2-天文学的发展

1、天文学研究方法：从观测到理论再到观测,天文学研究的基础观测（观察和测量） 天文观测是一种“被动”的试验 观测理论观测,天文学的发展历史就是天文观测发展的历史,观测设备：肉眼望远镜 观测地点：地面空间 观测波段：光学多波段全波段 观测范围：太阳系银河系河外 学科发展：天体测量学天体力学天体物理学,古代天文学 天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时代，人们为了指示方向、确定时间和季节，而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。 天体测量学：天体的位置和变化规律,最古老的观测仪器肉眼,当人类目光第一次

2、指向星空，第一次对苍穹上的繁星点点感到惊奇的时候，最早的天文观测就开始了。,人类为了方便对星空的观测，专门修建了观星台，有的甚至建造了巨型的建筑来辅助观测。,中国古代天文观测设备,登封观星台。位于河南登封，由元代天文学家郭守敬创建于元朝初年，是中国现存最早的天文台。,由台底到台顶，有凹槽的“高表”。在凹槽正北是三十六块青石平铺的石圭（俗称量天尺），石圭通长31.19米。两室之间有一横梁。每天正午，太阳光将台顶中间横梁的影子投在“量天尺”上。观星台当是一座具有测影观星和记时等多种功能的天文台。,北京古观象台，建于1442年。,北京古观象台上的仪器,从左到右依次为赤道经纬仪、天体仪(公元1673年

3、制造)、玑衡抚辰仪(公元1744年制造)和象限仪。,浑仪 中国古代天文仪器“浑仪”，公元1437年仿制，陈列于南京紫金山天文台。中国铜铸天文仪器，主要用于测定天体的赤道坐标，也能测黄道经度和地平坐标。,圭表,中国最古老的一种铜制天文仪器，正南北方向平放的尺叫做圭，直立的柱叫做表。根据正午时表的影子的长度测定一回归年的日数和二十四节气等。公元1439年制造，现陈列于南京紫金山天文台。,日晷,铜制的指针叫“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，所以晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，晷面的正反两面刻划出12个大格来标示时间 。由于从春

4、分到秋分期间，太阳总是在天赤道的北侧运行，因此，晷针的影子投向晷面上方；从秋分到春分期间，太阳在天赤道的南侧运行，因此，晷针的影子投向晷面的下方。所以在观察日晷时，首先要了解两个不同时期晷针的投影位置。,陈列于南京紫金山天文台的中国古代天文仪器“简仪”。元初天文学家郭守敬创制，将结构繁复的浑仪简化成把地平和赤道两种坐标系统分开，故称简仪。可减少多重环对观测天区的遮蔽。公元1437年仿制。,纪限仪,纪限仪于1673年制成，重达802千克，是专门用来测量天空中任意两颗星星之间距离的古仪，其基本观测方法是测量以两颗待测星到观测者的两条视线所张的角度。,地平经仪制成于公元1673年，重量达到811千克

5、，主要用于测量天体的地平方位角,中国早期天文观测成就,早在殷商时期，甲骨文中有有关于日食、月食和新星的记录。 春秋时期，从鲁隐公元年（公元前722年）到鲁哀公十四年（公元前481年）的242年中，记录了37次日食，现已证明其中32次是可靠的。鲁庄公七年(公元前687年)“夏四月辛卯，夜，恒星不见。夜中，星陨如雨。”这是天琴座流星雨的最早记载。鲁文公十四年(公元前613年)“秋七月，有星孛入于北斗，”是关于哈雷彗星的最早记录。,1973年在湖南长沙三号汉墓出土的帛书中有关于行星的五星占8,000字和29幅彗星图。前者列有金星、木星和土星在七十年间的位置，后者的画法显示了当时已观测到彗头、彗核和彗

6、尾,而彗头和彗尾还有不同的类型。 汉书五行志记载征和四年（公元前89年）的日食，有太阳的视位置，有食分，有初亏和复圆时刻，有亏、复方位，非常具体；而河平元年（公元前28年）三月关于日面黑子的记载。则是全世界最早的记录。 汉书天文志说：“元光元年六月，客星见于房”，这正是希腊天文学家喜帕恰斯所见到的新星，但喜帕恰斯没有留下关于时间和方位的记载。,两汉时期的细致和精密,宋代鼎盛时期,1006年和1054年的超新星的记载，特别是1054年的超新星记录，成为当代天文学研究中极受重视的资料。 这一时期先后进行过五次恒星位置测量：第一次在大中祥符三年(公元1010年)，第二次在景佑年间（公元1034103

7、8年），第三次在皇佑年间（公元10491053年），第四次在元丰年间（公元10781085年），第五次在崇宁年间（公元11021106年）。其中元丰年间的观测结果被绘成星图，刻在石碑上保存下来，这就是著名的苏州石刻天文图。,1054年超新星爆发的观测记录。,著名的“蟹状星云”。“蟹状星云”是一颗1054年爆发的超新星的遗迹，距地球约6500光年。,世界上现存较早的宋代大型石刻科学星图，刻于公元1247年。星图直径91.5厘米，有星1400多颗。,公元10世纪的中国古星图。它是世界上现存最早的星图之一，现列于英国不列颠博物馆。,中国宋朝（公元12世纪）的28宿古星象图。,两千多年来,中国保存下来

8、的有关日食、月食、月掩星、太阳黑子、流星、彗星、新星等丰富的记录，是现代天文学的重要参考资料。,位于韩国庆州的古观星台，建于七世纪。,国外古代天文观测设备,位于英国埃姆斯伯里的地方的著名巨石阵。巨石阵主轴线指向夏至日出方位，其中两块巨石的连线指向冬至日落方向。,从空中俯瞰巨石阵。,玛雅古天文台。它是一组建筑群，从一座金字塔上的观测点望去：东、东北和东南庙宇分别是春(秋)分、夏至和冬至日出方向。,印度德里古天文台，建于1724年。,西方古代天文观测的成果星座,五千年前，在美索不达米亚平原居住，过着牧羊生活的加而尔底亚人，每天晚间眺望星星，将人与动物连接起来，他们创造了三十六个星座，其中有十二个延

9、用至今。 星座的发明，可是说是光学天文学最早的成就之一。,星座的确立,到了公元前二世纪，亚力山德里亚的杰出天文学家托勒密把之前天文学家所记载的内容及另外增加整理的资料，整理出四十八个星座，即为“托勒密”四十八星座，一直延用至今。 随著大航海时代的来临，人们发现“托勒密”四十八星座已经不够用了，于是到了十六世纪，许多天文学家来到南天，加进了更多的星座。 到了一九三年，当国际天文联合会开大会时，决定把全天划成八十八个星座，这便是我们现在所用的划分。,喜帕恰斯和星等的确立,喜帕恰斯被誉为现代天文学之父，他首先将天上的星星按明暗程度分成了六个等级，肉眼可见的最亮的星定为一等星，肉眼可见的最暗的星定为六

10、等星。直到1850年,英国天文学家普森提出一个星等规定为亮度比的2.512倍，定量的给出了星等的定义。 除了星等的区分外，喜帕恰斯也在公元前134 年绘制了西方第一份星表，这一份星表帮助哈雷发现恒星的“自行运动”。,肉眼时代最伟大的观测家第谷,第谷是卓越的天文仪器制造家，曾制造过许多大型、精密的天文仪器。 借助他所制作的仪器，第谷把肉眼的观测精度发挥到了极限，他也因此被称为是肉眼时代最伟大的观测家。,丹麦汶岛天文台,位于哥本哈根附近的汶岛天文台，由丹麦天文学家第谷1576年建立。 中心部分为主楼。四侧为天文观测的其它仪器。,安装在子午面内的墙式象限仪，是第谷常用的天文仪器之一。它有一个半径为1

11、.8米精细的铜圆弧，圆弧上装有一个观测天体的瞄准器，左侧（南方）墙上有一个观测孔，瞄准器正是透过这一个观测孔来观测天体的。铜圆弧内是一幅巨大的壁画，壁画中第谷的手正指着观测孔。铜圆弧的前方，第谷的几位助手正进行观测记录。,墙式象限仪,结构独特的大浑仪是第谷最喜爱的天文仪器之一。安置在北高南低基座之上的大浑仪装置了一根与地球自转轴平行的极轴，直径近米的大赤经圈装在该极轴上并能绕极轴旋转。从赤经中心向外对称地装有两个可沿赤经圈移动的瞄准器。先用其中之一瞄准天体，从赤经圈上读得天体的赤纬值，然后把赤经圈反转180度，再瞄准同一天体，也读得其赤纬值，取两次观测的平均值作为观测的最后结果。这种取平均值的

12、方法，可消除许多测量上的误差，大大提高测量精度。,大浑仪,六分仪也是第谷最喜爱的天文仪器之一。为量取两天体目视位置的夹角，第谷设计出此观测仪器。瞄准器上端固定，下端可在刻度精密的60度范围内移动，此观测仪器正因为应用着60度是六分之一个圆弧，所以称之为六分仪。,六分仪,第谷的观测贡献,第谷的最重要发现是1572年11月11日观测了仙后座的新星爆发。前后16个月的详细观察和记载，使得人们意识到，天空中的恒星并不是一成不变的。 他对天文学最重要的贡献就是他穷毕生精力所累积的观测资料，这些资料在他死後由他的学生开普勒继承，而开普勒也因为第谷的资料而发现了行星运动定律。 第谷编制过一份精密的星表，研究

13、过大气折射，发现黄赤交角的变化，还重新测定岁差常数。,现代天文学早期的天文学的内容就其本质来说是天体测量学。从十六世纪中哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。此前包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，并在此后的一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。天体力学：天体的运动定律,波兰天文学家、日心说的创立者哥白尼(1473-1543)。,光学观测的利器光学望远镜,第谷在其一生中以当代最最精确的精度观测了天空中的行星，其精确程度可说是肉眼的极限，然而科学还在不停的进步。人类

14、能超越第谷，达到更高的精度吗？ 答案是肯定的，随着光学望远镜的发明，开拓了天文科学的领域，这项聚光成像的仪器使得遥远的物体看起来更近、更大、更亮，我们对天空的看法也随着观测的结果而有不同概念的改变。,伽利略和他的望远镜,1609 年，意大利人伽利略（1564-1642)首先将望远镜应用于天空。,伽利略的望远镜是利用透镜聚集光，且将其会聚于一点，产生放大的影像，他是应用着光线穿过玻璃时会弯曲（透镜折射）的原理，所以伽利略的望远镜被称为折射式望远镜。,伽利略的发现,伽利略发现所见恒星的数目随着望远镜倍率的增大而增加；银河是由无数单个的恒星组成的；月面上有崎岖不平的现象。,伽利略发现金星也有圆缺的变

15、化，土星两边好像还有星体，木星有四个卫星； 他还发现太阳上面黑子，并且认为黑子是日面上的现象，由黑子在日面上的位移，他得出太阳的自转周期为28天（实际上是27.35天）。,Milky Way is made of lots of stars,伽利略发现的意义,伽利略的这一系列的发现轰动了当时的欧洲，动摇了地心说，对哥白尼的日心体系给予有力的支持。,德国著名天文学家开普勒(1571-1630)。,开卜勒第一定律：所有行星的运动轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。 第二定律：行星的向径在相等的时间内所扫过的面积相等。 第三定律：行星公转周期的平方和它的轨道半长径的立方成正比。 开卜勒的工作为万有

16、引力的发现奠定了基础。,发明反射式望远镜的著名物理学家牛顿(1642-1727)。,牛顿和他的望远镜,1668年，英国科学家牛顿发明了以反射面镜取代的望远镜，他是应用着凹（向内弯曲的）面镜将光反射于一点上，并产生放大的影像， 且免除了光经过透镜时会产生的色差现象。所以牛顿的望远镜被称为反射式望远镜。,伽利略： 折射式望远镜,牛顿： 反射式望远镜,威廉赫歇尔,1781年，威廉赫瑟尔利用 7 公尺长、直径 30 公分的金属反射式望远镜，首先发现天王星；1782 年，他用此望远镜率先绘制出了首张详细的银河图， 也就是横伸于夜空的闪烁星群所形成的浓厚环带。 我们现在已经知道银河系是我们自己所在的星系，

17、 其光芒源自其中数十亿的星球与星云。,天王星的发现者、英国天文学家威廉赫歇尔(1738-1822)。,当代天文学十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。,目前世界最大的光学望远镜,VLT(Very Large Telescope) 4x8.2m 欧

18、2001 Keck I and II 2x10m 美 1991/6 LBT(large Binocular Telescope) 2x8.4m 意 2004 GTC(Gran Telescopio Canaries) 10.4m 西 2002 HET(Hobby-Eberly Telescope) 9.1m 美德 1997 SALT(Southern African Large Telescope) 9.1m 南非 2003 Subaru Telescope 8.2 m 日 1999 Gemini Telescope 2x8.1m 美 1999/2001,我国的光学望远镜,4.3米 LAMOST 河北兴隆 2.4米 云南天文台 云南丽江 2.16米望远镜 国家天文台(总部) 河北兴隆 1.56米望远镜 上海天文台 上海佘山 1.26米望远镜 国家天文台(总部) 河北兴隆 1.0米望远镜 山东大学威海天文台 山东威海 1.0米望远镜 国家天文台(云南) 云南昆明 1.0米望远镜 陕西天文台 陕西临潼 1.0米望远镜 国家天文台(云南) 云南昆明