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论天体物理学及其对未来发展的重要作用

11级物理2班 黄健根 1107020051
摘要: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天文学分支学科。 它分为：太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天 体演化学等分支学科。另外，射电天文学、空间天文学、高能天体物理学也是它的分支。多年来，随着世界人口的不断增加，资源不断的消耗，人们的生存环境日益缩减，资源也愈加匮乏。越来越多的国家将希望寄托于地球外部的空间，这进一步促进了天体物理学的发展，理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步，几乎理论物理学每一项重要突破，都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立，使深入分析恒星的光谱成为可能，并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理学的发展，使恒星能源的疑问获得满意的解决，从而使恒星内部结构理论迅速发展；并且依据赫罗图的实测结果，确立了恒星演化的科学理论。

关键词： 天体 银河系 特殊行星 星系集团 同位素
引力 原子核 等离子体 星系空间

引言：本学期开展了物理学史着门课程,陈老师给我们讲述了有关内容，以下是我对天体物理学及其对未来发展的重要作用的论述。

（一）天体物理学的有关介绍

从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起，中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体，绘制月面图，1655～1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云，后来还有哈雷发现恒星自行，到十八世纪赫歇耳开创恒星天文学，这是天体物理学的孕育时期。十九世纪中叶，三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后，对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系，天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。
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天文学分支学科。
天体物理学分为：太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天 体演化学等分支学科。另外，射电天文学、空间天文学、高能天体物理学也是它的分支。
利用理论物理方法研究天体的物理性质和过程的一门学科。1859年﹐基尔霍夫根据热力学规律解释太阳光谱的夫琅和费线﹐断言在太阳上存在著某些和地球上一样的化学元素﹐这表明﹐可以利用理论物理的普遍规律从天文实测结果中分析出天体的内在性质﹐是为理论天体物理学的开端。理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步﹐几乎理论物理学每一项重要突破﹐都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立﹐使深入分析恒星的光谱成为可能﹐并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理的发展﹐使恒星能源的疑问获得满意的解决﹐从而使恒星内部结构理论迅速发展﹔并且依据赫罗图的实测结果﹐确立了恒星演化的科学理论。1917年爱因斯坦用广义相对论分析宇宙的结构﹐创立了相对论宇宙学。1929年哈勃发现了河外星系的谱线红移与距离间的关系﹐以后人们利用广义相对论的引力理论来分析有关河外天体的观测资料﹐探索大尺度上的物质结构和运动﹐这就形成了现代宇宙学。
对行星的研究是天体物理学的一个重要方面。近二十年来，对彗星的研究以及对星星及物质的分布、密度、温度、磁场和化学组成等方面的研究，都取得了重要成果。随着空间探测的进展，太阳系的研究又成为最活跃的领域之一。
银河系有一、二千亿颗恒星，其物理状态千差万别。球状体、红外星、天体微波激射源、赫比格一阿罗天体，可能都是从星际云到恒星之间的过渡天体。
特殊行星更是多种多样：造父变星的光变周期为1～50天，光变幅为0.1～2个星等；长周期变星的光变周期为90～1000天，光变幅为2.5～9个星等；天琴座RR型变星的光变周期为0.05～1.5天，光变幅不超过1～2个星等；金牛座 T型变星光变不规则，没有固定的周期；新星爆发时抛出大量物质，光度急骤增加几万到几百万倍；有的红巨星的半径比太阳半径大1000倍以上；白矮星的密度为每立方厘米一百公斤到十吨，中子星密度更高达每立方厘米一亿吨到一千亿吨。
河外星系与银河系属于同一天体层次。星系按形态大致分为五类：旋涡星系、棒旋星系、透镜型星系、椭圆星系、不规则星系。按星系的质量大小，又可分为矮星系、巨星系、超巨星系，它们的质量依次约为太阳的一百万到十亿倍、几百亿倍和万亿倍以上。同银河系一样，星系也由恒星和气体组成三、五个、十来个、几十个以至成百上千个星系组成星系集团，称星系群、星系团。
通过各种观测手段，人们的视野扩展到150亿光年的宇宙“深处”。这就是“观测到的宇宙”，或称为“我们的宇宙”，也就是总星系。研究表明，宇宙物质由化学元素周期表中近百种化学元素和289种同位素组成。在不同宇宙物质中发现了地球上不存在的矿物和分子。
用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射，可得到天体的各种物理参数。根据这些参数运用物理理论来阐明发生在天体上的物理过程，及其演变是实测天体物理学和理论天体物理学的任务。
天体物理学从研究方法来说，可分为实测天体物理学和理论天体物理学。前者研究天体物理学中基本观测技术、 各种仪器设备的原理和结构，以及观测资料的分析处理，从而为理论研究提供资料或者检验理论模型。光学天文学是实测天体物理学的重要组成部分。后者则是对观测资料进行理论分析，建立理论模型，以解释各种天象。同时，还可预言尚未观测到的天体和天象。 天体物理学按照研究对象，可分为：①太阳物理学 ②太阳系物理学 ③恒星物理学 ④恒星天文学 ⑤星系天文学 ⑥宇宙学⑦天体演化学

（二）天体物理学对未来的重要影响

天体物理学的发展，促使天文观测和研究不断的出现新成果和新发现。天体物理学的发展，促使天文观测和研究不断出现新成果和新发现。1859年，基尔霍夫对太阳光谱的吸收线(即夫琅和费谱线)作出科学解释。他认为吸收线是光球所发出的连续光谱被太阳大气吸收而成的，这一发现推动了天文学家用分光镜研究恒星；1864年，哈根斯用高色散度的摄谱仪观测恒星，证认出某些元素的谱线，以后根据多普勒效应又测定了一些恒星的视向速度；1885年，皮克林首先使用物端棱镜拍摄光谱，进行光谱分类。通过对行星状星云和弥漫星云的研究，在仙女座星云中发现新星。这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。
　　1905年，赫茨普龙在观测基础上将部分恒星分为巨星和矮星；1913年，罗素按绝对星等与光谱型绘制恒星分布图，即赫罗图；1916年，亚当斯和科尔许特发现相同光谱型的巨星光谱和矮星光谱存在细微差别，并确立用光谱求距离的分光视差法。
　　在天体物理理论方面，1920年，萨哈提出恒星大气电离理论，通过埃姆登、史瓦西、爱丁顿等人的研究，关于恒星内部结构的理论逐渐成熟；1938年，贝特提出了氢聚变为氨的热核反应理论，成功地解决了主序星的产能机制问题。
　　1929年，哈勃在研究河外星系光谱时，提出了哈勃定律，这极大地推动了星系天文学的发展；1931～1932年，央斯基发现了来自银河系中心方向的宇宙无线电波；四十年代，英国军用雷达发现了太阳的无线电辐射，从此射电天文蓬勃发展起来；六十年代用射电天文手段又发现了类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射。
　　1946年美国开始用火箭在离地面30～100公里高度处拍摄紫外光谱。1957年，苏联发射人造地球卫星，为大气外层空间观测创造了条件。以后，美国、西欧、日本也相继发射用于观测天体的人造卫星。现在世界各国已发射数量可观的宇宙飞行器，其中装有各种类型的探测器，用以探测天体的紫外线x射线、β射线等波段的辐射。从此天文学进入全波段观测时代.这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。
理论物理学中的辐射、原子核、引力、等离子体、固体和基本粒子等理论，为研究类星体、宇宙线、黑洞脉冲星、星际尘埃、超新星爆发奠定了基础。天体物理学的发展也进一步促进了理论物理学的发展，天体物理学对人类社会发展的重要性日益增加。世界各国对天体的研究越来越注重，改革开放以来，特别是近些年来，我国先后发射各种人造卫星包括神舟系列卫星，嫦娥系列卫星等，对太阳系天体进行实地采样和分析，以及尚在努力探索中的引力波观测，目前关于天体的信息都来自电磁辐射。通过对辐射谱线的分析，可以得到关于天体表面温度、质量以及内部结构、地理状况等许多信息，还可以测量天体与地球的距离。各种各样的恒星，为研究恒星的形成和演化规律提供了样品。另外，天体上特殊的物理条件，在地球上往往并不具备，利用天体现象探索物理规律，是天体物理学的重要职能。可以在外空间对特殊材料进行加工、合成，也可以在外空间进行生物变异处理，产生多种多样的物种，来提高人们生活质量。
通过天体物理学，对各种天体进行研究，不仅使人们愈来愈深入地了解宇宙的结构和演化规律，同时也促使物理学在揭示微观世界的奥秘方面取得进展，对未来发展有着十分重要的作用，几乎涉及到人类生活的各个方面。首先，天体物理学对我们来说，可以很好地运用到物理问题的解决中，比如天体运动中非常著名的双星系统问题。行星围绕恒星做圆周运动，或者卫星绕行星做圆周运动时，万有引力作用的距离，刚好是行星(或卫星)圆周运动的轨道半径，但是在双星系统中的引力作用的距离与双星运动的轨道半径是不同的，双星系统中两星做圆周运动时的角速度和周期是一定相同的。通过这些信息，我们可以将双星系统简化为圆周运动的模型，从而计算出与此系统相关的万有引力，向心力，周期等物理量并通过这些物理量之间的转化和运算解决一些简单的问题，如由双星运动引起的类似日食的食双星现象，粗略计算万有引力常量等等。另外，在研究天体物理学的过程中，观察是一个必不可少的过程，所以在观察中用到的仪器也就成为了可以影响我们生活和学习的一大应用方向。天文望远镜是收集天体辐射并能确定辐射源方向的天文观测装置，通常指有聚光和成像功能的天文光学望远镜。天文望远镜的发展和使用原理结合了光学和热学的很多内容，从最早的伽利略式天文望远镜到现代大型光学望远镜，通过对透镜焦距的不断调整和其他光学套件的复杂组合，让我们有机会观察到更多的天文现象，所以可以说，天文望远镜的出现和发展就是现代天文学的基础。
同时，天体物理学还可以应用到许多其他有趣的方面。近年来十分受人关注的2012末日理论其实也与天体物理学有着密不可分的关系。一些星象学家认为，2012年将可能会出现“天体重叠”，太阳在天空中的线路将会穿过银河系的最中央，将会让地球处于更为强大的未知宇宙力量的牵引之下，会加速地球的毁灭。但事实上，天体物理学的知识告诉我们，2012年绝对不会出现这种可怕的‘天体重叠’现象，或者说只会出现一些正常的天体现象。比如每年冬至时，从地球上看太阳，太阳看起来就像是处于银河系的中央。一些星象学家或许会对保存这种现象很兴奋，但对于科学家来说，这种现象毫无特别之处。它不会造成地球引力、太阳辐射、行星轨道等事物的变化，也不会对地球上的生命造成任何影响。没有任何奇怪之处。只有认为世界即将面临末日的人才会把这些普通的天文现象看作是一种威胁。另外，关于2012世界末日的一些其他预言，如行星撞击地球，太阳风暴袭击等等，我们也可以用并不复杂的天体物理学知识对其加以驳斥。

其次，地球目前正面临着能源匮乏问题，通过对外空间探索，我们或许能找到新能源来缓解地球能源问题。热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。还有，人们对外空间探索，也是希望能找到类地球环境，期望地球人能搬到外空间生存，来解决人口爆炸问题。地球上出现过许多次的UFO，USO事件，世界各国都希望能探索到外星文明，彼此可以做进一步的交流，以此来解决地球上的许多问题。最后，通过天体物理学对外星进行探索可以促进各个学科的发展。六十年代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射，促进了高能天体物理学、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展，也向物理学、化学、生物学提出了新的课题。
天体物理学的发展，经历了许多过程，从最初的验证地球是球形，到后来日心说的建立，再到17世纪行星的相关研究，以及后来相关物理量的测定，到现在对宇宙暗物质的探寻，天体物理学已经把我们生活的范围扩展到了整个宇宙，而接下来的研究也必定会给我们呈现出一个更加清晰的宇宙状态，也许会从而改变我们整个的生活范围和生活状态。所以，天体物理学对我们来说并不遥远，天体物理学的应用和发展，一直都在我们的身边。

参考文献:

宇宙射线的早期研究 姚立澄 2002 自然科学史研究
20世纪的宇宙物理学 Martin J.Rees 2001 世界科学
李娟 沈志强 《科技导报》 2009 第15期
李天超 赵刚 《天文学进展》 1999 第4期