高能天体天文学

天体物理学的分支学科

高能天体天文学high energy astrophysics 是天体物理学的一个分支学科。主要任务是研究天体上发生的各种高能现象和高能过程。

简介

它涉及的面很广，既包括有高能粒子（或高能光子）参与的各种天文现象和物理过程，也包括有大量能量的产生和释放的天文现象和物理过程。

天体物理学

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。

分支

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。

起源

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。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。

发展

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，到十八世纪老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、γ射线等波段的辐射。从此天文学进入全波段观测时代。

研究

太阳是离地球最近的一颗普通恒星。对太阳的研究，经历了从研究它的内部结构、能量来源、化学组成和静态表面结构，到使用多波段电磁辐射研究它的活动现象的过程。太阳风的影响能够为我们直接感受。日地关系密切，所以研究有关地球的科学，必须考虑太阳的因素。

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行星际物质的分布、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。

特殊恒星更是多种多样：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。

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。

通过多年研究，人们对银河系的整体图像以及太阳在银河系中的地位，有了比较正确的认识。银河系的直径为十万光年，厚两万光年。通过对银河系恒星集团的研究，建立和证实了星族和银河系次系等概念。对银河系自转、旋臂结构、银核和银晕也进行了大量研究。

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。

二百多年来，关于太阳系的起源和演化问题已提出四十多种学说，但至今还没有一个学说被认为是完善的而被普遍接受。近三十年来这方面有了很大进展，目前大多数天文学家赞成的恒星演化学说是所谓的“弥漫说”，但也有少数人认为恒星是由超密物质转化而成的。

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。

除了宇宙线的粒子探测、陨石的实验室分析、宇宙飞行器对太阳系天体的实地采样和分析，以及尚在努力探索中的引力波观测之外，目前关于天体的信息都来自电磁辐射。天体物理仪器的作用是对电磁辐射进行收集定位、变换和分析处理。电磁辐射的收集和定位是由望远镜(包括射电望远镜)来实现的。

从辐射的连续谱可以判断辐射的机制，还可以得知天体的表面温度；从早型星的巴耳末系限上的跳变，可以得知天体的表面压力；由UBV测光系统也可粗略地确定恒星的光度和温度值。从线谱可以获得更多的信息：视向速度、电子温度、电子密度、化学组成、激发温度端流速度。对双星的观测研究，可以得到天体的半径、质量和光度等重要数据。研究脉动变星的光变周期与光度之间的关系，可以确定天体的距离。

辐射转移理论是解释已知天象的有力工具，而且还可以预言尚未观测到的天体和天象。以辐射转移理论为基础建立的恒星大气理论，以热核聚变概念为基础发展起来的元素合成理论、恒星内部结构理论和天体演化理论，乃是理论天体物理学的基础。

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。

人类对宇宙的认识不断扩大，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。氮元素就是首先在太阳上发现的，过了二十五年后才在地球上找到。热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。由于地面条件的限制，某些物理规律的验证只有通过宇宙这个“实验室”才能进行。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。

演进

最早，高能天体物理学主要限于宇宙线的探测和研究，真正作为一门学科是20世纪60年代后才建立起来的。60年代以后，各种新的探测手段应用到天文研究中，一大批新天体、新天象的发现，使高能天体物理学得到了迅速发展。

研究对象

类星体和活动星系核

脉冲星

超新星爆发

黑洞理论

X射线源

γ射线源

宇宙线

各种中微子过程和高能粒子过程

类星体和脉冲星等高能过程