1、 现代天文学 马文章 北京师范大学 天文学教授 一、现代天文学的起始时间和内涵 1、天文学是一门最古老的学科 天文学的产生源自于人类生活和生产实践的需要，是最早产生的一门学科。天文学研究对象是浩瀚的宇宙以及宇宙空间的各类天体系统。2、天文学是自然科学六大基础学科之一 数学、物理学、化学、天文学、地球科学和生命科学被认为是现代自然科学六大基础学科。3、探索宇宙是人类与生俱来的永恒的欲望 天文学研究始终处于自然科学的前沿，作为基础学科的天文学，在自然科学的发展过程中一直起着先导性的作用。天文学也是一门实用性很强学科。天文学的研究成果直接为国防、国民经济和人类日常生活服务。当代天文学的研究与应用，已
2、经成为国家科学技术发展的重要组成部分。从这个意义上说，天文学是一门即古老又充满青春活力的学科。4、天体辐射的全波段观测即“全波段天文学”，“全波段天文学”是现代天文学最重要的标志。现代天文学起始时间，是第一颗人造卫星上天（1957年，前苏联）。从此，开辟了空间天文观测与研究。二、现代天文学课程目标、内容与要求 1、课程目标 主要是帮助同学了解和掌握现代天文学知识；观测到的宇宙空间的真实情况；了解宇宙空间最新研究成果以及未解之谜。2、教学形式 以课堂教学为主，辅以天文多媒体视频播放。3、内容定位 在注意天文学科自身的科学体系的同时，突出两点现代文学课程讲授突出的两个方面：1）、天文学与国防、国民
3、经济以及人类日常生活关系密切的研究领域和研究成果。2）、天文学最新的观测与研究成果、宇宙空间的未解之谜。宇宙空间的未解之谜：如：黑洞、暗物质、暗能量、UFO与外星人等。#现代宇宙学是现代天文学下属的一个重要分支学科。目前宇宙学研究正处在黄金时期，已获三次诺贝尔奖。作为宇宙学的最新观测与研究成果：重点介绍宇宙由膨胀到加速膨胀的天文观测事实与理论解释。4、考核方式 平时和期末考核均以开卷、论文形式；平时成绩（含平时考勤）占总成绩的60%，期末考核成绩占总成绩的40%；5、主要参考资料 马文章 f t p：/tcyzam： 刘学富等 基础天文学 高教出版社 2004年；吴鑫基等 现代天文学(十五讲)
4、北大出版社 2008年；期刊杂志：天文爱好者、太空探索；第一章、第一章、绪论 一、天文学研究的对象、内容和方法 二、天文学主要分支学科 三、天文学主要观测手段 四、研究天文学的意义 一、研究的对象、内容与方法研究的对象、内容与方法 1、研究对象：天体和浩瀚的宇宙 天体：是指宇宙空间中的一切实体，如星云、恒星、行星、星系以及星际介质等。天体：又分为自然天体和人造天体两类 宇宙：是空间和时间的总称。我国古代天文学就有“四方上下曰宇，古往今来曰宙”的说法。宇宙空间：天文学研究中，通常指地球大气以外。天体:又分为自然天体和人造天体两类 自然天体：太阳系中的太阳、行星、彗星、流星体；银河系中的恒星、星团
5、、星云。无数个与银河系类似的河外星系。宇宙空间中的射电源、红外源、X射线源等等都是自然天体。人造天体：各类的人造卫星、宇宙火箭、行星际探测器、轨道天文台等为人造天体。太阳系恒星世界宇宙岛河外星系猎户座星云 河外星系仙女座大星云 在恒星与恒星之间、星系与星系之间还存在着弥漫气体和尘埃，统称为：星际介质，以及电磁场、引力场等，都是天文学研究的对象。天文学一直在关注和探索宇宙空间中是否存在暗物质、暗能量以及反物质。UFO、飞碟与外星人等问题同样也是天文学关注和研究的重要领域。将宇宙空间作为整体研究的宇宙学，同样是天文学研究的领域，目前进入研究的黄金时期。马头星云鹰云 暗星云(dark nebulae
6、)大量的尘埃阻挡了星云内部或后面恒星的星光。2、研究内容 天体的位置、距离、运动、物质结构、化学组成及演化规律。研究宇宙的诞生、演化进程和未来。3、天文学研究的方法 长期以来，人类主要是通过接收来自天体和宇宙的电磁辐射来认识宇宙空间。天文学是一门观测科学。研究方法:观测理论再观测 天文学是遵循：通过观测建立理论模型再观测不断去完善和修正基本定律和理论。因此，天文观测在天文学中占有特殊的地位。观测方法和观测工具的改进和创新，总会推动天文学的发展，甚至会引起天文学深刻的革命。反过来，由于天文观测和研究对观测技术的要求，又极大地推动了科学技术的发展。中国科学院紫金山天文台（南京）国家天文台兴隆工作站
7、（河北兴隆）国家天文台怀柔站-太阳磁场望远镜中国科学院上海天文台中国科学院云南天文台(昆明)的一米光学望远镜中国科学院乌鲁木齐天文台天文学理论能预言宇宙空间未来的变化天文学理论能预言宇宙空间未来的变化 由观测获得的资料，以力学、物理学、化学等自然科学理论作为基础，运用数学进行演算和分析，建立天文学基本理论体系。再通过观测不断地改进和完善天文学理论，天文学的理论体系不但能解释现有的观测事实，而且还能预言未来的变化（如重要天象的出现）。二、天文学的分支学科 天体测量学：天文学最早发展起来的一个分支学科。它的基本任务是测定天体的位置、距离和运动，建立和改进天文参考坐标系系（包括天球参考系和地球参考系
8、）。天体力学：17世纪，万有引力定律发现以后，逐渐形成的一个分支学科。它主要是借助引力理论研究天体在受摄动情况下的运动（包括：二体问题和多体问题）。天体测量学和天体力学是天文学中实用性最强的两个分支学科，其研究成果直接为国防和国民经济以及人们日常生活服务。目前，在研究生教育中，天体测量与天体力学已经合并为一个学科，即天体测量与天体力学。天体测量与天体力学这两个分支学科更多地借助数学和计算数学。研究成果主要服务于：航海、航天、通讯、导航、测地、气象、探矿、科学实验、日地空间环境监测、军事等部门。天体物理学：产生于19世纪的中期，由于分光学、光度学和照相术等理论与技术被运用到天体的观测中，逐渐形成
9、了天体物理学。它主要借助现代物理学理论和技术，研究天体的物质结构、化学组成和演化规律。天体物理学又分为：太阳物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、高能天体物理学、宇宙化学、天体演化学、射电天文学等次级分支学科。我国高等教育单位设立天文学专业的大学不多，新中国成立以后，建立天文学专业分别是：南京大学天文学系 北京师范大学天文学系 北京大学天文学系 中国科技大学天文学系 厦门大学天文学系 中山大学天文与空间科学系 正在筹建天文学系还有：云南大学、从事天文研究与教育的高校：清华大学天体物理中心 所有大学本科只设一个专业即：天文学专业；研究生教育设：天体测量与天体力学、天体物理学两个专业
10、。三、天文学的观测手段 目前，天文学观测已进入“全波段天文学”时代，即人类有能力观测和研究天体、宇宙空间所有波段上的电磁辐射。全波段观测使我们看到的天体和宇宙空间更接近真实的客观世界。全波段天文学是现代天文学的重要标志；1957年，第一颗人造卫星上天开启了全波段天文学时代。电磁波谱光学波段的银河系射电波段的银河系红外波段的银河系X射线波段的银河系射线波段的银河系四、研究天文学的意义四、研究天文学的意义 从天文学研究的对象和内容看，天文学确实是一门最古老的科学。但天文学在自然科学各学科的发展过程中，却始终起着先导性的作用。下面从两个方面介绍，天文学的先导性作用：1、作为基础学科的天文学，在自然科
11、学发展过程中与其他学科之间的关系；2、作为实际应用的天文学与国防、国民经济以及人类日常生活的关系；1 1、作为基础学科的天文学、作为基础学科的天文学 作为基础学科的天文学，在认识自然、探索物质世界的客观规律中，始终发挥着先导性的重要作用。通过以下例证加以说明 1)1)、哥白尼的日心说、哥白尼的日心说 1543年，哥白尼提出了日心模型的想法，该模型纠正了地球是宇宙中心的错误认识。经过半个多世纪，开普勒给出了精确描述行星绕太阳运动的轨道方程，即行星运动三定律，使自然科学从神学的束缚中解放出来。哥白尼这一发现彻底改变了人们的世界观。我们人类所在的地球不在特殊，地球不是宇宙中心。现代天文观测表明:太阳
12、、太阳系也不是宇宙中心，太阳系所在的银河系也不是宇宙中心。2)2)、牛顿万有引力定律的发现、牛顿万有引力定律的发现 开普勒行星绕太阳运动的三定律是建立牛顿万有引力定律的基础。1687年，牛顿发表了他的引力理论。通过天文观测，定量验证了牛顿万有引力定律的正确性。在此基础上，才建立了经典力学体系，进而推动了力学和物理学的大发展。3)3)、原子结构模型的建立、原子结构模型的建立 最初的原子结构模型是类比太阳系的结构提出来的，后来被实验所证实了。氦元素是天文学家在观测太阳首先发现的！太阳光谱的发现及其精确测定，使人们知道了天体的化学组成及其演化规律。天文学的一些发现，往往会引起其他学科深刻的变化。4)
13、4)、爱因斯坦广义相对论的天文学验证、爱因斯坦广义相对论的天文学验证 20世纪初，爱因斯坦发表了狭义相对论（1905年）和广义相对论(1915年)。广义相对论预言：A、恒星光线经过太阳边缘时会产生偏折，称为光线引力偏折。光线引力偏折现象被1919年的日全食观测所证实（组织者是英国剑桥大学爱丁顿）；B、水星轨道近日点进动的广义相对论效应；C、白矮星光谱线引力红移的存在；D、广义相对论关于引力波存在的预言，也是通过对脉冲双星轨道变化的天文观测得到了证实。以上四大验证都是通过天文学观测得到了证实。水星轨道近日点进动：观测表明，水星近日点进动为5600.73/每百年。经过计算,已知行星对水星轨道摄动影
14、响只会产生5557.62/每百年，还有43/每百年进动值得不到合理解释。这就是困扰多年牛顿引力理论解决不了的难题。最初，人们是怀疑在水星轨道以内，还有一颗行星对水星引力摄动所致。天文爱好者施瓦布为此寻找了17年，当然最终是找不到本来就不存在的火神星。广义相对论发表以后，利用四位时空测地线方程解水星轨道运动，当将测地线投影在三维空间时，发现水星轨道近日点就是不断进动的椭圆轨道，进动周期刚好是每百年43。解决了牛顿引力理论长期没有解决问题。5)5)、星际有机分子的发现、星际有机分子的发现 近几十年来，在星际介质中发现了有机分子。有机分子是构成地球生命的基本元素。星际有机分子的发现，使人们相信在地球
15、以外会有生命存在。星际有机分子的发现居20世纪60年代，射电天文四大发现之首。四大发现还有脉冲星、宇宙微波背景辐射和类星体。类星体通常被认为，是遥远的河外星系处在活动状态的星系核，称为活动星系核。类星体以及等高能物理现象的发现，都向化学、生命科学和物理学等提出了新的挑战。6)6)、对数学和计算方法的推动、对数学和计算方法的推动 天文观测数据的处理和天体运动理论的研究都离不开计算方法；反过来天文学中的问题解决，也有力的推动了数学学科的发展。历史上，大批的天文学家同时也是卓越的数学家、物理学家。7)7)、对地学、气象学的影响、对地学、气象学的影响 天文学与大地测量学、气象学关系更为密切。高精度的大
16、地测量方法和手段来都自于天文学(G P S、)。如：3S(GPS、GIS、RS)太阳活动被认为是各种气象的成因2 2、天文学研究成果、天文学研究成果直接为国防、国民经济以及人们日常生活服务 天文学不仅是一门基础学科，天文学的研究成果在许多方面直接为国防、国民经济和人们日常生活服务。可以说天文学与人类日常生活息息相关。天文学其实是一门实用性很强的自然科学!通过以下例证加以说明 1)1)、测时、守时与授时（、测时、守时与授时（统称时间工作统称时间工作）高精度的时间服务是由天文学提供的！1960年以前，时间计量的标准是世界时。19601967年，历书时是时间计量标准。1967年起，原子时(以原子内部
17、能级跃迁频率为依据建立起来的时间计量系统)作为时间计量标准。虽然时间计量的标准是原子时，但高精度的世界时测定和时间的发播（即授时）工作，目前仍然是科学研究和大地测量的重要依据。世界时是以地球自转和公转运动为依据建立起来的时间计量系统；世界时是通过天文观测和时间计量理论实现的。高精度的时间在航海、航空、航天、通讯、大地测量和物理实验等许多部门有重要应用；国家高精度时间系统是由天文部门保持和提供的（国家授时中心，原陕西天文台，地点陕西渭南）。人类日常使用的时间是协调世界时UTC以及历法等，均是由天文部门提供的。时间基本单位的演变1）、世界时 是以地球自转运动为依据，建立的计时系统，称为：世界时（U
18、T）。时间基本单位：日 2）、历书时 是以地球公转运动为依据，建立的计时系统，称为：历书时（ET）。时间基本单位：回归年 3)、原子时 是以原子内部电子的能级跃迁时，辐射电磁波的振荡频率（物质内部的微观），作为计量时间的依据，称为原子时（TAI）。时间基本单位：原子时秒2)2)、天球参考系和地球参考系、天球参考系和地球参考系 天球参考系和地球参考系统称为天文参考系 天文学通过编制天文年历、各种天体位置历表、测定地面台站坐标。根据天体空间位置建立的天球参考坐标系和根据地面上台站的精确地理坐标建立的地球参考坐标系，是航天、航海、大地和重力测量的重要依据。人造卫星的精密定轨，利用人造卫星进行大地测量
19、、卫星通讯和导航等都离不开精确的天体位置历表即天球参考系和地球参考系。3)3)、太阳活动的监测与预报、太阳活动的监测与预报 太阳处在活动期时，太阳辐射就会增强。这样大量地高能带电粒子、紫外线和X射线到达行星际空间和地球上空，使地球磁场和电离层受到破坏，影响短波通讯和电能传输，威胁飞机、卫星和飞船的飞行安全。太阳活动也是地球大气环流和气候变化产生的直接原因。太阳活动监测与预报是由天文学科承担的。4)4)、人造卫星和各类空间探测器的轨、人造卫星和各类空间探测器的轨道设计和精密定轨道设计和精密定轨 人造卫星和各类空间探测器广泛的应用在通讯、导航、气象、测绘、探矿、医药和军事等许多方面。人造卫星和空间
20、探测器的轨道设计以及卫星升空后的观测，天文学都起着决定性作用。5)5)、卫星应用于定位、通讯与导航等、卫星应用于定位、通讯与导航等 人造卫星没有上天前,人们是根据观测太阳和近距离恒星空间位置来决定地面点坐标和航行中轮船飞机位置。全球卫星定位导航系统(GPS)、我国北斗第一代和第二代定位导航系统,均是采用人造卫星进行定位与导航的。气象卫星、通讯卫星、测地与遥感卫星、海洋监测卫星等等。6)6)、近地小天体的监测、近地小天体的监测 一些近地小行星、彗星以及人类为了探索宇宙空间发射的各种航天器，都有可能对地球和人类造成威胁。监测这些小天体的运动，预报它们的精确轨道，是天文学的一项使命。7)7)、天文地
21、球动力学、天文地球动力学 用天文方法和天体测量资料，研究地球板块运动、大陆漂移和地震等。8)8)、历史和考古中的作用、历史和考古中的作用 利用历史上的天象记录考证历史事件发生的年代，是天文学在历史和考古学中的应用。20世记未，完成的我国“夏商周断代工程”项目，就是利用我国古代彗星、日月食等天象记录，通过天体力学方法算出发生的年代，再结合考古发掘和历史文献，确定了一些重大历史事件如武王伐纣等的确切年代。这一研究成果，把中国历史记年向前延伸了1200年。这一研究成果，使夏、商、周三代才有了确切的年代标记。9)9)、天文学推动科学技术的发展、天文学推动科学技术的发展 历史上，天文学观测技术和方法的更
22、新，确实依赖于当时科学技术的发展水平；反过来，由于天文观测对科学技术的要求，又推动当代科学技术的发展,事例很多。例如：天体辐射的信号都比较弱，天文观测上的需要，促进了检测微弱信号技术的发展；又如观测要求时时跟踪，促进了计算方法和跟踪技术的发展；又如空间天文观测,促进了新能源和新材料等技术的发展。3 3、天文学的哲学意义、天文学的哲学意义 天文学和哲学有两个共同的关注点：即物质的起源与演化；生命的起源与归属。1)、天文学是一门科学，科学是一种知识体系，是对客观事务的认识。天文学在其发生和发展过程中，在对自然界和宇宙认识的过程中,虽然充满着辨证唯物主义的内容,但它不是哲学。更不是神学！2)、哲学，它是人类最高智慧的结晶，它只有面向客观和自然，不断的吸收和更新，才能有发展和立足点。正因为如此，许多科学上，特别是天文学上的一些重大的发现，都能从根本上影响当代的哲学。例如：关于人以及人在宇宙中的位置的见解。下面的例子可以说明这一点 例如：17世纪的哥白尼和伽俐略、19世纪的拉普拉斯、20世纪的爱因斯坦等一批天文学家、数学和物理学家都深刻地影响了自己所在时代的哲学。总之，天文学不等于哲学，哲学也不是天文学。
