天文学教程-天文学教程 上册

天文学的主要特点是通过被动地接收天体来的辐射（“遥感”）去观察和测量它们的信息，进而探索研究它们的各种性质和形成演化的规律。因而通常说，天文学是一门观测学科。直到近半个多世纪，随着航天技术的发展，人类才开始主动发射飞船开展某些较近天体的探测，而更多的仍靠观测。

1）天文研究的三个层次

总括天文学发展史，天文研究可以分为由浅入深、先后联系的三个层次或三部曲：观测发现（识别表象）——获取基本信息；信息发掘（描述表象）——建立经验规律；理论解释（探索本质）——创造理论模型，并推算预言未知情况。再经新的观测检验，修正理论或创建新理论，如此螺旋式循环上升认知。例如，第谷积累了多年的行星高精度位置测量资料，开普勒用此资料发现行星运动三定律，牛顿创建万有引力定律和打下天体力学基础，进而修正行星运动第三定律。

2）天文观测

天文观测的事实资料是天文研究的依据和验证理论认知的试金石。天文学总是运用各时代的前沿科学和技术，研制新的仪器，创建其独特的观测技术方法，获取新的更准确的观测资料，不断开拓宇宙新视野，促使天文学及有关科学技术的深入发展。从古代到中世纪，由于生产和生活需要确定季节和编制历法，人们用肉眼观察日、月、行星相对于恒星的运行经验规律，运用几何、三角等知识和机械制造技术，研制更优良仪器，提高观测精度和改进历法。1609年，伽利略继荷兰人制成望远镜后，努力研制出了天文望远镜以观测星空，做出了木星的4颗“伽利略卫星”、金星的位相、银河由密集的暗恒星组成等重大发现，标志着天文学进入“（光学）望远镜天文学”新时代。随着集光学、机械、电控于一体的先进大型望远镜投入天文观测，人类不断扩展探索宇宙的深度和广度。19世纪，随着分光术、测光术和照相术用于天文观测，为人们认识天体的化学组成和物理性质等提供了条件，导致天体物理学诞生。20世纪30年代，人们发现来自天体的无线电波（天文上称为射电），研制出多种射电望远镜，产生了射电天文学，有了20世纪60年代的四大发现（类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射）。近半个多世纪以来，随着航天事业的发展，有关的各种现代先进科学技术都用于天文观测，从可见光波段扩展到红外、射电、紫外、X射线和γ射线波段的观测而成为“全（电磁）波天文”以及粒子探测，更有飞船直接去探访一些太阳系天体。近年来，人类探测到完全不同于电磁波的引力波，新兴的引力波天文学将揭示宇宙更多的奥秘。(www.xing528.com)

3）天文学的理论研究

科学研究在于从感性认识上升到理性认识，探究事物的本质，创建理论模型。天文学“模型”普遍认同的几条先验原则如下：①由于宇宙间物质及所遵循规律的统一性，可以用自然科学规律来研究天文问题；②宇宙中任何天体都不占有特殊的地位，在类似的环境条件下发生类似的过程，测量和比较各类天体（恒星、星系）不同时期的样本可以了解它们的演化历程；③仍存在着需要发现或深入了解的现象和规律，需要不断开拓新的天文观测手段推进天文学发展。

天文学的发展总是与先进科学技术相互借鉴和渗透交融的。现代天文学的理论研究与物理学和数学的关系更为密切，物理学是天文学理论研究的基础，并借助数学进行理论演算；天文学又多次反过来为物理学、数学和其他有关学科开辟新的研究前沿。例如，创建行星内部结构模型主要依据物理规律的四个微分方程（流体静力平衡方程、质量方程、物态方程、转动惯量方程），利用有关观测资料（总质量、半径、转动惯量等），由电脑程序计算出各层的密度、温度、质量、压力分布的数值模型，得出各类行星的核、幔、壳结构和类木行星的核、中间层、外层结构；进而推算行星的热流等性质，并由实测结果验证。由于观测资料不够充分及问题的复杂性，创建模型需要做某些简化的近似假设，由观测资料验证模型的假定和推算结果是否很合理，并进一步改进模型。特别是在宇宙学研究中，由于观测资料严重缺乏，从宇宙较缺少大尺度结构而采用均匀、各向同性的简化假设（哥白尼原理）出发，用广义相对论场方程来推算宇宙的演化，导出“大爆炸宇宙学模型”，由星系红移的哈勃定律确认宇宙的空间膨胀及微波辐射等观测资料的支持。虽然由观测的星系自转理论推算出存在有引力作用的暗物质，由超新星等观测得出存在宇宙膨胀加速的暗能量，但现在还不知道暗物质和暗能量究竟是什么，这成为当代科学的“两朵乌云”，蕴含新的科学革命。