觀測天文學

做為一門科學，天文學有些困難之處，由於距離的遙遠，要直接驗證宇宙的特性是不可能的。然而，有為數眾多的恆星可以被觀察到，已經能夠讓天文學家獲取一些事實的真相。這些觀測到的資訊所繪製成的各種圖表，與紀錄足以顯示一般的趨向。變星就是很貼切的具體例證，能借由變星的特性，測量出遙遠天體的距離。這一種類的距離指標，足以測量鄰近的距離，包括附近的星系，進而對其他現象進行測量。

射電天文學利用波長超過1毫米左右的電磁輻射進行觀測。和其他類型的觀測天文學領域不同的是，射電天文學所觀測的無線電波可以視為波，而不是單獨的光子，所以相對較短波長的輻射更容易測定波幅和相位。 ^[1] 

儘管天體自身的熱輻射也會發出無線電波，但是絕大部分的無線電波都是同步輻射所致，也就是電子在磁場中運動時發出的輻射，此外，還有星際氣體所產生的某些譜線，也處於無線電波的波長範圍內，特別是氫的21cm譜線。

可通過無線電波觀測的天體包括超新星、星際氣體、脈衝星和活動星系核等。 ^[2] 

紅外天文學通過紅外輻射進行天文觀測，此類輻射的波長比紅光更長，位於人類肉眼的觀測範圍以外。紅外天文學能最有效觀測温度較低、無法發出可見光的天體，例如行星、星周盤及光線被塵埃遮蔽的星雲等。紅外輻射的波長較可見光長，所以可以穿透可見光所無法穿透的塵埃雲，有助於研究分子云深處的年輕恆星和星系核。例如，廣域紅外線巡天探測衞星（WISE）已成功觀測到多個銀河系內的原恆星和這些恆星所在的星團。 ^[3-4]  除了十分接近可見光的紅外光以外，大部分紅外輻射都會被地球大氣層吸收；大氣本身也會產生較強的紅外輻射，進一步影響觀測。因此，紅外天文台都必須在海拔高、濕度低的地點建造，甚至是作為衞星發射到太空。 ^[5]  某些分子在紅外輻射範圍有較強的譜線，這有助於研究天體的化學成分，如彗星所含的水。 ^[6] 

自遠古起，人類便利用肉眼作可見光天文觀測。最早的觀測都是以圖畫記錄下來。19世紀末，人們開始對天象進行攝影。現代天文攝影技術一般使用數碼探測器，特別是感光耦合元件（CCD）。雖然可見光的波長範圍大約在4000Å至7000Å（即400nm至700nm）之間， ^[7]  但可見光攝影設備也可以用來觀測一部分的近紫外線和近紅外線。

紫外線天文學利用波長在100至3200Å（10至320nm）間的紫外輻射進行觀測。此類輻射會被地球大氣層吸收，所以觀測只能在大氣上層或太空中進行。紫外線天文學最適合研究發射紫外線的高温藍色恆星（OB星），包括銀河系以外的藍色恆星，以及行星狀星雲、超新星遺蹟等等。不過，紫外線會被星際塵埃吸收，所以取得的數據必須再利用其它方法加以校準。 ^[1] 

X射線天文學在X射線範圍觀測天體。宇宙中的X射線來自於同步輻射（電子圍繞磁場線旋轉所發出的輻射）、温度高於1千萬開爾文的稀薄氣體發出的熱輻射（見軔致輻射）以及温度高於1千萬開爾文的稠密氣體發出的熱輻射（見黑體輻射）。發出X射線的天體有：X射線聯星、脈衝星、超新星遺蹟、橢圓星系、星系羣及活動星系核等。由於X射線會被地球大氣層吸收，所以X射線觀測必須用高海拔氣球、火箭或X射線天文衞星進行。 ^[1] 

伽馬射線天文學所觀測的是電磁波譜中波長最短的輻射。伽馬射線可通過康普頓伽馬射線天文台等衞星或大氣切連科夫望遠鏡來觀測， ^[1]  切連科夫望遠鏡不直接探測伽馬射線，而是觀測大氣吸收伽馬射線時所產生的可見光閃光。

伽馬射線暴是突然發出伽馬射線的天體，持續時間從幾毫秒到幾千秒不等，大部分伽馬射線源都屬於此類。只有一成的伽馬射線源為持續性射源，這包括脈衝星、中子星及活動星系核等可能為黑洞的天體。 ^[1] 

中國有悠久的天文學觀測的傳統。遠在傳説時代，就有世襲執掌天文的官吏，專門觀測天象。以後歷代沿續，設觀星台、觀象台、司天台、司天監、欽天監等機構，負責觀測天象、推算曆法。因此，中國文獻中以日食、月食、恆星、彗星、太陽墨子等天象的觀測與記錄，都是世界上最早的和最完整的。中國古代天文學家制造的天文觀測儀器有許多優點，其關鍵部件和原理至今仍被應用於現代大型天文觀測儀器中。並以顯示天體運行為契機，最先發明瞭報時的機械鐘。此外中國獨立發明了自己的歷法農曆。 ^[8] 

日食發生的最早記錄，在距今約4000年前的夏代。距今約3000年前的商代甲骨卜辭中，有日食、月食的確切記錄。周代以及春秋戰國以來的典籍中，更有日食、月食的諸多記錄。

恆星的觀測記錄，也見於商代甲骨文中。《周禮》有馮相氏，“掌十有二歲、十有二月、十有二辰、十日、二十有八星之位”。戰國時甘德著《星佔》八卷，石申著《天文》八卷，後人合稱為《甘石星經》，其中記載120顆恆星位置，是世界上最早的恆星表。古代天文學家把周天分三垣(太微、紫微、天市)二十八宿(東方青龍七宿——角、亢、氐、房、心、尾、箕。南方朱鳥七宿——井、鬼、柳、星、張、翼、軫。西方白虎七宿——奎、婁、胃、昴、畢、觜、參。北方玄武七宿——鬥、牛、女、虛、危、室、壁)，用這種區域劃分來確定天體和天象發生的位置。先秦時期中國先民繪製星圖，留存至今最早的實物有五代時期出土的二塊28宿星圖刻石，其它著名的有宋代蘇州石刻天文圖及敦煌唐代星圖。

對於哈雷彗星的觀測記錄，從公元前613年到20世紀初，中文載籍中共有31次記錄，最早的一次在公元前1057年。對於太陽黑子的觀測，最早見於約公元前4世紀甘德的《星佔》。正史中關於太陽黑子的記錄，始於公元前28年。至1638年，見於正史中的太陽黑子記錄約百餘例，散見於其它漢文載籍的記載可能更多。這些珍貴的資料，至今仍有重要的科學研究價值。

由於積累了歷代天文觀測的豐富知識，漢代天文學家明確提出宇宙結構理論“渾天説”。否定了先秦的“蓋天説”。

為了準確地觀測天體和天象的位置，漢代天文學家耿壽昌、賈逵等發明了以赤道為座標系的天文觀測儀器，漢文稱為“渾儀”或“渾天儀”。

漢代天文學家張衡創制的“渾象”(也叫“渾天儀”)，是用來顯示天象的儀器，類似現代的“天球儀”。它利用漏壺滴水發動齒輪，帶動渾象繞軸旋轉，可以將天象準確地顯示出來。

機械鐘的發明，始於顯示天球旋轉(即地球自轉及公轉)的天文儀器，為中國首先製作。公元725年，唐代天文學家一行高僧(張遂)與梁令瓚在“渾儀”和“渾象”的基礎上，製成“渾天銅儀”。這是一架附有報時裝置的天文儀器，注水激輪帶運轉，一方面顯示日月運行情況，另一方面立二木人於地平之上，每一刻自然擊鼓，每辰自然撞鐘。其擒縱輪靠水力驅動。

公元1092年，宋代天文學家蘇頌製造了更先進的“水運儀象台”，這實際是一座大型天文鐘台，高35.65尺，寬21尺。台分三層，上層是渾儀，用來觀測日月星辰的位置；中層是渾象，旋轉並確顯示天象；下層設木閣，木閣又分五層，每層有門，每到一定時刻，門中有木人出來報時。木閣後有漏壺和機械系統，驅動整個儀器。蘇頌鍾是人類在中世紀最卓越的機械製造，其原理於兩個世紀後傳入歐洲，導致機械鐘在西方的發展。

此外，春秋以前被普遍用來測量日影長度的“圭表”，也是中國先民的一大發明。表為立竿，圭為卧尺，測日影長度，定冬至和夏至的日期以及迴歸年的長度。唐代一行等人最早實測了子午線的長度。

中國先民最早發現天然磁石和磁鐵指南，並製作了“司南”和指南針。

中國先民很早就發明了曆法。相傳先秦有黃帝歷、瑞頊歷、夏曆、殷歷、周曆、魯歷。合稱“古六歷”。夏曆又稱“夏正”，以正月為歲首。殷歷又稱“殷正”以12月為首。周曆又稱“周正”，以11月為歲首。秦用瑞頊歷，以10月為歲首。漢以來，有太初曆、三統曆、四分曆、乾象曆、太明歷、戍寅元歷、大衍曆、12氣歷、統天曆、授時歷、時憲曆、天曆等。這些曆法當中，除北宋沈括創制的“12氣歷”和太平天國頒行的“天曆”是陽曆外，其它曆法都是陰陽合曆。直到今天，中國仍然習慣使用傳統的陰陽合曆，同時使用世界大多數國家通用的公曆。