关于近代现代天文学史介绍

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。

经典天文学的进展

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。

二十世纪以来，天体测量学有了飞跃的发展：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

天体物理学的进展

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。

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?严群蠓陕幽拘牵⑾至四拘堑募缚判挛佬牵ㄉ写啡希┖湍拘堑墓饣罚行腔罚?

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。

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。

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。

光学波段以外天体辐射的探测

下面按各种波段分别叙述。

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。

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。

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。

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。

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

1. 李珩编译：《近代天文学奠基人哥白尼》，商务印书馆，北京，1963。
2. 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，Discoveryof the Universe， Faber and Faber Ltd， London，1957.)
3. W.C.丹皮尔著，李珩译：《科学史》，商务印书馆，北京，1975。(Wm，Cecil Dampier，A History of Science，Cambridge Univ.Press，London，1958.)
4. O.Struve and V.Zebergs，Astronomy of the 20th. Century， Macmillan Co.，New York，1962.