天體物理學(英語:Astrophysics),又稱天文物理學,是研究宇宙的物理學,這包括星體的物理性質(光度,密度,溫度,化學成分等等)和星體與星體彼此之間的相互作用。應用物理理論與方法,天體物理學探討恆星演化、恆星結構、星際物質、宇宙微波背景、太陽系的起源和許多跟宇宙學相關的問題[1]。由於天體物理學是一門很廣泛的學問,天文物理學家通常應用很多不同的學術領域,包括力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學以及原子分子與光物理學等等。由於近代跨學科的發展,與化學、生物、歷史、計算機、工程、古生物學、考古學、氣象學等學科的混合,天體物理學目前大小分支300—500門主要專業分支,成為物理學當中最前沿的龐大領導學科,是引領近代科學及科技重大發展的前導科學,同時也是歷史最悠久的古老傳統科學。
天體物理實驗資料大多數是依賴觀測電磁輻射獲得的。比較冷的星體,像星際物質或星際雲會發射無線電波。大爆炸後,經過紅移,遺留下來的微波,稱為宇宙微波背景輻射。研究這些微波需要非常大的無線電望遠鏡。
太空探索大大地擴充套件了天文學的疆界。太空中的觀測可讓觀測結果避免受到地球大氣層的干擾,科學家常透過使用人造衛星在地球大氣層外進行紅外線、紫外線、伽馬射線和X射線天文學等電磁波波段的觀測實驗,以獲得更佳的觀測結果。
光學天文學通常使用加裝電荷耦合元件和光譜儀的望遠鏡來做觀測。由於大氣層的擾動會干涉觀測資料的品質,故於地球上的觀測儀器通常必須配備調適光學系統,或改由大氣層外的空間天文臺來觀測,才能得到最優良的影像。在這頻域裡,恆星的可見度非常高。藉著觀測化學頻譜,可以分析恆星、星系和星雲的化學成分。
理論天體物理學家的工具包括分析模型和計算機模擬。天文過程的分析模型時常能使學者更深刻地理解箇中奧妙;計算機模擬可以顯現出一些非常複雜的現象或效應其背後的機制。
在實踐中,現代天文學研究通常涉及理論和觀測物理領域的大量工作。天體物理學家的一些研究領域包括試圖確定暗物質,暗能量,黑洞和其他天體的性質 ; 以及宇宙的起源和最終命運。理論天文學家還研究了太陽系的形成和演化。恆星動力學和演化 ; 星系的形成與演化 ;磁流體力學 ; 宇宙中物質的大尺度結構;宇宙線的起源; 廣義相對論,狹義相對論,量子和物理宇宙學,其中包括弦宇宙學和天體粒子物理學。
大爆炸模型的兩個理論棟樑是廣義相對論和宇宙學原理。由於太初核合成理論的成功和宇宙微波背景輻射實驗證實,科學家確定大爆炸模型是正確無誤。最近,學者又創立了ΛCDM模型來解釋宇宙的演化,這模型涵蓋了宇宙暴脹(cosmic inflation)、暗能量、暗物質等等概念。
理論天體物理學家及實測天體物理學家分別扮演這門學科當中的兩大主力研究者,兩者專業分工。理論天體物理學家通常扮演大膽假設的研究者,理論不斷推陳出新,對於資料的驗證關心程度較低,假設程度太高時,經常會演變成偽科學,一般都是天體物理學研究者當中的激進人士。實測天體物理學家通常本身精通理論天體物理,在相當程度上來說也有能力自行發展理論,扮演小心求證的研究者,通常是物理實證主義的奉行者,只相信觀測資料,經常對理論天體物理學所提出的假說進行證偽或證實的活動,一般都是天體物理學研究者當中的保守人士。
天文學的歷史紀錄雖然很久遠,但是它長期以來都跟物理學分開,直到物理學發展才開始結合起來,主要發展的目的是曆法。
天文學在歷史當中,中國、歐洲、非洲、中東、印度、美洲都有獨立的發展歷史,其中以中國的歷史紀錄長度最久,但是中國並沒有發展出天體物理學,最早有天體物理學研究的紀錄是印度。
天文學在古代歷史上的發展分支:
中國古代天文學
印度古代天文學
非洲古代天文學
埃及古代天文學
非洲部落天文學
近東古代天文學
兩河流域天文學
美索不達米亞天文學
巴比倫天文學
阿拉伯天文學
巴格達學派
開羅學派
西阿拉伯學派
美洲古代天文學
瑪雅天文學
歐洲古代天文學
希臘古代天文學
也有一種看法認為非洲古代天文學、兩河流域天文學及美洲古代天文學都是由傳說中的姆大陸及亞特蘭提斯所流傳而來的,但是這項說法缺乏考古學上的證據,雖無法證偽,但也無法證實。歐洲天文學主要源自於非洲古代天文學及兩河流域天文學,現代天體物理學是由歐洲天文學建立起來的。
理論天體物理學的起點可由十六世紀開始計算起,絕大多數的理論提出系以“物理建模方法”提出假設,建立物理模型,驗證方法則多數以“波普爾論證法”來進行確認,主要採取“證實主義”或“證偽主義”兩種手法交錯並用。理論的狀態多數有以下幾種:
全部理論證實:目前不存在。
部分理論證實:例如“廣義相對論”及“牛頓力學”。
理論證偽:為數龐大,例如,中國的“混天說”。
技術力無法驗證理論:例如,“夸克星”,通常都是理論當中存在尚未驗證的物理假說。
理論錯判證實:例如,“牛頓力學”曾經被錯判證實。“夸克星”則曾經有兩年的時間被認為已經找到(SN1987A,約1989-1990年之間被錯誤地認為存在夸克星)。
偽科學:數量龐大的民間學說,例如一整批以科幻小說為基礎的幻想學說、科普及神學天體物理,通常的特徵是理論自身不自洽。例如,“星際之門蟲洞物理”,“星際之門”當中的“蟲洞物理”與現實研究中的“蟲洞物理”差距非常地大,而目前現實中的“蟲洞物理”,實際也並未被列入合格的天體物理理論,實際的“蟲洞物理”認為“蟲洞”的大小如果小於一光年,則無任何可能傳送任何物質進行太空旅行,“星際之門蟲洞物理”與此差距極大,而開啟蟲洞頸部的維持能量是“負能量”,“星際之門蟲洞物理”卻是使用“正能量”來維持,“量子蟲洞”是採用“虛粒子對相互作用”來維持“量子蟲洞”的恆穩態,能夠穿透“量子蟲洞”的只有超流體,而“星際之門蟲洞物理”卻是什麼物質都可以傳送。事實上兩者的說法都沒有經過檢驗。
未經檢驗的假說:例如,“人造月球假說”及“平行宇宙”與一整批與霍金宣稱有關的說法。由於通俗易懂、貌似合理,檢驗方法卻需要耗費大量金錢,因而大批未經檢驗的假說在民間流傳,被誤認為已經檢驗的正統科學,透過大眾文化傳播,成為非專業信徒型學科。
絕大多數的天體物理理論都處於“部分理論證實”及“技術力無法驗證理論”的狀態,基本的過濾方式是“證實方法”或“證偽方法”,持續過濾到每一個步驟都與資料吻合。
現代理論天體物理學家使用多樣的研究工具,包含了分析模型及計算機數值模擬,分析模型可以提供每一個步驟是否吻合現行或假設的物理定律,計算機數值模擬則主要用於推算出物理數學模型是否有矛盾之處。理論天體物理學家致力於發展理論模型以便理解這些模型與觀測的擬合程度,這可以使觀測者證實或證偽某個模型是否正確,並且從模型當中選擇一個恰當的理論來說明觀測資料。
一旦某個物理模型大體上被驗證,實測天體物理學家就會依據該模型輸入觀測資料,一旦發現某些不吻合之處,該理論就會進行修正,直到全面吻合,所有觀測資料都合乎理論預測以後,便可稱該理論為已經證實的天體物理理論。如果,理論與資料有大批不吻合,該理論會先被限定為有限理論,一直到發展出其他可以全面吻合的理論以後,該理論會被廢棄掉。
理論天體物理研究的範圍非常地廣泛,包含了:“星體動力”、“星體演化”、“銀河生成及演化”、“電磁動力”、“廣義相對論”、“宇宙學”、“弦宇宙論”、“天體粒子物理”、“引力波”、“宇宙生命”、“宇宙航行”、“宇宙通訊”等等,課題包羅永珍。
現代天體物理的發展方式多數採取物理數學的方法,先發展相關理論,然後再透過實測天體物理學的技術手段來驗證,並且透過觀測資料來修正理論上的缺失,因此常常會看到由於實測天體物理技術的發展,事後發現理論天體物理的陳述荒唐到完全無法吻合的現象,進而全面修正理論天體物理的模型。實測天體物理扮演天體物理當中最重要的把關及驗證,因此,理論天體物理上的蓋棺論定一向是由實測天體物理來執行,這也使得實測天體物理學家多數都是這個領域當中最保守的菁英人士在執行。
實測天體物理目前持有全球最尖端的科技來進行研究,技術的演進,天體物理實驗資料已經可以採取多種管道獲得,包含了地面各類望遠鏡、空間天文臺及空間探測器。此外,由於需求的緣故,實測天體物理學家是目前建造超級電腦的最積極人士,全球最尖端的超級電腦有大批是由實測天體物理學家所建造及持有,其次則是高能物理學家所建造及持有,多數的實測天體物理學家同時也是電腦專家及理論物理學家,經常會透過全球虛擬天文臺的資料互換來進行研究,超級運算的領域當中,有許多出身於實測天體物理學的工作者。