天文学教程:天文学分支学科

在天文学发展的悠久历史中，随着观测和研究方法的开拓和研究对象的扩展，天文学的内容越来越多，相应地，产生了很多分支学科。它们大致可以按照研究方法、观测手段和研究对象来分类（见图1-14）。按照研究（包括观测和理论）方法分类，先后产生了天体测量学、天体力学和天体物理学三大分支学科。按照观测手段来说，过去长时期一直仅靠光学手段观测，因而可谓“光学天文学”，但一般不用这个术语，而简称天文学，直到20世纪中、后期才产生射电天文学和空间天文学。按照研究对象则细分为很多分支学科。各分支学科也在与时俱进地向前沿发展，实际上呈现相互交叉关系。下面简介一些天文分支学科。

图1-14　天文学分支学科的交互关系

1）天体测量学

天体测量学是天文学中最先产生又不断向前发展的学科，主要任务是测定和研究天体的位置和运动，建立基本参考坐标系和测定地面点的坐标，以及在其他学科中的应用。按观测的方式不同，天体测量学有照相或电荷耦合器件（CCD）天体测量、射电天体测量、红外天体测量、空间天体测量；按数学的表示方法可分为球面天文学和矢量天文学；在应用方面，又分为下面两类。

（1）实用天文学　它以天体作为参考坐标，测定并研究地面点坐标，用于大地测量、地面定位和导航，为经济和国防建设及地球科学等服务。

（2）天文地球动力学　它是天体测量学与地学有关分支学科相互渗透、结合的边缘学科，用天文手段测定和研究地球各种运动状态及其力学机制的学科。其研究的对象是地球整体的自转和公转运动，以及地球各圈层（大气圈、水圈、地壳、地幔和地核）的物质运动。

2）天体力学

它是天文学较早产生的学科，主要用牛顿力学研究天体的力学运动（空间移动、自转）和形状，从研究太阳系成员运动扩展到类似天体系统以及所有自然的和人造的天体运动。近半个世纪，由于高精度需要，产生了以广义相对论为基础的相对论天体力学。

（1）天体力学摄动理论　这是经典天体力学的主要内容，即用分析方法研究各类天体受摄动的运动，求出它们轨道根数或坐标的近似值。随着观测精度的提高，其理论和方法不断更新，又分为月球、各行星及其他天体的运动理论和摄动理论的共同性问题。

（2）天体力学数值方法　应用常微分方程数值解理论来研究和改进天体运动的数值解法，研究和改进各种计算方法，研究误差的积累和传递，方法的收敛性和稳定性。随着计算机及其程序方法的发展，数值方法得到越来越广泛的应用。

（3）天体力学定性理论　天体力学定性理论主要研究对象为N体（N≥3）问题，由于不可积而根据天体运动的方程来研究天体长时间的运动状态，包括特殊轨道的存在性和稳定性、天体间的碰撞和俘获，以及运动的全局图像，因而常用拓扑学理论。

（4）非线性天体力学　非线性天体力学是用现代非线性动力学的方法来研究天体运动及其动力学模型，主要讨论天体运动的定性特征，结合数值方法将会得到天体运动的更具体结果。

（5）历书天文学　历书天文学利用摄动理论和数值方法，根据观测得到的天体位置等数据，计算天体的轨道根数，进而推算其不同时刻的位置，编制月球、行星、卫星、小行星等的星历表和天文年历，预报日食、月食、彗星、掩星等各种天象，也包括研究和建立天文常数系统。

（6）天体形状和自转理论　研究各种类型的天体在内外引力作用下自转的平衡形状、稳定性及自转轴变化规律。

（7）天文动力学　天文动力学又称人造天体动力学或星际航行动力学，是航天时代以来天体力学与星际航行学的边缘学科，主要研究人造地球卫星、月球火箭和行星探测器的飞行理论，进行人造天体的轨道设计，通过测量人造天体入轨后的位置进行监控等。

3）天体物理学

天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的一门学科。天体物理学发展迅速，研究领域宽广，学科分类复杂。按学科性质可分为实测天体物理学和理论天体物理学；按观测波段可分为光学天文学、射电天文学、红外天文学、紫外天文学、X射线天文学、γ射线天文学，统称为全（电磁）波段天文学。按研究对象又分为太阳物理学、太阳系物理学或行星物理学或行星科学、恒星天文学、恒星物理学、星际介质物理学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天体演化学等分支学科。新兴起的空间天文学、粒子天体物理学（包括宇宙射线和中微子）、核天体物理学及引力波天文学也是它的分支。

（1）实测天体物理学　实测天体物理学研究天体物理学中的基本观测技术、各种仪器设备的原理和结构以及观测结果的处理方法。主要任务是为理论天体物理学提供研究资料，用观测检验理论推断。(www.xing528.com)

（2）理论天体物理学　理论天体物理学用理论物理学方法研究天体的物理性质和过程，包括以辐射转移理论为基础建立的恒星大气理论，以热核聚变概念为基础发展起来的元素合成理论、恒星内部结构理论和天体演化理论。理论物理与天体物理更广泛深入结合和渗透，以非热辐射、相对论天体物理学、等离子体天体物理学、高能天体物理学等最为活跃。从天文学或是从物理学角度来看，理论天体物理学都是富有生命力的，在该领域作出重大贡献的多名科学家获得诺贝尔物理学奖。

（3）太阳物理学　太阳物理学通过探测太阳的各波段辐射和粒子辐射，研究太阳的各种性质、结构、活动过程及演化规律。由于太阳是离我们最近的典型恒星，精细的观测资料和理论研究成果成为恒星的“标杆”，它有一些专门分支学科——太阳活动区物理、日冕物理等。由于太阳与地球的密切关系和对地球的重要影响，产生了边缘实用学科——日地科学、空间天气等。

（4）行星科学　行星物理学是由太阳系行星的物理性质观测和理论研究而产生的，随着航天的发展，其扩展到包括太阳系的卫星、小行星、彗星、行星际物质及磁场等而成为太阳系物理学，后来又进一步扩展到其他恒星的行星——系外行星的探测研究，成为当代多学科共同研究最活跃的边缘交叉学科——行星科学，有诸如行星内部、行星大气、行星地质学、月球科学、彗星物理学等多个分支学科。

（5）恒星大气理论　恒星大气理论主要通过对恒星光谱的理论解释来研究恒星大气的结构、物理过程和化学组成。

（6）恒星天文学　恒星天文学主要研究银河系的恒星、星云、星际物质和各种恒星集团的分布和运动特性，以及银河系的大小、结构、自转及起源演化。恒星为数众多，恒星天文学综合天体测量学、天体物理学和射电天文学获得的大量恒星数据包括视差、位置、自行、视向速度、星等、色指数、光谱型和光度等，借助于统计分析数学方法和它特有的方法进行综合研究。

（7）恒星物理学　恒星物理学是应用物理学知识，从实验和理论两方面研究各类恒星的形态、结构、物理状态和化学组成的。恒星某些奇特物理现象的研究启发和推动了现代物理学的发展。

（8）星系天文学　星系天文学也称为河（银河系）外天文学，研究星系、星系团及星系际物质的形态、结构、运动、相互作用及起源演化。

（9）宇宙磁流体力学　宇宙磁流体力学用磁流体力学理论研究天体物理学的磁流体问题。宇宙磁流体力学更有其特色：研究对象的特征长度一般是非常大的，电感作用远远大于电阻；有效时间非常久，并产生重大效应。磁流体力学是研究等离子体理论的宏观方法。宇宙磁流体力学与等离子体天体物理学的发展互相促进。

（10）等离子体天体物理学　等离子体天体物理学应用等离子体物理学的基本理论和实验结果来研究天体的物态及物理过程，包括理论探讨和天文实测对理论的检验两个方面。

（11）高能天体物理学　高能天体物理学研究发生在天体的高能现象和高能过程，高能光子（极紫外线、X射线、γ射线）的产生机理、辐射特征和物理规律，也包括高能宇宙线粒子的产生和加速机制。一系列的高能辐射现象展现全新的宇观世界，涉及类星体、脉冲星、超新星、活动星系等天体，其相关分支学科如中微子天文学等成为最前沿的活跃领域之一。

（12）核天体物理学　核天体物理学是天体物理学和核物理学的交叉学科，主要的研究领域有恒星结构、质量及其与寿命的关系等，从中了解恒星如何产生能量，从而认识宇宙中化学元素的起源和演变过程，分析驱动天体物理现象的机制，是近年来发展最快的一个交叉学科。由于研究需要模拟天体环境下的核反应过程，除了地面上的特殊加速器和探测器外，人们还在探索建立深地加速器和基于强激光的加速器。

4）宇宙学

宇宙学从整体的角度研究宇宙的结构和起源演化。现代宇宙学包括密切联系的两个方面：观测宇宙学，侧重于发现大尺度的观测特征；物理宇宙学，侧重于研究宇宙的运动学和动力学以及建立宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型。

5）引力波天文学

引力波天文学是观测天文学在20世纪中叶以来逐渐兴起的一个新兴分支。与传统天文学用电磁波观测各种天体不同，引力波天文学则通过引力波观测发出引力辐射的天体。由于引力相互作用与电磁相互作用相比强度微弱得多，直接观测引力波需要利用当今最高端的科技手段。人们用引力波搜集可探测的引力波源（诸如白矮星、中子星、黑洞组成的双星系统，超新星事件，早期宇宙的形成）的观测资料。它实际上也包括有关的一些理论问题研究，从而形成引力波天体物理学。

6）天体演化学

天体演化学研究各种天体以及天体系统的起源和演化，也就是研究它们的产生、发展和衰亡的历史。天体的起源是指天体在什么时候，从什么形态的物质，以什么方式形成的；天体的演化是指天体形成以后所经历的演变过程。通常说的天体演化，往往也包括起源在内。按照不同层次，天体演化可分为太阳系起源和演化（太阳系演化学）、恒星起源和演化、星系起源和演化、宇宙起源和演化。

7）天文学史

天文学史研究人类认识宇宙的历史，探索天文学发生和发展的规律，也是自然科学史的一个组成部分，可细分为中国天文学史、世界天文学史，以及各地区、民族或国家的天文学史。