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理论天体物理学

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  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,断言在太阳上存在着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。近二十年来,在理论天体物理这一领域,可以看到理论物理与天体物理更广泛更深入的结合,其中以相对论天体物理学等离子体天体物理学高能天体物理学等几个方面最为活跃。
  从理论物理学的分支与天体物理学问题的联系,可以看出目前理论天体物理的概貌。
  ①辐射理论 研究类星体射电源星系核等天体的辐射,以及X射线源、γ射线源和星际分子的发射机制。
  ②原子核理论 研究恒星的结构和演化,元素的起源和核合成(见元素合成理论),以及宇宙线问题。
  ③引力理论 探讨致密星的结构和稳定性,黑洞问题,以及宇宙学的运动学和动力学。
  ④等离子体理论 分析射电源的结构、超新星遗迹、电离氢区、脉冲星、行星磁层、行星际物质星际物质星系际物质等。
  ⑤基本粒子理论 研究超新星爆发、天体中的中微子过程(见中微子天文学)、超密态物质的成分和物态等。
  ⑥固态(或凝聚态)理论 研究星际尘埃、致密星中的相变及其他固态过程。
  理论天体物理的基本方法是把地球上实验室范围中发现的规律应用于研究宇宙天体。这种方法不仅对于说明和解释已知的天体现象是有力的,而且还可以预言某些尚未观测到的天体现象或天体。例如,在1932年发现中子之后不久,朗道、奥本海默等就根据星体平衡和稳定的理论预言可能存在稳定的致密中子星。尽管这种预言中的天体与当时已知的所有天体差别极大(异乎寻常的高密度等),可是在三十多年后的1967年,发现了脉冲星,预言终于被证实。另一方面,许多物理学概念首先是由研究天体现象得到的,后来又是依靠天体现象加以检验的。例如,首先是天体物理学家注意到充满宇宙间的电离物质具有一系列特性,这对建立等离子体物理学这门学科起了极大的推动作用。又如,热核聚变概念是在研究恒星能源时首次提出的。禁线也是受到天体光谱研究的刺激才得到深入探讨的。
  由于地面条件的限制,某些物理规律的验证只有通过宇宙天体这个实验室才能进行。有关广义相对论的一系列关键性的观测检验,都是靠研究天体现象来完成的。水星近日点进动问题光线偏转以及雷达回波的延迟是几个早期的例子。1978年,通过对脉冲星双星PSR1913+16的周期变短的分析,给引力波理论提供了第一个检验,这是理论物理学与天体现象二者结合的一个新的成功事例。因此,理论天体物理学既是理论物理学用于天体问题的一门“应用”学科,又是用天体现象探索基本物理规律的“基础”学科。无论从天文学角度来看,或是从物理学角度来看,理论天体物理学都是富有生命力的。
  参考书目
 温伯格著,邹振隆译:《引力和宇宙论》,科学出版社,北京,1979。(S. Weinberg, Gravitation and Cosmology,John Wiley and Sons,New York,1972.)
 Y.B.Zeldovich and I.D. Novikov, Relativistic Astrophysics, Vol.1,Univ.of Chicago Press,Chicago,1971.

 

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