天文学的科学分支

四、天文学的科学分支天文学是公认最古老的科学，但是近年来太空探测计划及空间望远镜不断有所进展，所以天文学也算是极为现代的一门科学。按照传统的科学分类观念，应该根据它所研究对象的差异来区分。但天文学的分支却比较特殊，它基本上是按历史发展和研究方法进行分类的。当然，最终也涉及它们的研究对象一^体。在天文学悠久的历史中，随研究方法的改进及发展，先后创立了天体测量学、天体力学和天体物理学。1．天体测量学这是天文学中最先发展起来的一个分支，主要任务是研究和测定天体的位置和运动，并建立基本参考坐标系和确定地面点的坐标。按照研究方法的不同，又分为下列二级分支。（1） 球面天文学为确定天体的位置及其变化，首先要研究天体投影在天球上的坐标表示方式，各坐标之间的相互关系及其修正，如地球运动和大气折射所造成的位置误差，这是球面天文学的研究任务。（2） 方位天文学对天体在宇宙空间的位置和运动的测定，则属于方位天文学的研究内容，它是天体测量学的基础。依据观测所用的技术方法和发展顺序，又可分为基本天体测量（精确测定天体的位置和自行，编制各种星表）；照相天体测量（运用照相技术测定天体的位置，其优点是可直接测定较暗的天体的位置，并在同一种底片上一次测定许多颗恒星）；射电天体测量（地面接收天体的无线电波并测量射电天体位置）；空间天体测量学（飞岀地球大气层以外进行测量）。用上述方法把已经精确测定了位置的天体，作为天球上各个区域的标记，选定坐标轴的指向，在天球上确立一个基本的参考坐标系，用以研究天体在宇宙空间的位置和运动。（3）实用天文学以球面天文学为基础，即以天体作为参考坐标，研究并测定地面点的坐标。其中包括测定原理的研究、测量仪器的构造和使用、观测纲要的制定、测量结果的数据处理及其误差改正等问题。根据不同需要，实用天文学又可分为①时间计量；②极移测量；③天文大地测量；④天文导航等。（4）天文地球动力学是从研究地球各种运动状态和地壳运动而发展起来的一个次级分支。具体说，它是天体测量学与地学有关分支（如大地测量学、地球物理学、地质学和气象学等）之间的边缘学科。它的研究课题有地球自转、极移的规律、板块运动、固体潮、地球结构等。天体测量学的历史可追溯到远古时期。为了指示方向、确定时间和季节，古人先后创造出日晷和圭表。经过漫长历史时期的进步，目前天体测量学的观测手段，已从可见光发展到射电波段以及其它波段的观测；在观测方式上，已由测角扩展到测距；观测所在地已由固定天文台发展为流动站、全球性组网观测和空间观测；观测精度己接近0."000级（测角）和厘米级（测距）；观测的对象也在向暗星、星系、射电源和红外源等方面扩展。现代天体测量学的内容越来越丰富，观测精度越来越高。目前正在探索建立更理想的参考坐标系，它必将进一步推动天体测量学，尤其是天文地球动力学的研究和发展。2．天体力学天体力学是研究天体运动和天体形状的科学。它以万有引力定律为基础，研究天体在万有引力和其它力综合作用下的运动规律、天体自转和其它引力因素综合作用所具有的形状。根据研究的对象、范围和方法，天体力学又可分为下列二级学科：（1）摄动理论研究多个质点在万有引力相互作用下的运动规律，是天体力学的基本理论之一，即所谓"多体问题"。其中最简单的一种是二体问题，目前讨论最多、用途也最多的是三体问题。研究某天体的二体问题轨道在各种因素干扰下的规律，就叫做"摄动理论"。在太阳系内，有大行星运动理论、小行星运动理论、卫星运动理论等。（2）天体力学定性理论它并不具体求出天体运动轨道，而是从多体问题的运动方程出发，探讨这些轨道的性质。（3）天体力学数值方法即天体力学中运动方程的数值解法，其主要任务是研究和改进已有的各种计算方法。近年来，电子计算机技术的迅速发展，为数值方法开辟了广阔的前景，计算机可以直接快捷地计算出天体在任何时刻的具体位置，使以往大量天体力学的实际问题得以解决。天体力学数值方法属于定量研究方法。（4）历书天文学根据天体运动理论，从天体的观测数据确定天体轨道参数，编制各种天体位置表、天文年历以及推算各种天象。（5） 天体的形状和自转理论自转运动同天体的形状有密切关系，而天体的形状对天体间的吸引力状况又有影响。因此，自牛顿开创这一理论以来，它主要研究各种物态天体在自转时的平衡状态、稳定性以及自转角速度和自转轴的变化规律。近年来，利用空间探测技术得到了地球、月球和几个大行星的形状及引力场方面的大量数据，为进一步建立这些天体形状和自转理论提供了丰富的资料。（6） 天体动力学人造天体的出现，给天体力学增添了新的重要研究对象，在经典天体力学基础上，又建立了人造天体的运动理论。人造天体包括各种人造地球卫星、月球火箭和各种行星际探测器。它们在发射时都需设计和确定轨道，这已成为现代天体力学的主要研究内容之一。因此，天体动力学是天体力学和星际航行学之间的边缘学科。3．天体物理学天体物理学是运用物理学的技术、方法和理论，研究天体形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的科学。它按照研究对象和研究方法的不同，又有下列分支学科：（1）太阳物理学太阳是离地球最近的一颗恒星，人们可以观测它的表面细节。对太阳的研究，经历了从研究它的内部结构、能量来源、化学组成和静态表面结构，到使用多波段电磁辐射研究它的活动现象及其过程等阶段。地球与太阳关系密切，对地球的研究，必须考虑日对地的影响。（2）太阳系物理学是研究太阳系内行星、卫星、彗星、流星等各种天体的物理状况的科学。近年来，对彗星的研究以及对行星际物质的分布、密度、温度和化学组成等方面的研究都取得了重要成果。由于行星际探测器的成功发射，人类关于太阳系其它行星的知识日新月异。（3）恒星物理学它的研究对象是恒星。银河系有近2000亿颗恒星，其物理状态千差万别，除普通恒星外，还有各式各样的特殊恒星。如亮度呈周期性或不规则变化的变星，亮度突然增强的新星和超新星，密度极大的白矮星和中子星等。它们为研究恒星的形成和演化规律提供了丰富的案例。另外，一些特殊天体上的极端物理条件，是天体物理学家最感兴趣而在地球上又无法建立"实验室"。（4）星系天文学是研究星系的结构和演化规律的一个分支，包括对银河系、河外星系以及星系团的研究。（5）高能天体物理学主要研究发生在宇宙天体上的高能现象和高能过程。宇宙中的高能现象和过程多种多样，其研究对象有超新星、类星体、脉冲星、宇宙X射线、宇宙Y射线、星系核活动等。它是自20世纪60年代后逐渐发展并日益活跃起来的天体物理学中的一个新分支。（6） 恒星天文学它主要研究银河系内恒星的分布和运动，以及银河系的结构等。（7） 天体演化学研究各种天体以及天体系统的起源和演化，即它们在什么时候，从什么形态的物质，以什么方式形成的；形成后它们又怎样演变（发展和衰亡）的。其研究内容有太阳系、恒星和星系的起源和演化。（8） 射电天文学它是通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。它以无线电接收技术为观测手段，观测对象遍及所有天体，从太阳系天体到银河系，以及银河系以外的各种观测目标。（9） 空间天文学是在高层大气和大气外层空间区域进行天文观测的一门学科。其优越性显而易见，主要是它突破地球大气层屏障，扩展了天文观测波段，取得观测来自外层空间整个电磁波谱的可能性。此外，还可直接获取观测天体的样品，如从月球采集月岩等，开创了直接探索和研

究天体的新时代。空间天文学研究始于20世纪40年代，从发射探空气球和探空火箭，到现在的人造地球卫星、登月飞船、行星际探测器、空间实验室和太空望远镜，给空间天文学研究开辟了广阔的前景。上述各天文学研究分支都不是绝对独立的，它们之间存在着密切的联系。例如，射电天文学研究太阳的无线电辐射，太阳物理也研究太阳的无线电辐射；恒星物理同天体演化及高能天体物理的研究内容也有许多交叉之处。因此，天文学各分支之间都有直接或间接的联系。这里主要根据天文学发展史、研究方法来分类，其中也考虑到观测手段和研究对象。目前，著名天文学家王绶琯院士对己有的天文学科分类重新做了分析和归纳，包括：理性工具分类、观测工具分类和研究目标分类。见图1.1在图1.1中，理性工具分类为：①天体测量学，②天体力学，③理论天体物理学；观测工具分类为：①光学天文实测手段②射电天文实测手段③空间天文实测手