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天体物理学

天体物理学（英语：Astrophysics），又称天文物理学，是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质（光度，密度，温度，化学成分等等）和星体与星体彼此之间的相互作用。应用物理理论与方法，天体物理学探讨恒星演化、恒星结构、星际物质、宇宙微波背景、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题[1]。由于天体物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常应用很多不同的学术领域，包括力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学以及原子分子与光物理学等等。由于近代跨学科的发展，与化学、生物、历史、计算机、工程、古生物学、考古学、气象学等学科的混合，天体物理学目前大小分支300—500门主要专业分支，成为物理学当中最前沿的庞大领导学科，是引领近代科学及科技重大发展的前导科学，同时也是历史最悠久的古老传统科学。

天体物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得的。比较冷的星体，像星际物质或星际云会发射无线电波。大爆炸后经过红移，遗留下来的微波，称为宇宙微波背景辐射。研究这些微波需要非常大的无线电望远镜。

太空探索大大地扩展了天文学的疆界。太空中的观测可让观测结果避免受到地球大气层的干扰，科学家常透过使用人造卫星在地球大气层外进行红外线、紫外线、伽马射线和X射线天文学等电磁波波段的观测实验，以获得更佳的观测结果。

光学天文学通常使用加装电荷耦合元件和光谱仪的望远镜来做观测。由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质，故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统，或改由大气层外的空间天文台来观测，才能得到最优良的影像。在这频域里恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱，可以分析恒星、星系和星云的化学成分。

理论天体物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解个中奥妙；计算机模拟可以显现出一些非常复杂的现象或效应其背后的机制。

在实践中现代天文学研究通常涉及理论和观测物理领域的大量工作。天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质，暗能量，黑洞和其他天体的性质;以及宇宙的起源和最终命运。理论天文学家还研究了太阳系的形成和演化。恒星动力学和演化;星系的形成与演化;磁流体力学;宇宙中物质的大尺度结构；宇宙线的起源;广义相对论，狭义相对论，量子和物理宇宙学，其中包括弦宇宙学和天体粒子物理学。

大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理。由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型是正确无误。最近学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化，这模型涵盖了宇宙暴胀（cosmicinflation）、暗能量、暗物质等等概念。

理论天体物理学家及实测天体物理学家分别扮演这门学科当中的两大主力研究者，两者专业分工。理论天体物理学家通常扮演大胆假设的研究者，理论不断推陈出新，对于数据的验证关心程度较低，假设程度太高时，经常会演变成伪科学，一般都是天体物理学研究者当中的激进人士。实测天体物理学家通常本身精通理论天体物理，在相当程度上来说也有能力自行发展理论，扮演小心求证的研究者，通常是物理实证主义的奉行者，只相信观测数据，经常对理论天体物理学所提出的假说进行证伪或证实的活动，一般都是天体物理学研究者当中的保守人士。

天文学的历史纪录虽然很久远，但是它长期以来都跟物理学分开，直到物理学发展才开始结合起来，主要发展的目的是历法。

天文学在历史当中，中国、欧洲、非洲、中东、印度、美洲都有独立的发展历史，其中以中国的历史纪录长度最久，但是中国并没有发展出天体物理学，最早有天体物理学研究的纪录是印度。

天文学在古代历史上的发展分支：

中国古代天文学

印度古代天文学

非洲古代天文学

埃及古代天文学

非洲部落天文学

近东古代天文学

两河流域天文学

美索不达米亚天文学

巴比伦天文学

***天文学

巴格达学派

开罗学派

西***学派

美洲古代天文学

玛雅天文学

欧洲古代天文学

希腊古代天文学

也有一种看法认为非洲古代天文学、两河流域天文学及美洲古代天文学都是由传说中的姆**及亚特兰提斯所流传而来的，但是这项说法缺乏考古学上的证据，虽无法证伪，但也无法证实。欧洲天文学主要源自于非洲古代天文学及两河流域天文学，现代天体物理学是由欧洲天文学建立起来的。

理论天体物理学的起点可由十六世纪开始计算起，绝大多数的理论提出系以“物理建模方法”提出假设，建立物理模型，验证方法则多数以“波普尔论证法”来进行确认，主要采取“证实主义”或“证伪主义”两种手法交错并用。理论的状态多数有以下几种：

全部理论证实：目前不存在。

部分理论证实：例如“广义相对论”及“牛顿力学”。

理论证伪：为数庞大，例如，中国的“混天说”。

技术力无法验证理论：例如，“夸克星”，通常都是理论当中存在尚未验证的物理假说。

理论错判证实：例如，“牛顿力学”曾经被错判证实。“夸克星”则曾经有两年的时间被认为已经找到（SN1987A，约1989-1990年之间被错误地认为存在夸克星）。

伪科学：数量庞大的民间学说，例如一整批以科幻小说为基础的幻想学说、科普及神学天体物理，通常的特征是理论自身不自洽。例如“星际之门虫洞物理”，“星际之门”当中的“虫洞物理”与现实研究中的“虫洞物理”差距非常地大，而目前现实中的“虫洞物理”，实际也并未被列入合格的天体物理理论，实际的“虫洞物理”认为“虫洞”的大小如果小于一光年，则无任何可能传送任何物质进行太空旅行，“星际之门虫洞物理”与此差距极大，而开启虫洞颈部的维持能量是“负能量”，“星际之门虫洞物理”却是使用“正能量”来维持，“量子虫洞”是采用“虚粒子对相互作用”来维持“量子虫洞”的恒稳态，能够穿透“量子虫洞”的只有超流体，而“星际之门虫洞物理”却是什么物质都可以传送。事实上两者的说法都没有经过检验。

未经检验的假说：例如，“人造月球假说”及“平行宇宙”与一整批与霍金宣称有关的说法。由于通俗易懂、貌似合理，检验方法却需要耗费大量金钱，因而大批未经检验的假说在民间流传，被误认为已经检验的正统科学，透过大众文化传播，成为非专业信徒型学科。

绝大多数的天体物理理论都处于“部分理论证实”及“技术力无法验证理论”的状态，基本的过滤方式是“证实方法”或“证伪方法”，持续过滤到每一个步骤都与数据吻合。

现代理论天体物理学家使用多样的研究工具，包含了分析模型及计算机数值模拟，分析模型可以提供每一个步骤是否吻合现行或假设的物理定律，计算机数值模拟则主要用于推算出物理数学模型是否有矛盾之处。理论天体物理学家致力于发展理论模型以便理解这些模型与观测的拟合程度，这可以使观测者证实或证伪某个模型是否正确，并且从模型当中选择一个恰当的理论来说明观测数据。

一旦某个物理模型大体上被验证，实测天体物理学家就会依据该模型输入观测资料，一旦发现某些不吻合之处，该理论就会进行修正，直到全面吻合，所有观测数据都合乎理论预测以后，便可称该理论为已经证实的天体物理理论。如果理论与数据有大批不吻合，该理论会先被限定为有限理论，一直到发展出其他可以全面吻合的理论以后，该理论会被废弃掉。

理论天体物理研究的范围非常地广泛，包含了：“星体动力”、“星体演化”、“银河生成及演化”、“电磁动力”、“广义相对论”、“宇宙学”、“弦宇宙论”、“天体粒子物理”、“引力波”、“宇宙生命”、“宇宙航行”、“宇宙通讯”等等，课题包罗万象。

现代天体物理的发展方式多数采取物理数学的方法，先发展相关理论，然后再透过实测天体物理学的技术手段来验证，并且透过观测数据来修正理论上的缺失，因此常常会看到由于实测天体物理技术的发展，事后发现理论天体物理的陈述荒唐到完全无法吻合的现象，进而全面修正理论天体物理的模型。实测天体物理扮演天体物理当中最重要的把关及验证，因此理论天体物理上的盖棺论定一向是由实测天体物理来执行，这也使得实测天体物理学家多数都是这个领域当中最保守的菁英人士在运行。

实测天体物理目前持有全球最尖端的科技来进行研究，技术的演进，天体物理实验数据已经可以采取多种管道获得，包含了地面各类望远镜、空间天文台及空间探测器。另外由于需求的缘故，实测天体物理学家是目前建造超级电脑的最积极人士，全球最尖端的超级电脑有大批是由实测天体物理学家所建造及持有，其次则是高能物理学家所建造及持有，多数的实测天体物理学家同时也是电脑专家及理论物理学家，经常会透过全球虚拟天文台的数据互换来进行研究，超级运算的领域当中，有许多出身于实测天体物理学的工作者。