天文学（综述）

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　　 天文学是一门研究天体及宇宙中发生的各种现象的自然科学。它运用数学、物理学和化学来解释这些天体的起源及其整体演化。研究对象包括行星、卫星、恒星、星云、星系、流星体、小行星和彗星等；相关的现象则包括超新星爆发、伽马射线暴、类星体、耀变体、脉冲星以及宇宙微波背景辐射等。更广义地说，天文学研究的一切事物都起源于地球大气层之外。而宇宙学（Cosmology）则是天文学的一个分支，专门研究宇宙整体的起源、结构与演化。

　　 天文学是最古老的自然科学之一。在有文字记载的早期文明中，人类就已开始系统地观测夜空。其中包括古埃及人、巴比伦人、希腊人、印度人、中国人、玛雅人，以及美洲的许多原住民。在古代，天文学的范畴十分广泛，涵盖了天体测量学、天体导航、观测天文学以及历法制定等多个领域。

　　 现代专业天文学大体上分为观测天文学与理论天文学两个分支。 观测天文学的核心任务是通过望远镜与其他仪器对天体进行观测，从而获取数据；然后利用物理学的基本原理对这些数据进行分析。 理论天文学则侧重于建立计算机模型或解析模型，用以描述天体及其物理现象。 这两个分支相辅相成：理论天文学旨在解释观测结果，而观测天文学则通过实验数据来验证理论预测。

　　 天文学是少数几个业余爱好者仍然能够发挥积极作用的科学领域之一。这一点在瞬变天体事件（如新星爆发、彗星出现等）的发现与观测中尤为明显。许多重要的天文发现——包括新的彗星——都是由业余天文学家首先发现的。

1. 词源

　　 “天文学”（Astronomy）一词源自希腊语ἀστρονομία（astronomia），由 ἄστρον（astron，“星星”）与 -νομία（-nomia，来自νόμος nomos，“法则” 或 “规律”）组成，意为 “研究天体的学科”。\(^\text{[1]}\) 天文学不应与 “占星学”（Astrology）混淆——后者是一种信仰体系，声称人类事务与天体位置之间存在关联。二者在起源上有共同渊源，但后来分道扬镳：天文学建立在物理学的科学基础之上，而占星学则缺乏物理学支持。\(^\text{[2]}\)

“天文学” 与 “天体物理学” 的用法

　　 在现代用法中，“Astronomy”（天文学）与 “Astrophysics”（天体物理学）基本上是同义词。\(^\text{[3][4][5]}\) 按照词典定义，天文学是 “研究地球大气层之外的物体与物质及其物理和化学性质的科学”；\(^\text{[6]}\) 而天体物理学是天文学的一个分支，专门研究 “天体的行为、物理性质及其动力过程”。\(^\text{[7]}\) 在某些情况下（例如 Frank Shu 所著的《The Physical Universe》（《物理宇宙》）导论中），“天文学” 被用来指代该学科的定性研究，而 “天体物理学” 则强调以物理为导向的定量研究。\(^\text{[8]}\) 某些领域（如天体测量学 Astrometry）在这种意义上被视为 “纯粹的天文学”，而非天体物理学。研究机构或大学的命名方式往往取决于该部门是否历史上隶属于物理学系。\(^\text{[4]}\) 事实上，许多职业天文学家持有的是物理学学位，而非天文学学位。\(^\text{[5]}\) 因此，在当代学术语境中，“天文学” 与 “天体物理学” 常被互换使用。\(^\text{[3]}\)

2. 历史

史前时期

　　 天文学最初的发展是由实际需求所推动的，例如用于农业活动的历法制定。在有文字记载之前，考古遗址如巨石阵（Stonehenge）就已显示出人类对天文观测的浓厚兴趣。\(^\text{[12]: 15 }\) 另一类证据来自文物，例如尼布拉星象盘（Nebra Sky Disc）。这件青铜器被认为是一种天文历法，其设计将一年定义为十二个太阴月（共 354 天），并通过闰月来校正与太阳年的差异。星象盘上镶嵌有象征性的图案，被解释为太阳、月亮和星辰，其中包含一个由七颗星组成的星团。\(^\text{[9][13][14]}\)

古典时期

　　 像埃及、两河流域、希腊、印度和中国等文明，在跨文化交流的影响下，纷纷建立了天文观测台，并发展出关于宇宙本质的思想，以及用于测时的历法与天文仪器。\(^\text{[16]}\) 天文学早期的一个关键发展是巴比伦人开创了数学与科学天文学，为其他文明的天文传统奠定了基础。\(^\text{[17]}\) 巴比伦人发现了月食以沙罗周期（saros cycle）为规律重复出现，该周期为 223 个朔望月。\(^\text{[18]}\)

　　 继巴比伦人之后，古希腊与希腊化世界在天文学上取得了重大进展。希腊天文学致力于对天体现象寻找理性与物理的解释。\(^\text{[19]}\) 在公元前 3 世纪，萨摩斯的阿里斯塔克斯（Aristarchus of Samos）估算了月球与太阳的大小与距离，并提出了一个以太阳为中心、地球与行星环绕其旋转的太阳中心模型（heliocentric model）。\(^\text{[20]}\) 在公元前 2 世纪，喜帕恰斯（Hipparchus）计算了月球的大小与距离，并发明了已知最早的天文仪器之一，如星盘（astrolabe）。\(^\text{[21]}\) 他还观测到春分点与秋分点、夏至与冬至相对于恒星位置的微小漂移，这一现象即如今所知的岁差（precession）。\(^\text{[12]}\) 喜帕恰斯还编制了包含 1020 颗恒星的星表，北半球大多数星座的命名均源自希腊天文学。\(^\text{[22]}\) 约公元前 150–80 年的安提基特拉机械（Antikythera mechanism）是一种早期的模拟计算机，用于计算太阳、月亮与行星在特定日期的位置。在其之后，直到 14 世纪欧洲出现机械天文钟，才再次出现与之相当复杂的技术装置。\(^\text{[23]}\)

　　 在古希腊古典时期之后，天文学长期受地心宇宙模型（geocentric model）或托勒密体系（Ptolemaic system）主导，该体系以克劳狄乌斯·托勒密（Claudius Ptolemy）命名。 他以 13 卷本的著作《天文学大成（Almagest）》（阿拉伯译名）总结了天文学知识， 并在此后一千多年中成为主要的参考文献。\(^\text{[24]: 196 }\) 在该体系中，地球被认为是宇宙的中心，太阳、月亮与恒星围绕地球旋转。\(^\text{[25]}\) 虽然该理论最终被推翻，但在当时它提供了最精确的天体位置预测模型。\(^\text{[24]}\)

后古典时期

　　 在中世纪的伊斯兰世界，天文学蓬勃发展。早在 9 世纪初，伊斯兰世界就建立了天文观测台 \(^\text{[27][28][29]}\)。964 年，波斯穆斯林天文学家阿卜杜勒·拉赫曼·苏菲（Abd al-Rahman al-Sufi）在其著作《恒星之书》（Book of Fixed Stars）中首次描述了仙女座星系（Andromeda Galaxy）—— 这是本星系群（Local Group）中最大的星系 \(^\text{[30]}\)。在 1006 年，埃及天文学家阿里·伊本·里德万（Ali ibn Ridwan）与中国天文学家共同观测到 SN 1006 超新星，这是过去一千年中视星等最亮的恒星事件 \(^\text{[31]}\)。伊朗学者比鲁尼（Al-Biruni）指出，与托勒密不同，太阳的远地点（apogee）并非固定，而是会移动的 \(^\text{[32][33]}\)。阿拉伯天文学家还为许多恒星命名，这些阿拉伯星名至今仍在国际天文学命名中沿用 \(^\text{[34]}\)。

　　 大津巴布韦（Great Zimbabwe）与廷巴克图（Timbuktu）的遗址 \(^\text{[35]}\) 可能曾设有天文观测设施 \(^\text{[36]}\)。在后古典时期的西非，天文学家研究恒星的运行与季节的关系，并基于复杂的数学计算绘制星空图与行星轨道示意图 \(^\text{[37]}\)。松盖帝国史学家马哈茂德·卡提（Mahmud Kati）在 1583 年记录了一次流星雨 \(^\text{[38]}\)。

　　 在中世纪欧洲，理查德·沃林福德（Richard of Wallingford, 1292–1336）发明了首个天文钟（astronomical clock）——“矩形仪”（Rectangulus），可用于测量行星与其他天体之间的角度 \(^\text{[39]}\)；他还设计了一个计算仪（equatorium）“阿尔比恩（Albion）”，可用于计算月球、太阳及行星的经度等天文数据 \(^\text{[40]}\)。尼古拉·奥雷斯姆（Nicole Oresme, 1320–1382）讨论了地球自转的可能性证据 \(^\text{[41]}\)；而让·布里丹（Jean Buridan, 1300–1361）提出了冲力理论（theory of impetus），用于解释天体等物体的运动 \(^\text{[42][43]}\)。在长达六个多世纪的时间里——从中世纪晚期古典学术复兴直到启蒙运动时期——罗马天主教会为天文学研究提供了比其他任何机构都更多的经济与社会支持。教会的主要动机之一是确定复活节的日期 \(^\text{[44]}\)。

早期望远镜时期

　　 在文艺复兴时期，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）提出了日心说（heliocentric model）的太阳系模型 \(^\text{[45]}\)。1610 年，伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）观测到金星具有类似月球的相位变化，这一发现为日心模型提供了支持 \(^\text{[12]}\)。大约在同一时期，约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）以定量的方式整理了日心体系 \(^\text{[46]}\)。他分析了第谷·布拉赫（Tycho Brahe）长达二十年的精密观测数据，建立了一个系统，能够描述行星围绕太阳运动的细节 \(^\text{[47]: 4 [48]}\)。虽然开普勒抛弃了哥白尼提出的匀速圆周运动，改以椭圆轨道来解释行星运动 \(^\text{[12]}\)，但他并未能提出解释这些运动规律的理论基础 \(^\text{[49]}\)。最终是艾萨克·牛顿（Isaac Newton）通过天体动力学与万有引力定律揭示了行星运动的原因 \(^\text{[50]}\)。牛顿还发明了反射式望远镜 \(^\text{[51]}\)，并与理查德·本特利（Richard Bentley）合作提出，恒星与太阳本质相同，只是距离更为遥远 \(^\text{[47]}\)。

　　 新的望远镜也改变了人类对恒星的认识。1610 年，伽利略发现夜空中横贯天际的光带—— 银河（Milky Way）—— 其实是由无数颗恒星组成的 \(^\text{[44]}\)。1668 年，詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）比较了木星与天狼星的亮度，估计木星的距离超过 83,000 个天文单位 \(^\text{[47]}\)。英国天文学家、首任 “皇家天文学家” 约翰·弗兰斯蒂德（John Flamsteed）编制了超过 3000 颗恒星的目录，但他的数据在 1712 年被违背意愿地出版 \(^\text{[52]}\)。天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）制作了详细的星云与星团目录，并于 1781 年发现了天王星（Uranus），这是人类发现的第一颗新行星 \(^\text{[53]}\)。弗里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）在 1838 年发展了恒星视差（stellar parallax）技术，但因其应用极为困难，到 1900 年仅约 100 颗恒星的距离被成功测定 \(^\text{[47]}\)。

　　 在 18 至 19 世纪间，欧拉（Leonhard Euler）、克莱罗（Alexis Claude Clairaut）与达朗贝尔（Jean le Rond d'Alembert）对三体问题（three-body problem）的研究， 使得人们能更准确地预测月球与行星的运动。这一研究又被拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）与拉普拉斯（Pierre Simon Laplace）进一步完善，使得可以通过扰动计算估计行星与卫星的质量 \(^\text{[54]}\)。

　　 随着新技术的引入，天文学取得了重大进展，包括光谱仪（spectroscope）与天体摄影（astrophotography）的发明。1814–1815 年，约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）在太阳与其他恒星的光谱中发现了约 574 条暗线 \(^\text{[55][56]}\)。1859 年，古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）将这些谱线解释为不同化学元素存在的结果 \(^\text{[57]}\)。

星系

　　 在 18 世纪晚期，威廉·赫歇尔（William Herschel）绘制了从地球出发、向不同方向观测到的恒星分布图，并得出结论：宇宙由一片恒星盘组成，太阳位于其中心附近——这就是银河系（Milky Way）。在约翰·米歇尔（John Michell）证明恒星在本征光度上存在差异之后，以及赫歇尔自己利用更强大望远镜进行观测时发现恒星在所有方向上都有分布，天文学家们开始推测，那些模糊的螺旋星云（spiral nebulae）其实可能是遥远的 “岛宇宙”（island Universes）\(^\text{[47]: 6 }\)。

　　 直到 20 世纪，天文学家才最终证明，包括地球所在的银河系（Milky Way）在内的星系，实际上是由大量恒星组成的集合体。\(^\text{[61]}\)1912 年，亨丽埃塔·勒维特（Henrietta Leavitt）发现了造父变星（Cepheid variable stars），其光度变化具有明确的周期规律，可以用来确定恒星的真实光度，从而成为一种精确的宇宙距离测量工具。利用造父变星，哈洛·沙普利（Harlow Shapley）绘制出了第一张精确的银河系结构图。\(^\text{[47]: 7 }\) 随后，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）使用胡克望远镜（Hooker Telescope），在多个螺旋星云中识别出造父变星， 并于 1922–1923 年间确凿地证明：仙女座星云（Andromeda Nebula）与三角座星云（Triangulum）等，实际上都是位于银河系之外的完整星系。这一发现首次证明：宇宙由无数个星系组成。\(^\text{[62]}\)

宇宙学

　　 1917 年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了广义相对论，这标志着现代宇宙整体理论模型时代的开始。\(^\text{[63]}\)1922 年，亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedman）发表了简化的宇宙模型，展示了静态、膨胀和收缩三种可能的解。\(^\text{[47]: 13}\) 1929 年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发表了观测结果，表明所有星系都以与其距离成正比的速度远离地球，这一关系即现在所称的哈勃定律（Hubble’s law）。若宇宙正在膨胀，则这种关系是预期结果。\(^\text{[47]: 13}\) 由此推论出宇宙曾经极其致密而炽热—— 即大爆炸（Big Bang）的思想，最早由乔治·勒梅特（Georges Lemaître）在 1927 年提出。\(^\text{[64]}\) 当时这一观点虽被讨论，但尚无实验证据支持。自 1940 年代起，人们开始研究高密度条件下的核反应速率，在 1940 年代末至 1950 年代初成功建立了大爆炸核合成模型（big bang nucleosynthesis）。随后在 1965 年，宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation）被发现，为大爆炸理论提供了确凿证据。\(^\text{[47]: 16}\) 

　　 理论天文学预测了黑洞（black holes）\(^\text{[65]}\) 与中子星（neutron stars）\(^\text{[66]}\) 的存在，它们被用于解释诸如类星体（quasars）\(^\text{[67]}\) 和脉冲星（pulsars）\(^\text{[68]}\) 等天体现象。

　　 空间望远镜（space telescopes）的出现使得科学家能够在大气层通常会阻挡或模糊的电磁波谱区间内进行测量。\(^\text{[69]}\) 而在 2015 年，LIGO 项目探测到了引力波（gravitational waves）的证据，\(^\text{[70][71]}\) 这为爱因斯坦广义相对论的预言提供了又一重实证支持。

3. 观测天文学

　　 观测天文学依赖于电磁辐射的多种波长，并根据观测所涉及的电磁波谱区域（electromagnetic spectrum）将天文学划分为不同的分支。\(^\text{[72]}\) 以下将分别介绍这些子领域的具体信息。

射电天文学

　　 射电天文学（Radio Astronomy）使用波长较长的辐射，主要在 $1\,\text{mm}$ 至 $15\,\text{m}$ 的范围内（对应频率从 $20\,\text{MHz}$ 到 $300\,\text{GHz}$），远远超出可见光谱范围。\(^\text{[73]}\) 通常不可见的氢气（Hydrogen）在 $21\,\text{cm}$（$1420\,\text{MHz}$）处产生一条可在射电波段观测到的谱线。\(^\text{[74]}\) 在射电波长下可被观测的天体包括：星际气体（interstellar gas）\(^\text{[74]}\)、脉冲星（pulsars）\(^\text{[74]}\)、快速射电暴（fast radio bursts）\(^\text{[74]}\)、超新星（supernovae）\(^\text{[75]}\) 以及活动星系核（active galactic nuclei）\(^\text{[76]}\)。

红外天文学

　　 红外天文学探测波长比红色可见光更长、超出人类视觉范围的红外辐射。红外波段非常适合研究那些温度太低而无法发射可见光的天体，例如行星、恒星周盘（circumstellar disks）或被尘埃遮蔽的星云。红外的长波长可以穿透阻挡可见光的尘埃云，从而使天文学家能够观测到分子云中被包裹的年轻恒星，以及星系的核心。例如，“广域红外巡天探测器”（Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE）的观测在揭示大量银河系原恒星（protostars）及其宿主星团方面尤为高效。\(^\text{[77][78]}\)

　　 除接近可见光波段的红外辐射外，大多数红外辐射在地球大气层中会被强烈吸收或被掩盖，因为大气本身会发出显著的红外辐射。因此，红外天文台必须建在地球上高而干燥的地区，或直接部署在太空中。\(^\text{[79]}\) 某些分子在红外波段具有强烈的辐射特性，这使得天文学家能够研究宇宙空间中的化学组成。\(^\text{[80]}\)

　　 詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope）利用红外辐射来探测极其遥远的星系。这些星系的可见光在数十亿年前发出，随着宇宙的膨胀而被红移至红外波段。通过研究这些遥远星系，天文学家希望了解最早星系的形成过程。\(^\text{[81]}\)

光学天文学

　　 从历史上看，光学天文学（又称 “可见光天文学”）是最古老的天文学形式。\(^\text{[82]}\) 早期的观测图像是手工绘制的。在 19 世纪末至 20 世纪大部分时间里，观测图像通过照相设备记录。现代的观测图像使用数字探测器，尤其是电荷耦合器件（CCD）进行采集并以现代介质记录。虽然可见光波段约为 $380$–$700\,\text{nm}$，\(^\text{[83]}\) 但同样的设备也可以用来观测近紫外和近红外辐射。\(^\text{[84]}\)

紫外天文学

　　 紫外天文学利用地球大气层无法透过的紫外波长，因此需要在高层大气或太空中进行观测。该领域最适合研究热辐射与来自炽热蓝色 OB 型恒星的光谱发射线，这些恒星在紫外波段极为明亮。\(^\text{[85]}\)

射线天文学

　　 X 射线天文学（X-ray astronomy）利用由极高温和高能过程产生的 X 射线辐射（X-radiation）进行观测。由于地球大气层会吸收 X 射线，因此必须在高空进行观测，例如利用高空气球、火箭或专用卫星。X 射线的天体源包括：X 射线双星、超新星遗迹、星系团以及活动星系核（AGN）\(^\text{[86]}\)。由于太阳表面相对较冷，对太阳及其他恒星的 X 射线成像可提供关于炽热日冕（solar corona）的重要信息 \(^\text{[87]}\)。

伽马射线

　　 伽马射线天文学观测的是电磁谱中波长最短（能量最高）的天体辐射。伽马射线可通过如康普顿伽马射线天文台（Compton Gamma Ray Observatory）\(^\text{[88]}\) 之类的卫星直接观测，或通过称为大气契伦科夫望远镜（atmospheric Cherenkov telescopes）的专门仪器间接探测。契伦科夫望远镜并不直接探测伽马射线，而是检测伽马射线被地球大气吸收时产生的可见光闪光（Cherenkov flashes）\(^\text{[89][90]}\)。伽马射线天文学提供了关于以下现象的重要信息：宇宙射线的起源、暗物质湮灭事件的可能证据、来自活动星系核（AGN）的相对论粒子外流、以及利用 AGN 作为远方光源研究星际空间性质 \(^\text{[91]}\)。伽马射线暴（Gamma-ray bursts, GRBs）是短暂但极其高能的事件，是宇宙中最明亮、最具能量的现象 \(^\text{[92]}\)。

非电磁观测

　　 一些来自遥远天体的事件可以通过非依赖电磁辐射的系统在地球上被观测到 \(^\text{[93][94]}\)。

　　 在中微子天文学（neutrino astronomy）中，天文学家利用重度屏蔽的地下探测设施（如 SAGE、GALLEX 和 Kamioka II/III）来探测中微子。绝大多数穿过地球的中微子来自太阳，但在 1987 年爆发的超新星 1987A 中也探测到了 24 个中微子。宇宙射线（cosmic rays）由极高能粒子（原子核）组成，这些粒子在进入地球大气层时会发生衰变或被吸收，从而产生可被现有观测站探测到的次级粒子级联（particle cascades）\(^\text{[93]}\)。

　　 引力波天文学（gravitational-wave astronomy）使用引力波探测器收集有关遥远大质量天体的观测数据。目前已建成的观测站包括激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）。LIGO 于 2015 年 9 月 14 日首次探测到引力波，观测到来自一个双黑洞系统（binary black hole）的引力波信号 \(^\text{[94][95]}\)。随后在 2015 年 12 月 26 日探测到了第二个引力波事件。预计今后还将有更多观测结果出现，但引力波的探测需要极高灵敏度的仪器 \(^\text{[96][97]}\)。

　　 通过电磁辐射、中微子、引力波以及其他互补信息联合进行的观测被称为多信使天文学（multi-messenger astronomy）\(^\text{[98][99]}\)。

天体测量学与天体力学

　　 天文学乃至整个科学中最古老的领域之一是天体测量学（astrometry），即测量天体位置的科学 \(^\text{[100]}\)。从历史上看，对太阳、月亮、行星和恒星位置的精确了解，对于天体导航（利用天体进行航行定位）以及历法的制定至关重要 \(^\text{[101]}\)。对行星位置的精确测量使人们能够深入理解引力摄动，并能以极高精度确定行星的过去与未来位置，这一领域被称为天体力学（celestial mechanics）\(^\text{[102]}\)。近邻恒星的视差测量（stellar parallax）提供了宇宙距离尺度中最基本的标尺，用于测定宇宙的尺度。通过对近距离恒星的视差测量，可以获得远距离恒星的绝对基准，从而通过比较确定它们的性质 \(^\text{[103]}\)。对恒星的径向速度（radial velocity）\(^\text{[104][105]}\) 和自行（proper motion）的测量使天文学家能够绘制出这些恒星系统在银河系中的运动轨迹 \(^\text{[106]}\)。

4. 理论天文学

　　 理论天文学家使用多种工具，包括解析模型与计算数值模拟；每一种方法都有其独特的优势。对一个过程的解析模型有助于我们更广泛地洞察其核心机理；而数值模型则能揭示那些原本无法观测到的现象与效应。\(^\text{[107][108]}\) 现代理论天文学反映了自 1990 年代以来观测技术的巨大进步，其中包括对宇宙微波背景、遥远超新星以及星系红移的研究。这些成果促成了标准宇宙学模型的发展。该模型要求宇宙中存在大量暗物质与暗能量，虽然它们的本质目前仍未被充分理解，但该模型能够给出与多种不同观测结果高度一致的精确预测。\(^\text{[109]}\)

5. 按尺度划分的分支领域

物理宇宙学

　　 物理宇宙学，即对宇宙大尺度结构的研究，旨在理解宇宙的形成与演化。现代宇宙学的基础是被广泛接受的 “大爆炸” 理论：该理论认为，宇宙起初极度致密且炽热，随后在约 138 亿年的时间中不断膨胀，直至演化为今日的状态。\(^\text{[110][111]}\) 自 1965 年宇宙微波背景辐射被发现以来，“大爆炸” 概念逐渐获得广泛认可。\(^\text{[111]}\) 宇宙结构的基本特征在于暗物质与暗能量的存在。如今人们普遍认为，这两者是宇宙的主要组成部分，占其总质量的约 96%。因此，大量研究工作致力于揭示这些成分的物理本质。\(^\text{[112]}\)

河外天文学

　　 对银河系之外天体的研究，主要关注星系的形成与演化、形态（描述）与分类、活动星系的观测，以及更大尺度上的星系群与星系团。这些研究有助于理解宇宙的大尺度结构。\(^\text{[101]}\)

银河天文学

　　 银河天文学研究包括银河系在内的各种星系。银河系是一种带棒旋涡星系，是本星系群中的主要成员之一，并包含太阳系。它由气体、尘埃、恒星及其他天体组成，并通过相互的引力吸引维系在一起。由于地球位于尘埃弥漫的外旋臂中，银河系的大部分区域被遮蔽，无法直接观测。\(^\text{[101]: 837–842, 944 }\)

　　 对银河系及其他星系中物质的运动学研究表明，存在的总质量超过可见物质所能解释的范围。一个暗物质晕似乎主导了星系的质量分布，然而这种暗物质的本质仍未确定。\(^\text{[113]}\)

恒星天文学

　　 对恒星及其演化的研究是理解宇宙的基础。恒星的天体物理性质已通过观测、理论分析以及恒星内部的计算机模拟得以确定。\(^\text{[114]}\) 研究内容包括：巨分子云中的恒星形成、原恒星的生成、向核聚变及主序星阶段的转变 \(^\text{[115]}\)，以及恒星内部的核合成过程。\(^\text{[114]}\) 此外还包括恒星演化的后续阶段 \(^\text{[116]}\)——以超新星爆发 \(^\text{[117]}\) 或白矮星形式结束。恒星外层的抛射形成行星状星云。\(^\text{[118]}\) 超新星的残骸为高密度的中子星；若恒星质量至少为太阳的三倍，则其演化终点为黑洞。\(^\text{[119]}\)

太阳天文学

　　 太阳天文学研究的对象是太阳——一颗典型的主序矮星，属于恒星光谱分类的 G2 V 型，约有 46 亿年（Gyr）的历史。该领域所研究的过程包括：黑子周期的变化 \(^\text{[120]}\)；太阳光度的变化（既包含缓慢的长期变化，也包含周期性波动）\(^\text{[121][122]}\)；以及太阳各层的物理行为——其中包括发生核聚变的核心、辐射层、对流层、光球层、色球层与日冕层。\(^\text{[101]: 498–502 }\)

行星科学

　　 行星科学研究太阳系中行星、卫星、矮行星、彗星、小行星及其他绕太阳运行天体的整体系统，同时也包括绕其他恒星运行的系外行星。 太阳系的研究相对较为深入，最初依靠望远镜观测，后来通过航天器探测得到了更为精确的资料。\(^\text{[123][124]}\)

　　 研究内容包括：行星分异过程；行星磁场的产生及其所引发的效应 \(^\text{[125]}\)；以及行星内部热量的形成机制，例如由碰撞、放射性衰变及潮汐加热所产生的能量。这些热量反过来又能驱动地质过程，如火山活动、构造运动及表面侵蚀——这些均属于地质学的研究范畴。\(^\text{[126]}\)

6. 跨学科分支领域

天体化学

　　 天体化学是天文学与化学的交叉学科，研究宇宙中分子的丰度与反应过程，以及它们与辐射的相互作用。“天体化学” 一词既可用于描述太阳系内的研究，也可用于星际介质的研究。该领域的成果有助于理解太阳系的形成过程。\(^\text{[127]}\)

天体生物学

　　 天体生物学（或称外层生物学 \(^\text{[128]}\)）研究地球之外生命的起源与演化。其核心问题包括：地外生命是否存在，以及若存在，人类应如何探测。\(^\text{[129]}\) 该学科综合运用天文学、生物化学、地质学、微生物学、物理学与行星科学等领域的知识，以探索其他世界上生命存在的可能性，并识别可能不同于地球的生物圈。\(^\text{[130]}\) 生命的起源与早期演化是天体生物学不可分割的一部分。\(^\text{[131]}\) 该领域的研究涵盖：行星系统的起源、太空中有机化合物的形成、岩石—水—碳的相互作用、地球上生命的自然起源（无生源起源）、行星宜居性、生命探测的生物标志研究，以及生命在地球与外太空环境中适应极端条件的潜能。\(^\text{[132][133][134]}\)

其他跨学科领域

　　 天文学与天体物理学已与其他主要科学领域建立了多种跨学科联系。 考古天文学（Archaeoastronomy）利用考古与人类学证据，研究古代或传统天文学在其文化语境中的表现。\(^\text{[135]}\) 天体统计学（Astrostatistics）则是将统计学方法应用于大量观测天体物理数据的分析。\(^\text{[136]}\) 此外，作为所谓的 “法证天文学”（forensic astronomy），天文学方法也被用于解决艺术史 \(^\text{[137][138]}\) 乃至法律领域中的某些问题。\(^\text{[139]}\)

7. 业余天文学

　　 天文学是业余爱好者能够作出最多贡献的科学之一。\(^\text{[140]}\) 世界各地的业余天文学家共同观测天体与天象，有时仅使用消费级设备，甚至使用他们自行制作的观测仪器。常见的观测目标包括太阳、月球、行星、恒星、彗星、流星雨以及深空天体，如星团、星系和星云。世界各地的天文俱乐部通常会组织成员参与观测计划，例如观测梅西耶星表（共 110 个天体）或赫歇尔 400 星表中的全部天体。\(^\text{[141][142]}\) 多数业余天文学家主要在可见光波段开展工作，但也有一些人尝试观测可见光以外的波段。业余射电天文学的先驱卡尔·扬斯基（Karl Jansky）曾发现银河系中心的射电源。\(^\text{[143]}\) 部分业余天文学家使用自制望远镜或改装自专业研究用途的射电望远镜（例如 “一英里望远镜”）进行观测。\(^\text{[144][145]}\)

　　 业余天文学家还能够通过掩星观测来改进小行星轨道的计算；他们可以发现新的彗星，并定期观测变星。数字技术的进步使业余天文学家在天体摄影方面取得了显著的成就。\(^\text{[146][147][148]}\)

8. 未解之谜

　　 进入 21 世纪，天文学中仍存在许多尚未回答的重要问题。其中一些具有宇宙尺度，例如：暗物质与暗能量是什么？它们为何主宰着宇宙的演化与命运？\(^\text{[149]}\) 宇宙的最终归宿将是什么？\(^\text{[150]}\) 为何宇宙中的锂丰度仅为标准大爆炸模型预测值的四分之一？\(^\text{[151]}\)

　　 其他问题则涉及更具体的现象类别。例如：太阳系是典型的，还是一种特殊的存在？\(^\text{[152]}\) 恒星质量分布（即初始质量函数）的起源是什么？为何无论初始条件如何，天文学家观测到的恒星质量分布总是相同的？\(^\text{[153]}\) 此外，还有关于首批星系的形成机制、\(^\text{[154]}\) 超大质量黑洞的起源、\(^\text{[155]}\) 超高能宇宙射线的来源、\(^\text{[156]}\) 以及宇宙中是否存在其他生命，尤其是智慧生命的问题。\(^\text{[157][158]}\)

9. 参见

• 宇宙起源论（Cosmogony）—— 关于宇宙起源的理论或模型。
• 天文学纲要（Outline of Astronomy）—— 天文学这一科学领域的总体概览。
• 空间科学纲要（Outline of Space Science）—— 空间科学的综述与专题导引。
• 太空探索（Space Exploration）—— 对太空、行星与卫星的研究与探索。

列表

• 天文学术语表（Glossary of Astronomy）
• 天文学家列表（List of Astronomers）
• 天文仪器列表（List of Astronomical Instruments）
• 天文台列表（List of Astronomical Observatories）
• 天文学缩略语列表（List of Astronomy Acronyms）
• 天文学会列表（List of Astronomical Societies）
• 天文研究与教育软件列表（List of Software for Astronomy Research and Education）

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• 美国国家航空航天局／红外天文数据中心河外星系数据库（NASA/IPAC Extragalactic Database，NED）（子数据库：NED-Distances）。
• 史密森学会／NASA 天体物理数据系统（Smithsonian/NASA Astrophysics Data System）中的天文学核心书籍与核心期刊。