諸緣來去何增減？笑擁斜陽照海天。。。 短暫人生幾番風雨情。 匆匆走過幾度回眸戀。 心坎鑲著足痕淚光影。 誰悟得無生法忍行去。 *幻羽*捻題一*悟行* 2023/01/03/18:34:58

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天文學是研究宇宙空間天體（例如天然衛星，行星，恒星，星雲和星系），和起源於地球大氣層之外的現象，包括超新星爆發，伽瑪射線暴和宇宙微波背景輻射的自然科學學科。天文學主要通過觀測天體發射到地球的輻射，發現並測量它們的位置、探索它們的運動規律、研究它們的物理性質、化學組成、內部結構、能量來源及其演化規律。

天文學是最古老的科學之一，自有人類文明史以來，天文學就有重要的地位。隨著人類社會的發展，天文學的研究物件從太陽系發展到整個宇宙。現在天文學按研究方法分類已形成天體測量學、天體力學和天體物理學三大分支學科。按觀測手段分類已形成光學天文學、射電天文學、紅外線天文學、X射線天文學、伽馬射線天文學、紫外線天文學、和空間天文學幾個分支學科。

超新星是某些恒星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮，過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系，並可持續幾周至幾個月才會逐漸衰減變為不可見。在這段期間內一顆超新星所輻射的能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相媲美。恒星通過爆炸會將其大部分甚至幾乎所有物質以可高至十分之一光速的速度向外拋散，並向周圍的星際物質輻射激波。這種激波會導致形成一個膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構，這被稱作超新星遺跡。

雖然大爆炸理論看起來可以解釋從{\displaystyle 10^{-33}}秒鐘開始的早期熱宇宙，它卻面臨著許多困難。其中之一是現今的粒子物理理論不能為宇宙的平坦性、均勻型和各向齊性提供一個令人滿意的答案。另外，大統一模型預言了宇宙中有磁單極，它們也沒有被觀察到。宇宙暴脹解決了這些問題。它的物理模型雖然很簡單，但是卻沒有被粒子物理所證實，其主要困難在於如何調和它和量子場論的矛盾。一些宇宙學家認為弦理論和膜宇宙學能為解決宇宙學原理提供另一方案。

宇宙學的另一主要問題是解釋為什麼粒子要多於反粒子。X射線觀測表明宇宙並不是由物質和反物質的區域組成的。它的主要組成是物質。這個問題稱為重子不對稱性，解釋這種現象的理論被稱為重子產生。重子產生理論是由薩哈羅夫於1967年提出的，它的必要條件中包括物質和反物質間的電荷-宇稱對稱性的破缺。粒子加速器只觀測到很小的電荷-宇稱對稱破壞，不能解釋宇宙的重子不對稱性。宇宙學家和粒子物理學家希望能發現電荷-宇稱破壞的其他來源。

重子產生和宇宙暴脹都與粒子物理有密切的聯繫。這些問題的解決答案可能會產生於高能理論和實驗而不是于天文觀察中。

太初核合成是關於元素在早期宇宙形成的理論。當宇宙演化到大約三分鐘時，它已經足夠冷卻，這時核聚變及核合成過程就終止了。因為大爆炸核合成過程持續的時間極為短暫，從質子和中子出發，它的主要合成成品是輕元素如氘、氦-4和鋰。其他元素則極為微量。（重元素主要是由星體如超新星中的核反應而形成的。）雖然在1948年伽莫夫、阿爾菲和赫爾曼就已經提出了這個理論的基本觀點，由於在此理論中輕元素的豐度與早期宇宙的物理性質關係密切，它至今仍然是檢驗大爆炸時期物理理論的極靈敏的探針。比如，它可以用來檢驗等效原理、暗物質和中微子物理。

宇宙微波背景輻射是指退耦過程（即大爆炸所產生的光輻射停止與帶電離子的湯普生散射及原子第一次形成這一過程）所殘餘的輻射。這種輻射是由彭齊亞斯和威爾遜在1965年發現的。它具有幾乎完美的2.7K黑體輻射譜，只在十萬分之一內偏離各向同性。宇宙學家們可以用描寫早期宇宙細微起伏演化的宇宙學微擾理論來精確地計算輻射的角度功率譜。最近的衛星（COBE和WMAP）和地面及氣球（DASI，CBI和Boomerang）實驗也測量了此功率譜。這些工作的目的是為了更精確地測量{\displaystyle \Lambda }-冷暗物質模型的參數，同時也為了檢驗大爆炸模型和新物理模型的預言。例如，最近WMAP的測量就為中微子的品質提供了限制。

更新的實驗的目的則是測量微波背景譜的極化。它將為微擾理論提供更多的證據，也將為宇宙暴脹和所謂的次級非各向同性（如由背景輻射和星系和星系團相互作用引起的散亞耶夫-澤爾多維奇效應和薩克斯-沃爾夫效應）提供資訊。

理解最早和最大結構（如類星體，星系，星系團和超團）的形成和演化是宇宙學的核心課題之一。宇宙學家們研究的是一種由下至上有層次的結構形成模型。在此模型中，小物體先形成，而大的物體如超團還在形成過程中。研究宇宙中結構最直接了當的方法是普查可見的星系，從而構造一個星系的立體圖像並測量物質功率譜。這就是斯隆數碼巡天和2dF星系紅移巡天的研究方案。

理解結構形成的一個重要工具是模擬。宇宙學家們用它來研究宇宙中物質的引力堆積和線狀結構，超團和空穴的形成。因為宇宙中冷暗物質要比可見的重子物質多許多，所以大多數模擬只計入它們。這種處理對理解最大尺度的宇宙是足夠了。更先進的模擬已經開始計入重子的效應，它們也開始研究星系的形成。宇宙學家們檢查這些模擬是否與星系普查的結果一致。如果不一致，則研究偏差的原因。

宇宙學家還用其他互補的方法來測量宇宙遙遠處的物質分佈和再電離過程。這些方法包括：

萊曼阿爾法譜線森林。通過測量氣體對遙遠類星體所發射光的吸收來測量早期宇宙中中性氫原子的分佈。

中性氫原子的21釐米吸收線也提供了靈敏的測試。

由於暗物質的引力透鏡效應而引起的對遙遠物象的扭曲，即所謂的弱透鏡效應。

這些方法都將幫助宇宙學家解決第一代天體如何形成這一問題。

大爆炸核形成、宇宙微波背景輻射和結構形成的研究證據表明了宇宙品質的25%是由非重子的暗物質組成的，而可見的重子物質只占宇宙品質的4%。作為星系周圍暈中的一種冷的、不輻射的塵埃，暗物質的引力效應已經被瞭解得很透徹了，但是它的粒子物理性質還是個謎，人們從沒有在實驗室中觀察到它們。暗物質的可能候選包括穩定的超對稱粒子、大品質弱相互作用粒子（WIMP）、軸子和大品質緻密暈天體（MACHO），它甚至還可能是在極小加速度下引力的修正（修正的牛頓動力學，或MOND）或膜宇宙學的一種效應。

星系中心的物理（如活動星系核，特大品質黑洞）可能會給暗物質的性質提供線索。

如果宇宙是平坦的，那麼必須有一種東西組成71%的宇宙密度（扣除25%的暗物質和4%的重子物質）。它被稱為暗能量。這種東西不能干涉大爆炸核合成和宇宙微波背景輻射，所以它不能象重子和暗物質那樣在星系周圍暈環中結團。因為宇宙可能是平坦的，所以我們知道它的總品質。通過觀測我們也知道宇宙中結團物質的品質比總品質遠遠要小，這就為暗物質的存在提供了很強的證據。1999年發現的宇宙可能在加速膨脹，這為暗能量的存在提供了證據。

除了暗物質的密度和結團性質外，我們對它一無所知。量子場論預言了一種類似暗物質但比它大120個數量級的宇宙常數。溫伯格和一些弦理論家由此提出人擇原理。他們認為宇宙常數如此小的原因是因為人類不能在其他大宇宙常數的世界中生存。許多人覺得這種解釋很牽強。暗能量其他可能的解釋包括精質（quintessence）和在大尺度下引力的修正。這些模型的核心是暗能量的狀態方程，不同的理論有不同的狀態方程。暗能量的本質是宇宙學中最具挑戰性的問題之一。

如果我們對暗能量有更好的理解，我們可能會解開宇宙最終結局這一謎題。在現在這個宇宙時期，由暗能量引起的宇宙加速膨脹阻礙了比超團更大結構的形成。我們還不清楚這種加速膨脹會不會永久持續下去。或許它會加快，甚至它也可能會變成減速膨脹。

宇宙學（Cosmology）或宇宙論，這個詞源自于希臘文的κοσμολογία（cosmologia, κόσμος （cosmos） order + λογια （logia） discourse）。宇宙學是對宇宙整體的研究，並且延伸探討至人類在宇宙中的地位。雖然宇宙學這個詞是最近才有的，人們對宇宙的研究已經有很長的一段歷史，牽涉到科學、哲學、神秘學以及宗教。

在最近，天文物理學在目前所謂的物理宇宙學（借由科學觀察與實驗來瞭解宇宙）的發展上扮演了核心的角色。這個學科專注在宇宙最為巨觀且最早期的面向，一般被理解為由大爆炸起頭，大爆炸指的是空間的膨脹，而到目前為止，宇宙被認為約於137億年前由此膨脹產生。從宇宙劇烈的發生直至它的結束，科學家認為宇宙的整個歷史是一個有秩序的、且在物理定律的支配之下的進程。

物理宇宙學是物理學和天體物理學的分支，專門研究宇宙的物理起源及其演化。這學科亦會從最大的尺度去研究宇宙的本質。

在過往，希臘哲學家認為天是一個天球，當中的機械原理，就成為了現時天體力學的內容。在當時，阿裏斯塔克斯、亞里斯多德及托勒密曾提出過幾個不同的天體學理論，當中以托勒密用來解說天體運作的地心說被廣為接受，直到16世紀時為哥白尼所推翻，並得到開普勒及伽裏略等人提出的新日心說理論所取代。這事件成為了宇宙物理學的一個最著名的認識論斷裂的例子。

隨著牛頓及其於1687年出版的《自然哲學的數學原理》的出現，長久以來有關天體的運動問題終於被解決了。牛頓為開普勒定律的機制提供了物理上的解釋，而他的萬有引力定律使過往難以解釋的各種奇特天文現象，例如行星逆行的現象，都可以透過行星間的引力相互作用而解釋。牛頓的天體學理論與先前的理論在根本上最大的分別，在於哥白尼原則只提出地球在宇宙裏沒有特殊地位，而牛頓卻更進一步的指出：不論是天體和地球，兩者皆遵守著相同的物理法則。這一點在宇宙物理學的進展來說是很重要的。

近代宇宙學通常以1917年愛因斯坦發表廣義相對論做為分界。愛因斯坦于論文《廣義相對論的宇宙學考量》（該論文在第一次世界大戰前並未普遍流傳到德國之外）中發表廣義相對論。廣義相對論暗示物理學家諸如威廉·德西特、卡爾·史瓦西及亞瑟·愛丁頓等人去探究這理論的天文現象，這使天文學者有能力去探究極遠處的天體。在這之前，物理學家都假設宇宙是穩定無變化的。

另一方面，宇宙學有個歷史悠久的說法：宇宙結構曾經達到頂峰。威爾遜山的天文學家哈羅·沙普利推崇僅由一個銀河恒星系統所組成的宇宙模型，而希伯·柯帝士反駁此想法，認為這只是以自己所在的螺旋星系做推測，是島宇宙。雙方之爭在1920年4月26日的華盛頓國家科學院會議中達到高潮，史稱“沙普利-柯帝士之爭”。此辯論的結論促使愛德溫·哈勃在1923到1924年間去觀測仙女座星系中的超新星。這些星體的位置後來確認了銀河系週邊附近螺旋星系的距離。

隨後愛因斯坦於1917年的論文中引入宇宙常數，再度創造了研究宇宙的可能性。因宇宙常數的大小可能導致宇宙膨脹，於是比利時牧師喬治·勒梅特於1927年提出大爆炸模型，隨後由哈勃在1929年發現的紅移與1964年阿諾·彭齊亞斯與羅伯特·威爾遜所發現的宇宙微波背景輻射證實。這些發現第一步排除了許多替代的宇宙模型。

最近由COBE及WMAP衛星觀測的宇宙微波背景提供了很有意義的結果。當這些觀測與一種稱為宇宙暴漲模型（標準大爆炸模型的規範）的預測吻合時，在許多科學家眼中，這將宇宙學由非常投機的科學化成預測的科學，進入了近代的“宇宙學黃金年代”。