天文學(xué)的科學(xué)分支

四、天文學(xué)的科學(xué)分支天文學(xué)是公認(rèn)最古老的科學(xué)，但是近年來太空探測(cè)計(jì)劃及空間望遠(yuǎn)鏡不斷有所進(jìn)展，所以天文學(xué)也算是極為現(xiàn)代的一門科學(xué)。按照傳統(tǒng)的科學(xué)分類觀念，應(yīng)該根據(jù)它所研究對(duì)象的差異來區(qū)分。但天文學(xué)的分支卻比較特殊，它基本上是按歷史發(fā)展和研究方法進(jìn)行分類的。當(dāng)然，最終也涉及它們的研究對(duì)象一^體。在天文學(xué)悠久的歷史中，隨研究方法的改進(jìn)及發(fā)展，先后創(chuàng)立了天體測(cè)量學(xué)、天體力學(xué)和天體物理學(xué)。1．天體測(cè)量學(xué)這是天文學(xué)中最先發(fā)展起來的一個(gè)分支，主要任務(wù)是研究和測(cè)定天體的位置和運(yùn)動(dòng)，并建立基本參考坐標(biāo)系和確定地面點(diǎn)的坐標(biāo)。按照研究方法的不同，又分為下列二級(jí)分支。（1） 球面天文學(xué)為確定天體的位置及其變化，首先要研究天體投影在天球上的坐標(biāo)表示方式，各坐標(biāo)之間的相互關(guān)系及其修正，如地球運(yùn)動(dòng)和大氣折射所造成的位置誤差，這是球面天文學(xué)的研究任務(wù)。（2） 方位天文學(xué)對(duì)天體在宇宙空間的位置和運(yùn)動(dòng)的測(cè)定，則屬于方位天文學(xué)的研究內(nèi)容，它是天體測(cè)量學(xué)的基礎(chǔ)。依據(jù)觀測(cè)所用的技術(shù)方法和發(fā)展順序，又可分為基本天體測(cè)量（精確測(cè)定天體的位置和自行，編制各種星表）；照相天體測(cè)量（運(yùn)用照相技術(shù)測(cè)定天體的位置，其優(yōu)點(diǎn)是可直接測(cè)定較暗的天體的位置，并在同一種底片上一次測(cè)定許多顆恒星）；射電天體測(cè)量（地面接收天體的無線電波并測(cè)量射電天體位置）；空間天體測(cè)量學(xué)（飛岀地球大氣層以外進(jìn)行測(cè)量）。用上述方法把已經(jīng)精確測(cè)定了位置的天體，作為天球上各個(gè)區(qū)域的標(biāo)記，選定坐標(biāo)軸的指向，在天球上確立一個(gè)基本的參考坐標(biāo)系，用以研究天體在宇宙空間的位置和運(yùn)動(dòng)。（3）實(shí)用天文學(xué)以球面天文學(xué)為基礎(chǔ)，即以天體作為參考坐標(biāo)，研究并測(cè)定地面點(diǎn)的坐標(biāo)。其中包括測(cè)定原理的研究、測(cè)量儀器的構(gòu)造和使用、觀測(cè)綱要的制定、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理及其誤差改正等問題。根據(jù)不同需要，實(shí)用天文學(xué)又可分為①時(shí)間計(jì)量；②極移測(cè)量；③天文大地測(cè)量；④天文導(dǎo)航等。（4）天文地球動(dòng)力學(xué)是從研究地球各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼運(yùn)動(dòng)而發(fā)展起來的一個(gè)次級(jí)分支。具體說，它是天體測(cè)量學(xué)與地學(xué)有關(guān)分支（如大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)和氣象學(xué)等）之間的邊緣學(xué)科。它的研究課題有地球自轉(zhuǎn)、極移的規(guī)律、板塊運(yùn)動(dòng)、固體潮、地球結(jié)構(gòu)等。天體測(cè)量學(xué)的歷史可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期。為了指示方向、確定時(shí)間和季節(jié)，古人先后創(chuàng)造出日晷和圭表。經(jīng)過漫長歷史時(shí)期的進(jìn)步，目前天體測(cè)量學(xué)的觀測(cè)手段，已從可見光發(fā)展到射電波段以及其它波段的觀測(cè)；在觀測(cè)方式上，已由測(cè)角擴(kuò)展到測(cè)距；觀測(cè)所在地已由固定天文臺(tái)發(fā)展為流動(dòng)站、全球性組網(wǎng)觀測(cè)和空間觀測(cè)；觀測(cè)精度己接近0."000級(jí)（測(cè)角）和厘米級(jí)（測(cè)距）；觀測(cè)的對(duì)象也在向暗星、星系、射電源和紅外源等方面擴(kuò)展?，F(xiàn)代天體測(cè)量學(xué)的內(nèi)容越來越豐富，觀測(cè)精度越來越高。目前正在探索建立更理想的參考坐標(biāo)系，它必將進(jìn)一步推動(dòng)天體測(cè)量學(xué)，尤其是天文地球動(dòng)力學(xué)的研究和發(fā)展。2．天體力學(xué)天體力學(xué)是研究天體運(yùn)動(dòng)和天體形狀的科學(xué)。它以萬有引力定律為基礎(chǔ)，研究天體在萬有引力和其它力綜合作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、天體自轉(zhuǎn)和其它引力因素綜合作用所具有的形狀。根據(jù)研究的對(duì)象、范圍和方法，天體力學(xué)又可分為下列二級(jí)學(xué)科：（1）攝動(dòng)理論研究多個(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬有引力相互作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是天體力學(xué)的基本理論之一，即所謂"多體問題"。其中最簡單的一種是二體問題，目前討論最多、用途也最多的是三體問題。研究某天體的二體問題軌道在各種因素干擾下的規(guī)律，就叫做"攝動(dòng)理論"。在太陽系內(nèi)，有大行星運(yùn)動(dòng)理論、小行星運(yùn)動(dòng)理論、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)理論等。（2）天體力學(xué)定性理論它并不具體求出天體運(yùn)動(dòng)軌道，而是從多體問題的運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，探討這些軌道的性質(zhì)。（3）天體力學(xué)數(shù)值方法即天體力學(xué)中運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解法，其主要任務(wù)是研究和改進(jìn)已有的各種計(jì)算方法。近年來，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為數(shù)值方法開辟了廣闊的前景，計(jì)算機(jī)可以直接快捷地計(jì)算出天體在任何時(shí)刻的具體位置，使以往大量天體力學(xué)的實(shí)際問題得以解決。天體力學(xué)數(shù)值方法屬于定量研究方法。（4）歷書天文學(xué)根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)理論，從天體的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定天體軌道參數(shù)，編制各種天體位置表、天文年歷以及推算各種天象。（5） 天體的形狀和自轉(zhuǎn)理論自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同天體的形狀有密切關(guān)系，而天體的形狀對(duì)天體間的吸引力狀況又有影響。因此，自牛頓開創(chuàng)這一理論以來，它主要研究各種物態(tài)天體在自轉(zhuǎn)時(shí)的平衡狀態(tài)、穩(wěn)定性以及自轉(zhuǎn)角速度和自轉(zhuǎn)軸的變化規(guī)律。近年來，利用空間探測(cè)技術(shù)得到了地球、月球和幾個(gè)大行星的形狀及引力場方面的大量數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步建立這些天體形狀和自轉(zhuǎn)理論提供了豐富的資料。（6） 天體動(dòng)力學(xué)人造天體的出現(xiàn)，給天體力學(xué)增添了新的重要研究對(duì)象，在經(jīng)典天體力學(xué)基礎(chǔ)上，又建立了人造天體的運(yùn)動(dòng)理論。人造天體包括各種人造地球衛(wèi)星、月球火箭和各種行星際探測(cè)器。它們?cè)诎l(fā)射時(shí)都需設(shè)計(jì)和確定軌道，這已成為現(xiàn)代天體力學(xué)的主要研究內(nèi)容之一。因此，天體動(dòng)力學(xué)是天體力學(xué)和星際航行學(xué)之間的邊緣學(xué)科。3．天體物理學(xué)天體物理學(xué)是運(yùn)用物理學(xué)的技術(shù)、方法和理論，研究天體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理狀態(tài)和演化規(guī)律的科學(xué)。它按照研究對(duì)象和研究方法的不同，又有下列分支學(xué)科：（1）太陽物理學(xué)太陽是離地球最近的一顆恒星，人們可以觀測(cè)它的表面細(xì)節(jié)。對(duì)太陽的研究，經(jīng)歷了從研究它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量來源、化學(xué)組成和靜態(tài)表面結(jié)構(gòu)，到使用多波段電磁輻射研究它的活動(dòng)現(xiàn)象及其過程等階段。地球與太陽關(guān)系密切，對(duì)地球的研究，必須考慮日對(duì)地的影響。（2）太陽系物理學(xué)是研究太陽系內(nèi)行星、衛(wèi)星、彗星、流星等各種天體的物理狀況的科學(xué)。近年來，對(duì)彗星的研究以及對(duì)行星際物質(zhì)的分布、密度、溫度和化學(xué)組成等方面的研究都取得了重要成果。由于行星際探測(cè)器的成功發(fā)射，人類關(guān)于太陽系其它行星的知識(shí)日新月異。（3）恒星物理學(xué)它的研究對(duì)象是恒星。銀河系有近2000億顆恒星，其物理狀態(tài)千差萬別，除普通恒星外，還有各式各樣的特殊恒星。如亮度呈周期性或不規(guī)則變化的變星，亮度突然增強(qiáng)的新星和超新星，密度極大的白矮星和中子星等。它們?yōu)檠芯亢阈堑男纬珊脱莼?guī)律提供了豐富的案例。另外，一些特殊天體上的極端物理?xiàng)l件，是天體物理學(xué)家最感興趣而在地球上又無法建立"實(shí)驗(yàn)室"。（4）星系天文學(xué)是研究星系的結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律的一個(gè)分支，包括對(duì)銀河系、河外星系以及星系團(tuán)的研究。（5）高能天體物理學(xué)主要研究發(fā)生在宇宙天體上的高能現(xiàn)象和高能過程。宇宙中的高能現(xiàn)象和過程多種多樣，其研究對(duì)象有超新星、類星體、脈沖星、宇宙X射線、宇宙Y射線、星系核活動(dòng)等。它是自20世紀(jì)60年代后逐漸發(fā)展并日益活躍起來的天體物理學(xué)中的一個(gè)新分支。（6） 恒星天文學(xué)它主要研究銀河系內(nèi)恒星的分布和運(yùn)動(dòng)，以及銀河系的結(jié)構(gòu)等。（7） 天體演化學(xué)研究各種天體以及天體系統(tǒng)的起源和演化，即它們?cè)谑裁磿r(shí)候，從什么形態(tài)的物質(zhì)，以什么方式形成的；形成后它們又怎樣演變（發(fā)展和衰亡）的。其研究內(nèi)容有太陽系、恒星和星系的起源和演化。（8） 射電天文學(xué)它是通過觀測(cè)天體的無線電波來研究天文現(xiàn)象的一門學(xué)科。它以無線電接收技術(shù)為觀測(cè)手段，觀測(cè)對(duì)象遍及所有天體，從太陽系天體到銀河系，以及銀河系以外的各種觀測(cè)目標(biāo)。（9） 空間天文學(xué)是在高層大氣和大氣外層空間區(qū)域進(jìn)行天文觀測(cè)的一門學(xué)科。其優(yōu)越性顯而易見，主要是它突破地球大氣層屏障，擴(kuò)展了天文觀測(cè)波段，取得觀測(cè)來自外層空間整個(gè)電磁波譜的可能性。此外，還可直接獲取觀測(cè)天體的樣品，如從月球采集月巖等，開創(chuàng)了直接探索和研

究天體的新時(shí)代。空間天文學(xué)研究始于20世紀(jì)40年代，從發(fā)射探空氣球和探空火箭，到現(xiàn)在的人造地球衛(wèi)星、登月飛船、行星際探測(cè)器、空間實(shí)驗(yàn)室和太空望遠(yuǎn)鏡，給空間天文學(xué)研究開辟了廣闊的前景。上述各天文學(xué)研究分支都不是絕對(duì)獨(dú)立的，它們之間存在著密切的聯(lián)系。例如，射電天文學(xué)研究太陽的無線電輻射，太陽物理也研究太陽的無線電輻射；恒星物理同天體演化及高能天體物理的研究內(nèi)容也有許多交叉之處。因此，天文學(xué)各分支之間都有直接或間接的聯(lián)系。這里主要根據(jù)天文學(xué)發(fā)展史、研究方法來分類，其中也考慮到觀測(cè)手段和研究對(duì)象。目前，著名天文學(xué)家王綬琯院士對(duì)己有的天文學(xué)科分類重新做了分析和歸納，包括：理性工具分類、觀測(cè)工具分類和研究目標(biāo)分類。見圖1.1在圖1.1中，理性工具分類為：①天體測(cè)量學(xué)，②天體力學(xué)，③理論天體物理學(xué)；觀測(cè)工具分類為：①光學(xué)天文實(shí)測(cè)手段②射電天文實(shí)測(cè)手段③空間天文實(shí)測(cè)手