Thiên văn học là một trong những ngành khoa học hiện đại nhất. Cácnhà thiên văn học của những nền văn minh đầu tiên đã tiến hành những cuộc quan sát có phương pháp bầu trời đêm, và các dụng cụ thiên văn học đã được tìm thấy từ những giai đoạn còn sớm hơn nữa. Tuy nhiên, sự xuất hiện củakính viễn vọng là thời điểm thiên văn học bắt đầu bước vào giai đoạn khoa học hiện đại. Vềlịch sử, thiên văn học từng gồm cả các ngànhđo sao,hoa tiêu thiên văn, quan sát thiên văn, làmlịch, và thậm chí cảchiêm tinh học, nhưng ngành thiên văn học chuyên môn hiện đại ngày nay thường chỉ có nghĩavật lý học thiên thể.
Từ thế kỷ XX, lĩnh vực thiên văn học chuyên nghiệp được chia thành các nhánhquan sát và thực nghiệm. Thiên văn học quan sát chú trọng tới việc thu thập và phân tích dữ liệu, sử dụng các nguyên tắc cơ bản của vật lý. Thiên văn học lý thuyết định hướng theo sự phát triển các mô hình máy tính hay mô hình phân tích để miêu tả các vật thể và hiện tượng thiên văn. Hai lĩnh vực bổ sung cho nhau, thiên văn học lý thuyết tìm cách giải thích các kết quả quan sát, và việc quan sát lại thường được dùng để xác nhận các kết quả lý thuyết.
Các nhà thiên văn nghiệp dư đã đóng góp nhiều khám phá quan trọng cho thiên văn học, và thiên văn học là một trong số ít ngành khoa học nơi các nhà thiên văn nghiệp dư có thể đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong sự phát hiện và quan sát cáchiện tượng thoáng qua. Thiên văn học cổ hay thậm chí thiên văn học cổ đại không nên bị nhầm lẫn với ngànhchiêm tinh học, hệ thống niềm tin rằng những công việc của con người liên quan tới các vị trí của các vật thể vũ trụ. Dùhai lĩnh vực cùng có nguồn gốc chung và một phần phương pháp thực hiện (cụ thể, việc sử dụnglịch thiên văn), chúng là khác biệt.[1] Năm 2009 đã đượcLiên Hợp Quốc coi làNăm Thiên văn học Quốc tế (IYA2009). Mục tiêu là tăng cường nhận thức và sự tham gia của mọi người vào thiên văn học.
Từthiên văn học (chữ Hán: 天文學) trong tiếng Việt được vay mượn từtiếng Hán.Thiên 天 trongthiên văn học 天文學 có nghĩa là trời,bầu trời, cònvăn 文 có nghĩa làhiện tượng,học 學 có nghĩa là ngành.Thiên văn học 天文學 nghĩa mặt chữ là ngành nghiên cứu về các hiện tượng trên bầu trời.[2]
Nói chung, cả "thiên văn học" hay "vật lý học thiên thể" đều có thể được dùng để chỉ môn này.[3][4][5] Dựa trên các định nghĩa chính xác của từ điển, "thiên văn học" để chỉ "việc nghiên cứu các vật thể và chủ đề bên ngoài khí quyển Trái Đất và các tính chất vật lý và hóa học của chúng"[6] và "vật lý học thiên thể" để chỉ nhánh thiên văn học nghiên cứu "cách thức, các tính chất vật lý, và các quá trình động lực của các thiên thể và hiện tượng vũ trụ".[7] Trong một số trường hợp, như trong phần giới thiệu của cuốn sách hướng dẫnPhysical Universe (Vũ trụ Vật lý) củaFrank Shu, "thiên văn học" có thể được sử dụng để miêu tả việc nghiên cứu định lượng của hiện tượng, trong khi "vật lý học thiên thể" được dùng để miêu tả vùng định hướng vật lý của hiện tượng.[8] Tuy nhiên, bởi hầu hết các nhà thiên văn học hiện đại nghiên cứu các chủ đề liên quan tới vật lý, thiên văn học hiện đại thực tế có thể được gọi là vật lý học thiên thể.[3] Nhiều cơ quan nghiên cứu chủ đề này có thể sử dụng "thiên văn học" và "vật lý học thiên thể", một phần dựa trên việc cơ quan của họ về lịch sử có liên quan tới một cơ sở vật lý hay không,[4] và nhiều nhà thiên văn học chuyên nghiệp thực tế đều có bằng cấp vật lý.[5] Một trong những tờ báo khoa học hàng đầu trong lĩnh vực có tên gọiThiên văn học và Vật lý học thiên thể.
Một bản đồ bầu trời từ thế kỷ XVII, của nhà bản đồ người Hà LanFrederik de Wit.
Buổi đầu, thiên văn học chỉ bao gồm việc quan sát và dự đoán các chuyển động của vật thể có thể quan sát được bằng mắt thường. Ở một số địa điểm, nhưStonehenge, các nền văn hóa đầu tiên đã lắp dựng những dụng cụ quan sát to lớn có lẽ có một số mục đích thiên văn. Ngoài việc sử dụng trong nghi lễ,các đài quan sát thiên văn có thể được sử dụng để xác định mùa, một yếu tố quan trọng để biết thời điểm canh tác, cũng như biết được độ dài của năm.[9]
Trước khi các dụng cụ như kính thiên văn được chế tạo việc nghiên cứu các ngôi sao phải được tiến hành từ các điểm quan sát thuận lợi có thể có, như các toà nhà cao và những vùng đất cao với mắt thường. Khi các nền văn minh phát triển, đáng chú ý nhất làMesopotamia,Hy Lạp,Ai Cập,Ba Tư,Maya,Ấn Độ,Trung Quốc,Nubia[10] vàthế giới Hồi giáo, các cuộc quan sát thiên văn học đã được tổng hợp, và các ý tưởng về tính chất vũ trụ bắt đầu được khám phá. Hoạt động thiên văn học sớm nhất thực tế gồm vẽ bản đồ các vị trí sao và hành tinh, một ngành khoa học hiện được gọi làthuật đo sao. Từ các quan sát này, những ý tưởng đầu tiên về những chuyển động của các hành tinh được hình thành, và trạng thái củaMặt Trời,Mặt Trăng vàTrái Đất trong vũ trụ đã được khám phá về mặt triết học. Trái Đất được cho là trung tâm của vũ trụ với Mặt Trời, Mặt Trăng và các ngôi sao quay quanh nó. Điều này được gọi là mô hìnhđịa tâm.
Thiết bị thiên văn học sớm nhất được biết làcơ cấu Antikythera, một thiết bị của ngườiHy Lạp cổ đại để tính toán các chuyển động của các hành tinh, có niên đại từ khoảng năm 150-80 trướcCông Nguyên, và là tổ tiên sớm nhất của mộtmáy tính tương tự thiên văn. Các thiết bị máy tính tương tự thiên văn giống như vậy sau này đã được các nhà thiên văn học Ả Rập và châu Âu sáng chế.
Kepler là người đầu tiên sáng tạo một hệ thống miêu tả chính xác các chi tiết chuyển động của các hành tinh với Mặt Trời ở trung tâm. Tuy nhiên, Kepler không thành công trong việc lập ra một lý thuyết cho những định luật đã được ông viết ra. Phải tới khiNewton khám phá rachuyển động thiên thể vàluật hấp dẫn các chuyển động của hành tinh cuối cùng mới được giải thích. Newton cũng đã phát triểnkính viễn vọng phản xạ.
Các khám phá thêm nữa đi liền với những cải thiện trong kích thước và chất lượng kính thiên văn. Các catalogue sao chi tiết hơn đượcLacaille lập ra. Nhà thiên văn họcWilliam Herschel đã thực hiện một cataloge chi tiết về các cụm sao và tinh vân, và vào năm 1781 phát hiện ra hành tinhSao Thiên Vương, hành tinh mới đầu tiên được tìm thấy. Khoảng cách tới một ngôi sao lần đầu tiên được thông báo năm 1838 khithị sai của61 Cygni đượcFriedrich Bessel đo đạc.
Trong thế kỷ mười chín, sự quan tâm tớivấn đề ba vật thể củaEuler,Clairaut, vàD'Alembert đã dẫn tới những dự đoán chính xác hơn về chuyển động của Mặt Trăng và các hành tinh. Công việc này đượcLagrange vàLaplace chỉnh sửa thêm nữa, cho phép tính toán cả trọng lượng của các hành tinh và vệ tinh trong các nhiễu loạn của chúng.
Những tiến bộ quan trọng trong thiên văn học đến cùng sự xuất hiện của kỹ thuật mới, gồmquang phổ vàchụp ảnh.Fraunhofer đã phát hiện khoảng 600 băng trong quang phổ Mặt Trời năm 1814-15, mà, vào năm 1859,Kirchhoff quy cho sự hiện diện của những nguyên tố khác nhau. Các ngôi sao được chứng minh tương tự như Mặt Trời của Trái Đất, nhưng ở dảinhiệt độ,khối lượng và kích thước khác biệt.[14]
Sự tồn tại của thiên hà của Trái Đất,Ngân Hà, như một nhóm sao riêng biệt, chỉ được chứng minh trong thế kỷ XX, cùng với sự tồn tại của những thiên hà "bên ngoài", ngay sau đó, sự mở rộng củavũ trụ, được quan sát thấy trong sự rời xa của hầu hết các thiên hà khỏi Ngân Hà. Thiên văn học hiện đại cũng đã khám phá nhiều vật thể kỳ lạ như cácquasar,pulsar,blazar, vàthiên hà vô tuyến, và đã sử dụng các quan sát đó để phát triển các lý thuyết vật lý miêu tả một số vật thể đó trong các thuật ngữ của các vật thể cũng kỳ lạ như vậy như cáchố đen vàsao neutron.Vật lý vũ trụ đã có những phát triển vượt bậc trong thế kỷ XX, với mô hìnhBig Bang được các bằng chứng thiên văn học và vật lý ủng hộ rộng rãi, nhưmàn bức xạ vi sóng vũ trụ,định luật Hubble, vàsự phong phú các nguyên tố vũ trụ.
Trong thiên văn học,thông tin chủ yếu được tiếp nhận từ việc khám phá và phân tíchánh sáng nhìn thấy được hay các vùng khác củabức xạ điện từ.[21] Thiên văn học quan sát có thể được phân chia theo vùng quan sát củaquang phổ điện từ. Một số phần của quang phổ có thể được quan sát từ bề mặtTrái Đất, trong khi những phần khác chỉ có thể được quan sát từ các độ cao lớn hay từ vũ trụ. Thông tin đặc biệt về các lĩnh vực nhỏ đó được cung cấp ở dưới đây.
Thiên văn vô tuyến nghiên cứu bức xạ với cácbước sóng lớn hơn hay xấp xỉ 1milimét.[22] Thiên văn vô tuyến khác biệt so với hầu hết các hình thức thiên văn học quan sát khác trong đó cácsóng vô tuyến được quan sát có thể được coi là cácsóng chứ không phải cácphoton riêng biệt. Vì thế, nó khá dễ dàng để đo cảbiên độ vàpha của các sóng vô tuyến, trong khi điều này không dễ thực hiện ở các bước sóng ngắn hơn.[22]
Thiên văn học hồng ngoại chịu trách nhiệm thám sát và phân tích bức xạhồng ngoại (cácbước sóng dài hơn ánh sáng đỏ). Ngoại trừ cácbước sóng gần ánh sáng nhìn thấy được, bức xạ hồng ngoại bị khí quyển hấp thụ mạnh, và khí quyển cũng tạo ra nhiều phát xạ hồng ngoại. Vì thế, các đài quan sát hồng ngoại được đặt ở những địa điểm cao và khô hay trong không gian. Quang phổ hồng ngoại rất hữu dụng khi nghiên cứu các vật thể quá lạnh để có thể phát xạ ra ánh sáng nhìn thấy được, như các hành tinh vàđĩa cạnh sao. Cácbước sóng hồng ngoại dài hơn cũng có thể xuyên qua vào các đám mây bụi vốn ngăn ánh sáng, cho phép quan sát các ngôi sao trẻ trong các đámmây phân tử và lõi của các thiên hà.[23] Một số phân tử phát xạ mạnh ở dải sóng hồng ngoại, và điều này có thể được sử dụng để nghiên cứu hóa học không gian, cũng như phát hiện ra nước trong các thiên thạch.[24]
Về lịch sử,thiên văn học quang học, cũng có thể được gọi là thiên văn học ở ánh sáng nhìn thấy được, là hình thức cổ nhất của thiên văn học.[25] Các hình ảnh quang học ban đầu được vẽ bằng tay. Cuối thể kỷ mười chín và trong hầu hết thế kỷ hai mươi, các hình ảnh được thực hiện bằng thiết bị chụp ảnh.
Các hình ảnh hiện đại sử dụng thiết bị thám sát số, đặc biệt là các thiết bị thám sát sử dụngcảm biếncharge-coupled devices (CCD). Dù chính ánh sáng nhìn thấy được kéo dài từ xấp xỉ 4000Å tới 7000 Å (400nm tới 700 nm),[25] thiết bị tương tự cũng được sử dụng để quan sát một số bức xạgần cực tím vàgần hồng ngoại.
Thiên văn học cực tím nói chung được dùng để chỉ những quan sát tại cácbước sóngcực tím giữa xấp xỉ 100 và 3200 Å (10 to 320 nm).[22] Ánh sáng ở cácbước sóng này bị khí quyển Trái Đất hấp thụ, vì thế những quan sát ở cácbước sóng đó phải được tiến hành từ thượng tầng khí quyển hay từ không gian. Thiên văn học cực tím thích hợp nhất để nghiên cứu bức xạ nhiệt và các đường phát xạ từ các ngôisao xanh nóng (Sao OB) rất sáng trong dải sóng này. Điều này gồm các ngôi sao xanh trong các thiên hà khác, từng là các mục tiêu của nhiều cuộc nghiên cứu cực tím. Các vật thể khác thường được quan sát trong ánh sáng cực tím gồmtinh vân hành tinh,tàn tích siêu tân tinh, và nhân thiên hà hoạt động.[22] Tuy nhiên, ánh sáng cực tím dễ dàng bịbụi liên sao hấp thụ, và việc đo đạc ánh sáng cực tím từ các vật thể cần phải được tính tới số lượng đã mất đi.[22]
Thiên văn học tia X là việc nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở cácbước sóng tia X. Đặc biệt là các vật thể phát xạ tia X nhưphát xạ synchrotron (do các electron dao động xung quanh các đường từ trường tạo ra), phát xạ nhiệt từ các khí mỏng (được gọi làphát xạ bremsstrahlung) ở trên 107 (10 triệu) độkelvin, và phát xạ nhiệt từ các khí dày (được gọi làphát xạ vật thể tối) ở trên 107 độ Kelvin.[22] Bởi các tia X bị khí quyển Trái Đất hấp thụ, toàn bộ việc quan sát tia X phải được thực hiện trên những khí cầu ở độ cao lớn, cáctên lửa, hay tàu vũ trụ. Các nguồn tia X đáng chú ý gồmsao kép tia X,pulsar, tàn tích siêu tân tinh,thiên hà elíp,cụm thiên hà, và nhân thiên hà hoạt động.[22]
Thiên văn học tia gamma là việc nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở cácbước sóng ngắn nhất của quang phổ điện từ. Các tia gamma có thể được quan sát trực tiếp bằng các vệ tinh nhưĐài quan sát Tia Gamma Compton hay bởi các kính viễn vọng đặc biệt được gọi làkính viễn vọng khí quyển Cherenkov.[22] Các kính viễn vọng Cherenkov trên thực tế không trực tiếp thám sát các tia gamma mà thay vào đó thám sát các đám loé bùng của ánh sáng nhìn thấy được tạo ra khi các tia gamma bị khí quyển Trái Đất hấp thụ.[26]
Đa số các nguồn phát xạtia gamma trên thực tế là cácloé bùng tia gamma, các vật thể chỉ tạo ta bức xạ gamma trong vài phần triệu tới vài phần ngàn giây trước khi mờ nhạt đi. Chỉ 10% nguồn tia gamma là các nguồn kéo dài. Những vật thể phát xạ tia gamma bền vững đó gồm các pulsar,sao neutron, và các vật thể bị cho làhố đen như các nhân thiên hà hoạt động.[22]
Cáctia vũ trụ gồm các phần tử có năng lượng rất cao có thể phân rã hay bị hấp thụ khi đi vào khí quyển Trái Đất, tạo ra các đợt phân tử.[27] Ngoài ra, một sốhệ thống quan sát neutrino tương lai có thể nhạy cảm với các neutrino được tạo ra khi các tia vũ trụ đâm vàokhí quyển Trái Đất.[22]
LIGO đo được sóng hấp dẫn tại trạm Livingston (phải) và trạm Hanford (trái), tín hiệu này khớp với giá trị dự đoán theo thuyết tương đối rộng.
Ngoài việc phát xạ điện từ, một số vật thể có thể được quan sát từ Trái Đất có nguồn gốc từ những khoảng cách rất xa.
Thiên văn học sóng hấp dẫn là một ngành mới xuất hiện của thiên văn học, nó có mục đích sử dụng cácthiết bị thám sát sóng hấp dẫn để thu thập các dữ liệu quan sát về các vật thể nén. Một số cuộc quan sát đã được tiến hành, nhưLaser Interferometer Gravitational ObservatoryLIGO, tuy nhiên cácsóng hấp dẫn rất khó quan sát.[28] Sau 100 năm Einstein tiên đoán tồn tại sóng hấp dẫn, LIGO đãthu được trực tiếp tín hiệu sóng hấp dẫn lần đầu tiên từ kết quả hai lỗ đen sáp nhập vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, và phát hiện này được Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) thông báo trong cuộc họp báo tổ chức ngày 11 tháng 2 năm 2016.[29][30][31]Tín hiệu sóng hấp dẫn thứ hai cũng đo được bởi LIGO vào ngày 26 tháng 12 năm 2015 và có thể thêm nhiều tín hiệu nữa đo được trong tương lai nhưng để phát hiện được sóng hấp dẫn đòi hỏi những thiết bị có độ nhạy rất cao.[32][33]
Thiên văn học hành tinh đã được hưởng lợi từ việc quan sát trực tiếp dưới hình thức tàu vũ trụ và các phi vũ lấy mẫu vật. Chúng gồm các phi vụ bay lướt qua với các cảm biến từ xa; các thiết bị hạ cánh có thể tiến hành thực nghiệm với các vật thể trên bề mặt; các thiết bị nén cho phép cảm biến từ xa vật thể bị chôn vùi phía dưới, và các phi vụ lấy mẫu cho phép thực hiện thí nghiệm trực tiếp trong phòng thí nghiệm.
Một trong những lĩnh vực cổ nhất của thiên văn học, và trong mọi ngành khoa học, là việc đo đạc các vị trí của các vật thể vũ trụ. Về mặt lịch sử, hiểu biết chính xác về các vị trí của Mặt Trời, Mặt Trăng các hành tinh và các ngôi sao là kiến thức rất quan trọng tronghoa tiêu thiên văn.
Những đo đạc tỉ mỉ về các vị trí của các hành tinh đã dẫn tới sự hiểu biết chính xác về cácnhiễu loạn hấp dẫn, và khả năng xác định các vị trí trong quá khứ và trong tương lai của các hành tinh với độ chính xác rất cao, một lĩnh vực được gọi làcác cơ cấu vũ trụ. Gần đây hơn việc thám sát cácvật thể gần Trái Đất sẽ cho phép các thực hiện các dự đoán về các vụ va chạm gần, và những vụ va chạm có khả năng diễn ra, vớiTrái Đất.[34]
Việc đo đạcthị sai sao của các ngôi sao ở gần cung cấp những cơ sở nền tảng chothang khoảng cách vũ trụ được sử dụng để đo đạc tầm mức vũ trụ. Các đo đạc thị sai của các ngôi sao ở gần cung cấp một cơ sở chắc chắn về các tính chất của các ngôi sao ở xa hơn, bởi các tính chất của chúng có thể được so sánh. Việc đo đạctốc độ xuyên tâm vàchuyển động thực thể hiện động học của các hệ thống đó xuyên qua thiên hà Ngân Hà. Các kết quả đo đạc sao cũng được sử dụng để đo sự phân bố củavật thể tối trong thiên hà.[35]
Các nhà thiên văn học lý thuyết sử dụng nhiều loại dụng cụ gồm cảcác mô hình phân tích (ví dụ, cácpolytrope để ước đoán các hoạt động của một ngôisao) vàPhân tích số họcmáy tính. Mỗi cách đều có một số lợi thế. Các mô hình phân tích của một quá trình nói chung là tốt hơn để có một cái nhìn bên trong sự kiện đang diễn ra. Các mô hình số có thể phát lộ sự tồn tại của hiện tượng và các hiệu ứng không thể quan sát bằng cách khác.[37][38]
Các nhà lý thuyết trong thiên văn học nỗ lực tạo ra các mô hình lý thuyết và xác định các kết quả quan sát của các mô hình đó. Điều này giúp các nhà quan sát tìm kiếm dữ liệu có thể bác bỏ một mô hình hay giúp lựa chọn giữa nhiều mô hình thay thế hay xung đột lẫn nhau.
Các nhà lý thuyết cũng tìm cách tạo lập hay sửa đổi các mô hình để phù hợp với dữ liệu mới. Trong trường hợp có sự mâu thuẫn, khuynh hướng chung là tìm các thực hiện các sửa đổi nhỏ nhất với mô hình để phù hợp với dữ liệu. Trong một số trường hợp, một lượng lớn dữ liệu không thống nhất theo thời gian có thể dẫn tới sự từ bỏ một mô hình.
Vật chất tối vànăng lượng tối là các chủ đề hiện tại trong thiên văn học,[cần dẫn nguồn] bởi sự khám phá ra chúng và nguồn gốc bị tranh cãi của chúng trong việc nghiên cứu các thiên hà.
Ở khoảng cách khoảng tám phút ánh sáng, ngôi sao thường được nghiên cứu nhất làMặt Trời, một ngôisao lùn căn bản trong dãy chính củalớp sao G2 V, và có khoảng 4.6 tỷ năm tuổi. Mặt Trời được coi là một ngôisao biến quang, nhưng nó có trải qua các thay đổi theo chu kỳ trong hoạt động được gọi làchu kỳ Mặt Trời. Đây là một sự dao động với chu kỳ 11 năm trong số lượngvết đen Mặt Trời. Các vết đen Mặt Trời là các vùng có nhiệt độ thấp hơn trung bình và gắn liền với hoạt động từ trường mãnh liệt.[39]
Mặt Trời có độ sáng tăng đều trong suốt cuộc đời nó, tăng 40% từ khí nó lần đầu tiên trở thành một ngôi sao dãy chính. Mặt Trời cũng trải qua các thay đổi độ sáng theo chu kỳ có thể tác động mạnh tới Trái Đất.[40] Ví dụ,tối thiểu Maunder, được cho là đã gây ra hiện tượngBăng hà ngắn trong thờiTrung Cổ.[41]
Bề mặt nhìn thấy được bên ngoài Mặt Trời được gọi làquang cầu. Trên lớp này là một vùng mỏng được gọi làsắc quyển. Nó được bao quạnh bởi một vùng chuyển tiếp với nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, tiếp sau đó là mộtquầng siêu nóng.
Ở trung tâm Mặt Trời là vùnglõi, một khối lượng nhiệt độ và áp lực đủ để phản ứngtổng hợp hạt nhân diễn ra. Bên trên lõi làvùng bức xạ, nơi plasma truyền dòng năng lượng bằng các phương tiện bức xạ. Các lớp bên ngoài tạo thành mộtvùng đối lưu nơi vật liệu khí chuyển năng lượng chủ yếu thông qua việc dời chuyển vật lý của khí. Mọi người tin rằng vùng đối lưu này tạo ra hoạt động từ, từ đó tạo ra các vết đen Mặt Trời.[39]
Lĩnh vực thiên văn học này nghiên cứu sự tập hợp của cáchành tinh,vệ tinh,hành tinh lùn,sao chổi,thiên thạch, và các vật thể quay xung quanh Mặt Trời, cũng như các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời.Hệ Mặt Trời đã được nghiên cứu khá kỹ, ban đầu bằng các kính viễn vọng và sau này bởi các tàu vũ trụ. Điều này đã cung cấp một sự hiểu biết tổng thế khá tốt về sự thành tạo và tiến hóa của hệ hành tinh này, dù nhiều phát hiện mới vẫn đang diễn ra.[43]
Các hành tinh được thành tạo bởi mộtđĩa tiền hành tinh bao quanh Mặt Trời buổi đầu. Thông qua một quá trình gồm lực hút hấp dẫn, va chạm và bồi tụ, đĩa hình thành các cụm vật chất, cùng với thời gian, trở thành các tiền hành tin.Áp lực bức xạ củagió Mặt Trời sau đó đã đẩy hầu hết vật chất không bồi tụ, và chỉ các hành tinh có đủ khối lượng mới giữ được khí quyển của chúng. Các hành tinh tiếp tục quét sạch, hay đẩy đi, số vật chất còn lại trong một quá trình ném bom dày đặc, với bằng chứng là nhiềuhố va chạm trên Mặt Trăng. Trong giai đoạn này, một số tiền hành tinh có thể đã va chạm nhau,dẫn tới lý thuyết về sự hình thành của Mặt Trăng.[45]
Khi các hành tinh đã có đủ khối lượng, các vật chất với mật độ khác nhau cô lập bên trong, trong sựphân biệt hành tinh. Quá trình này có thể tạo thành một lõi đá hay kim loại, được bao quanh bởi một lớp áo và một bề mặt bên ngoài. Lõi có thể gồm các vùng rắn và lỏng, và một số lõi hành tinh tạo ratừ trường của riêng nó, có thể bảo vệ khí quyển của nó khỏi sự tước đoạt của gió Mặt Trời.[46]
Sức nóng bên trong của hành tinh hay vệ tinh được tạo ra từ các va chạm, các vật liệu phóng xạ (ví dụuranium,thorium, và26Al), haynhiệt thủy triều. Một số hành tinh và vệ tinh tích tụ đủ nhiệt để tạo ra các quá trình địa chất nhưhoạt động núi lửa và kiến tạo. Những hành tinh và vệ tinh tích tụ hay giữ được mộtkhí quyển cũng có thể trải qua sựxói mòn bề mặt bởi gió và nước. Các vật thể nhỏ hơn, không có nhiệt thủy triều, lạnh đi nhanh chóng; và hoạt động địa chất của chúng ngừng loại ngoại trừ khi có sự kiện va chạm.[47]
Tinh vân Con kiến. Sự phun ra khí từ tâm đang chết của ngôi sao cho thấy những mô hình đối xứng không giống các mô hình hỗn loạn hay các vụ nổ thông thường.
Việc nghiên cứu các ngôisao và quá trìnhtiến hóa sao là nền tàng của sự hiểu biết vũ trụ của con người. Vật lý vũ trụ về các ngôi sao đã được quyết định thông qua việc quan sát và hiểu biết lý thuyết; và từ các mô hình giả lập máy tính phần bên trong.
Sựthành tạo sao xảy ra tại các vùng đặc có nhiều khí và bụi, được gọi làcác đám mây phân tử lớn. Khi mất ổn định, các mảnh đám mây có thể sụp đổ dưới ảnh hưởng của trọng lực, để hình thành nên mộttiền sao. Với một lõi có độ đặc, nhiệt độ đủ sẽ tạo ra phản ứngtổng hợp hạt nhân, và tạo nên một ngôisao dãy chính.[48]
Hầu hết các nguyên tố nặng hơnhydro vàheli được tạo ra bên trong lõi các ngôi sao.
Các tính chất của ngôi sao được hình thành phụ thuộc chủ yếu vào khối lượng ban đầu của nó. Ngôi sao càng có khối lượng lớn, càng tạo ra nhiều ánh sáng, và càng tiêu thụ nhanh chóng nhiên liệu hạt nhân trong lõi. Cùng với thời gian, nhiên liệu hạt nhân bị biến đổi hoàn toàn thành heli, và ngôi sao bắt đầutiến hóa. Phản ứng tổng hợp heli đòi hỏi nhiệt độ cao trong lõi, vì thế ngôi sao vừa mở rộng về kích thước vừa tăng mật độ trong lõi. Kết quả là ngôisao khổng lồ đỏ có tuổi thọ ngắn, trước khi nhiên liệu heli đến lượt nó cũng bị sử dụng. Các ngôi sao có khối lượng rất lớn có thể trải qua một loạt phase tiến hóa giảm dần, bởi chúng ngày càng nấu chảy nhiều nguyên tố nặng.
Số phận cuối cùng của ngôi sao phụ thuộc vào khối lượng của nó, với những ngôi sao có khối lượng lớn hơn khoảng 8 lầnkhối lượng Mặt Trời, nó sẽ trở thànhsiêu tân tinh sụp đổ lõi; trong khi các ngôi sao nhỏ hơn hình thành nên cáctinh vân hành tinh, và phát triển thành cácsao lùn trắng. Tàn tích của một siêu tân tinh là mộtsao neutron đặc, hay nếu khối lượng sao ít nhất gấp ba lần khối lượng Mặt Trời, là mộtlỗ đen.[49] Những ngôi sao kép ở gần nhau có thể đi theo những con đường tiến hóa phức tạp, như chuyển đổi khối lượng trở thành một ngôi sao lùn trắng đồng hành và có khả năng tạo ra một siêu tân tinh. Tinh vân hành tinh và siêu tân tinh là cần thiết cho sự phân bốkim loại vàokhông gian liên sao; không có chúng, mọi ngôi sao mới (và hệ thống hành tinh của chúng) sẽ chỉ được tạo thành từhydro và heli.
Kết cấu được quan sát của những cánh tay xoắn ốc củaNgân Hà.
Hệ Mặt Trời chuyển động trên quỹ đạo trongNgân Hà, mộtthiên hà xoắn ốc kẻ vạch là một thành viên lớn củaNhóm Địa phương của các thiên hà. Nó là một khối lượng khí, bụi, sao và các vật thể quay tròn, được giữ cùng nhau bằng sự hấp dẫn trọng lượng lẫn nhau. Bởi Trái Đất nằm bên trong các cánh tay bụi bên ngoài, có một tỷ lệ lớn Ngân Hà không thể được quan sát từ Trái Đất.
Trong trung tâm Ngân Hà là lõi, một chỗ lồi hình thanh với cái được tin là mộthố đen siêu khối lượng ở trung tâm. Nó được bao quanh bởi bốn cánh tay chính có hình xoắn ốc từ lõi. Đây là một vùng thành tạo sao tích cực chứa nhiều saodân số sao cấp I. Đĩa được bao quanh bởi mộtvòng sáng hình cầu với các ngôi saodân số sao cấp II già hơn, cũng như những khu vực tập trung sao với mật độ khá dày được gọi là cáccụm sao cầu.[50][51]
Giữa các ngôi sao làkhông gian liên sao, một vùng có vật chất thưa thớt. Tại các vùng có mật độ lớn nhất, cácđám mây phân tử củaphân tử hydro và các nguyên tố khác tạo ra các vùng thành tạo sao. Chúng khởi đầu như cácđĩa tinh vân bất thường, cô đặc lại và sụp đổ (về khối lượng được xác định bởiđộ dài Jeans) để hình thành nên các tiền sao đặc.[52]
Khi các ngôi sao có khối lượng lớn xuất hiện, chúng chuyển đám mây thành mộtvùng H II của khí và plasma sáng.gió sao và các vụ nổ siêu tân tinh từ các ngôi sao đó cuối cùng làm tan rã đám mây, thường để lại một hay nhiềucụm mở của các ngôi sao. Các cụm này dần tan rã, và các ngôi sao gia nhập vào dân số của Ngân Hà.
Các cuộc nghiên cứu động học của vật chất trong Ngân Hà và các thiên hà khác đã chứng minh rằng có nhiều khối lượng có thể được tính toán cho vật thể nhìn thấy được. Mộtquầng vật thể tối dường như thống trị khối lượng, dù tính chất của vật thể tối này vẫn chưa được xác định.[53]
Hình này thể hiện nhiều vật thể xanh có hình vòng là những hình ảnh chồng của cùng một thiên hà, bị nhân lên bởi hiệu ứngthấu kính hấp dẫn của cụm các thiên hà màu vàng gần trung tâm hỉnh. Thấu kính được tạo ra bởi trường hấp dẫn trọng lượng của cụm uốn cong ánh sáng khiến nó khuếch đại và bóp méo hình của một vật thể ở xa.
Như cái tên cho thấy, một thiên hà elíp có hình dạng mặt cắt của mộtelíp. Các ngôi sao di chuyển theo các quỹ đạongẫu nhiên và không có hướng ưu tiên. Các thiên hà này chứa ít hay không chứa bụi liên sao; ít vùng thành tạo sao; và nói chung gồm các ngôi sao già. Các thiên hà elíp thường được tìm thấy ở trung tâm các cụm thiên hà, và có thể từng được thành lập thông qua sự hòa trộn các thiên hà lớn.
Một thiên hà xoắn ốc được tổ chức thành một đĩa xoay, phẳng, thường với một chỗ phồng hay thanh lớn ở trung tâm, và các cánh tay sáng hình vệt xoắn ốc ra bên ngoài. Các cánh tay này là vùng bụi thành tạo sao nơi nhiều ngôi sao trẻ được tạo ra như những chấm nhỏ màu xanh. Các thiên hà xoắn ốc nói chung được bao quanh bởi một quầng sao già. CảNgân Hà vàthiên hà Tiên Nữ đều là cácthiên hà xoắn ốc.
Các thiên hà bất thường thường có hình thái hỗn loạn, và không có hình xoắn ốc cũng như elíp. Khoảng một phần tư các thiên hà là thiên hà bất thường, và các hình dạng kỳ lạ của các thiên hà đó có thể là kết của sự tương tác hấp dẫn.
Một thiên hà hoạt động là một thành tạo phát ra một lượng lớn năng lượng của nó từ một nguồn ngoài các ngôi sao, bụi và khí; và được cấp năng lượng bởi một vùng nén tại lõi, thường được cho là một hố đen khối lượng siêu lớn phát ra bức xạ từ vật liệu rơi vào đó.
Kết cấu có tầm mức lớn của vũ trụ được thể hiện bởi các nhóm và cụm thiên hà. Kết cấu này được tổ chức trong một hệ thống cấp bậc của các nhóm, với hệ lớn nhất là cácsiêu cụm. Vật chất chung được thành tạo trongcác sợi và các bức tường, để lại nhữngkhoảng trống ở giữa.[56]
Vũ trụ học (từ từ tiếng Hy Lạp κοσμος "thế giới, vũ trụ" và λογος "từ, nghiên cứu") có thể được coi là việc nghiên cứu vũ trụ như một tổng thể.
Các quan sátcấu trúc tầm mức lớn củavũ trụ, một nhánh được gọi làvật lý vũ trụ, đã cung cấp một hiểu biết sâu về sự thành tạo và tiến hóa của vũ trụ. Nền tảng cho vũ trụ học hiện đại là lý thuyếtbig bang được chấp nhận rộng rãi, theo đó vũ trụ khởi đầu tại một điểm duy nhất trong thời gian, và sau đómở rộng trong 13,7 tỷ năm để trở thành như hiện tại. Ý tưởng Big Bang có thể được truy nguyên dấu vết từ sự khám phábức xạ vi sóng vũ trụ năm 1965.
Trong quá trình mở rộng này, vũ trụ trải qua nhiều giai đoạn tiến hóa. Ở những khoảnh khắc đầu tiên, lý thuyết cho rằng vũ trụ trải qua một giai đoạnlạm phát vũ trụ rất nhanh chóng, làm đồng nhất các điều kiện khởi đầu. Sau đó, sựtổng hợp hạt nhân Big Bang tạo ra sự phong phú nguyên tố của vũ trụ buổi đầu. (Xem thêm:Niên đại hạt nhân vũ trụ).
Khi các nguyên tử đầu tiên hình thành, vũ trụ trở nên trong suốt với bức xạ, nhả ra năng lượng có thể được thấy hiện nay ở dạng màn bức xạ vi sóng. Vụ trụ mở rộng sau đó trải qua mộtThời kỳ Tối vì sự thiếu hụt các nguồn năng lượng sao.[57]
Một cơ cấu cấp bậc vật chất bắt đầu hình thành từ những sự thay đổi trong thời gian ngắn trong mật độ khối lượng. Vật chất tích tụ trong những vùng đặc nhất, hình thành nên các đám mây khí vànhững ngôi sao đầu tiên. Những ngôi sao lớn này gây ra quá trình tái tổ chức và được cho là đã tạo ra nhiều nguyên tố nặng trong vũ trụ buổi đầu và thường có xu hướng phân rã trở lại thành các nguyên tố nhẹ hơn mở rộng chu kỳ.
Những sự tích tụ hấp dẫn tập trung thành các sợi, để lại các khoảng trống trong các lỗ hổng. Dần dần, các tổ chức khí và bụi hòa trộn để hình thành nên các thiên hà nguyên thủy đầu tiên. Cùng với thời gian, chúng lôi kéo vào trong thêm nhiều vật chất và thường được tổ chức thành cácnhóm vàcụm thiên hà, sau đó thành các siêu cụm ở tầm mức lớn.[58]
Nền tảng của cơ cấu của vụ trụ là sự tồn tại củavật chất tối vànăng lượng tối. Chúng hiện được cho là các thành phần chiếm ưu thế, tạo ra 96% mật độ vũ trụ. Vì lý do này, nhiều nỗ lực đã được thực hiện nhằm tìm hiểu tính chất vật lý của các thành phần đó.[59]
Thiên văn học và vật lý vũ trụ đã phát triển khá nhiều kết nối đa lĩnh vực với các lĩnh vực khoa học khác.Khảo cổ thiên văn học là việc nghiên cứu thiên văn học truyền thống hay cổ đại trong bối cảnh văn hóa của chúng, sử dụng bằng chứngkhảo cổ vànhân loại.Sinh vật học vũ trụ là việc nghiên cứu sự xuất hiện và tiến hóa của các hệ sinh thái trong vũ trụ, với sự nhấn mạnh đặc biệt trên khả năng về sự sống ngoài Trái Đất.
Việc nghiên cứu cáchóa chất được tìm thấy trong vũ trụ, gồm sự thành tạo, tương tác và phá huỷ của chúng, được gọi làhóa học thiên thể (Astrochemistry). Các chất đó thường được tìm thấy trong cácđám mây phân tử, dù chúng có thể xuất hiện trong những ngôi sao nhiệt độ thấp, sao lùn nâu và các hành tinh.Hóa học vũ trụ là việc nghiên cứu các hóa chất được tìm thấy bên tronghệ Mặt Trời, gồm cả các nguồn gốc của các nguyên tố và các biến đổi trong các tỷ lệđồng vị. Cả hai lĩnh vực này đều có sự trùng lặp trong phương pháp thiên văn học và hóa học.
Các nhà thiên văn nghiệp dư có thể chế tạo thiết bị của riêng mình, và có thể tổ chức các bữa tiệc sao, như kiểu câu lạc bộStellafane.
Thiên văn là một trong những ngành khoa học mà những người nghiệp dư có thể đóng góp nhiều nhất[60].
Nói chung, các nhà thiên văn học nghiệp dư quan sát nhiều loại vật thể và hiện tượng vũ trụ thỉnh thoảng bằngthiết bị tự chế. Các mục tiêu thông thường của các nhà thiên văn nghiệp dư gồm Mặt Trăng, các hành tinh, các ngôi sao, sao chổi, mưa sao băng và nhiều loạivật thể sâu trong vũ trụ như các cụm sao, thiên hà hay tinh vân. Một nhánh của thiên văn nghiệp dư,chụp ảnh vũ trụ nghiệp dư, liên quan tới việc chụp ảnh bầu trời đêm. Nhiều người nghiệp dư muốn chuyên biệt trong quan sát các vật thể đặc biệt, các kiểu vạt thể hay các kiểu sự kiện làm họ quan tâm.[61][62]
Đa số nhà thiên văn nghiệp dư làm việc ở cácbước sóngnhìn thấy được, nhưng một cộng đồng nhỏ làm việc với các bước sóng bên ngoài quang phổ nhìn thấy được. Điều này gồm việc sử dụng các thiết bị lọc hồng ngoại trên các kính viễn vọng thông thường, và việc sử dụng cáckính viễn vọng vô tuyến. Người đi đầu trongthiên văn vô tuyến nghiệp dư làKarl Guthe Jansky, ông đã bắt đầu quan sát bầu trời ở nhữngbước sóngvô tuyến từ thập niên 1930. Một số nhà thiên văn nghiệp dư sử dụng các kính viễn vọng tự làm hay các kính viễn vọng vô tuyến ban đầu được sản xuất cho nghiên cứu thiên văn nhưng hiện các nhà thiên văn nghiệp dư đã có thể tiếp cận (ví dụ nhưKính viễn vọng Một Dặm).[63][64]
Các nhà thiên văn nghiệp dư tiếp tục thực hiện các đóng góp khoa học trong lĩnh vực thiên văn. Quả thực, đây là một trong số ít ngành khoa học nơi những người nghiệp dư vẫn có thể có những đóng góp quan trọng. Những người nghiệp dư có thể thực hiện đo đạc che khuất được dùng để tinh chỉnh các quỹ đạo của các hành tinh nhỏ. Họ cũng có thể khám phá các sao chổi, và thực hiện những quan sát thường xuyên với các ngôi sao biến đổi. Những cải tiến trong kỹ thuật số đã cho phép những người nghiệp dư thực hiện những tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực chụp ảnh vũ trụ.[65][66][67]
Dù lĩnh vực khoa học thiên văn đã có bước phát triển lớn trong việc tìm hiểu bản chất vũ trụ và nội dung của nó, vẫn còn một số vấn đề chưa được giải quyết. Những câu trả lời cho chúng có thể đòi hỏi những công cụ mới trên mặt đất và trong không gian, và có thể những phát triển mới trong vật lý lý thuyết và thực nghiệm.
Cái gì là nguồn gốc của quang phổ khối lượng sao? Có nghĩa, tại sao các nhà thiên văn học quan sát cùng sự phân bố các khối lượng saochức năng khối lượng ban đầu rõ ràng không quan tâm tới các điều kiện ban đầu?[68] Cần có một sự hiểu biết sâu hơn về sự thành tạo sao và hành tinh.
Cósự sống trong vũ trụ không? Đặc biệt, có sự sống thông minh khác không? Nếu có, đâu là sự giải thích chonghịch lý Fermi? Sự tồn tại của sự sống ở một nơi nào đó có những hàm ý khoa học và triết học quan trọng.[69][70]
Đâu là bản chất của vật chất tối và năng lượng tối? Chúng thống trị sự tiến hóa và số phận vũ trụ, quả thực con người vẫn chưa chắc chắn về các bản chất thực của chúng.[71]
Tại sao những hằng số vật lý lạihài hòa như vậy tới mức chúng cho phép sự tồn tại của sự sống? Chúng có thể là kết quả củasự lựa chọn tự nhiên của vũ trụ không? Cái gì gây ralạm phát vũ trụ đã tạo ra vũ trụ đồng nhất?
Trong cuộc họp Đại hội đồng lần thứ 62 củaLiên Hợp Quốc, năm 2009 đã được công bố làNăm Thiên văn Quốc tế (IYA2009), với nghị quyết được chính thức hóa ngày 20 tháng 12 năm 2008. Một sự phối hợp toàn cầu doHiệp hội Thiên văn Quốc tế (IAU) bố trí, nó đã đượcUNESCO—cơ quan củaLiên Hợp Quốc chịu trách nhiệm về các vấn đề giáo dục, khoa học và văn hóa—tán đồng. Năm Thiên văn Quốc tế 2009 được dự định trở thành một lễ hội toàn cầu về thiên văn học và những đóng góp của nó vào xã hội và văn hóa, khơi dậy sự quan tâm toàn cầu không chỉ với thiên văn và cả khoa học nói chung, với sự nhấn mạnh vàothanh niên.
^Albrecht Unsöld (2001).The New Cosmos: An Introduction to Astronomy and Astrophysics. Bodo Baschek, W.D. Brewer (translator). Berlin, New York: Springer.ISBN3-540-67877-8.
^天,文,天文,天文學. 教育部重編國語辭典修訂本. Truy cập ngày 22 tháng 11 năm 2016.
^abP. Moore (1997).Philip's Atlas of the Universe. Great Britain: George Philis Limited.ISBN0-540-07465-9.
^Penston, Margaret J. (ngày 14 tháng 8 năm 2002)."The electromagnetic spectrum". Particle Physics and Astronomy Research Council.Bản gốc lưu trữ ngày 8 tháng 9 năm 2012. Truy cập ngày 17 tháng 8 năm 2006.
^Calvert, James B. (ngày 28 tháng 3 năm 2003)."Celestial Mechanics". University of Denver. Truy cập ngày 21 tháng 8 năm 2006.
^"Hall of Precision Astrometry". University of Virginia Department of Astronomy.Bản gốc lưu trữ ngày 26 tháng 8 năm 2006. Truy cập ngày 10 tháng 8 năm 2006.
^Wolszczan, A.; Frail, D. A. (1992). "A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257+12".Nature. Quyển 355. tr. 145–147.doi:10.1038/355145a0.{{Chú thích tạp chí}}: Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết)
^H. Roth,A Slowly Contracting or Expanding Fluid Sphere and its Stability,Phys. Rev. (39, p;525–529, 1932)
^A.S. Eddington,Internal Constitution of the Stars
^abJohansson, Sverker (ngày 27 tháng 7 năm 2003)."The Solar FAQ". Talk.Origins Archive. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2006.
^Pogge, Richard W. (1997)."The Once & Future Sun".New Vistas in Astronomy.Bản gốc(lecture notes) lưu trữ ngày 18 tháng 12 năm 2005. Truy cập ngày 7 tháng 12 năm 2005.
^E. Grayzeck, D. R. Williams (ngày 11 tháng 5 năm 2006)."Lunar and Planetary Science". NASA. Truy cập ngày 21 tháng 8 năm 2006.
^Roberge, Aki (ngày 5 tháng 5 năm 1997)."Planetary Formation and Our Solar System". Carnegie Institute of Washington—Department of Terrestrial Magnetism. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2006.
^Roberge, Aki (ngày 21 tháng 4 năm 1998)."The Planets After Formation". Department of Terrestrial Magnetism. Truy cập ngày 23 tháng 8 năm 2006.
^J.K. Beatty, C.C. Petersen, A. Chaikin, biên tập (1999).The New Solar System (ấn bản thứ 4). Cambridge press.ISBN0-521-64587-5.{{Chú thích sách}}: Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách biên tập viên (liên kết)
^Jean Audouze, Guy Israel, biên tập (1994).The Cambridge Atlas of Astronomy (ấn bản thứ 3). Cambridge University Press.ISBN0-521-43438-6.
^Ott, Thomas (ngày 24 tháng 8 năm 2006)."The Galactic Centre". Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.Bản gốc lưu trữ ngày 25 tháng 9 năm 2004. Truy cập ngày 8 tháng 9 năm 2006.
^Preuss, Paul."Dark Energy Fills the Cosmos". U.S. Department of Energy, Berkeley Lab.Bản gốc lưu trữ ngày 11 tháng 8 năm 2006. Truy cập ngày 8 tháng 9 năm 2006.
