觀測天文學

觀測天文學 是天文學的一個分支，常用於取得數據以與天文物理學的理論比對，或以測量所得的物理量解釋模型的涵義。在實務上，通過望遠鏡或其他天文儀器的使用來觀測目標。

基本介紹

• 中文名：觀測天文學
• 簡介：天文學的一個分支
• 工具：望遠鏡或其他天文儀器
• 用途：取得數據與天文物理學的理論比對

含義、分類

做為一門科學，天文學有些困難之處，由於距離的遙遠，要直接驗證宇宙的特性是不可能的。然而，有為數眾多的恆星可以被觀察到，已經能夠讓天文學家獲取一些事實的真相。這些觀測到的資訊所繪製成的各種圖表，與紀錄足以顯示一般的趨向。變星就是很貼切的具體例證，能藉由變星的特性，測量出遙遠天體的距離。這一種類的距離指標，足以測量鄰近的距離，包括附近的星系，進而對其他現象進行測量。

肉眼觀測

在17世紀發明望遠鏡前，早期的觀測天文學只能依賴肉眼以及各種用於測量時間和方向的儀器。第谷有系統的觀測行星，他所蒐集的資料讓克卜勒得以建立行星運動的法則。

人類非常關心天空，因而在歷史上留下許多紀錄。古老的巨石陣就是為了觀察太陽的運動來測量時間而建立的，星座是由一些恆星在天空中組成的圖樣，並且與地球上的季節變化連結在一起，也流傳下來許多的神話與傳說。

不使用望遠鏡，單靠眼睛也能做許多不同的觀測，古老的記錄記載了一些突然出現在天空中的亮星，被稱為超新星，甚至在白天也能看見。也記錄了被視為災難預兆的彗星，還有划過天際的流星。在現代，科學家透過在南極冰原上蒐集到的大量隕石，可以研究和測量小行星，甚至火星的表面。

望遠鏡觀測

義大利的伽利略是首位使用望遠鏡觀察天空並且記錄下所見到的景象的天文學家，此後望遠鏡大量投入使用輔助肉眼的天文觀測上，觀測天文學因為望遠鏡製作技術的改進而飛躍的發展。

往後由於物理學與光學的急速發展，傳統的觀測天文學又產生了新的分支：各種電磁波頻譜區域的觀測。

光學天文學：使用光學元件（面鏡、透鏡和實體探測器）來觀察從近紅外線到近紫外線光的部份，可見光天文學（使用的是眼睛能看見的波長，從400 - 700 nm）就再這一段的中間。

紅外天文學：分析和觀察紅外輻射，（比傳統的實體矽檢波器能偵測的波長還要長，約在1μm）。以反射望遠鏡作接收器，但焦點的探測器換成對紅外波長敏感的設備。太空望遠鏡因脫離大氣層，能觀察被大氣層遮蔽或阻擋（來自大氣層的熱輻射）的部分波長。

射電天文學：偵測波長在微米至米級的輻射，使用的接收器與無線電廣播類似，但靈敏度更高。參考無線電望遠鏡。

高能天文學：包括X射線天文學、伽瑪射線天文學和末端的紫外線天文學，主要的研究對象是中微子和宇宙射線。

可見光和射電天文學可以由地面天文台觀測，因為這些波段能穿透大氣層並被偵測到。天文台通常都建在高處，以儘可能減少大氣層的消光和畸變。有些紅外波段會被大氣層內的水蒸氣強烈吸收，所以許多紅外天文台都選擇建在乾燥的高地上，或在太空中進行觀測。

大氣層也會遮蔽掉X射線天文學、珈瑪射線天文學和紫外線天文學使用的波段（只有少數波段能通過“視窗”）。 遠紅外線天文學必須使用氣球攜帶儀器升空，或在太空中觀測。強力的珈瑪射線能被雲霧室偵測到，因此對宇宙射線的研究也很快的成為天文學的一個分支。

光學望遠鏡

在天文觀測漫長的歷史上，幾乎所有的觀測者都使用過光學望遠鏡在可見光的波段內觀測。地球的大氣層在可見光這一段是相當透明的，但許多的望遠鏡仍然要依賴視象的條件(寧靜度和大氣的透明度)，並僅限於在夜間觀測。視象條件取決於空氣的對流湍流和熱擾動，長期多雲或遭受大氣擾動都會影響到觀測成象的解像能力和穩定度。因為大氣有強烈的散射作用，出現在天空的月光加上灰塵也會照亮天空和散射光線，妨礙對暗弱天體的觀測。

由於影響成象質素的絕大程度因為空氣的擾動，脫離大氣層的太空無疑是放置光學望遠鏡的最佳地點。但將望遠鏡放置在軌道中的費用太高，所以退而求其次的地點是擁有晴空和良好的大氣條件，也就是視象良好的高山。在夏威夷群島中的大島上的毛納基峰，和La Palma都具有這些條件。在內陸一點的地點，像智利安地斯高原的大型厘米波與毫米波陣列（Llano de Chajnantor）、帕瑞納天文台、托洛洛山美洲際天文台與歐洲南方天文台下屬的拉希拉天文台，這些觀測地點都吸引了數十億美元的投資，建立了許多擁有大望遠鏡的天文台。

光學天文學很重要的一個條件是需要足夠黑暗的夜空。當城市規模與人類活動的版圖不斷擴張時，晚上的人造燈光（光害）也越來越多。這些人造的燈光照亮夜晚的天空，加上人類活動造成的各種空氣污染引起的灰塵散射燈光的雙重效應，使得背景天空變得灰暗，對光度微弱的天體觀測越加困難，必須要特別的濾光鏡來隔絕背景光的干擾。在有些地區，如美國亞利桑那州、英國和日本與香港，都有民間團體在研究與發起以減少光污染。鼓勵為街燈裝上反射罩，不僅能使照向地面的燈光增加，也使直接射進天空的光量降低。但因與城市的經濟發展相違背，對於推廣意識的淡薄與對科學的不重視之下，尤其在開發中國家，這樣的狀況蠶食一些古老的天文台至不再能作觀測。如北京古觀象台與南京紫金山天文台等。

古代天文學觀測

中國有悠久的天文學觀測的傳統。遠在傳說時代，就有世襲執掌天文的官吏，專門觀測天象。以後歷代沿續，設觀星台、觀象台、司天台、司天監、欽天監等機構，負責觀測天象、推算曆法。因此，中國文獻中以日食、月食、恆星、彗星、太陽墨子等天象的觀測與記錄，都是世界上最早的和最完整的。中國古代天文學家製造的天文觀測儀器有許多優點，其關鍵部件和原理至今仍被套用於現代大型天文觀測儀器中。並以顯示天體運行為契機，最先發明了報時的機械鐘。此外中國獨立發明了自己的曆法農曆。

日食發生的最早記錄，在距今約4000年前的夏代。距今約3000年前的商代甲骨卜辭中，有日食、月食的確切記錄。周代以及春秋戰國以來的典籍中，更有日食、月食的諸多記錄。

恆星的觀測記錄，也見於商代甲骨文中。《周禮》有馮相氏，“掌十有二歲、十有二月、十有二辰、十日、二十有八星之位”。戰國時甘德著《星占》八卷，石申著《天文》八卷，後人合稱為《甘石星經》，其中記載120顆恆星位置，是世界上最早的恆星表。古代天文學家把周天分三垣(太微、紫微、天市)二十八宿(東方青龍七宿——角、亢、氐、房、心、尾、箕。南方朱鳥七宿——井、鬼、柳、星、張、翼、軫。西方白虎七宿——奎、婁、胃、昴、畢、觜、參。北方玄武七宿——斗、牛、女、虛、危、室、壁)，用這種區域劃分來確定天體和天象發生的位置。先秦時期中國先民繪製星圖，留存至今最早的實物有五代時期出土的二塊28宿星圖刻石，其它著名的有宋代蘇州石刻天文圖及敦煌唐代星圖。

對於哈雷彗星的觀測記錄，從公元前613年到20世紀初，中文載籍中共有31次記錄，最早的一次在公元前1057年。對於太陽黑子的觀測，最早見於約公元前4世紀甘德的《星占》。正史中關於太陽黑子的記錄，始於公元前28年。至1638年，見於正史中的太陽黑子記錄約百餘例，散見於其它漢文載籍的記載可能更多。這些珍貴的資料，至今仍有重要的科學研究價值。

由於積累了歷代天文觀測的豐富知識，漢代天文學家明確提出宇宙結構理論“渾天說”。否定了先秦的“蓋天說”。

為了準確地觀測天體和天象的位置，漢代天文學家耿壽昌、賈逵等發明了以赤道為坐標系的天文觀測儀器，漢文稱為“渾儀”或“渾天儀”。

漢代天文學家張衡創製的“渾象”(也叫“渾天儀”)，是用來顯示天象的儀器，類似現代的“天球儀”。它利用漏壺滴水發動齒輪，帶動渾象繞軸旋轉，可以將天象準確地顯示出來。

機械鐘的發明，始於顯示天球旋轉(即地球自轉及公轉)的天文儀器，為中國首先製作。公元725年，唐代天文學家一行高僧(張遂)與梁令瓚在“渾儀”和“渾象”的基礎上，製成“渾天銅儀”。這是一架附有報時裝置的天文儀器，注水激輪帶運轉，一方面顯示日月運行情況，另一方面立二木人於地平之上，每一刻自然擊鼓，每辰自然撞鐘。其擒縱輪靠水力驅動。

公元1092年，宋代天文學家蘇頌製造了更先進的“水運儀象台”，這實際是一座大型天文鐘台，高35.65尺，寬21尺。台分三層，上層是渾儀，用來觀測日月星辰的位置；中層是渾象，旋轉並確顯示天象；下層設木閣，木閣又分五層，每層有門，每到一定時刻，門中有木人出來報時。木閣後有漏壺和機械系統，驅動整個儀器。蘇頌鐘是人類在中世紀最卓越的機械製造，其原理於兩個世紀後傳入歐洲，導致機械鐘在西方的發展。

此外，春秋以前被普遍用來測量日影長度的“圭表”，也是中國先民的一大發明。表為立竿，圭為臥尺，測日影長度，定冬至和夏至的日期以及回歸年的長度。唐代一行等人最早實測了子午線的長度。

中國先民最早發現天然磁石和磁鐵指南，並製作了“司南”和指南針。

中國先民很早就發明了曆法。相傳先秦有黃帝歷、瑞頊歷、夏曆、殷歷、周曆、魯歷。合稱“古六歷”。夏曆又稱“夏正”，以正月為歲首。殷歷又稱“殷正”以12月為首。周曆又稱“周正”，以11月為歲首。秦用瑞頊歷，以10月為歲首。漢以來，有太初曆、三統曆、四分曆、乾象曆、太明歷、戍寅元歷、大衍曆、12氣歷、統天曆、授時曆、時憲歷、天曆等。這些曆法當中，除北宋沈括創製的“12氣歷”和太平天國頒行的“天曆”是陽曆外，其它曆法都是陰陽合曆。直到今天，中國仍然習慣使用傳統的陰陽合曆，同時使用世界大多數國家通用的公曆。