天文学(Astronomy)是研究宇宙空间天体、宇宙结构和发展的学科。内容包括天体的构造、性质和运行规律等。天文学是一门古老的科学，自有人类文明以来，天文学就具有重要地位。它主要通过观测天体发射到地球的辐射，发现并测量它们的位置、探索运动规律、研究物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。在天文学悠久的历史中，随着研究方法的改进及发展，先后创立了天体测量学、天体力学和天体物理学。天文学的研究对于人类的自然观有很大影响。古代的天文学家通过观测太阳、月球和其它一些天体及天象，确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体，记录天象算起，天文学的历史至少有五、六千年。天文学在人类早期的文明史中，占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。哥白尼的日心说曾经使自然科学从神学中解放出来；康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云说，在十八世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。牛顿力学的出现、核能的发现等对人类文明起重要作用的事件都与天文研究有密切联系。当前，对高能天体物理、致密星和宇宙演化的研究，能极大地推动现代科学的发展。对太阳和太阳系天体包括地球和人造卫星的研究在航天、测地、通讯导航等领域都有许多应用。天文学循着观测-理论-观测的发展途径，不断把人的视野伸展到宇宙新的深处。随着人类社会的发展，天文学的研究对象从太阳系发展到整个宇宙。天文学在对于了解宇宙及其相关特性上，已有很大进展。但仍有些天文学问题找不到解答。若要回答这些问题，可能要有新的地面或太空的天文仪器，也许在理论天文学或观测天文学上需有新的进展。目前，天文学领域被公认的重大科学问题是“一黑两暗三起源”。

“一黑”主要研究从恒星级质量到星系中央超大质量黑洞的形成、物质吸积、喷流等物理过程与物质循环，在极强引力场中严格检验引力理论。黑洞是宇宙中最奇特和神秘的天体，它具有超强引力源，不断地吸积周围物质。在1974年，史蒂芬.霍金通过理论计算发现黑洞的蒸发现象，黑洞已不是完全“黑”的，也不单纯是个“洞”。它既可以通过吸积物质使质量增加，也可以向外喷射物质而使质量减小。霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征，这赋予黑洞一个真实的，在整个视界上同一的，直接由视界处的引力场强度来决定的温度。质量越大的黑洞，温度越低，蒸发越慢；质量越小的黑洞，温度越高，蒸发也越快。随着蒸发的加剧，质量丢失得更快，温度会迅猛地上升；随着温度上升加快，质量丢失就更厉害。这个过程会以疯狂的形式演变，最终黑洞被摧毁，以猛烈的爆发而告终，所有粒子都得到了大赦。

“两暗”指通过对超新星、星系、星系团、星系际介质、宇宙背景辐射等宇宙探针的观测和统计，以及空间高能伽玛射线和带电粒子的直接探测，研究挑战近代物理基本框架的宇宙暗能量、暗物质的物理本质，进而深入理解星系及可观测宇宙的起源、演化历史和物理规律。此外，在星系、恒星和行星层次，研究重点为银河系结构、子结构和形成历史、大质量恒星形成、超新星爆发、伽玛射线暴、中等质量黑洞以及致密天体，搜寻系外类地行星和生命存在的可能性。20世纪60年代，天文学家假设宇宙的质量可能超过可观测的质量。华盛顿卡内基研究所的天文学家沃拉·鲁宾对星系内不同位置的恒星速度进行研究，发现处于星系中央的恒星速度几乎与外侧恒星的速度没有任何差异。这一发现似乎有悖于基本的牛顿物理学定律。按照牛顿的物理学定律，星系外侧的恒星速度应该更慢。天文学家用一种看不见的质量解释这一现象，也就是暗物质。虽然看不到，暗物质也拥有质量，研究人员根据其对可见物质产生的引力推断暗物质的存在。阿德里安表示："科学家仍不知道暗物质是什么"，即使有望在不久后发现暗物质粒子，天文学家也无法在短期内确定这种神秘物质的特性。20世纪20年代，天文学家爱德文·哈勃认为宇宙并非静止不动，而是不断膨胀的。1998年，哈勃太空望远镜对遥远超新星进行研究，认为宇宙在很久以前的膨胀速度低于现在。这种现象让科学家陷入困惑之中，长久以来一直认为物质的引力逐渐减缓宇宙的膨胀速度，甚至能够导致宇宙收缩。对宇宙加速膨胀进行解释促使科学家提出暗能量理论，正是这种能量导致宇宙加速膨胀。科学家认为暗能量在宇宙中的比重达到近73%，并且难以捉摸，科学家一直未能直接观测到它的存在。科学作家阿德里安·乔表示：“暗能量可能永远不会暴露其本来面目”。

“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。宇宙起源是从古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辨，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。直至20世纪，有两种“宇宙模型”比较有影响，一个是稳态理论，另一个是大爆炸理论。天体演化是指宇宙中天体的产生、发展和衰亡的过程。科学家对于恒星演化的认识比较一致，普遍都主张弥漫说：星际云在自吸引收缩中碎裂为许多小云，各小云集聚成恒星。恒星完成引力收缩阶段后，内部开始热核反应，形成主序星，再经过较长时间后变为红巨星，然后经过不稳定的变星阶段成为白矮星，或通过猛烈的超新星爆发成为中子星。恒星的质量愈大，演化就愈快。宇宙生命起源问题是一个亘古未解之谜。历史上有诸多说法来解释它，如西方的创世说、中国的盘古开天地说等。19世纪，达尔文的《物种起源》问世后，一直认为宇宙生命起源是被设计的观念被“偶然”观念所代替。在生命起源问题上，创造论和进化论的观点是截然不同的。创造论认为各种从原始到高级生物都是由神按其种类造出来的；生命只能源于生命，各种生命皆来自永生的神。但进化论却认为生命是在漫长的进化过程中，由无机物变成有机物，由有机物演化出氨基酸、蛋白质，最后演化为最简单的单细胞生物，从而产生了生命。迄今，宇宙生命起源仍有很多不解之谜，科学家也进行了大量的模拟实验，但是绝大多数实验只是集中在某一阶段，有些阶段还仅仅只限于假说和推测。长期以来，人类对宇宙生命起源之谜倾注了极大的热情和关注，但对此却一直都没有确切的定论。

张延年 - 暗物质与宇宙模型.pdf