【学科简介】

　　宇宙学是天体物理学的分支，它是研究宇宙大尺度结构和宇宙形成及演化等基本问题的学科。宇宙学的研究对象是天体运动和它的第一起因，在人类历史的很长一段时期曾是形而上学的一部分。作为科学，宇宙学起源于哥白尼原则和牛顿力学，它们指出天体和地球上的物体遵守同样的物理原理并解释了天体的运动。现在这一分支被称为天体力学。一般认为，物理宇宙学起源于二十世纪的爱因斯坦广义相对论和对极远天体的天文观测。
　　二十世纪的科技进步使对宇宙起源的猜测成为可能。它也帮助建立了被绝大多数宇宙学家公认作理论和观测基础的大爆炸理论。（虽然职业宇宙学家认为大爆炸理论给观测以最好的解释，一些人至今仍在鼓吹另类宇宙学如等离子体宇宙学和稳恒态宇宙学。）大致来说，物理宇宙学处理的对象是宇宙中最大的物体（如星系，星系团，超团），最早形成的物体（如类星体）和几乎均匀的最早期宇宙（大爆炸，宇宙暴涨，微波背景辐射）。
　　宇宙学是比较特别的学科。它从粒子物理实验，粒子物理唯象学，甚至弦理论中汲取了许多结果。它的其他来源包括天体物理，广义相对论和等离子体物理的研究。

【发展历史】

　　现代宇宙学是沿着观测和理论的辐辙发展起来的。1915年爱因斯坦提出了广义相对论。因为那时的物理学家有一种偏见，认为宇宙是静态的、无始无终的，爱因斯坦在他的方程中加入了一个宇宙学常数项。这个物质加宇宙学常数的稳恒态爱因斯坦宇宙模型是不稳定的，它最终总会膨胀或收缩。广义相对论的宇宙学解是由弗里德曼发现的，现在被称为弗里德曼——罗伯森——沃克宇宙。它描写的是膨胀或收缩的宇宙。
　　1910年斯里菲和威兹用多普勒现象来解释观测到的涡状星云的红移。这意味着这些星云正离我们远去。虽然人们可以测量天体的视角大小，但是却很难知道它们的实际大小和亮度，这使得测量天体的距离异常得困难。斯里菲和威兹没有意识到这些星云其实是河外星系，也没有意识这个发现对宇宙学的意义。1927年，一位比利时的天主教神甫勒玛泰独立地发现了弗里德曼——罗伯森——沃克解并在涡状星云的观测基础上提出宇宙起源于原初原子爆炸的假说。1929年哈勃为这个假说提供了观测依据。他证明了涡状星云是一些星系并通过观测仙王变星来测量了它们的距离。他同时还发现了星系红移和亮度之间的关系，认为这一关系的起源是因为在所有方向星系离我们远去的速度正比于它们的距离。这个关系被称为哈勃定律，它其实只在最近才被确认，哈勃的数据误差很大。
　　给定宇宙学原理，哈勃定律意味着宇宙是在膨胀的。有两种可能可以解释这个现象，其一是由伽莫夫提出的大爆炸理论，另一种理论是霍义耳的稳恒态模型。在此模型中，星系互相远离时不停地有新物质产生，在任何时间宇宙大致是一样的。
　　许多年来这两者互有支撑依据。但是从1965年发现微波背景辐射以来，观测结果越来越倾向于支持前一种理论。1960年代以前，许多宇宙学家认为弗里德曼宇宙开始时的无限致密奇点是数学上的理想化，宇宙也应在到达此热致密状态之前从收缩转换到从新膨胀。这就是托尔曼的振荡宇宙模型。但是霍金和彭罗斯证明了这个模型是不可能工作的，他们指出了奇点是广义相对论的一个特征。从此以来大多数宇宙学家开始接受宇宙在有限时间以前开始演化的大爆炸理论。

【研究领域】

　　以下所列的是宇宙学研究的一些最活跃的领域，大致按时间顺序排列。这个单子不包括大爆炸宇宙学。它可以参见宇宙时间表。

　　１、极早期宇宙

　　虽然大爆炸理论看起来可以解释从10 ~ 33秒钟开始的早期热宇宙，它却面临着许多困难。其中之一是现今的粒子物理理论不能为宇宙的平坦性、均匀型和各向齐性（参阅宇宙学原理）提供一个令人满意的答案。另外，大统一模型预言了宇宙中有磁单极，它们也没有被观察到。宇宙暴涨解决了这些问题。它的物理模型虽然很简单，但是却没有被粒子物理所证实，其主要困难在于如何调和它和量子场论的矛盾。一些宇宙学家认为弦理论和膜宇宙学能为解决宇宙学原理提供另一方案。
　　宇宙学的另一主要问题是解释为什么粒子要多于反粒子。X射线观测表明宇宙并不是由物质和反物质的区域组成的。它的主要组成是物质。这个问题称为重子不对称性，解释这种现象的理论被称为重子产生。重子产生理论是由萨哈罗夫于1967年提出的，它的必要条件中包括物质和反物质间的电荷——宇称对称性的破缺。粒子加速器只观测到很小的电荷——宇称对称破坏，不能解释宇宙的重子不对称性。宇宙学家和粒子物理学家希望能发现电荷——宇称破坏的其它来源。
　　重子产生和宇宙暴涨都与粒子物理有密切的联系。这些问题的解决答案可能会产生于高能理论和实验而不是于天文观察中。

　　２、大爆炸核合成过程

　　大爆炸核合成是关于元素在早期宇宙形成的理论。当宇宙演化到大约三分钟时，它已经足够冷却，这时核聚变及核合成过程就终止了。因为大爆炸核合成过程持续的时间极为短暂，从氢离子（质子）出发，它的主要合成成品是轻元素如氘、氦-4和锂。其它元素则极为微量。（重元素主要是由星体如超新星中的核反应而形成的。）虽然在1948年伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼就已经提出了这个理论的基本观点，由于在此理论中轻元素的丰度与早期宇宙的物理性质关系密切，它至今仍然是检验大爆炸时期物理理论的极灵敏的探针。比如，它可以用来检验等效原理、暗物质和中微子物理。

　　３、宇宙微波背景辐射

　　宇宙微波背景辐射是指退偶过程（即大爆炸所产生的辐射停止与带电离子的汤普生散射及原子第一次形成这一过程）所残余的辐射。这种辐射是由彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的。它具有几乎完美的2.7K黑体辐射谱，只在十万分之一内偏离各向同性。宇宙学家们可以用描写早期宇宙细微起伏演化的宇宙学微扰理论来精确地计算辐射的角度功率谱。最近的卫星（COBE和WMAP）和地面及气球（DASI，CBI和Boomerang）实验也测量了此功率谱。这些工作的目的是为了更精确地测量Λ-冷暗物质模型的参数，同时也为了检验大爆炸模型和新物理模型的预言。例如，最近WMAP的测量就为中微子的质量提供了限制。
　　更新的实验的目的则是测量微波背景谱的极化。它将为微扰理论提供更多的证据，也将为宇宙暴涨和所谓的次级非各向同性（如由背景辐射和星系和星系团相互作用引起的散亚耶夫-泽尔多维奇效应和萨克斯-沃尔夫效应）提供信息。

　　４、大尺度结构的形成和演化

　　理解最早和最大结构（如类星体，星系，星系团和超团）的形成和演化是宇宙学的核心课题之一。宇宙学家们研究的是一种由下至上有层次的结构形成模型。在此模型中，小物体先形成，而大的物体如超团还在形成过程中。研究宇宙中结构最直截了当的方法是普查可见的星系，从而构造一个星系的立体图像并测量物质功率谱。这就是斯隆数码天空普查和2dF星系红移普查的研究方案。
　　理解结构形成的一个重要工具是模拟。宇宙学家们用它来研究宇宙中物质的引力堆积和线状结构，超团和空穴的形成。因为宇宙中冷暗物质要比可见的重子物质多许多，所以大多数模拟只计入它们。这种处理对理解最大尺度的宇宙是足够了。更先进的模拟已经开始计入重子的效应，它们也开始研究星系的形成。宇宙学家们检查这些模拟是否与星系普查的结果一致。如果不一致，则研究偏差的原因。
　　宇宙学家还用其它互补的方法来测量宇宙遥远处的物质分布和重离子化过程。这些方法包括：
　　莱曼阿尔法谱线森林。通过测量气体对遥远类星体所发射光的吸收来测量早期宇宙中中性氢原子的分布。
　　中性氢原子的21厘米吸收线也提供了灵敏的测试。
　　由于暗物质的引力透镜效应而引起的对遥远物象的扭曲，即所谓的弱透镜效应。
　　这些方法都将帮助宇宙学家解决第一颗类星体如何形成这一问题。

　　５、暗物质

　　大爆炸核形成、宇宙微波背景辐射和结构形成的研究证据表明了宇宙质量的25%是由非重子的暗物质组成的，而可见的重子物质只占宇宙质量的4%。作为星系周围晕环中的一种冷的、非辐射性的尘埃，暗物质的引力效应已经被了解得很透彻了，但是它的粒子物理性质还是个谜，人们从没有在实验室中观察到它们。暗物质的可能候选包括稳定的超对称粒子、弱作用重粒子(WIMP)、轴子和重的紧致空穴物体，它甚至还可能是在极小加速度下引力的修正（修正的牛顿动力学，或MOND)或瞙宇宙学的一种效应。
　　星系中心的物理（如活跃星系核，超重黑洞）可能会给暗物质的性质提供线索。

　　６、暗能量

　　如果宇宙是平坦的，那么必须有一种东西组成71%的宇宙密度（扣除25%的暗物质和4%的重子物质）。它被称为暗能量。这种东西不能干涉大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射，所以它不能象重子和暗物质那样在星系周围晕环中结团。因为宇宙是平坦的，所以我们知道它的总质量。通过观测我们也知道宇宙中结团物质的质量比总质量远远要小，这就为暗物质的存在提供了很强的证据。1999年发现的宇宙加速膨胀（类似宇宙早期的暴涨）为暗物质提供了更强的证据。
　　除了暗物质的密度和结团性质外，我们对它一无所知。量子场论预言了一种类似暗物质但比它大120个数量级的宇宙常数。温伯格和一些弦理论家由此提出人类学原理。他们认为宇宙常数如此小的原因是因为人类不能在其他大宇宙常数的世界中生存。许多人觉得这种解释很牵强。暗能量其他可能的解释包括精粹物质（quintessence）和在大尺度下引力的修正。这些模型的核心是暗物质的状态方程，不同的理论有不同的状态方程。暗物质的本质是宇宙学中最具挑战性的问题之一。
　　如果我们对暗物质有更好的理解，我们可能会解开宇宙最终结局这一谜题。在现在这个宇宙时期，由暗物质引起的宇宙加速膨胀阻碍了比超团更大结构的形成。我们还不清楚这种加速膨胀会不会永久持续下去。或许它会加快，甚至它也可能会变成减速膨胀。

　　７、其它研究方向

　　原初黑洞。
　　宇宙射线谱中的格莱森——查策平——库兹明截断。对此截断的违反是否隐示了在极高能下狭义相对论的失效。
　　等效原理。爱因斯坦引力理论是否正确，物理原理的普适性。

天体物理学

天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。

利用理论物理方法研究天体的物理性质和过程的一门学科。1859年﹐基尔霍夫根据热力学规律解释太阳光谱的夫琅和费线﹐断言在太阳上存在著某些和地球上一样的化学元素﹐这表明﹐可以利用理论物理的普遍规律从天文实测结果中分析出天体的内在性质﹐是为理论天体物理学的开端。理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步﹐几乎理论物理学每一项重要突破﹐都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立﹐使深入分析恒星的光谱成为可能﹐并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理学的发展﹐使恒星能源的疑问获得满意的解决﹐从而使恒星内部结构理论迅速发展﹔并且依据赫罗图的实测结果﹐确立了恒星演化的科学理论。1917年爱因斯坦用广义相对论分析宇宙的结构﹐创立了相对论宇宙学。1929年哈勃发现了河外星系的谱线红移与距离间的关系﹐以后人们利用广义相对论的引力理论来分析有关河外天体的观测资料﹐探索大尺度上的物质结构和运动﹐这就形成了现代宇宙学。

从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起，中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体，绘制月面图，1655～1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云，后来还有哈雷发现恒星自行，到十八世纪老赫歇耳开创恒星天文学，这是天体物理学的孕育时期。

十九世纪中叶，三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后，对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系，天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。

天体物理学的发展，促使天文观测和研究不断出现新成果和新发现。1859年，基尔霍夫对太阳光谱的吸收线(即夫琅和费谱线)作出科学解释。他认为吸收线是光球所发出的连续光谱被太阳大气吸收而成的，这一发现推动了天文学家用分光镜研究恒星；1864年，哈根斯用高色散度的摄谱仪观测恒星，证认出某些元素的谱线，以后根据多普勒效应又测定了一些恒星的视向速度；1885年，皮克林首先使用物端棱镜拍摄光谱，进行光谱分类。通过对行星状星云和弥漫星云的研究，在仙女座星云中发现新星。这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。

1905年，赫茨普龙在观测基础上将部分恒星分为巨星和矮星；1913年，罗素按绝对星等与光谱型绘制恒星分布图，即赫罗图；1916年，亚当斯和科尔许特发现相同光谱型的巨星光谱和矮星光谱存在细微差别，并确立用光谱求距离的分光视差法。

在天体物理理论方面，1920年，萨哈提出恒星大气电离理论，通过埃姆登、史瓦西、爱丁顿等人的研究，关于恒星内部结构的理论逐渐成熟；1938年，贝特提出了氢聚变为氨的热核反应理论，成功地解决了主序星的产能机制问题。

1929年，哈勃在研究河外星系光谱时，提出了哈勃定律，这极大地推动了星系天文学的发展；1931～1932年，央斯基发现了来自银河系中心方向的宇宙无线电波；四十年代，英国军用雷达发现了太阳的无线电辐射，从此射电天文蓬勃发展起来；六十年代用射电天文手段又发现了类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射。

1946年美国开始用火箭在离地面30～100公里高度处拍摄紫外光谱。1957年，苏联发射人造地球卫星，为大气外层空间观测创造了条件。以后，美国、西欧、日本也相继发射用于观测天体的人造卫星。现在世界各国已发射数量可观的宇宙飞行器，其中装有各种类型的探测器，用以探测天体的紫外线、x射线、γ射线等波段的辐射。从此天文学进入全波段观测时代。

天体物理学分为：太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天体演化学等分支学科。另外，射电天文学、空间天文学、高能天体物理学也是它的分支。

太阳是离地球最近的一颗普通恒星。对太阳的研究，经历了从研究它的内部结构、能量来源、化学组成和静态表面结构，到使用多波段电磁辐射研究它的活动现象的过程。太阳风的影响能够为我们直接感受。日地关系密切，所以研究有关地球的科学，必须考虑太阳的因素。

对行星的研究是天体物理学的一个重要方面。近二十年来，对彗星的研究以及对行星际物质的分布、密度、温度、磁场和化学组成等方面的研究，都取得了重要成果。随着空间探测的进展，太阳系的研究又成为最活跃的领域之一。

银河系有一、二千亿颗恒星，其物理状态千差万别。球状体、红外星、天体微波激射源、赫比格一阿罗天体，可能都是从星际云到恒星之间的过渡天体。

特殊恒星更是多种多样：造父变星的光变周期为1～50天，光变幅为0.1～2个星等；长周期变星的光变周期为90～1000天，光变幅为2.5～9个星等；天琴座RR型变星的光变周期为0.05～1.5天，光变幅不超过1～2个星等；金牛座 T型变星光变不规则，没有固定的周期；新星爆发时抛出大量物质，光度急骤增加几万到几百万倍；有的红巨星的半径比太阳半径大1000倍以上；白矮星的密度为每立方厘米一百公斤到十吨，中子星密度更高达每立方厘米一亿吨到一千亿吨。

各种各样的恒星，为研究恒星的形成和演化规律提供了样品。另外，天体上特殊的物理条件，在地球上往往并不具备，利用天体现象探索物理规律，是天体物理学的重要职能。

通过多年研究，人们对银河系的整体图像以及太阳在银河系中的地位，有了比较正确的认识。银河系的直径为十万光年，厚两万光年。通过对银河系恒星集团的研究，建立和证实了星族和银河系次系等概念。对银河系自转、旋臂结构、银核和银晕也进行了大量研究。

河外星系与银河系属于同一天体层次。星系按形态大致分为五类：旋涡星系、棒旋星系、透镜型星系、椭圆星系、不规则星系。按星系的质量大小，又可分为矮星系、巨星系、超巨星系，它们的质量依次约为太阳的一百万到十亿倍、几百亿倍和万亿倍以上。同银河系一样，星系也由恒星和气体组成三、五个、十来个、几十个以至成百上千个星系组成星系集团，称星系群、星系团。

通过各种观测手段，人们的视野扩展到150亿光年的宇宙“深处“。这就是“观测到的宇宙”，或称为“我们的宇宙”，也就是总星系。

研究表明，宇宙物质由化学元素周期表中近百种化学元素和289种同位素组成。在不同宇宙物质中发现了地球上不存在的矿物和分子。

二百多年来，关于太阳系的起源和演化问题已提出四十多种学说，但至今还没有一个学说被认为是完善的而被普遍接受。近三十年来这方面有了很大进展，目前大多数天文学家赞成的恒星演化学说是所谓的“弥漫说”，但也有少数人认为恒星是由超密物质转化而成的。

用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射，可得到天体的各种物理参数。根据这些参数运用物理理论来阐明发生在天体上的物理过程，及其演变是实测天体物理学和理论天体物理学的任务。

除了宇宙线的粒子探测、陨石的实验室分析、宇宙飞行器对太阳系天体的实地采样和分析，以及尚在努力探索中的引力波观测之外，目前关于天体的信息都来自电磁辐射。天体物理仪器的作用是对电磁辐射进行收集定位、变换和分析处理。电磁辐射的收集和定位是由望远镜(包括射电望远镜)来实现的。

从辐射的连续谱可以判断辐射的机制，还可以得知天体的表面温度；从早型星的巴耳末系限上的跳变，可以得知天体的表面压力；由UBV测光系统也可粗略地确定恒星的光度和温度值。从线谱可以获得更多的信息：视向速度、电子温度、电子密度、化学组成、激发温度端流速度。对双星的观测研究，可以得到天体的半径、质量和光度等重要数据。研究脉动变星的光变周期与光度之间的关系，可以确定天体的距离。

辐射转移理论是解释已知天象的有力工具，而且还可以预言尚未观测到的天体和天象。以辐射转移理论为基础建立的恒星大气理论，以热核聚变概念为基础发展起来的元素合成理论、恒星内部结构理论和天体演化理论，乃是理论天体物理学的基础。

理论物理学中的辐射、原子核、引力、等离子体、固体和基本粒子等理论，为研究类星体、宇宙线、黑洞脉冲星、星际尘埃、超新星爆发奠定了基础。

人类对宇宙的认识不断扩大，不仅使人们愈来愈深入地了解宇宙的结构和演化规律，同时也促使物理学在揭示微观世界的奥秘方面取得进展。氮元素就是首先在太阳上发现的，过了二十五年后才在地球上找到。热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。由于地面条件的限制，某些物理规律的验证只有通过宇宙这个“实验室”才能进行。六十年代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射，促进了高能天体物理学、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展，也向物理学、化学、生物学提出了新的课题。

高能天体物理学
high energy astrophysics

天体物理学的一个分支学科。主要任务是研究天体上发生的各种高能现象和高能过程。它涉及的面很广，既包括有高能粒子（或高能光子）参与的各种天文现象和物理过程 ，也包括有大量能量的产生和释放的天文现象和物理过程。最早，高能天体物理学主要限于宇宙线的探测和研究，真正作为一门学科是20世纪60年代后才建立起来的。60年代以后 ，各种新的探测手段应用到天文研究中，一大批新天体、新天象的发现，使高能天体物理学得到了迅速发展。高能天体物理学的研究对象包括类星体和活动星系核、脉冲星、超新星爆发、黑洞理论、X射线源、γ射线源、宇宙线、各种中微子过程和高能粒子过程等等。