二十世纪的天文学

当前位置：维客笔记>> 二十世纪的天文学 >> 正文

二十世纪的天文学

    天文学在二十世纪的发展是空前的。现代物理学和现代技术的发展，使天体物理学成为天文学的主流，经典的天体力学和天体测量学也有新的发展，人们对宇宙的认识达到了空前的深度和广度。
    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，人类开始到大气外去探测宇宙；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，人们可以阐明地球、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研究问题。
    从二十世纪在天体观测手段和技术、太阳系、太阳系以外天体研究等方面的成果，即可显现天文学研究的发展。

观测手段和技术
    起初5-6个世纪的观测全凭肉眼，古代仪器充其量只能比较准确地测定肉眼所及的天体位置，却不能发现更多的星象。1609年伽利略发明了第一架天文望远镜，由凸透镜的物镜和凹透镜的目镜组成，发现了月亮的环形山、木星的四颗卫星……，看到了一个全新的世界。不久开普勒将这种望远镜的凹透目镜改造为小凸透目镜，尽管成相是倒立的，但视野和放大率都扩大了。这种望远镜是折射望远镜，玻璃会产生色差，色差会严重影响星象的清晰度。于是当时人们就不断制造出焦距越来越长的望远镜，在牛顿以前，这是仪器的主攻方向。1668年牛顿首先制成反射望远镜，他用的目镜是锡和铜的合金，全长不过15厘米，然而它却可以放大40倍。威廉.赫歇尔是制造反射望远镜的一代宗师，他一生磨成了四百多块反射镜，最大的口径达122厘米。19世纪最大的反射望远镜是美国人罗斯伯爵于1845年建造的，口径达184厘米镜身长17米。当时的反射镜全都是金属制的，大块金属既笨重又难以铸造和加工，且容易失去光泽，影响反射效果。1846年玻璃工业达到发展，到19世纪中叶以后，大型折射望远镜在世界各地纷纷建造起来。1824年德国光学家夫琅和费造了一架口径24厘米、长4.3米的消色差折射望远镜，安装在俄国天文台，这架望远镜上的机械部分极为灵巧。
     19世纪40年代一架38厘米的折射望远镜在美国哈佛大学天文台建成。这时磨制折射望远镜的技术在美国发展到了尽善尽美的程度。1870年美国人克拉克为美国海军天文台建造了一架当时世界最大最好的折射望远镜，它长13米，口径66厘米，透镜重45千克，1877年美国天文学家霍尔用它发现了火星的卫星。1892年小克拉克为美“叶凯士”天文台磨制了一块重230千克、口径102厘米的巨大透镜，制成的巨型折射望远镜于1897年启用。直到今天，这架仪器仍然保持着折射望远镜冠军的称号。克拉克建造了大型折射望远镜的成就，刺激了欧洲的竞争，1885年俄国普尔科沃在天文台安装了口径76厘米的折射望远镜，透镜也是克拉克磨制的，1886年77厘米的望远镜安装在法国尼斯天文台，1889年83厘米的望远镜在法国默冬天文台启用，1893年71厘米望远镜出现在英国格林威治天文台。总之，19世纪末大型折射望远镜相继问世，为探索宇宙发挥着应有的作用。

牛顿手制的反射望远镜

早期的折射望远镜

伽里略手制的折射望远镜


   现代发射望远镜
    如果说19世纪下半叶是折射望远镜的时代，20世纪上半叶巨型反射望远镜则占了上风。反射望远镜的东山再起是因为磨制材料的改进，用玻璃代替金属，德国和法国率先独立地制成了玻璃镀银的反射镜。1897年一架91厘米的反射镜在英国诞生了。
    20世纪天文史的发展，大型反射望远镜功不可没。1917年11月“胡克望远镜”正式启用了，整个望远镜重90吨，可以很方便地操作，并以很高的精度跟踪恒星，它在以后的30年内一直是望远镜之王，它是第一架、也是30年内唯一能够提供银河系实际大小和太阳系所处位置信息的仪器。1948年当时世界上最为完善的“海尔反射望远镜”在美国交付使用，它的成型镜面净重14.5吨，镜筒重140吨，整个望远镜的可动部分重达530吨！它拍摄和分辨??能拍摄23等的暗星，能探测距离我们远达几亿光年的暗弱星系。“胡克望远镜”曾使人类了解自己所在星系的大小和性质，估量河外星系的本质和运动并提出由于遥远的过去发生的一次宇宙爆炸而发生了宇宙膨胀。“海尔望远镜”对这一切做出了确凿证明。而且在以后许多年后，尽管许多国家造出了规格更高的望远镜，但都没能超过“海尔望远镜”，超过它的只有前苏联专门天体物理台的6米反射镜。这架6米反射镜是目前口径最大的一架望远镜，安装在高加索山脉，1976年正式投入观测。镜体本身长25米重77吨，其大小堪称第一，但就其性能而言，它仍然没能超过口径5米的海尔望远镜。

澳大利亚国家射电天文台

美国夏威夷的8米光学望远镜
太阳望远镜

    日冕是太阳周围一圈薄薄的、暗弱的外层大气，它的结构复杂，只有在日全食发生的短暂时间内，才能欣赏到，因为天空的光总是从四面八方散射或漫射到望远镜内。
    1930年第一架法国天文学家李奥研制的日冕仪诞生了，这种仪器能够有效地遮掉太阳，散射光极小，因此可以在太阳光普照的任何日子里，成功地拍摄日冕照片。从此以后，世界观测日冕逐渐兴起。
    日冕仪只是太阳望远镜的一种，20世纪以来，由于实际观测的需要，出现了各种太阳望远镜，如色球望远镜、太阳塔、组合太阳望远镜和真空太阳望远镜等。
    太阳塔又名塔式望远镜，是太阳物理观测的基本工具。外形是塔式建筑，通常高20米以上，塔的顶部安装定天镜，它将入射的太阳光线垂直向下反射，进入成像光学系统和附属仪器。太阳塔通常建为双层结构，除顶部有定天镜外，中间安置太阳望远镜成像光学元件，在塔底或地下竖井内设置大型太阳摄谱仪和其他附属仪器。
    真空太阳望远镜是将全部成像光学元件都放在真空筒中，这种望远镜可以消除仪器内部气流对成像的有害影响。最著名的真空太阳望远镜在美国萨克拉门托峰天文台。它的外形是41米高的露天锥塔，顶部是真空密封转台。太阳光射入直径75厘米的玻璃密封窗后，被构成地平系统的两块直径110厘米的平面镜反射到直径0.6米、焦距46米成像镜上，返回的光线经斜平面镜，穿过密封的出射窗进入附属仪器。真空筒重250吨，可以转动。这台仪器安装在宁静度很高的高山上的，能够观测非常小的太阳表面和低层大气的组织结构，分辨率相当于辨认出距离96千米处一块汽车牌照的能力，它代表了目前地面太阳仪器的最高水平。

    射电天文学的研究

射电天文学的奠基人、
美国工程师央斯基

    20世纪初期人类还不能完全捕捉到天体释放出辐射的电磁波谱，这是当时天文学家的遗憾。第一个发现来自宇宙无线电波的是美国电信工程师央斯基（1905~1950）。他在研究短波通信中各项干扰因素时，发现了一种来源不明的电波，并发现它的方向似乎和太阳相关，但不完全与太阳运动一致，可能是虽恒星变化而变化的，而且来自于太阳系以外的固定点，经过观测得出这个固定源在天空的坐标，指出了它的方向与银河系中心接近。人类捕捉到了来自太空的无线电波，射电天文学从此诞生了。这是天文学发展史上的又一次飞跃，从此人类认识宇宙的窗口从可见光波段转到射电。第二次世界大战结束后，一大批研究雷达的科技人员把雷达技术应用到宇宙射电的研究中，射电天文学进入了蓬勃发展的时代。目前世界上口径最大的射电望远镜固定在地球上，利用地球的转动来改变指向，这就是1963年安装在波多黎各的阿雷西博射电天文台的著名抛物面射电望远镜，是美国国立天文台和电离层研究中心的主要设施。它可作雷达使用，还可以用来绘制金星、水星、火星和木星、土星的卫星雷达图。
    射电天文学给人类带来的宇宙信息是无比丰富的，早在50年代，射电天文学家们就已经对太阳射电进行了卓有成效的研究，描绘了银河系旋臂结构的全景；60年代更有类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射四大发现；70年代详细研究了一批射电星系核和类星体，发现了令人难以置信的超光速运动。

空间天文学

    我们的地球被一层厚厚的蓝色“面纱”——大气层包围着。这个大气层给我们提供了充足的氧气、适宜的温度，它保护人类免遭来自于太空的不速之客，如流星、粒子辐射等等的袭击。40年代的探空火箭技术和气球技术，50年代末人造卫星的上天，使天文学家宿愿终于实现。从此天文学从地面观测跃进到空间观测，从狭窄的光学波段、射电波段扩展到整个电磁波段，于是天文学便进入了全波天文学，即天文学的崭新时期，这是天文学发展史上的又一次飞跃，从此红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和γ射线天文学相继应运而生，在人类面前展示了一幅更加绚丽多彩的大宇宙图象。
    红外辐射是60年代被发现的，红外天文学的研究在地面和高空以及外层空间全面展开。红外波观察绝对温度四千度以下的天体，包括太阳系中的行星、卫星和彗星，红外辐射可以提供关于恒星的出生和死亡的宝贵知识。第一颗红外天文卫星于1983年升空，它是美国、英国、荷兰共同研制的，上面装有一架60厘米的红外望远镜，它发现了三十多万个新天体。

哈勃空间望远镜

    为了观察极为明亮的年轻恒星，必须借助探空火箭和人造卫星观测。进入70年代有4颗紫外天文卫星进入太空。20世纪60年代最激动人心的发现还是X射线天文学领域的研究，被认为是六十年代X射线天文学的重大成就之一。
    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、英国、印度、美国等国家的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。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射线是波长比X射线还要短的电磁辐射，宇宙中许多过程都能产生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。1972年两次太阳耀斑事件中探测到γ射线爆发。1973年证实宇宙γ射线爆发。到1978年底，探测到的银河系γ射线源一共只有13个,其中8个已证认为超新星遗迹。

20世纪太阳系的研究

    研究太阳

    太阳系一直是天文学研究的主要对象，20世纪太阳系天文学研究有了突飞猛进的发展。1957年太空时代到来以前，人类用传统的天文学方法，对太阳、行星、彗星等天体做了精细的研究，获得了大量天体化学组成和物理状态的知识，1957年人类进入太空时代以后，各种各样的人造天体遨游太阳系，对月球、九大行星极其卫星、彗星等天体做直接探测，1969年人类登上月球进行实地考察，人类开创了运用研究地球的方法研究行星的新纪元，人类也用各种航天器从空间对太阳进行各种考察，观测手段和研究方法的变革，带来了天文学发展史上的深刻变革。
    为了专门研究太阳，1905年美国在加利福尼亚的威尔逊山修建了一所很大的天文台，后来逐渐发展成为美国最大、最著名的天文台。第一任台长海尔与他的同事们对太阳黑子做了详细的研究，发现太阳黑子也有南北极，而且磁极方向还发生周期性变化，继而研究太阳的普遍磁场，指出这种磁场比黑子磁场要弱得多，并测得其两极的强度是50高斯。同时在20世纪初期科学家们对太阳耀斑做了观察，证明了太阳耀斑是一种很普遍的太阳现象，其来势凶猛，能量浩大，在短暂的一二十分钟内就能够释放出巨额能量，而且辐射种类繁多，它包括可见光、紫外、红外、X射线、Y射线和射电辐射，还有冲击波、高能粒子流，乃至宇宙射线，这些现象顷刻间从耀斑区域倾泻而出，十分壮观。由于耀斑的发生对地球有直接的巨大影响，所以对其研究已经成为当代太阳物理的重大课题之一。
     研究行星

    20世纪上半叶，天文学家用天体物理学的方法研究行星和它们的卫星，获得了丰富的行星和卫星的物理信息和化学组成的知识。
通过对月球物理研究，得出月球表面覆盖着一层类似火山灰的尘埃，月面暴露在太阳光下几天后，温度可达100度。人们对火星的研究更为关注，对火星的颜色做了详细研究，发现火星上“海洋”的颜色随季节的变化而不同，认为这是火星上的植物随季节变化而造成的枯荣现象。经过反复观测，断定火星大气中氧和水蒸气的含量不会超过地球上相应面积含量的几千分之一，这表明火星上存在高级形式生命的可能性极小，并且测得火星的大气压最多只有65毫米水银柱，后来又发现火星大气中有微量的二氧化碳，确认火星的极冠是由冰组成的。通过对地球的近邻——金星的观测表明，金星具有浓密的大气，并有变幻莫测的气象现象，天文学家们测得金星表面向着太阳一面的平均温度高达+66度，赤道地区可达+95度。当然现在我们知道金星表面温度还要高得多。20世纪初通过给木星和土星拍照，发现它们各区域的颜色也表现出重大差别，木星的大气主要成分氢和氦，土星的光环上可能覆盖着温度很低的冰晶。人们还发现了冥王星、木星的几颗卫星。
对月球的空间探测

    1957年人类进入太空时代以后，对太阳系的研究发生了根本的变化，对月球进行多学科的研究。1961年美国“阿波罗”计划开始，先后执行“徘徊者”、“月球勘测者”、“月球轨道飞行器”三个辅助计划，1966年正式实施“阿波罗”登月计划，1972年结束。1969年7月20日“阿波罗”实现了第一次人类登月的创举。对月球进行了观测、照相、采样，还在月面上安装了各种实验仪器，发射了月球卫星。“阿波罗”飞行获得了大量关于月球的科学资料，详尽地揭示了月球表面的结构特征，月面物质的化学成分、光学和热学的物理特性，并探测了月球的重力、磁场和月震等。
前苏联的“月球号”探月计划，首次拍得月球背面照片，据此天文学家绘制了世界第一张月背图。该计划的实施，使月球有了自动科学站，由地面站操纵，在月球上自动执行考察任务。
    对月球的太空探测，使人类对它的认识进入了崭新阶段，对月球的深层研究开始。

“阿波罗”

“月球勘探者”

“徘徊者”
对行星和卫星的空间探测

    在对行星和卫星的空间探测中美国和前苏联处于主导地位，通过发射探测器使人类可以到行星附近去观测，还可以掘取土样，做化学、物理的实验分析。一系列探测活动使我们得到了大量清晰的行星极其卫星的各种照片和大量科学数据。
人们研究太空行星是从地球开始的。发射的人造天体都不同程度对地球做了多种考察，提供了大量新资料，精确测定其形状、获得监测天气图，非常清楚地知道了地球是怎样“工作”的。
    人类关注的第二颗行星是火星。这颗红色的星球自古以来就对天文学家有一种诱惑力，它是我们地球的邻居。1964年美国“水手4号”拍摄了火星照片，发现了火星表面有不少像月球上那样的环行山，1971年发现火星上有??探测实验，结果表明火星上不存在生命。

飞越各大行星的“旅行者”号

    美、苏两国的探测活动揭开了金星表面的神秘面纱，原来金星表面被一层浓密的大气包围，大气中的二氧化碳含量占97%以上，产生极为强烈的温室效应，致使其表面温度高达465~485℃，而且基本上没有地区、季节、昼夜的区别。金星表面大气层顶部存在着与其自转方向相同、速度高达320千米/秒的大环流。金星表面的大气压约为地球的90倍，而且有非常频繁的放电现象。金星表面被浓云密雾所覆盖，用普通摄影的方法无法了解其表面真实情况，美国科学家用雷达手段，对金星表面93%的地形进行勘察，绘出了精密的金星表面图，金星的表面被名为玄武岩的火成岩覆盖着。
    迄今为止只有一艘探测器探测过水星，美国“水手10号”曾3次飞临水星，对水星表面60%的区域做了摄影考察，得到大量水星情报。水星的表面很像月球，有大大小小的环形山，其表面大气一直非常稀薄，昼夜温差十分悬殊。“水手10号”还发现水星有磁场，与地球磁场相似，是偶极场。
    木星和土星是各种媒体和人们关注最多的话题，是行星探测器光顾最多的两颗行星，发回了大量照片，获得重大发现，包括木星环、极光、木卫一的火山爆发和关于5颗木卫的精彩照片，证实了木星的磁层、磁场、辐射带和极光。
    令人诧异的是，木星的磁场方向与地球的磁场方向相反，而且距木星1400至700万千米的广大空间均为木星的磁场，比地球磁层大得多，证实木星上有极光。木星上有浓密的大气，大气中有一系列与赤道平行的明暗交替分布的云带，云带结构复杂。在彩云密布的木星表面，尤其引人引人注目的是大红斑，它位于木星赤道以南，呈卵形，色泽异常鲜艳，从此有了连续的观测记录。从观测记录上人们发现有些年代大红斑色彩鲜艳，有些年代显得暗淡，有时只能隐约可见其轮廓。还发现大红斑原来是朝逆时针方向猛烈转动的大气旋，现在科学家们认为，大红斑是耸立于高空、嵌在层内的强劲旋风，可能含有磷化物。对木卫星也做了考察。土星以它那无与伦比的美丽光环而著称，早在空间探测以前，人们就知道土星环分为5层，后来又发现有7层，它们是由成千上万小环组合而成的，看起来像一张巨大的唱片，又像螺旋转动的波浪。由于土星中心有流动的金属氢，所以土星有磁场。在土星的大气照片上看出，土星上还具有太阳系中最强劲的风暴，云层运动速度高达480千米/秒。确认土星是太阳系中卫星最多的行星。
通过观测天王星掩星天象，发现了天王星环，测量了天王星大气温度轮廓，压力随温度变化，发现天王星具有与木星类似的磁层和辐射带，探测出天王星本体半径的1/2是大气，1/4是海洋，最中心的1/4是岩石。

1973年美国发射的
“水手”10号探测器

美国“海盗”号着陆器
在火星表面软着陆

“火星极地着陆者”探测器
  空间站的建设

    空间站是人类在太空进行各项科学研究活动的重要场所。1971年，前苏联发射了第一座空间站“礼炮”1号，1986年8月，最后一座“礼炮”7号停止载人飞行。1973年5月14日，美国发射了空间站“天空实验室”，1974年天空实验室封闭停用，并于1979年坠毁。
   1986年2月20日，前苏联发射了“和平”号空间站。它全长超过13米，重21吨，设计寿命10年，由工作舱、过渡舱、非密封舱三个部分组成，有6个对接口，可与各类飞船、航天飞机对接，并与之组成一个庞大的轨道联合体。自“和平”号上天以来，宇航员们在它上面进行了大量的科学研究。还创造了太空长时间飞行的新纪录。“和平”号超期服役多年后于2001年3月19日坠入太平洋。1983年，欧洲空间局发射了“空间实验室”，它是一座随航天飞机一同飞行的空间站。
    国际空间站是建造中的新一代空间站。它由美国和俄罗斯牵头，联合欧洲空间局11个成员国和日本、加拿大、巴西等16国共同建造运行。空间站从1994年开始分多个步骤建设安装，至2006年全部建成。建成后空间站将长110米，宽88米，质量超过400吨，将是有史以来规模最庞大、设施最先进的人造天体。可供6至7名宇航员同时在轨工作。

国际空间站建成后的外观
俄罗斯“和平”号空间站

美国的“天空实验室”空间站
标签：科学天文历史宇宙星空
打印导出Word 复制地址
评论：二十世纪的天文学

当前尚无网友评论!