射獲得。

早期的望遠鏡只能接收可見光信號，現代天文觀測已經可以覆蓋從無線電波到X射線和伽馬射線的幾乎整個電磁波譜。根據使用的電磁波波段，觀測天文學主要有以下分支。

- 射電天文學通常使用數毫米的波長來研究天體，是實測天體物理學研究當中最主要的重要研究手段。例如研究星間氣體的冷物質及塵埃、宇宙微波背景輻射、紅位移、波霎，這樣的研究通常需要超大型無線電望遠鏡陣列。
- 紅外線天文學通常使用可見光以外的長波來研究天體。紅外線觀測通常使用類似光學望遠鏡的構造，冷光天體通常使用紅外線來探測，例如矮星或系外行星探測。
- 光學天文學是最古老的天文學。光學望遠鏡通常使用加裝CCD和光譜儀的望遠鏡來做觀測。由於大氣層會干涉觀測數據的品質，還必須配備調適光學系統，或使用太空望遠鏡，才能得到最優良的影像。在光譜頻域裏，恆星的可見度非常高。藉著觀測化學頻譜，可以分析恆星、星系和星雲的化學成份。
- 紫外線天文學、X射線天文學及伽馬射線天文學研究高能量的星體活動，例如「雙星波霎」、「黑洞」、「磁星」等等，這些類型的輻射通常沒有辦法有效穿透地球的大氣。通常有兩類型的望遠鏡用於研究這一類的星體活動，地面的切倫可夫望遠鏡（IACT）及太空的電磁光譜望遠鏡。切倫可夫望遠鏡（IACT）例如羅西X射線計時探測器、錢德拉X射線天文台及康普頓伽瑪射線天文台。太空的電磁光譜望遠鏡，例如高能立體視野望遠鏡（H.E.S.S.）及神奇伽馬射線望遠鏡。

其他種類的觀測技術也已經運用在天體物理學中，形成了新的觀測天文學分支，包括：

- 引力波天文學：通過重力波觀測來研究天體。
- 中微子天文學：對中微子進行觀測。
- 宇宙射線天文學：對宇宙射線觀測

天文學的觀測平台也不在局限於地球表面，而是包括：

- 地面望遠鏡依然是重要的觀測平台，特別是運用了干涉技術的現代天文望遠鏡陣列。
- 太空望遠鏡在太空中進行觀測，可讓觀測結果避免受到地球大氣層的干擾，科學家常透過使用人造衛星在地球大氣層外進行紅外線、紫外線、伽瑪射線和X射線天文學等電磁波波段的觀測實驗，以獲得更佳的觀測結果。
- 太空探測器大大地擴展了天文學的疆界。目前全球各國已經發射數百個太空探測器在太空中進行天體物理研究。

對太陽的觀測在天體物理中有重要意義，因為其他恆星都距離太遠。對太陽的研究可以為其他恆星提供寶貴的資訊。

現代天文觀測數據龐大，很多時候使用分散式運算或超級電腦來進行分析，通常一批觀測數據都要處理多年才能完成。

## 分支和相關學科

天體物理學的分支學科和與天體物理學相關的天文學科：

- 物理宇宙學
- 觀測宇宙學
- 高能天體物理
- 粒子天體物理學
- 核天體物理學
- 中微子天文學
- 觀測天文學
- 射電天文學
- 紅外線天文學
- 光學天文學
- 紫外線天文學
- X射線天文學
- γ射線天文學
- 等離子體天體物理
- 天體動力學
- 天體演化學
- 黑洞物理學
- 天體化學
- 天體生物學
- 星系天文學，又稱河外天文學
- 恆星物理學
- 星震學
- 恆星動力學
- 行星地質學
- 太陽物理學
- 太陽圈物理學
- 日震學
- 系外行星學