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[转载]近现代天文学史

已有 587 次阅读 2021-9-16 20:38 |个人分类:读书笔记|系统分类:论文交流|文章来源:转载

从十六世纪哥白尼的革命开始,天文学的发展进入了全新的阶段。[1]

自那时以来,大致可以划分成三个时期:①十六、十七世纪:天文学在摆脱宗教束缚的同时,逐步形成一门近代科学。它从主要单纯描述天体位置和运动的古典方位天文学、天体测量学,向着寻求这种机械运动的内在规律及其力学原因的天体力学发展。②十八、十九世纪:经典天体力学达到了鼎盛时期。由于分光学、光度学和照相术的发展,天文学更深入地向着研究天体的物理结构和物理过程的天体物理学方向发展。③二十世纪:现代物理学和现代技术的发展使天体物理学成了天文学的主流,使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展。人们对宇宙的认识达到了空前的深度和广度。

1. 近代天文学的兴起(哥白尼的革命)

在中世纪的黑夜之后,天文学在欧洲以意想不到的力量一下子重新兴起,并且以神奇的速度发展起来。“奇迹”的产生应归功于生产的发展。从十字军远征以来,由中世纪市民等级所创立的工业生产和商业获得了巨大的发展。商品经济的发展导致远洋航行的发达。为此,人们迫切需要天文仪器,需要精密的恒星、行星的星表,当然也需要发明测定经纬度的方法。这就为天文学的发展提供了巨大的推动力。而冶金、机械制造等生产部门的发展,印刷术的传播,则为天文学的发展提供了物质条件。

随着生产的发展,资本主义生产关系在欧洲封建社会内部逐渐形成和发展起来。和资产阶级的经济、政治利益相适应,十四、十五世纪以来,欧洲文化上也出现了新的运动。

它的主要内容就是人文主义思想:反对中世纪的神学世界观,摆脱教会对人们的思想束缚,冲破各种神学的或经院哲学的传统教条。这个以文艺复兴为名的运动开创了欧洲文化和思想发展的一个重要时期。由于亚里士多德多于-托勒密的地心体系成为中世纪神学世界观的一个支柱,天文学的发展却证明这个地心体系的破绽越来越多。于是,天文学就成为冲破神学束缚的一个突破口。文艺复兴的思想解放运动为打破地心体系提供了思想动力和精神基础,而这个体系的打破又给予宗教神学以沉重的打击,使文艺复兴运动更加气势磅礴。天文学也由此首先进入近代科学的大门。

(1)哥白尼

文艺复兴时期已有许多进步思想家和天文学家对破绽百出的地心体系表示怀疑。但是,真正打破这个体系的第一人是十六世纪伟大的波兰天文学家哥白尼。他分析了托勒密体系,经过几十年的研究,建立起一个崭新的宇宙体系──地球是一颗行星,和别的行星一样,都在同心圆周上围绕太阳运行。行星排列的次序:水星在最内的圆周上,依次往外是金星、地球、火星、木星,土星在最外的圆周上。月球围绕地球运行,同时也被地球带着围绕太阳运行,恒星则在遥远的空间里。这个既简单而又基本的发现,使人们对于宇宙的看法从主观的、神秘的、原始的见解,进步到近代的、客观的、合理的见解。这体系引起一系列思想上的革命,人们从此摆脱了对神学和古代经典的权威的迷信,以事实作为知识的来源,靠实践判断理论的真伪。因此,哥白尼论述这个日心体系的《天体运行论》一书,被恩格斯誉为“自然科学的独立宣言”。

(2)第谷

哥白尼死后三年多,在丹麦诞生了一位卓越的天文观测者──第谷。他的工作对哥白尼的体系的巩固和发展起了很大作用。第谷受到丹麦国王的资助,修建了一座华丽的天文台。他和一群助手在那里工作了二十多年。第谷曾经提出过一种折衷的宇宙体系──行星绕太阳运动,太阳绕地球运动。但是,这个体系在欧洲没有发生什么作用。第谷的功绩在于制造仪器和观测。他认为,只有依靠大量的精密观测记录,才能够创立正确的行星理论,并计算出可靠的行星表。因此,他特别勤恳地观测太阳、月球和行星的方位,并作出精确的记录。第谷快要逝世时,将珍贵的观测记录赠给他的助手开普勒。

(3)开普勒

这位哥白尼派的信徒发现,对于火星运动来说,不论按哥白尼体系或托勒密体系,乃至第谷设想的折衷体系,都不能得到和第谷的观测相合的结果。虽然最大误差只有8′,但是,他坚信观测结果是正确的。他在分析了哥白尼体系和托勒密体系以后,发现它们有一个共同点,那就是二者都认为天体是沿圆周作匀速运动的。开普勒敏锐地感觉到,可能正是这一点是有问题的。于是他为火星设想了种种轨道曲线。经过了十多年的辛勤劳动,进行不断的尝试和复杂的计算,他终于在1609年和1619年分别发表对所有行星运动都适用的三条定律(见开普勒定律),从而对哥白尼学说作了第一次重大的发展。

(4)伽利略

他是与开普勒同时代的意大利人。1609年,伽利略听说荷兰人发明了望远镜,便独立地研究制造出愈来愈大的天文望远镜。1610年伽利略开始用望远镜观察天体,随即发现一些天象,这使他更加相信哥白尼理论的正确性。因此,他便愈来愈热烈地宣传哥白尼的体系。在中世纪凡是不符合教会思想而另有主张的人,便会遭到迫害。意大利思想家布鲁诺就是因为相信和宣扬哥白尼体系,攻击亚里士多德的哲学,批判罗马教会的腐朽制度,而被处火刑烧死。1616年,伽利略的仇人从他的一部书中,摘出他叙述哥白尼理论的一段,向宗教法庭提出控告。法庭宣判说:“太阳居于宇宙中心的思想是一种邪说,至于不把地球放在宇宙中心,而认为在运动,虽非邪说,却是谬论。”所以伽利略受到法庭警告,不许再提倡这类学说。同时哥白尼所著《天体运行论》被列为禁书。

可是暴风雨过去没有几年,为维护哥白尼的学说,伽利略又写了一部书——《关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话》。这部书于1632年出版后,立刻遭到教士们的攻击,并向教会法庭的异端裁判所提出控诉。于是这部书被列为禁书,伽利略也被召到罗马受宗教法庭的审判。1633年他被判处终身监禁。伽利略后被保释,改判为“居家监视”,因此这位七十高龄的老人仍得继续研究工作,直到1642年逝世。

(5)牛顿

伽利略去世的那一年,牛顿在英国诞生。牛顿在大学求学时就已经接受了哥白尼的理论,并深深体会到开普勒和伽利略的工作的意义。开普勒认为是太阳的力量控制着行星在轨道上运行,但是,他没有找到正确的力学规律。在开普勒和伽利略、惠更斯等人工作的基础上,牛顿发现了万有引力定律。他写成了一部不朽的巨著《自然哲学的数学原理》。这部书奠定了近代力学的基础,并表明哥白尼的日心体系是一个巨大的机械结构。牛顿证明使天体循一定轨道运动的因素是引力,并从引力定律出发将两千年间的观测贯串起来,一并加以说明。牛顿的成功摧毁了日心说的一切障碍。十八世纪初,西方各大学开始讲授牛顿和哥白尼的哲学。

2. 十七世纪的其他天文学家

除上述天文学家外,还有其他一些天文学家也对哥白尼学说的胜利和天文学的发展作出贡献:

(1)霍罗克斯:这位英国天文学家的主要成就是把开普勒的椭圆轨道理论应用到月球运动上去。他首先说明月球运动中的出差和二均差(见月球运动理论)都是月球轨道椭率变化的结果,而这种变化和月球轨道拱线的摆动是受到太阳引力的影响。

(2)赫维留:这位波兰业余天文学家在自己住宅的屋顶上建立了一座天文台,曾对太阳黑子作辛勤观测,因而定出相当准确的太阳自转周期。他提出的光斑一词一直沿用至今。1647年发表第一幅比较详细的月面图。1701年出版了他编制的赫维留星表。

(3)惠更斯:这位荷兰天文学家发现了土星的光环和第一颗卫星。他的关于向心力的工作对牛顿万有引力的发现起了重要的作用。他创造的天文摆钟、复合目镜等对天文仪器的进展有重要意义。他还阐明了布鲁诺提出的恒星都是宇宙里的太阳的正确主张。

(4)G.D.卡西尼:原籍意大利的法国天文学家G.D.卡西尼(见卡西尼家族)虽然不接受哥白尼学说,但是仍然致力于行星的卫星观测。他发现了土星的四个卫星和土星光环(见行星环)中的暗缝,刊布了第一份木星卫星历表,为在海上测定经度的工作提供了重要条件。

(5)罗默:这位丹麦天文学家在巴黎天文台工作期间,通过对木卫掩食的研究发现光速的有限性,并首次测得光速值。在这个基础上,后来布拉得雷才能发现光行差,为日心说提供了有力的证明。

3. 十八、十九世纪天文学

十八、十九这两个世纪是近代天文学的发展时期。由于技术的发展,天文望远镜及其终端设备、附属配件的性能越来越好,这就使天体测量的精确度日益提高,从而导致了一系列重大发现,如恒星自行、光行差等。而天体测量学的进步,又推动了天体力学,使它在近代数学的基础上得到极大的发展。另一方面,技术的进步使人们所认识的宇宙范围越来越广阔。十九世纪中叶,天体物理学诞生。从此,人们得以逐步深入地认识天体的物理本质。

(1)天体测量学的成就

1725~1728年间,布拉得雷在测定天龙座γ的视差时发现周年光行差现象。1727~1732年他又发现章动现象(见岁差和章动);经过二十多年的观测,终于在1748年确认章动的存在,并定出光行差常数。

1716年哈雷提出了观测金星凌日的方法来定太阳视差。经过一个多世纪的实践,效果仍不理想。小行星发现后,德国伽勒提出改用观测小行星来定太阳视差。这个方法一直使用到现在。1895年所得结果为8.″802,同今测值已十分接近。

经纬度和钟差的测定是这个时期中天体测量学的基本任务之一。完成这项任务的几个重要环节是:1756年德国迈耶尔导出中星仪测时基本公式;十九世纪初高斯提出同时测定纬度和钟差的多星等高法;1857年美国太尔各特改进了十八世纪丹麦赫瑞鲍的发明,提出测定纬度的太尔各特法。这些成果至今仍有实际意义。

纬度测定精度的提高,使德国屈斯特纳得以在1888年发觉观测站所在纬度的微小变化,由此证实了1765年欧拉预言过的极移现象的存在。1891年美国张德勒分析出极移的周期性。为了进一步提高测时测纬精度,1899年成立了国际纬度服务机构,由这个机构提供地极坐标。

在这两个世纪中,天文学家编制了许多星表,其规模越来越大,精度越来越高。其中著名的有1798年和1805年出版的两册《布拉得雷星表》,它对近代恒星自行的研究超过重要作用。1859~1862年发表的《波恩巡天星表》,载星324,000多颗。直到二十世纪五十年代,国际天文学联合会还要求重印这份星表及其所附星图。1872年纽康编的N1星表和1879年、1883年德国天文学会分两次发表的《奥韦尔斯基本星表》(FK星表)是两个重要的基本星表系统的开端。

(2)天体力学的发展

由于航海的需要,这一时期的天体力学首先致力于研究受到其他天体摄动的大行星和月球的运动,以求获得一份精确的历表。使用的方法,主要是分析的方法,也称为摄动理论。1748年和1752年,欧拉在研究木星和土星的相互摄动中首创任意常数变易法,分析方法的研究主要由此开始。后来拉格朗日发展了欧拉的方法,导出描述轨道要素变化的拉格朗日方程。1799~1825年拉普拉斯出版《天体力学》,全面总结了十八世纪的工作,提出比较完整的大行星运动理论和月球运动理论。经过泊松、勒威耶、汉森等人的努力,到十九世纪下半叶,纽康建立了除木星和土星以外所有六个行星的运动理论;希尔建立了木星和土星的运动理论。他们的工作至今仍是编算天文年历的依据(火星例外,1919年后采用F.E.罗斯改进的理论)。希尔的月球运动理论则是二十世纪E.W.布朗理论的基础。

在摄动理论的研究中,摄动函数的展开问题是个重要问题。在这方面有贡献的是纽康,他创立纽康算符,简化了运算的过程。

由于彗星和小行星常常有较大的倾角和偏心率,在研究它们受到的摄动时必须采用与大行星理论不同的方法。1843年,汉森创立绝对摄动法,以偏近点角为引数,使展开的级数迅速收敛。1874年,希尔提出以中间轨道为基础的球坐标摄动法。1896年,波林用汉森理论研究赫斯提亚群小行星,建立了群摄动的分析方法(见彗星的运动和小行星的运动)。

纯粹理论研究方面的重要贡献有:1772年拉格朗日证明三体问题中有拉格朗日特解(见平面圆型限制性三体问题),这一结论为1906年开始发现的脱罗央群小行星的运动所证实。十九世纪末庞加莱等人建立了三体问题的积分理论。

(3)太阳系的研究

早在十七世纪,荷兰学者惠更斯就发现了火星极冠。1761年,俄国罗蒙诺索夫根据金星凌日的观测作出了金星表面有大气存在的正确结论。这一时期对大行星的研究主要还只限于对它们作表面细节的观测。此后不断有人描绘火星表面图。1877年以后,意大利斯基帕雷利绘制的火星表面图较为有名。火星上有“运河”的设想便是他提出来的。

海王星的发现,是这一时期中最伟大的成就之一。1781年,F.W.赫歇耳(见赫歇耳一家)偶然地发现了天王星。此后四十年中,它的计算位置与实际观测始终不符。人们设想这是因一颗未知行星对天王星摄动的结果。1844~1846年,J.C.亚当斯和勒威耶各自独立地进行了计算,伽勒根据勒威耶的推算,在1846年9月发现了海王星。

1772年,德国波得宣布了反映行星距离规律的提丢斯-波得定则。天王星发现后证明也符合这条定则。因此人们开始注意并努力在这条定则所指出的木星和火星之间的空隙寻找未知天体。1801年,意大利皮亚齐发现了第一颗小行星──谷神星。高斯的计算表明,它的轨道正在木星和火星之间。第二年德国奥伯斯又发现了一颗小行星──智神星。1804和1807两年又各有人发现一颗小行星。它们之所以被称为小行星,因为它们的体积都很小。它们同太阳的距离都与谷神星相似。因此,奥伯斯提出第一个小行星起源的假说,认为小行星是一颗大行星崩溃后的碎片。

此后发现的小行星逐年增加,到1876年已达172颗。1877年,美国柯克伍德指出,由于受到木星强大的摄动,小行星空间分布区域中有空隙。在空隙区域里,小行星周期和木星周期成简单比例。这个发现在天体动力学的演化研究上有重要意义(见小行星环的空隙)。

1758年底哈雷彗星回归,证实了哈雷于1705年所作的预言。此后,彗星成为天文学研究的重要对象。1811年,奥伯斯提出,彗星是由微小质点所组成的,被一种带电的斥力将它们抛向同太阳相反的方向。1877年,俄国勃列基兴按斥力和太阳引力之比将彗尾分为三型,由此开始了近代彗星结构理论的研究。

太阳黑子观测是在天体物理学诞生以前太阳研究中最有成绩的一项。1826~1843年,德国施瓦贝根据长达十七年的观测,得出黑子有10或11年的周期变化。1849年,瑞士R.沃尔夫追溯了直到伽利略的观测,提出用统计方法研究黑子的消长规律,并定出标志太阳活动的指数,即沃尔夫黑子相对数。它至今仍为天文学界广泛使用。

(4)恒星天文学的研究

1718年,哈雷把他观测到的恒星位置同喜帕恰斯、托勒密的观测结果相比较,发现天狼、参宿四、大角等星的位置本身有变化,由此发现了恒星的自行。

1748年,布拉得雷提出,恒星自行可能是太阳运动和恒星运动的综合结果。1783年,F.W.赫歇耳通过对7颗星的自行的分析,得知太阳在向武仙座方向运动,此后又通过对27颗恒星的分析,求出运动向点是在武仙座λ附近,和今测点相差不到10°。1837年,德国阿格兰德尔分析了390颗星的自行,证实了F.W.赫歇耳的结论。

英国赖特(1750年)、德国康德(1755年)、朗伯特(1761年)等人都提出了恒星组成一个有限的呈扁平圆盘状的银河系,而且银河系外还有别的星系的思想。从十八世纪八十年代开始,F.W.赫歇耳首创用统计恒星数目的方法来研究银河系结构。他计数了从赤纬-30°到+45°的117,600颗星。1785年,他接受了银河系为扁平圆盘状的假说。他的儿子J.F.赫歇耳曾到好望角计数恒星,再次证实了北半球的统计结论,并进而提出了银河平面的概念,把它作为恒星系的基本定标平面。

1802年,F.W.赫歇耳从双星间距离的测定中发现,有些双星有互相环绕作周期运动的现象。后来В.Я.斯特鲁维(见斯特鲁维家族)在爱沙尼亚使用游丝测微器对双星轨道进行了大量的精密测定。这项工作为研究恒星质量提供了重要的资料。

由于仪器的进步和技术的提高,十九世纪三十年代终于测出自哥白尼以来天文学家长期寻求的恒星三角视差。1837年、1838年、1839年三年间,В.Я.斯特鲁维、贝塞耳和英国T.亨德森分别报告了他们对织女一、天鹅座61和半人马座α的观测结果。从此,天文学家才有可能获得对恒星距离的科学认识。

1887年,В.Я.斯特鲁维的孙子Л.О.斯特鲁维从银河系是个固体的假设出发,分析恒星的自行,得出银河系自转的结论;不过,所得出的角速度值很不准确。

(5)天体物理学的诞生:1814年,德国夫琅和费制成第一架分光镜,用来观测太阳,发现了太阳的光谱线。他所定的A、B、C、D等主要谱线的名称一直沿用至今。1859年,德国基尔霍夫和本生合作研究光谱,发表分光学上的基本定律──基尔霍夫定律。从此,天体物理学便迅速发展起来,而不久以前发明和发展起来的光度学、照相术也为天体物理学的发展提供了重要手段。

基尔霍夫在1859年指出,太阳光谱里的黑线是因光球发出的连续光谱被太阳大气所吸收而造成的。他把这些谱线和实验室里各种元素的光谱加以比较,证认出太阳上有许多地球上常见的元素,如钠、铁、钙、镍等。这说明太阳大气的温度很高,而光球的温度还要高得多。1869年瑞典埃斯特罗姆刊布太阳光谱里1,000条谱线的波长,因此便以他的姓命名他所定的波长单位(1埃=10-8厘米;埃,是埃斯特罗姆的缩写)。这类波长表不断得到发展。1886~1895年间,美国罗兰刊布新的表,载明从紫外区到红光区的14,000条谱线的波长和大致强度。当时人们已证认出39种元素。此表到二十世纪仍在不断扩充。

1869年,英国洛基尔观测到日珥光谱中一条橙黄色明线,认为是未知元素“氦”所形成的。26年后,英国化学家雷姆塞从地球上的矿物中把它分离出来。1869年,美国哈克内斯发现日冕所发出的主要是一条棕色谱线。次年经美国C.A.扬测定,认为是未知元素“佪”所产生。直到1941年才由瑞典分光学家埃德伦作出解释:它是铁原子在高温(达100万度)下电离失掉14个外层电子后发出的禁线。

除太阳光谱外,人们也开始注意恒星光谱。1863年,意大利塞奇用低色散摄谱仪观测恒星,进行光谱分类。1868年,他刊布包含4,000颗星的星表,将恒星光谱分成四类,并猜想他所分成的蓝白色星、黄色星、橙红色和深红色星这四类,一定与温度有相当关系。1885年,美国E.C.皮克林首先使用物端棱镜和照相方法拍得昴星团的光谱照片,由此便开始了恒星光谱分类的新时期。1890年,美国哈佛大学天文台发表了第一份《亨利·德雷伯星表》(HD星表)。这个星表是根据莫里的新方法分类的,将恒星按温度递降次序分为O、B、A、F、G、K、M、R、N、S各类。HD星表在二十世纪继续扩充,成为包括全部8等以上的恒星和很多暗达11等的恒星的著名星表。

1865年,英国哈根斯将谱线证认工作扩充到恒星光谱,证认出参宿四、毕宿五等亮星里有钠、铁、钙等元素的谱线。他对恒星光谱线位置进行了细致的测量,因而在1868年发现因多普勒效应而产生的微小的谱线位移,由此他测出恒星正在接近或离开我们的视向速度。

十九世纪下半叶发明偏振光度计和光劈光度计,从此人们得以对恒星的光亮度进行科学的测量。1861年,德国泽尔纳刊布了第一个光度星表。恒星光度的系统测量使变星的研究得到迅速的发展。1872年,有人把大陵五的光度变化解释为一颗暗星绕一颗亮星运行时彼此掩食的结果(见食双星)。1880年,E.C.皮克林算出了这对双星的轨道和大小。1888年,德国沃格耳根据对大陵五视向速度的研究也证实了E.C.皮克林的结果。对大陵五这类食变星的研究,使人们得到许多关于恒星的物理结构的知识。1889年,美国的莫里发现了分光双星。

4. 二十世纪天文学天文学

在二十世纪的发展是空前的。十九世纪中叶诞生的天体物理学,一跃而成为天文学的主流。二十世纪四十年代后期打开了射电天窗,兴起了一门利用波长从毫米到米的电磁辐射研究天体的新学科。六十年代,航天时代的到来,使天文学冲破了地球大气的禁锢,到大气外去探测宇宙的远紫外、X和γ辐射。天文学开始成为全波段的宇宙科学,使我们得以考察大到150亿光年空间深度的天象,并追溯早于150亿年前的宇宙事件。二十世纪天文学进入了黄金时代,正在为阐明地球、太阳和太阳系的来龙去脉、星系的起源和星系的演化、宇宙的过去和未来、地外生命和地外文明等重大课题作出贡献。

(1)天体力学的新成就:在二十世纪上半叶已经成熟的经典分析方法仍在继续发展。较重要的成果有E.W.布朗的月球运动理论和1919年F.E.罗斯改进的火星运动理论。除分析方法外,二十世纪初还出现一条新的发展途径,这就是庞加莱提出的天体力学定性理论,其中包括变换理论、特征指数理论、周期解理论和稳定性理论,对以后的天体力学发展有较大的影响。十九世纪纽康证实水星近日点进动问题中有超差。这个问题用经典力学再也无法解释。直到1915年广义相对论问世后才得到解释。五十年代以后出现了两个新的因素。一是人造卫星和空间探测器的发射,向天体力学提出了新课题,由此并发展成一个新的学科分支──天文动力学,专门研究这些飞行器的运动问题。二是快速电子计算机的出现,使计算的速度和精度有极大的提高,从而使需要繁重计算工作的天体力学数值方法得到迅速发展。从1968年开始,电子计算机已用于分析方法中的公式推导,因而使摄动理论也得到很大的发展。此外,六十年代建立的卡姆(KAM)理论,是对定性理论的重大发展。七十年代,三体问题的拓扑学研究成为一个活跃的领域。

(2)天体测量学的贡献:二十世纪以来,天体测量学有了飞跃的发展:国际时间局、国际纬度服务、国际极移服务等国际机构的工作,定出全世界统一的时间服务和极移服务的标准。所采用的测时测纬仪器,除了光电中星仪、棱镜等高仪、光电等高仪、天顶仪和照相天顶筒外,六十年代起陆续发展了人造卫星多普勒观测、人造卫星激光测距、月球激光测距和甚长基线干涉测量法(见甚长基线干涉仪)等新技术。天文时计也由摆钟发展为石英钟和原子钟。这些技术上的发展使天体测量的精度大为提高。

随着观测精度的提高,人们发现了地球自转的不均匀性,并由此出现了从世界时到历书时更进到原子时这样的时间计量系统的发展过程。同时还深入研究了地极的周年摆动、张德勒摆动和长期极移。地球自转的理论研究与地球有关分支学科相互渗透形成了天文地球动力学这个边缘学科。

随着基本天体测量学和照相天体测量学的发展,出现了GC、FK3、N30和FK4等基本星表以及一系列照相星表,1984年还将编出新的基本星表FK5(见星表)。随着射电天文方法和空间技术的发展,六十年代到七十年代还出现了射电天体测量学和空间天体测量学这两个新的学科分支。

十九世纪末建立的纽康天文常数系统使用了近七十年之后,终于出现了新的天文常数系统──1964年国际天文学联合会天文常数系统。1984年起还将采用更新的1976年国际天文学联合会天文常数系统。

(3)光学望远镜和天体物理方法的发展:八十年来,镜面材料、精密机械和自动控制的进展,极大地改善和增强了天文学家的望远能力。十九世纪末,还只有美国利克天文台一架0.9米反射望远镜,到1978年,口径2.0~6.0米的大型反射望远镜已有23架,另有13架正在建造。大型天文光学仪器在南半球分布较少的局面正在改变。七十年代以来一直在研制有效口径为10~25米的下一代望远镜。B.V.施密特1931年发明的折反射望远镜(后人称这种新型的强光力和大视场的照相装置为施密特望远镜),近半个世纪以来一直是探索银河系和河外深空的有效工具。在十九世纪末,照相底片是人眼以外唯一有效的辐射接收器。二十世纪初开始光电光度技术的实验。第二次世界大战后出现多种高效能的光电转换装置,探测到以往用同样聚光设备不可能记录到的微弱辐射,同时提高了观测和处理天文底片的自动化程度。多色测光方法是在古老的目视光度测量的基础上发展起来的,但现在有了新的天体物理含义。采取这种方法获得关于天体的表面温度、颜色、分光能量分布、本征光度、距离、星际红化等情报。天体多色测光和天体分光光度测量都是以光谱理论为基础的,是了解天体视向运动、星族属性、物理参量和化学成分的最有效方法。H.L.约翰逊、摩根、斯特龙根、O.斯特鲁维等都为实测天体物理作出创造性的贡献。1910年,德国的威尔森等测定了恒星温度,进而算出恒星的直径。另一方面,理论天体物理研究有了新的发展。爱丁顿、米尔恩、佩恩-加波希金、昌德拉塞卡、M.史瓦西等人运用理论天体物理方法,卓有成效地探讨了恒星大气理论、恒星和行星的内部结构、星际物质的特性和状态、恒星的能源和演化。目前,人们正在用这种方法去解星系世界的过程和演变之谜。

(4)太阳系的探测:太阳是一个典型的恒星。我们对恒星的大气、内核和能源的知识,很多来自太阳。十九世纪最后十年,美国海耳和法国德朗达尔分别发明太阳单色光照相仪和太阳谱线速度仪,从而开始了现代太阳研究的新时期。他们通过单色光观察太阳的光球和色球,发现了钙云(谱斑)。在海耳的倡议下,卡内基研究所于二十世纪初筹建了威尔逊山天文台,安装了太阳塔和分光设备,广泛地巡视太阳,发现了黑子的磁性和22年的磁周期。巴布科克父子继承海耳的太阳研究传统,于二十世纪五十年代初,研制出太阳光电磁像仪,进一步推动太阳活动规律和活动区物理的探讨。1931年法国李奥制成日冕仪,使人们在不发生日食的时候也能观察日冕,探索太阳高层大气。五十年代以来,射电观测已成为太阳服务的常规项目,X射线太阳巡视也是小型天文卫星的主旨之一。1962~1975年间发射了8个环绕地球的轨道太阳观测台(OSO),1973年天空实验室进入轨道,都为深入认识太阳活动和日地关系提供了空前丰富的资料。半个多世纪以来,对太阳系天体的地面光学观测和研究工作取得显著成就。1930年,汤博发现冥王星。在已确认的34颗行星卫星中,有12颗是二十世纪探索到的。1978年以来又发现某些小行星也有卫星。空间天文时代的到来,使太阳系天体的探索从观测科学转变为考察和实验科学,飞临考察和就地实测都取得划时代的成就。1969~1972年,12人登上了月球。1974~1975年就近观察水星,揭示了水星满布环形山的面貌。1975年以来,空间探测器多次穿越金星的浓密大气,在下降航程中,完成多项实测。1976年,无人实验室在火星表面两处着陆,就地考察。1972~1977年发射的4架探测太阳系外围空间的探测器,都已先后飞掠木星,发现了木星的几颗新卫星(尚待确认)和木星的光环(见行星环)。

(5)恒星起源和演化的研究:十九世纪末,哈佛大学天文台在E.C.皮克林和坎农的领导下,根据物端棱镜光谱,着手恒星分类。1890~1936年,陆续出版载有272,150颗恒星光谱一元分类的《亨利·德雷伯星表》(HD星表)及其补编(HDE星表),为建立恒星表面温度序列奠定了基础。

1905年,赫茨普龙根据光谱特征,确认恒星有巨星和矮星之分。二十世纪头十年,他在1905~1907年和H.N.罗素在1913年分别绘制银河星团的星等-色指数图和已知距离的恒星的绝对星等-光谱型图,从中发现恒星分布的规律。绝大多数恒星处在所谓的主星序上,而巨星和白矮星则分别弥漫在主星序之上的巨星分支中和主星序的左下角。H.N.罗素还提出恒星在图上的演化走向。

后人把恒星的光谱光度图称为赫罗图。1937年柯伊伯首先发现,一些银河星团在赫罗图上的位置差异可以用年龄不同加以解释,这说明赫罗图是探讨恒星演化的有效工具。1938年贝特指出,主序星的能源是氢变氦的热核反应,成功地阐明了恒星的产能机制,为理解太阳型恒星1010年的演化程奠定了基础。

到五十年代末,由于斯特龙根、赫比格、桑德奇等人的研究,已能描述不同质量的恒星在主星序前的105~107年的流体动力阶段和108~1011年的主星序氢燃烧阶段等的演化情况,氢烧尽后离开主星序的走向,以及可能有的最后归宿。

博克等人的光学观测,以及六十年代以来贝克林、斯特罗姆等人的红外观测,都表明恒星起源于星际暗云,因吸积、收缩而成原恒星(或称星胚或星胎)。林忠四郎、拉尔森对此阶段的演化作了理论描述。当前的目标是继续探索最年轻的恒星的演化,红巨星前后的演化,质量损失,爆发活动以及其他不稳定过程在演化中的地位和作用,恒星的晚期演化,等等。人类对恒星的形成和演化的认识和理解,是二十世纪天文学的一项重大成就。

(6)银河系:二十世纪初,卡普坦通过恒星计数和光度函数的统计研究,建立了以太阳系居中的、直径长40,000光年的银河系模型。1918年,沙普利对太阳系为银河系中心的传统观念提出挑战。他分析了当时已知的球状星团的视分布,并根据造父变星的周光关系估算它们的距离,从而得出银河系是直径300,000光年、厚30,000光年的透镜型的恒星和星云系统。

银河系中心在人马座方向,太阳距银心50,000光年。这是哥白尼日心说以来,宣布太阳系并非居宇宙中心地位的壮举。半个世纪中,沙普利模型的形状经受了新的观测事实的考验,已为世人所公认。不过,由于不正确地假定星际间无吸光物质,对距离尺度估计得偏高。直到1930年,特朗普勒通过研究银河星团而证实星际吸光的存在,才重新订正银河系模型的大小。今日的公认值是直径约81,500光年、厚约3,300~6,600光年,太阳距银心约32,600光年。

1926年,林德布拉德指出,恒星运动的不对称效应是银河系自转的反映。随后,银河系的较差自转为奥尔特所证实,并求出太阳以每秒250公里的速度,沿圆轨道绕银心运动,估计2.5亿年公转一周。他还估算出银河系的质量是1.4×1011太阳质量。根据河外星系的启示,人们推测银河系也有旋涡结构。

五十年代初,摩根的高光度星空间分布研究和奥尔特等人的中性氢21厘米谱线射电分析,都确切地描绘出银河系旋涡结构和旋臂。六十年代,林家翘比较成功地用密度波理论解释了旋涡结构及其维持机制。

1944年,巴德基于星团赫罗图的研究,提出星族概念,并将恒星划分为星族Ⅰ和星族Ⅱ两大类。1957年,在梵蒂冈召开的一次国际学术会上,按照恒星的空间运动速度、距银道面的距离、向银心的聚集程度、氦含量和年龄等参量,把星族又细分为中介星族Ⅰ、旋臂星族(极端星族Ⅰ)、盘星族、中介星族Ⅱ和晕星族(极端星族Ⅱ)。这五个次系的成员天体构成银冕、银晕、银心、银盘和旋臂。

(7)星系世界:1912年,勒维特观测小麦哲伦云的造父变星,发现周光关系,从而推测小麦哲伦云的距离可能十分遥远,也许在银河系之外。1924年底,哈勃宣布他利用造父变星的周光关系,计算出仙女星系(M31)、人马不规则星系(NGC6822)的距离,指出它们是银河系以外的恒星系统。

从那时起,诞生了星系天文学。古老的宇宙岛观念被证明是客观现实;在银河系之外“天外有天”的大宇宙概念的建立,是二十世纪天文学的又一重大成就。1929年,哈勃发现河外星系的谱线红移量和星系距离成正比关系。假若承认红移是天体退行运动的多普勒效应,那么红移-距离关系意味着星系普遍退行,而它们所处的空间整体在膨胀。宇宙膨胀正是相对论宇宙学所预期的结果之一。

1956年,M.L.哈马逊把红移-距离的线性关系扩展到红移z=0.20,即退行速度达到光速的1/5。1977年,桑德奇更延伸到z=0.75,即退行速度为光速之半。按此而求出的距离已超过50亿光年。这就是我们生活于一个不断运动并演化着的宇宙中的观测依据。

六十年代,在星系世界陆续发现了以106~108年为时间尺度的激扰现象和活动异常的特殊天体,例如,河外射电源和X射线源、类星体。与以1010年为演化尺度的绝大多数正常星系相比,它们的存在只是短暂的瞬间。七十年代以来,探索远达百亿光年以上的宇宙深空已成为现代天文学的主要课题。

(8)光学波段以外天体辐射的探测:下面按各种波段分别叙述。

射电波段:虽然早在三十年代初央斯基等人就发现了来自地球以外的宇宙无线电波,但通过光学波段以外的天窗,用无线电方法接收并研究天体的射电波,则是四十年代后期的事。那时,海伊、博尔顿、赖尔等人相继探测射电天空,从而建立了射电天文学。三十多年来,从直径只有几米的抛物面天线,发展到今天的305米固定式抛射面天线。从当年怀尔德的射电频谱仪(1949年)、克里斯琴森的射电干涉仪(1951年),进展到现代综合孔径射电望远镜和甚长基线干涉仪。通过大气射电窗,探查到银河系核心的活动,描绘了旋涡结构,发现50多种星际分子,100多个超新星遗迹,300多个脉冲星,上千个射电星系和类星射电源,探测到各向同性的宇宙微波背景辐射,并用射电方法试图与可能存在的地外文明取得联系。

红外波段:地球大气能透过某些波长的红外辐射早已为人们所知。六十年代制成了致冷的红外灵敏器件,红外手段终于成为探测星空的武器。0.7~2.5微米的近红外波可以在地面接收,而2.5~100微米的远红外和0.1~1毫米的亚毫米波,则需到大气之外才能观测。十几年来,H.L.约翰逊、诺伊吉保尔、沃尔克等人的地面和空间观测,表明红外手段在探测行星、冷星、尘埃中的恒星、银河系暗星云、类星体和其他特殊星系的本原方面,有极大潜力。

紫外波段:地球大气对波长短于4000埃的辐射完全不透明。人们习惯地把4000~100埃波段叫紫外波段,其中1700~100埃波段称远紫外波段。早在1946年就用高空火箭取得了太阳的紫外光谱。1962年以来从轨道太阳观测台系列获得大量太阳的紫外发射线光谱资料。1968年发射的轨道天文台2号,载有一紫外接收器,记录了5,761个紫外辐射源。它们是近距热星的冕、有激烈活动的亚矮星、热亚矮星、白矮星、行星状星云、耀星、矮新星和脉冲星。“特德”-1A(TD-1A)紫外天文卫星的分光光度测量表明,实测到的能量分布同理论模型所预期的有所偏离。

X波段:100~0.01埃波段的辐射称为X射线。六十年代以来,由于轨道太阳观测台系列的发射成功,太阳X射线方面的工作首先获得成果,查明太阳X辐射的三个成分及其不同的辐射区。七十年代以后,进一步查明了太阳X射线爆发的能谱和偏振,发现X射线耀斑和冕洞。在非太阳X射线天文学方面,早在1962年,第一次发现天蝎座方向的一个强大的X射线源。1969年发现蟹状星云脉冲星NP0532的X脉冲辐射。1970年第一个观测X射线的小型天文卫星──美国的“自由号”进入巡天轨道。随后,荷兰天文卫星、英国的“羚羊”5号、印度的“阿耶波多号”(Aryabhata)、美国的小型天文卫星-C、轨道太阳观测台8号、维拉卫星、高能天文台1号和2号等X射线卫星和高能天文台相继探空。“自由号”的资料到1977年已编出四个X射线源表。根据贾科尼、古尔斯基等人证认,在“自由号”星表中的339个X射线源中,有能量集中在X波段的、处于演化终端的X射线星、脉冲星、超新星遗迹、偶现源和爆发源、球状星团、塞佛特星系、类星体和星系团。其中1975年发现的宇宙X射线爆发,是七十年代天体物理学的重大发现之一。X射线天文学诞生以来只有十几年的历史,它已为我们展示了一幅与光学天空完全不同的宇宙面貌。X射线天文、光学天文和射电天文已构成二十世纪天文学的三个鼎足而立的强大支柱。

γ波段:人们把波长短于0.01埃的辐射称之为γ辐射。1948年以后就有人进行过宇宙γ射线探测,但未成功。1958年莫里森从理论上预言某些天体可能发射强的γ射线。1962年两个月球轨道上的卫星“徘徊者”3号和5号发现了弥漫宇宙γ射线辐射。1967年轨道太阳观测台3号卫星探测到来自银盘的能量高于50兆电子伏的γ射线辐射。1972年在8月4日和7日两次太阳耀斑事件中探测到γ射线爆发。1973年证实存在宇宙X射线爆发。X射线天文学具有巨大潜力,不过高能γ辐射的强度,无论就其绝对量来说,还是相对于宇宙射线来说,都是很小的。宇宙γ辐射的观测不能用光学技术,只能用粒子计数器,因而分辨率和准直定向本领较差。到1978年底,探测到的银河系分立γ射线源一共只有13个,其中8个已证认为超新星遗迹。

参考书目

李珩编译:《近代天文学奠基人哥白尼》,商务印书馆,北京,1963。

伏古勒尔著,李晓舫译:《天文学简史》,上海科学技术出版社,上海,1959。(G.de Vaucouleurs,Discovery of the Universe,Faberand Faber Ltd,London,1957.)

W.C.丹皮尔著,李珩译:《科学史》,商务印书馆,北京,1975。(Wm,Cecil Dampier,A Historyof Science,Cambridge Univ.Press,London,1958.)

O.Struveand V.Zebergs,Astronomy of the 20th.Century,MacmillanCo.,NewYork,1962.[1] 

资料来源

https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%91%E4%BB%A3%E7%8E%B0%E4%BB%A3%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%AD%A6%E5%8F%B2/3386274?fr=aladdin



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1 尤明庆

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