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天體物理學（英文：astrophysics）既是天文學的一個主要分支，也是物理學的分支之一，它是利用物理學的技術、方法和理論來研究天體的形態、結構、物理條件、化學組成和演化規律的學科。研究對象包括太陽（太陽物理學）、其他恒星、星系、太陽系外行星、星際介質和宇宙微波背景。這些物體的輻射在電磁波譜的所有部分都被觀測，觀測的屬性包括光度、密度、溫度和化學成分。天體物理學分為：太陽物理學、太陽系物理學、恒星物理學、星系物理學、宇宙論、實測天體物理學和理論天體物理學等分支學科。它們相對獨立而又互相關聯滲透，形成一個有機的整體。

天體物理學萌芽于對天體的亮度和顏色進行分類以及對太陽黑子的觀察研究。真正意義上的天體物理則始于艾薩克·牛頓引力理論和近代物理學的大發展之后。17到19世紀主要局限于太陽物理和恒星物理的范圍之內。分光術和照相術的引入對天體的結構、化學組成和物理形態的研究形成了較完整的體系。天體物理學逐步形成為天文學的一個獨立的分支學科。1984年，國際純粹與應用物理聯合會（IUPAP）設立了天體物理學委員會，平行于粒子物理、凝聚態物理等委員會。這標志著天體物理在物理學中已占有重要地位。有越來越多的物理學家投人天體物理研究。20世紀是天體物理真正意義上的大發展。在實測方面得力于大型光學望遠鏡、射電望遠鏡和空間高能探測器以及先進的焦面檢測分析設備（CCD等），使我們對太陽，恒星，星系，活動星系核，星系團以及宇宙整體的表觀結構和活動規律都有了較清晰的了解。在理論方面對于太陽和恒星的結構和演化已有了可喜的進展。進而對于星系和活動星系核的關系，星系團的形成和瓦解以及大爆炸宇宙論均有了長足的進展。天體物理學家的一些研究領域包括確定暗物質、暗能量、黑洞和其他天體的性質；以及宇宙的起源和最終命運理論天體物理學家研究的主題還包括太陽系的形成和演化；恒星動力學和演化星系演化；磁流體力學宇宙中物質的大尺度結構；宇宙射線的起源廣義相對論、狹義相對論、量子和物理宇宙學，包括弦宇宙學和天體粒子物理學。還包括大爆炸模型，主要理論是廣義相對論和宇宙學原理。證實了太初核合成理論和宇宙微波背景輻射。后來學者又創立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化。

天體物理學把巨大的宇觀世界和細小的微觀世界統一在一個完整的物理理論之中。許多重要的天文學現象由物理學家所發現的比例很大，物理學家對此作出了重要貢獻。從20世紀70年代初開始的17次諾貝爾物理學獎中，有四次是頒發給天體物理研究成果的。

發展

早期研究

公元前129年古希臘天文學家喜帕恰斯（Hipparchus，公元前190一前125）目測恒星光度，1543年，波蘭天文學家哥白尼在《天體運行論　影響世界歷史進程的書》中系統地提出了日心說。哥白尼的學說使天文學擺脫宗教的束縛，一個半世紀中從主要純粹描述天體位置、運動的經典天體測量學，向著尋求造成這種運動力學機制的天體力學發展。

1609年伽利略·伽利萊（Galileo，G，1564-1642）使用光學望遠鏡觀測天體，繪制月面圖，并證實日心說，不僅發現恒星數量遠較以前肉眼所見多很多，而且還發現了月球地貌、金星盈虧、木星衛星、土星光環等許多前所未知的天文現象，從而開辟了現代天文學的新時代。1655-1656年克里斯蒂安·惠更斯（Huygens.C，1629-1695）發現土星光環和獵戶座大星云，后來還有哈雷（Halley.E，1656-1742）發現恒星自行，到18世紀F.W.赫歇耳（Herschel.F.W，1738―1822）開創恒星天文學。1750年，英國天文學家賴特指出，銀河和所有觀測到的恒星構成一個巨大的扁平狀天體系統。17世紀，牛頓開辟了以力學方法研究宇宙學的途徑，建立了經典宇宙學，17–18世紀天文觀測與牛頓力學的結合誕生了天體力學。1783年，英國天文學家哈雷通過對所觀測到的大量恒星運動的統計分析，發現太陽以大約每秒20千米的速度朝著織女一方向運動。這是天體物理的孕育時期。

19世紀中葉，三種物理方法——分光學、光度學和照相術廣泛應用于天體的觀測研究以后，對天體的結構、化學組成、物理狀態的研究形成了完整的科學體系，天體物理學遂成為天文學的一個獨立的分支學科。天體物理學萌芽于對天體的亮度和顏色進行分類以及對太陽黑子的觀察研究。真正意義上的天體物理則始于艾薩克·牛頓引力理論和近代物理學的大發展之后。17到19世紀主要局限于太陽物理和恒星物理的范圍之內。分光術和照相術的引入對天體的結構、化學組成和物理形態的研究形成了較完整的體系。

快速發展

天體物理學的發展，促使天文觀測和研究的新成果和新發現不斷涌現。1859年基爾霍夫（Kirchhoff.G.R，1824一1887）對太陽光譜的吸收線（即夫瑯禾費譜線）作出科學解釋。他認為吸收線是光球所發出的連續光譜被太陽大氣吸收而形成的。這一發現推動了天文學家用分光鏡研究恒星。1864年，威廉·哈金斯（Huggins.W，1824一1910）用高色散度的攝譜儀觀測恒星，證認出某些元素的譜線，以后根據多普勒效應又測定了一些恒星的視向速度。約瑟夫·洛克耶（Norman Lockyer）是擴展太陽和恒星光譜研究的人之一，他在1868年發現了太陽光譜中的輻射線和暗線。他與化學家愛德華·弗蘭克蘭合作研究了各種溫度和壓力下的元素光譜，他無法將太陽光譜中的黃線與任何已知元素聯系起來。因此，他聲稱這條線代表一種新元素，被稱為氦，以希臘的赫利俄斯（Helios）命名，是太陽的化身。1885年，皮克林（Pickering.E.C，1846―1919）首先用物端棱鏡拍攝光譜，進行恒星光譜分類。通過對星云的研究，在仙女座大星云中發現新星，這些發現使天體物理學不斷向廣度和深度發展。1984年，國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)設立了天體物理學委員會，平行于粒子物理、凝聚態物理等委員會。這標志著天體物理在物理學中已占有重要地位。

鼎盛時期

1905年，赫茲普龍（Hertzsprung.E，1873―1967）在觀測基礎上將部分恒星分為巨星和矮星。1913年，H.N.羅素（Russell，1877一1957）按絕對星等與光譜型繪制恒星分布圖，即赫羅圖。1920年，薩哈（M.Saha，1893-1956）提出恒星大氣電離理論。通過亞瑟·埃丁頓（Eddington.A.S，1882―1944）等人的研究，逐步建立了恒星內部結構和恒星大氣理論。1938年，貝特（Bethe.H.A，1906一）提出了氫聚變為氮的熱核反應理論，成功地解決了主序星的產能機制問題，為此，1967年貝特被授予諾貝爾物理學獎。

1912～1926期間，美國天文學家斯里弗（Slipher）觀測到46個星系的光譜，發現譜線的位置普遍地紅向位移。若假設譜線位移是星系空間運動的反映，則星系的退行速度超過恒星的平均空間運動速度1個量級、2個量級、甚至更大，即達到每秒幾百公里、幾千公里、甚至上萬公里。天文學家將星系的紅向位移現象、簡稱“紅移”。1929年，美國天文學家愛德文·哈勃（Hubble）根據前人的“紅移”觀測資料以及估算的星系距離數值，發現星系退行速度和星系距離呈線性正比關系。

1929年，哈勃（Hubble.E.P，1889-1953）在研究河外星系光譜時，提出了哈勃定律，極大地推動了星系天文學的發展。1931一1932年，央斯基（Jansky.K.G，1905―1950）發現了來自銀心方向的宇宙無線電。20世紀40年代，射電天文學蓬勃發展起來。60年代用射電天文手段發現了類星體、脈沖星、星際分子，微波背景輻射。

1917年，阿爾伯特·愛因斯坦首先運用他創建的廣義相對論考察宇宙的結構和特征。當面臨以億光年計的空間領域、以億年計的時間跨度、以及接近光速的運動速度時，已超出了牛頓力學的適用范圍。探究的結果是得到一個與靜態的、永恒的宇宙不同的、不穩定的時空結構模型。1922年，俄國數學家弗里德曼（Friedman）獨立地利用相對論探求宇宙模型，得出一個動態的宇宙。1927年，比利時天文學家勒梅特（Lemaitre）不斷探索得到的模型是一個正在膨脹的宇宙。

1948年，邦迪和戈德在英國《皇家天文學會月刊》(MNRAS)上發表了“膨脹宇宙的穩恒態理論”，正式提出了穩恒態宇宙模型。1981年美國宇宙學家A.H.古斯提出暴脹宇宙理論，1981年底，蘇聯物理學家A.D.林杰，以及兩位美國科學家A.阿爾布列赫特、P.J.斯坦哈特創立了一個新的暴脹宇宙理論方案。暴脹宇宙理論反映了宇宙進化的辯證性。該理論中的相變，用辯證唯物主義的術語來說就是飛躍式的質變，是作為一定量變穩定增長的結果而產生的。

20世紀末期，人們在弦論的研究中發現自洽的弦律要求額外維度的存在，通過學者不斷研究創出一種新的額外維理論的產生———膜宇宙理論。倫德爾（Rundall）與桑德魯姆（Sundrum）提出了一個非緊致的額外維模型。

1957年，蘇聯發射人造衛星，美國、西歐、日本也相繼發射用于觀測天體的人造衛星。世界各國已發射數量可觀的宇宙飛行器，其上裝有各種類型的探測器，用以探測天體的紫外線、X射線等波段的輻射。天文學進入全波段觀測時代，1990年4月24日空間望遠鏡（又稱哈勃望遠鏡）的上天，為天體物理學揭開了新的一頁，使人類到大氣層外去觀測宇宙得以實現。進入21世紀，隨著中微子、宇宙線和引力波的探測，天文學進入了多信使觀測時代。

定義

天體物理學是天文學的一個分支，是應用物理學的技術、方法和理論，研究天體的形態、結構、化學組成、物理狀態和演化規律的科學。真正意義上的天體物理則始于艾薩克·牛頓引力理論和近代物理學的大發展之后。17到19世紀主要局限于太陽物理和恒星物理的范圍之內。分光術和照相術的引入對天體的結構、化學組成和物理形態的研究形成了較完整的體系。天體物理學逐步形成為天文學的一個獨立的分支學科。在實測方面得力于大型光學望遠鏡、射電望遠鏡和空間高能探測器以及先進的焦面檢測分析設備（CCD等），使我們對太陽，恒星，星系，活動星系核，星系團以及宇宙整體的表觀結構和活動規律都有了較清晰的了解。在理論方面對于太陽和恒星的結構和演化已有了進展。進而對于星系和活動星系核的關系，星系團的形成和瓦解以及大爆炸宇宙論均有進展。從而有了太陽物理學、太陽系物理學、恒星物理學、星系物理學、宇宙論、實測天體物理學和理論天體物理學等分支學科。

分類

學科分類

天體物理學應用物理學的技術、方法和理論，來研究各類天體的形態、結構、分布、化學組成、物理狀態和性質以及它們的演化規律。天體物理學主要分支分為理論天體物理學；相對論天體物理學；磁流體力學；等離子體動力學；高能天體物理學；實測天體物理學。往下細分天體物理學分為：太陽物理學、太陽系物理學、恒星物理學、恒星天文學、星系天文學、天體演化學、宇宙學等分支學科。

太陽物理學

研究太陽的物理構造、太陽內部和表面發生的物理過程以及太陽整體演化的學科。

恒星物理學

應用物理學知識，從實驗和理論兩方面研究各類恒星的形態、結構、物理狀態和化學組成的學科，是天體物理學的分支。在恒星上發現的某些奇特物理現象，也能夠啟發和推動現代物理學的發展。

恒星天文學

研究銀河系內的恒星、星團、星云、星際物質等的空間分布和運動特性。恒星天文學不采用討論單個恒星的辦法，而對大樣本恒星，借助于統計分析和數學方法進行研究，以深入探討銀河系的結構和本質。恒星天文學綜合天體測量學、天體物理學、射電天文學和高能天體物理學獲得的各種數據，包括恒星的視差、位置、自行、視向速度、星等、色指數、光譜型和光度等。

天體演化學

研究宇宙和其中各種天體起源和演化的科學。研究內容依天體層次分太陽系、恒星、星系、總星系幾個方面。

宇宙學

以整個宇宙為研究對象，研究其起源、演化和命運，涉及時空與性質、質能及分布、結構形成的學科，是天體物理的重要分支學科。

空間天文學

空間天文學是利用空間平臺，在空間進行天體觀測和研究天體的形態、結構、組成、運動、物理狀態、演化規律的學科。在天文學發展史上，空間天文學的興起是天文觀測繼可見光和射電觀測的第三個里程碑，是人類認識宇宙的重大飛躍。

高能天體物理學

研究發生在宇宙天體上的高能現象和高能過程的學科，是天體物理學的一個分支。20世紀60年代人造衛星被送上太空以后，對宇宙天體的輻射過程的研究從可見光、射電擴展到X射線、γ射線等高能電磁輻射波段。研究的對象限制在黑洞、中子星、超新星遺跡和γ射線暴，研究手段限制在對X射線和γ射線空間觀測。

研究分類

從研究方法來說，天體物理又分為實測天體物理學和理論天體物理學。

實測天體物理學

實測天體物理研究天體物理學中基本觀測技術，各種儀器設備的原理和結構，以及觀測結果的處理方法。主要任務是為理論天體物理學提供研究資料，用觀測證實理論推斷。

早期人們只能利用眼睛對6000多個亮星進行光學波段的星等和顏色估計。伴隨著人類物理知識的進步，開始利用光學望遠鏡來擴大可觀察的宇宙范圍和精細程度。不僅發現了大行星的衛星，還把一些星云分解成恒星集團而改名為星系。接著又利用照相術代替人眼作為分析儀器以提高星等極限和可靠性。繼而采用光電倍增管和光電成象器件代替照相底片。同時人們還利用物理學的新發展，開辟了其他波段，利用各種望遠鏡（γ射線望遠鏡，x-射線望遠鏡，紫外線望遠鏡，光學望遠鏡，紅外望遠鏡，亞毫米和毫米波望遠鏡和射電望遠鏡等）接收天體在上述波段輻射出的信號，再利用望遠鏡焦面的各種物理分析儀器對信號進行分析處理，從而獲得天體在各個波段的積分能量（星等）和分光能量分布（色指數和能譜）；天體的自行，視向速度和自轉等運動特性；天體的半徑和質量；天體的大氣狀態和化學組成；天體的演化階段和環境關系等。總之伴隨著物理學和新技術的發展，實測天體物理學獲得了巨大的發展。人們不僅可以在地面上進行觀測，還可以到大氣外進行觀測，對一些太陽系天體甚至可以進行采樣觀測研究。

理論天體物理學

理論天體物理學是解釋已知天文現象的有力工具，而且還可以預言尚未觀測到的天體和天象。以輻射轉移理論為基礎建立的恒星大氣理論，以熱核聚變概念為基礎發展起來的元素合成理論，恒星內部結構理論和天體演化理論，乃是理論天體物理學的基礎。理論物理與天體物理更廣泛深人地結合，形成了相對論天體物理、等離子體天體物理、高能天體物理等分支。

宇宙中最重要的有形物質恒星的主要輻射集中在光學波段，離人類最近的恒星──太陽使得人眼對光學波段最敏感。因而古代人用肉眼觀天以定歲時；光學望遠鏡拓展了人類的眼界并揭示了許多新天文現象；先進的光學檢測元件和方法使人類對宇宙的探測幾乎達到了它的邊沿。現代的光學天文學主要是利用大口徑光學望遠鏡及其焦面附屬儀器來研究天體的形態、結構、運動特性、物理狀態、演化階段和化學成分的一門學科。盡管近幾十年來我們發展了多種波段天文學而進入了全波段天文學時代，新發現怪天象層出不窮，高分辨深細節耐人尋味，天文學的核心成就仍然主要來自光學天文，而且所有的新發現和新現象均要求尋找到光學對應體才能深入下去。正在天上的口徑2.4米的太空望遠鏡寬波段測光可以達到30等，角分辨率0.01秒，可以探測到紅移超過1的原始星系。這是其他波段所無法比擬的。各個發達國家都在競相獨立或合作研制新一代地基或空間大口徑光學/紅外望遠鏡，如美國的口徑10米的Keck I和Keck II以及相應的光學干涉儀，歐洲的16 = 4×8米的甚大望遠鏡和相應的干涉儀，日本的8.2米SUBARU等。高光效大面積CCD以及大視場多目標光譜儀的出現，使得光學天文學在深度和細度上正朝著前所未有的高度發展。

研究對象

太陽

離地球最近的一顆普通恒星。人們可以觀測它的表面細節──黑子、日珥、耀斑等。對太陽的研究，經歷了從研究它的內部結構、能量來源、化學組成和靜態表面結構，到使用多波段電磁輻射研究它的活動現象的過程。太陽風的影響能夠為我們直接感受。日地關系密切，所以研究有關地球的科學，必須考慮太陽的因素。

太陽是離人類最近的恒星，是迄今為止唯一一顆人類能觀測到其詳細結構和物理過程的恒星，也是唯一有高精度磁場測量的恒星.因此，要解決宇宙天體磁場的起源、恒星磁活動周的形成機制，以及恒星磁活動如何影響生命起源和宜居環境等重大科學問題，研究太陽是已知最直接的途徑。同時，太陽物理學的重要研究目標之一是預報太陽爆發活動以防止其對人類造成災害性影響.隨著人類活動日益向外層空間拓展以及人類社會日益依賴于對空間天氣敏感的高技術系統，太陽物理學的這一使命也日益重要和緊迫.太陽系外行星的探測和可宜居帶的搜尋使得恒星磁活動、磁周期及其對可宜居性影響的研究成為天體物理學的前沿熱點之一。作為一顆光譜型為G2V的具備詳細觀測資料的普通恒星，太陽磁周期的產生機制和磁周期強度變化的非線性調節機制可被恒星和星系物理所借鑒.恒星和星系物理在不同物理參數下的活動特征也可用來檢驗我們對太陽周的理解。

太陽系

對行星的研究是天體物理學的一個重要方面。對彗星的研究以及對行星際物質的分布、密度、溫度、磁場和化學組成等方面的研究，也都取得了重要成果。隨著空間探測的進展，太陽系的研究又成為最活躍的領域之一。人類利用空間探測器開展行星探測活動幾乎貫穿整個航天史。在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空不久，第一個行星探測器就開始了它的探測征程，隨著飛越、環繞、著陸、巡視、采樣返回等多種探測方式的逐步開展，人類實現了對太陽系八大行星及其衛星、小行星、矮行星、彗星等天體的科學探測，提升了人類對太陽系起源與演化的認知。

恒星

銀河系有一二千億顆恒星，其物理狀態千差萬別。球狀體、紅外星、天體微波激射源、赫比格-阿羅天體，可能都是從星際云到恒星之間的過渡天體。特殊恒星更是多種多樣。造父變星的光變周期為1～50天，光變幅為0.1～2個星等；長周期變星的光變周期為80～1000天，光變幅為2.5～8個星等；天琴座RR型變星的光變周期為0.05～1.5天，光變幅不超過1～2個星等；金牛座T型變星光變不規則，沒有固定的周期；新星爆發時拋出大量物質，光度急驟增加幾萬到幾百萬倍；有的紅巨星的半徑比太陽半徑大1000倍以上；白矮星的密度為105～107克/厘米3，中子星密度為1013～1016克/厘米3。各種各樣的恒星，為研究恒星的形成和演化規律提供了樣品。另外，天體上特殊的物理條件，在地球上往往并不具備，利用天體現象探索物理規律，是天體物理學的重要職能。

銀河系

通過多年研究，人們對銀河系的整體圖像以及太陽在銀河系中的地位，有了比較正確的認識。銀河系的直徑為25千秒差距，厚1～2千秒差距。通過對銀河系恒星集團的研究，建立和證實了星族和銀河系次系等概念。對銀河系自轉、旋臂結構、銀核和銀暈也進行了大量研究。

關于銀河系的研究，對于銀心核球的觀測和研究有助于理解銀河系的形成和演化過程。觀測中發現的銀河系中心結構分布和運動學特性主要包括形態上不對稱的平行四邊形、運動學上的柱狀旋轉，以及核球恒星分布的X型特征等。這些證據揭示了銀河系的核球起源于星系盤結構本身的長期動力學演化。利用數值模擬的銀河系模型，許多工作能夠還原出銀河系核球的盒狀/花生狀結構從星系盤中形成的過程，并且其關于動力學和形態學的結果也能較好地匹配銀河系核球的觀測結果。2010年，提出銀河系核球模型，在模擬銀河系核球更細致的結構時，發現銀心并不包含一個顯著的經典核球(classical bulge)。這意味著，銀河系更接近于一個純粹由星系盤通過自身的長期緩慢演化形成的星系。

河外星系和星系集團

河外星系與銀河系屬于同一天體層次。星系按形態大致分為4類：旋渦星系、棒旋星系、橢圓星系、不規則星系。按星系的質量大小，又可分為矮星系、巨星系、超巨星系，它們的質量依次約為106～109M⊙（M⊙為太陽質量）、1010～1011M⊙、1012～1013M⊙。同銀河系一樣，星系也由恒星和氣體組成。三五個、十來個、幾十個以至成百上千個星系組成星系集團，稱星系群、星系團。

恒星形成星系(star-forming galaxies， SFGs)的恒星形成率(ψSFR)與恒星質量(M*)之間存在緊密的相關關系(即lgψSFR-lg M*，稱為“主序關系”)，彌散約為0.2～0.4 dex。主序關系對限制星系演化的理論模型具有重要的意義，是描述星系演化的基本關系之一。近年來，隨著大型觀測設備和數據處理技術飛速發展，星系形成和演化的理論模型也越來越完善，在此基礎上，天文學家對于主序關系的研究取得了許多重要進展。首先介紹測量星系ψSFR的技術和挑選SFGs的方法，方便后續分析主序關系存在系統性偏差的原因。然后介紹主序關系最新的觀測進展：主序關系在大質量端會“變平”，可能是由于星系/暗暈冷熱吸積模式發生轉換導致冷吸積減少；主序關系的彌散對恒星質量的依賴呈現U型，可能是由于小質量端的恒星反饋和大質量端的活動星系核反饋導致恒星質量相近的星系在恒星形成歷史上具有多樣性。

天體的化學問題

研究宇宙空間元素及其同位素的起源與分布、各類天體的化學組成與化學演化的天體化學。人類對于天體只能從光譜分析、隕右及阿波羅登月飛船采樣的全分析獲得為數不多的天體的化學信息，并據以推測有關的宇宙化學反應。人類活動進入地球大氣層以外的空間提出的新概念。隨著登月的成功，星際航行時代日益臨近，宇宙環境學特別是宇環化學的研究將會得到迅速開展。

宇宙的生物問題

太陽系內，除地球外，原先估計只有火星或個別大衛星具有生命存在的條件。但宇宙探測器探測結果表明，在火星土壤中沒有發現任何生命形態。在星際空間中已經發現五十多種星際有機化合物，在石隕石中發現了氨基酸，這表明宇宙中可能存在其他生命。

天體演化問題

恒星起源于分子云核，通過內部的熱核聚變反應釋放能量維持自身平衡，同時合成新的元素，向周圍環境輸運物質和能量。對中小質量恒星演化的研究獲得了很大成功，但仍存在諸多未解之謎，特別是大質量恒星的形成和死亡時的核縮過程。此外，恒星的自轉、磁場和雙星間的相互作用等對恒星的演化也有重要影響。

研究成果

廣義相對論證實

20世紀科學家阿爾伯特·愛因斯坦于1905年提出狹議相對論論時，沒有遇到任何阻力。當時的物理實驗的矛盾，只能用狹義相對論去解釋，但是，1916年廣義相對論問世時，卻被認為是“不可思議的”。英國天文學家亞瑟·埃丁頓才親自率隊去西非洲普林西比島觀測1919年5月29日的日全食，測量星光在經過太陽附近是否真的會彎曲，而這種測量方法正是愛因斯坦本人建議的。測量結果，偏轉度為1.61″，與愛因斯坦的預言相當一致，廣義相對論從此被證實。

宇宙的膨脹和哈勃定律

1920年4月26日，美國科學院舉行了“宇宙的尺度”辯論會，辯論的焦點是銀河系的大小和是否存在河外星系。這是天文學史上有名的沙普利-柯蒂斯大辯論。辯論雙方以無結論而告終。直到1924年底，天文學家哈勃向美國天文學年會提交了一篇書面報告。在仙女座大星云中發現了造父變星，由此定出仙女座大星云是處在銀河系之外的另一個星系世界。哈勃的主要貢獻是確立了哈勃定律。到1929年，哈勃測量出29個河外星系的視向速度Vr和距離D，發現它們之間存在著簡單的線性關系Vr=H0D，其中H0稱為哈勃常數。哈勃定律表明宇宙中任何一個星系遠離我們的速度Vr與它的距離成正比，說明宇宙在不停地膨脹著。

熱大爆炸宇宙模型

哈勃定律的發現引起了物理學家的興趣，他們顯得比天文學家更關心宇宙的形成。宇宙有可能起始于一個“原初原子”，經過衰變分裂和膨脹形成了目前的宇宙。勒梅特的這一樸素的想法被伽莫夫加以發展。伽莫夫的學生阿爾法于1947年開始具體計算元素的合成過程，作為他的博士論文。當1948年文章發表于《物理學評論》時，伽莫夫又加上了他的老朋友貝特，使文章的作者名字成為α-β-γ。α-β-γ理論認為，宇宙初期是一團熾熱而稠密的中子氣，隨著宇宙的膨脹，溫度下降，中子衰變為質子和電子，再通過不斷地俘獲剩余的中子，從而逐步形成重核。

大爆炸理論出現之后被認為是紙上談兵。僅僅有哈勃定律還不足以令人信服大爆炸理論。1965年發現的宇宙微波背景輻射可謂是對大爆炸理論的強有力支持。只有大爆炸的余輝才能形成目前觀測到的黑體輻射，其溫度為2.7K，又剛好同理論計算一致。

觀測和理論的一致性，形成了當前被廣泛公認的“標準宇宙模型”。標準宇宙模型主張宇宙起源于一次熱大爆炸。除去上述的重要證據外，宇宙中的氦豐度也是有力的支持。目前觀測到的宇宙中氦的含量達到25%，只有借助大爆炸后宇宙性核成過程才能形成這么多的氦。

類星體

類星體的發現應追溯到第二次世界大戰，戰爭促進了英國雷達技術的發展，戰后，一批為軍事服務的科學家轉而從事射電天文研究，使英國的射電天文學在一段時間內處于領先地位。1950年，劍橋大學發表了第一個射電源表（簡稱1C），它包括50個射電源。1955年發表了2C，包含1936個射電源，可惜由于技術上的原因，這些源大部分都是偽源。1959年，經過重新鑒定，發表了3C，包含471個源。這些源中實際上已經包含了類星體，當天文學家們試圖用光學望遠鏡去辨認這些射電源對應的天體究竟是什么時，類星體的發現已成了必然。

1960年，美國帕洛瑪（Palomar）山天文臺的艾倫·桑德奇首先在三角座找到了3C 48（3C射電源表的第48號源）的光學對應體。它看上去就像一顆普通的恒星，但光譜具有寬發射線，且有光變。1962年，哈扎德利用月掩星的機會在澳大利亞Parkes 64m射電望遠鏡上準確測量了3C 273的位置，發現它是一個雙源，中間是一個13等星的藍星體，具有發射線。1963年，施密特用Palomar山的5m望遠鏡進一步觀測3C273，準確地測出了其發射線的位置。他在一次談話中告訴作者，他用了6周的時間去思索這些發射線究竟是什么，最終清楚了它們就是氫巴爾末線和電離氧的譜線，只不過向紅端的方向位移了許多。至此，類星體宣告發現。

脈沖星

1932年，英國卡文迪什實驗室宣布發現了中子。發現中子的消息傳到丹麥首都哥本哈根，立即引起了以著名物理學家尼爾斯·玻爾為首的哥本哈根學派年輕物理學家們的極大興趣。后來成為蘇聯著名理論物理學家的列夫·達維多維奇·朗道，當時只有24歲，大膽地提出一個設想，認為有可能存在主要是由中子組成的物質，例如由中子組成的星體——中子星。

1967年，尋找中子星的工作經歷了30多年的曲折、徘徊之后，在一項通過太陽風研究星際閃爍的觀測中，意外地取得了突破。英國劍橋大學專門設計了一架射電望遠鏡本用于研究太陽風的閃爍，但在投入使用后僅1個月，便發現了一個奇怪的閃爍源。它遠離太陽風的區域，半夜里仍不停止。其發出的訊號很有規律，每隔1.337s跳動1次。經過幾周的觀測，又接連發現3個類似的天體。1968年2月，英國《自然》雜志公布了這一結果，取名脈沖星（Pulsar）。

脈沖星的脈沖周期是星體的自轉周期。只有列夫·達維多維奇·朗道預言的中子星，才能在這樣的自轉速度下不至于瓦解。原來，脈沖星就是快速自轉著的中子星。

星際分子

從1937年起，證認出星際間存在著甲川（CH）、氰基（CN）和甲川離子（CH+），但當時普遍認為，星際分子的存在很困難，即使形成，也會被恒星的紫外輻射瓦解。蘇聯天文學家史克洛夫斯基和美國科學家湯斯曾預言多種星際分子和它們的譜線波長；但由于星際分子的譜線都落在射電波段，且集中在毫米波，因此，直到50年代后期，當射電天文發展起來以后，它們才首次被發現。

氫是宇宙中最豐富的元素，但分子氫的發現卻推遲到1970年，通過火箭上的紫外觀測予以證實。實際上，氫分子在宇宙中的數量并不比氫原子少，其總量大體相當。氫分子往往集中在稠密的氣體云中，而氫原子則均勻地分布。

已發現的星際分子達100種以上。在這些星際分子中，特別令科學家感興趣的便是星際有機分子。已發現的最復雜的有機化合物是HC11N，稱為氰基癸五炔。有機分子的起源與宇宙中生命的起源有著密切的聯系。有人曾創建了地面上的實驗室，去模擬宇宙中星際分子的形成過程。星際分子的研究對于了解天體的起源和演化過程有著特殊的意義。

宇宙背景輻射

α-β-γ理論還預言了存在著5K左右的宇宙背景輻射。從1964年開始，蘇聯天體物理學家澤爾多維奇，以及皮普斯、弗雷德·霍伊爾、泰勒等對宇宙的核合成理論進行了更深入的研究，澄清了α-β-γ理論中的一些問題，認為有可能存在著殘余的宇宙背景輻射。

美國貝爾實驗室的2位工程師彭齊阿斯和威爾遜無意中做出了驚人的發現。他們從事微波通訊工作，使用一架約7m口徑的喇叭形反射天線與回聲號人造衛星進行通訊聯系。他們使用的通訊波長是7.35cm。天線的地面噪聲為300K，當對準天空測量時，其噪聲水平應該達到0.3K，也就是說可以忽略不計，但是當他們對準銀河平面測量時，卻發現存在著6.7K的剩余輻射，而且這種輻射與方向無關。經過1年的反復測量，扣除大氣吸收以及天線自身的影響，確認仍然存在著3.5K的來自宇宙的輻射。1965年，他們在《天體物理學》雜志上發表了一篇非常謹慎的短文，題目是《在4080MHz頻率上對天線過熱溫度的一次測量》。這篇不足1000字的文章獲得了1978年度的諾貝爾物理學獎。

在波長λ>1mm的微波波段進行的觀測表明，它與黑體譜符合得十分理想。由于黑體溫度只有3K左右，在短波的輻射更加微弱。在λ<1mm的亞毫米波段，以及紅外波段都相繼進行了觀測，雖然各自獲得的數據有所差異，但一致的結論是，存在著來自宇宙的剩余的黑體譜輻射。后來，將當初的微波背景輻射改為宇宙背景輻射。

引力波

脈沖雙星的周期變率雖然證實了引力輻射的存在，但是引力輻射的物理性質遠沒有解決。根據廣義相對論，引力輻射應該通過引力波來傳播，理論上引力波應該是不可見的，以光速傳播。其穿透本領極強，甚至對于地球都應該是透明的。引力相互作用是4種相互作用中最弱的，1個質子和1個電子的引力相互作用只有電相互作用的10-40。

1960年馬里蘭大學的韋伯設計了一組巨大的鋁棒天線，其共振頻率在1000Hz以下，首先對準銀河系的中心進行探測。韋伯認為，他的儀器應該能探測到相當于500個太陽的引力波輻射。根據幾組探測器的同時性，韋伯宣布探測到了來自宇宙的引力波，但是韋伯的結果并沒有得到公認。美國的LIGO引力波探測器在2015年9月14日終于首次直接探測到了雙黑洞合并的引力波信號。

未來研究方向

1宇宙的起源和演化過程；2宇宙中的暗物質、反物質和“神秘”物質；3星系的形成；4活動星系核的物理本質；5γ暴的起源；6恒星的物理結構和核反應過程；7太陽的產能機制和中微子問題；8元素的合成和生命的起源；9探索新的物理規律；10開拓人類的生存空間。

重要意義

開辟通往宜居世界的道路，旨在持續開展類地系外行星的識別和表征等工作，最終獲得潛在宜居世界的圖像和光譜。

打開研究動力學宇宙的新窗口，旨在將天基和地基的時間分辨多波長電磁觀測與非電磁信號相結合，研究黑洞、中子星等致密天體的性質及與其成因相關的爆發和并合事件，同時利用其引力波特征了解宇宙誕生之初發生了什么。

揭示星系增長的驅動力，通過研究可以演化為星系的脆弱宇宙氣體網絡的性質以及氣體如何聚集和驅動恒星形成，從而改變對星系起源和演變的理解。

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