Thiên văn học (phần II)
Phát triển khoa học


Phác hoạ và những quan sát Mặt trăng của Galileo cho thấy một bề mặt nhiều đồi núi
Trong thời Phục hưng, Nicolaus Copernicus đã đề xuất một mô hình Nhật tâm của hệ
mặt trời. Công việc của ông được ủng hộ, mở rộng và sửa chữa bởi Galileo Galilei và
Johannes Kepler. Khám phá kính viễn vọng của Galileo đã giúp đỡ rất nhiều cho
những quan sát của ông.
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 khi
Newton khám phá ra chuyển động thiên thể và luật hấp dẫn các chuyển động của hành
tinh cuối cùng mới được giải thích. Newton cũng đã phát triển kính 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 được Lacaille lập ra. Nhà thiên văn học
William Herschel đã thực hiện một cataloge chi tiết về các cụm sao và tinh vân, và
vào năm 1781 phát hiện ra hành tinh Sao Thiên Vương, hành tinh mới đầu tiên được
tìm thấy. Khoảng cách tới một ngôi sao lần đầu tiên được thông báo năm 1838 khi thị
sai của 61 Cygni được Friedrich Bessel đo đạc.
Trong thế kỷ mười chín, sự quan tâm tới vấn đề ba vật thể của Euler, Clairaut, và
D'Alembert đã dẫn tới những dự đoán chính xác hơn về chuyển động của Mặt trăng
và các hành tinh. Công việc này được Lagrange và Laplace 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,
gồm quang phổ và chụp 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 dải nhiệt độ, khối lượng và kích thước khác biệt.

[13]

Sự tồn tại của thiên hà của Trái đất, Ngân hà, như một nhóm sao riêng biệt, chỉ được
chứng minh trong thế kỷ 20, cùng với sự tồn tại của những thiên hà "bên ngoài", ngay
sau đó, sự mở rộng của vũ trụ, được quan sát thấy trong sự rời xa của hầu hết các
thiên hà khỏi chúng ta. Thiên văn học hiện đại cũng đã khám phá nhiều vật thể kỳ lạ
như các quasar, pulsar, blazar, và thiên hà radio, 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 các hố đen và sao neutron. Vật lý vũ trụ đã có những
phát triển vượt bậc trong thế kỷ 20, với mô hình Big Bang được các bằng chứng thiên
văn học và vật lý ủng hộ rộng rãi, như màn bức xạ vi sóng vũ trụ, định luật Hubble, và
sự phong phú các nguyên tố vũ trụ.
Thiên văn học quan sát


Mạng cực lớn tại New Mexico, một ví dụ về kính viễn vọng radio.
Bài chi tiết: Thiên văn học quan sát
Trong thiên văn học, thông tin chủ yếu được tiếp nhận từ việc khám phá và phân tích
ánh sáng nhìn thấy được hay các vùng khác của bức xạ điện từ.
[20]
Thiên văn học quan
sát có thể được phân chia theo vùng quan sát của quang phổ điện từ. Một số phần của
quang phổ có thể được quan sát từ bề mặt Trái 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 học radio
Bài chi tiết: Thiên văn học radio
Thiên văn học radio nghiên cứu bức xạ với các chiều dài sóng lớn hơn hay xấp xỉ 1
milimét.
[21]

Thiên văn học radio khác biệt so với hầu hết các hình thức thiên văn học
quan sát khác trong đó các sóng radio được quan sát có thể được coi là các sóng chứ
không phải các photon riêng biệt. Vì thế, nó khá dễ dàng để đo cả biên độ và phase
của các sóng radio, trong khi điều này không dễ thực hiện ở các bước sóng ngắn
hơn.
[21]

Dù một số sóng radio được tạo ra bởi các vật thể thiên văn dưới hình thức phát xạ
nhiệt, hầu hết phát xạ radio được quan sát từ Trái đất được thấy dưới hình thức bức xạ
synchrotron, được tạo ra khi các electron giao động quanh các từ trường.
[21]
Ngoài ra,
một số lượng đường quang phổ do khí liên sao tạo ra, đáng chú ý là đường quang phổ
hydro ở kích thước 21 cm, có thể được quan sát ở các chiều dài sóng radio.
[7][21]

Rất nhiều vật thể có thể được quan sát ở các chiều dài sóng radio, gồm sao siêu mới,
khí liên sao, các pulsar, và các nhân thiên hà hoạt động.
[7][21]

Thiên văn học hồng ngoại
Bài chi tiết: Thiên văn học hồng ngoại
Thiên văn học hồng ngoại chịu trách nhiệm thám sát và phân tích bức xạ hồng ngoại
(các chiều dài sóng dài hơn ánh sáng đỏ). Ngoại trừ các chiều dài 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 và đĩa cạnh sao. Các chiều dài 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 đám mây phân tử và lõi của các thiên hà.
[22]
Một số phân tử phát xạ mạnh ở dải
sóng hồng ngoại, và điều này có thể được sử dụng để nghiên cứu hoá học không gian,
cũng như phát hiện ra nước trong các thiên thạch.
[23]

Thiên văn học quang học


Kính viễn vọng Subaru (bên trái) và Đài quan sát Keck (trung tâm) tại Mauna Kea,
chúng là hai ví dụ về một đài quan sát thiên văn hoạt động ở các chiều dài sóng gần
hồng ngoại và có thể thấy được. Cơ sở Kính viễn vọng Hồng ngoại NASA (bên phải)
là một ví dụ về một kính thiên văn chỉ hoạt động ở các chiều dài sóng gần hồng ngoại.
Bài chi tiết: Thiên văn học quang học
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.
[24]
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 dụng charge-coupled devices
(CCDs). Dù chính ánh sáng nhìn thấy được kéo dài từ xấp xỉ 4000 Å tới 7000 Å (400
nm tới 700 nm),
[24]
thiết bị tương tự cũng được sử dụng để quan sát một số bức xạ gần
cực tím và gần hồng ngoại.
Thiên văn học cực tím
Bài chi tiết: Thiên văn học cực tím
Thiên văn học cực tím nói chung được dùng để chỉ những quan sát tại các chiều dài

sóng cực tím giữa xấp xỉ 100 và 3200 Å (10 to 320 nm).
[21]
Ánh sáng ở các chiều dài
sóng này bị khí quyển Trái đất hấp thụ, vì thế những quan sát ở các chiều dài 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 ngôi sao
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 gồm tinh vân hành tinh, tàn
tích sao siêu mới, và nhân thiên hà hoạt động.
[21]
Tuy nhiên, ánh sáng cực tím dễ dàng
bị bụi 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.
[21]

Thiên văn học tia X
Bài chi tiết: Thiên văn học tia X
Thiên văn học tia X là việc nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các chiều dài sóng tia X.
Đặc biệt là các vật thể phát xạ tia X như phát xạ synchrotron (do các electron dao
động xung quanh các đường từ trường tạo ra), phát xạ nhiệt từ các khí mỏng (được
gọi là phát xạ bremsstrahlung) ở trên 10
7
(10 triệu) độ kelvin, và phát xạ nhiệt từ các
khí dày (được gọi là phát xạ vật thể tối) ở trên 10
7
độ Kelvin.
[21]
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, các tên lửa, hay tàu vũ trụ. Các nguồn tia X đáng chú ý gồm sao kép
tia X, pulsar, tàn tích sao siêu mới, thiên hà elíp, cụm thiên hà, và nhân thiên hà hoạt
động.
[21]

Thiên văn học tia gamma
Bài chi tiết: Thiên văn học tia gamma
Thiên văn học tia gamma là việc nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các chiều dài sóng
ngắn nhất của quang phổ điện từ. Các tia gamma có thể được quan sát trực tiếp bằng
các vệ tinh như Đài quan sát Tia Gamma Compton hay bởi các kính viễn vọng đặc
biệt được gọi là kính viễn vọng khí quyển Cherenkov.
[21]
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 được tạo ra khi các tia gamma bị
khí quyển Trái đất hấp thụ.
[25]

Đa số các nguồn phát xạ tia gamma trên thực tế là các loé 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 là hố đen như các nhân
thiên hà hoạt động.
[21]

Các lĩnh vực không dựa trên quang phổ điện từ
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.
Trong thiên văn học neutrino, các nhà thiên văn học sử dụng các cơ sở ngầm dưới đất
như SAGE, GALLEX, và Kamioka II/III để thám sát cácneutrino. Các neutrino này

chủ yếu có nguồn gốc từ Mặt trời nhưng cũng có từ các sao siêu mới.
[21]

Các tia 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.
[26]
Ngoài ra, một số thiết bị thám sát
neutrino tương lai có thể nhạy cảm với các neutrino được tạo ra khi các tia vũ trụ đâm
vào khí quyển Trái đất.
[21]

Thiên văn học sóng hấp dẫn là một ngành mới xuất hiện của thiên văn học, nó có mục
đích sử dụng các thiết 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, như Laser Interferometer
Gravitational Observatory LIGO, nhưng các sóng hấp dẫn rất khó để bị thám sát.
[27]

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.
Các cơ cấu vũ trụ và phép đo sao
Bài chi tiết: Phép đo sao và Các cơ cấu vũ trụ
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
trong hoa 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
các nhiễu 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 là các cơ cấu vũ
trụ. Gần đây hơn việc thám sát các vật 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, với Trái
đất.
[28]

Việc đo đạc thị sai sao của các ngôi sao ở gần cung cấp những cơ sở nền tảng cho
thang 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 sa hơn, bởi các tính chất của chúng có thể được so sánh. Việc đo đạc tốc độ
xuyên tâm và chuyển 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 của vật
thể tối trong thiên hà.
[29]

Trong thập niên 1990, kỹ thuật đo đạc lắc lư sao đã được dùng để thám sát các hành
tinh ngoài thái dương hệ lớn quay quanh các ngôi sao ở bên cạnh.
[30]

Thiên văn học lý thuyết
Bản mẫu:Nucleosynthesis
Các nhà thiên văn học lý thuyết sử dụng nhiều loại dụng cụ gồm cả các mô hình phân
tích (ví dụ, các polytrope để ước đoán các hoạt động của một ngôi sao) và Phân tích
số học máy 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.
[31][32]

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.
Các chủ đề được các nhà thiên văn học lý thuyết nghiên cứu gồm: động lực sao và
tiến hoá sao; thành tạo thiên hà; cơ cấu ở tầm mức lớn của các vật thể trong Vũ trụ;
nguồn gốc các tia vũ trụ; tương đối rộng và vật lý vũ trụ, gồm vũ trụ học dây và vật lý
phần tử vũ trụ. Thuyết tương đối vật lý vũ trụ là một công cụ để xác định các tính chất
của các vật thể tầm mức lớn trong đó lực hấp dẫn đóng một vai trò quan trọng trong
hiện tượng vật lý được nghiên cứu và như một căn bản cho hố đen (vũ trụ)vật lý và
việc nghiên cứu các sóng hấp dẫn.
Một số lý thuyết được chấp nhận và nghiên cứu rộng rãi và các mô hình trong thiên
văn học hiệm gồm mô hình Lambda-CDM là Big Bang, lạm phát vũ trụ, vật thể tối,
và các lý thuyết nền tảng của vật lý.
Một số ví dụ về quá trình này:
Quá trình vật
lý
Công cụ thực
nghiệm
Mô hình lý
thuyết
Giải thích/dự đoán
Hấp dẫn
Các kính viễn vọng
radio
Hệ thống tự

hấp dẫn
Sự xuất hiện của một hệ sao
Tổng hợp hạt
nhân
Quang phổ học Tiến hoá sao

Các ngôi sao toả sáng như thế nào
và tại sao kim loại được hình
thành
Big Bang
Kính viễn vọng
thiên văn Hubble,
COBE
Vũ trụ mở
rộng
Tuổi vũ trụ
Các dao động
lượng tử

Lạm phát vũ
trụ
Vấn đề phẳng
Sụp đổ hấp dẫn

Thiên văn học tia X
Thuyết
tương đối
rộng
Các hố đen ở trung tâm thiên hà
Andromeda

Chu kỳ CNO
trong các ngôi
sao

Vật thể tối và năng 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.