اخترشناسی
اَختَرشناسی علم بررسی موقعیت، تغییرات، حرکت و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی «پدیده‌های آسمانی» ازجمله، ستاره‌ها، سیاره‌ها، دنباله‌دارها، کهکشانها و پدیده‌هایی مانند شفق قطبی و تابش زمینهٔ کیهانی است که منشأ آنها در خارج از جو زمین قرار دارد. این رشته با رشته‌هایی مانند فیزیک، شیمی و فیزیک حرکت ارتباط تنگاتنگ دارد و همچنین با رشتهٔ کیهان‌شناسی (پیدایش و تکامل عالم) ارتباط نزدیکی دارد.
اگر فقط ستاره‌ها مطالعه شوند به آن ستاره‌شناسی یا اخترشناسیِ ستاره‌ای (Stellar astronomy) گفته می‌شود.
اخترشناسی یکی از قدیمی‌ترین علوم است. اخترشناسان در تمدن‌های اولیهٔ بشری به‌دقت آسمان شب را بررسی می‌کردند و ابزارهای سادهٔ اخترشناسی از همان ابتدا شناخته‌شده بودند. با اختراع تلسکوپ، تحولی عظیم در این رشته ایجاد شد و دوران اخترشناسی جدید آغاز شد.
در قرن بیستم، رشتهٔ اخترشناسی به دو رشتهٔ اخترشناسی رصدی و اخترشناسی نظری تبدیل شد. در اخترشناسی رصدی به‌دنبال گردآوری داده‌ها و پردازش آنها و همچنین ساخت و نگهداری ابزارهای اخترشناسی هستیم. در اخترشناسی نظری به‌دنبال کسب اطمینان از صحت نتایج به‌دست‌آمده از مدل‌های تحلیلی و تحلیل‌های کامپیوتری هستیم. این دو رشته یکدیگر را تکمیل می‌کنند؛ به این ترتیب که کار اخترشناسی نظری ارائه شرحی بر رصدها و وظیفه اخترشناسی رصدی اثبات عملی نتایج پیش‌بینی‌شده در نظریه‌هاست. با استفاده از یافته‌های اخترشناسی می‌توان نظریه‌های بنیادین فیزیک مانند نظریه نسبیت عام را آزمایش کرد. در طول تاریخ، اخترشناسان آماتور در بسیاری از کشف‌های مهم اخترشناسی نقش داشته‌اند و اخترشناسی یکی از محدود رشته‌هایی است که در آن افراد آماتور نقشی بسیار فعال دارند و مخصوصاً در کشف و مشاهده پدیده‌های گذرا و محلی امیدوارکننده، ظاهر شده‌اند. علم اخترشناسی مدرن را نباید با علم احکام نجوم (طالع‌بینی یا اخترگویی) مقایسه کنیم چراکه در طالع‌بینی یا اخترگویی اعتقاد بر آن است که امور انسان‌ها با موقعیت اجرام سماوی در ارتباط است. اگرچه اخترشناسی (Astronomy) و طالع‌بینی یا اخترگویی (Astrology) دو رشته‌ای هستند که منشأ یکسانی داشته‌اند اما اغلب متفکران بر این باورند که این دو رشته از هم جدا شده‌اند و تفاوت‌های بسیاری بین آنها وجود دارد.
در گذشته، در زبان پارسی میانه، از کلمه کونداگیه (kundãgih) برای اشاره به چیزی که امروزه ما نجوم می‌نامیم، استفاده می‌شد.
موارد استفاده از واژه‌های «اخترشناسی» و «آستروفیزیک»
با توجه به معنای واژه، «اخترشناسی» به «مطالعهٔ اجسام خارج از جوّ زمین و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آنها» اشاره می‌کند و واژهٔ «آستروفیزیک» به شاخه‌ای از اخترشناسی اشاره می‌کند که با «رفتار، ویژگی‌های فیزیکی و فرایند دینامیکیِ اجسام و پدیده‌های آسمانی» سروکار دارد.
تعداد آسمان‌ها
از قرن‌های چهارم تا ششم پیش از میلاد، اخترشناسان یونانی پی بردند که باید بیشتر از یک سایبان (آسمان) وجود داشته‌باشد، چون اوضاع نسبی ستاره‌های ثابت، که ظاهراً حول زمین حرکت می‌کنند، تغییری نمی‌کند، اما اوضاع نسبی خورشید، ماه و پنج جسم درخشان ستاره‌مانند (که امروزه می‌دانیم سیاره‌های به نام‌های تیر(عطارد)، ناهید(زهره)، بهرام (مریخ)، برجیس (مشتری) و کیوان (زحل) هستند) تغییر می‌کند.
مشاهدات اخترشناسی
در بابل و یونان باستان، اخترشناسی بیشتر اخترسنجی بود و موقعیت ستاره‌ها و سیاره‌ها در آسمان مورد توجه زیادی قرار داشت. بعدها، تلاش‌های اخترشناسانی چون آیزاک نیوتن و یوهانس کپلر علم مکانیک سماوی را پدید آورد و اخترسنجی بر پیش بینی حرکت آن دسته از اجرام سماوی که میانشان نیروی جاذبه گرانشی وجود داشت تمرکز یافت. این پیشرفت به طور خاص در مورد منظومه شمسی به کار گرفته شد. امروزه موقعیت و حرکت اجرام به آسانی تعیین می‌شود و اخترشناسی مدرن بر مشاهده و درک طبیعت فیزیکی اجرام سماوی تأکید دارد.
پدیده‌های آسمانی
پدیده‌های آسمانی ماده فیزیکی طبیعی موجود در فضای بیرونی که موضوعات اخترشناسی را تشکیل می‌دهد و بطور عمده شامل:
- ستاره
- سیاره
- قمر
- سیارک
- دنباله‌دار
- شهابواره
- شهاب‌سنگ
- کهکشان
- سحابی
دانش سیارات
این رشته اخترشناسی مجموعه سیارات، اقمار طبیعی، سیارات کوتوله، ستارگان دنباله‌دار، شبه ستارگان و دیگر اجرام سماوی که به دور خورشید می‌چرخند و همچنین سیارات خارج از سلطه خورشید را بررسی می‌کند. منظومه شمسی با استفاده از تلسکوپ‌ها و در نهایت سفینه‌های فضایی به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته‌است. این اطلاعات بدست آمده منبع خوبی برای درک بهتر از نحوه پیدایش و تکامل این منظومه سیارات محسوب می‌شود اما هنوز باید تحقیقات را به طور گسترده ادامه دهیم.
منظومه شمسی از سیارات داخلی، کمربند شبه ستاره و سیارات خارجی تشکیل شده‌است. سیارات خاکی عبارت‌اند از: تیر، زهره، زمین و مریخ. سیارات ابرگاز خارجی عبارت‌اند از: مشتری، زحل، اورانوس و نپتون.
این سیارات از یک صفحه دیسک مانند سیاره‌ای بدوی تشکیل شده‌اند که در اطراف خورشید قرار داشته‌است. به علت وجود جاذبه، برخورد و اتحاد، دیسک مجموعه‌ای‌هایی از ماده تبدیل شد که همان سیارات بدوی بودند. سپس فشار تشعشعات طوفان‌های خورشیدی بخش اعظم ماده را به حاشیه راند و تنها سیاراتی که از جرم کافی برخوردار بودند در جو گازی باقی ماندند. این سیارات در طی دورانی که در آن بمباران‌های شدیدی صورت می‌گرفت، و از شواهد آن می‌توان به دره‌های ناشی از بمباران در سطح ماه اشاره کرد، مواد موجود در اطراف خود را جذب یا آنها را دور ساختند. در طی این دوران احتمالاً برخی از سیارات بدوی با یکدیگر برخورد کردند و برای مثال نظریه برخورد بزرگ نحوه شکل گیری ماه را تشریح می‌کند.
وقتی سیاره به جرم مورد نظر و مناسب دست پیدا می‌کند، در طی پدیده تفکیک سیاره‌ای، مواد با چگالی مختلف در داخل سیاره پخش می‌شوند. در طی این فرایند یک هسته سنگی یا فلزی تشکیل شده و اطراف آن را مواد مختلف احاطه می‌کنند. هسته می‌تواند حاوی مواد جامد یا مایع باشد و برخی از هسته‌های سیارات دارای میدان مغناطیسی مخصوص به خود هستند که جوآنها را از طوفان‌های خورشیدی مصون نگاه می‌دارد. گرمای داخلی ماه یا سیاره براثر برخورد مواد رادیواکتیو (مانند اورانیوم و توریم و۲۶Al) و یا گرمای ناشی از مد تولید می‌شود. دربرخی از سیارات و اقمار آنها گرمای کافی برای وقوع پدیده‌هایی مانند آتشفشان و تکتونیک وجود دارد. سطح سیاراتی که دارای جو هستند دراثر حرکت آب و باد دچار فرسودگی می‌شود. اجرام کوچک‌تر که از گرمای ناشی از مد بهره‌مند نیستند به سرعت سرد می‌شوند و اغلب فعالیت‌های عادی شان متوقف می‌شود.
اخترشناسی ستارگان (ستاره‌شناسی)
مطالعه ستارگان و تکامل ستارگان در درک بهتر از نحوه تکامل عالم بسیار بسیار مفید است. درک اختر فیزیک ستارگان با مشاهدات فضایی، درک نظریات مختلف و شبیه‌سازی کامپیوتری امکان‌پذیر است.
فرایند شکل گیری ستارگان درمحل‌هایی که حاوی گرد و غبار غلیظ هستند وبه ابرهای مولکولی عظیم یا سحابی سیاه شهرت دارند رخ می‌دهد. تکه ابرها درحالت ناپایداری وتحت تأثیر جاذبه ستارگان اولیه را تشکیل می‌دهند. براثر پدیده جوش هسته‌ای یک هسته داغ وبه اندازه کافی چگال تشکیل شده و درنهایت به یک ستاره توالی اصلی تبدیل می‌شود.
ویژگی‌های ستاره‌ای که به وجود آمده‌است به جرم اولیه ستاره بستگی دارد. هرچه جرم اولیه بیشتر بوده باشد، درخشندگی ستاره و سرعت مصرف سوخت هیدروژن در هسته آن بیشتر است. با گذشت زمان سوخت هسته بیشتری نیاز است و بنابراین هسته حجیم تر و چگال تر می‌شود. درنتیجه این واکنش‌ها یک غول قرمز تولید می‌شود که تا زمان مصرف شدن همه سوخت هلیم عمر می‌کند. ستاره‌های بزرگ در فرایندهای جوش هسته‌ای از عناصر سنگین تر هم استفاده می‌کنند و فازهای تکاملی دیگری به این فازها اضافه می‌شود.
سرنوشت ستاره به جرم آن بستگی دارد و ستارگانی که جرم آنها بیش از ۱/۴ برابر جرم خورشید است به ابرنواختر تبدیل می‌شوند درحالیکه ستارگان کوچک‌تر به سحابی‌های سیاره‌ای و درنهایت به کوتوله‌های سفید تبدیل می‌شوند. جسم باقی‌مانده از ابرنواختر یک ستاره نوترونی چگال است واگر جرم ستاره بیش از سه برابر جرم خورشید باشد ابرنواختر به یک سیاه چاله تبدیل می‌شود.
سیر تحولی و رشد
با گسترش روزافزون علم و ساخت تلسکوپ‌های دقیق، دانشمندان در اندازه‌گیری ابعاد جهان روزبه‌روز به نتایج جدیدتری نائل می‌شدند. با ساخته شدن و گسترش این وسایل اندازه‌گیری، دید بشر نسبت به جهان نیز تغییر یافت. مثلاً با چشم غیرمسلح (برهنه) تقریباً می‌توانیم در حدود ۶ هزار ستاره را ببینیم، اما اختراع تلسکوپ ناگهان آشکار کرد که این فقط جزیی از جهان است.
هر چند با بوجود آمدن وسایل دقیق اندازه‌گیری، دانش نیز نسبت به جهان هستی، گسترش پیدا می‌کرد، اما نظریه‌های مختلفی توسط دانشمندان ارائه می‌گردد. از جمله دانشمندانی که نسبت به ارایه این نظریه‌ها اقدام کردند می‌توان به ویلیام هرشل (Wiliam Herschel)، ستاره‌شناس آلمانی‌تبار انگلیسی، یاکوبوس کورنلیس کاپیتن (Jacobus cornelis kapteyn)، اخترشناس هلندی، شارل مسیه (Charles Messier) و ادوین هابل (Edwin Hubble) و … اشاره کرد. پایان جهان کجاست؟ سرانجام بعد از تحقیقات گسترده توسط پیچیده‌ترین تلسکوپ‌ها، دانشمندان دریافتند که:
غیر از کهکشان ما، کهکشان‌های دیگری نیز وجود دارد؛ کهکشان‌هایی وجود دارند که جرم آنها بیشتر از کهکشان ماست. بر اساس مقیاس جدید فاصله‌ها، سن زمین حد اقل ۵ میلیارد سال است و این حد با حدسیات زمین شناسان در مورد سن زمین مطابقت دارد.
همچنین تلسکوپ‌های جدید وجود خوشه‌های کهکشانی را نشان می‌دهد؛ کهکشان ما نیز ظاهراً جزیی از یک خوشه محلی است که شامل ابرهای ماژلان، کهکشان امرأه المسلسله و سه‌ها، کهکشان کوچک نزدیک آن و چند کهکشان کوچک دیگر هست که روی هم رفته نوزده عضو را تشکیل می‌دهند.
اگر کهکشانها خوشه‌ها را و خوشه‌ها نیز خوشه‌های بزرگتری را تشکیل می‌دهند، آیا می‌توان گفت که جهان و به تبع آن فضا، تا بینهایت گسترده شده است؟ یا اینکه چرا برای جهان و چه برای فضا انتهایی وجود ندارد؟ در هر حال، دانشمندان با وجود اینکه با تخمین می‌توانند تا فاصله ۹ میلیارد سال نوری، چیزهایی را تشخیص دهند، ولی هنوز هم نشانه‌ای از پایان جهان پیدا نکرده‌اند.
انقلاب علمی
طی دوران رنسانس، نیکلاس کوپرنیک مدل خورشید محوری را برای سامانه خورشیدی (منظومه شمسی) پیشنهاد کرد. گالیلئو گالیله و یوهانس کپلر پیشنهاد وی را بسط داده و آن را اصلاح کردند. گالیله تلسکوپ را اختراع کرد تا بتواند مشاهدات خود را به صورت دقیق تری انجام دهد.
کپلر اولین کسی بود که با بیان اینکه خورشید در مرکز قرار دارد و بقیه سیاره‌ها به دور آن می‌چرخند مدل تقریباً کاملی را ارائه کرد. با این وجود کپلر نتوانست برای قوانینی که ارائه نمود نظریه‌ای تهیه کند. در نهایت ایزاک نیوتن با ارائه قوانین حرکت اجرام سماوی و قانون گرانش حرکت سیاره‌ها را توصیف کرد. نیوتن مخترع تلسکوپ بازتابی است.
کشفیات جدید باعث شد که ابعاد و کیفیت تلسکوپ بهبود بیابد. نیکلاس لوییس لاسیل نقشه‌های بیشتری از موقعیت ستارگان در فضا را ارائه نمود. ویلیام هرشل نقشه گسترده‌ای از خوشه‌های سماوی و تهیه کرد و در سال ۱۷۸۱ توانست سیارهٔ اورانوس را کشف کند که اولین سیاره کشف شده توسط انسان محسوب می‌شود. در سال ۱۸۳۷ برای اولین بار فردریش بسل فاصله ستاره ۶۱ دجاجه را مشخص کرد.
در قرن نوزدهم میلادی، توجه دانشمندانی چون لئونارد اویلر، الکسیس کلاد کلایرات و جین دالمبرت به مسأله سه جسمی باعث شد پیش بینی‌های دقیق تری در مورد حرکت ماه و ستارگان انجام شود. ژوزف لویی لاگرانژ و پیرسیمون لاپلاس این کار را تکمیل کردند و میزان انحراف اقمار و سیاره‌ها از وضعیت اصلی‌شان را تخمین زدند.
با اختراع طیف‌نگار و عکاسی افق‌های جدیدی به روی اخترشناسی باز شد. در طی سال‌های ۱۸۱۴ و ۱۸۱۵ ژوزف وان فرانهوفر در طیف نور خورشید حدود ۶۰۰ نوار را مشاهده کرد و در سال ۱۸۵۹، گوستاو کیرشهف این نوارها را به حضور عناصر مختلف در جو خورشید نسبت داد. معلوم شد که بقیه ستارگان به ستاره منظومه شمسی (خورشید) شباهت زیادی دارند اما در ابعاد مختلف و با دماها و عناصر درونی متفاوتی دیده می‌شوند. قرار داشتن زمین در کهکشان راه‌شیری، به عنوان مجموعه‌ای از ستاره‌ها و سیاره‌ها، در قرن بیستم کشف گردید و هم‌زمان وجود دیگر کهکشان‌های خارجی در فضا تأیید شد و بلافاصله پدیده انبساط عالم عامل اصلی وجود فاصله زیاد بین زمین و دیگر کهکشانها اعلام شد.
همچنین در اخترشناسی مدرن وجود اجرام خارجی زیادی مانند اختروشها، و کهکشان‌های رادیویی را تأیید کرد و با استفاده از این مشاهدات نظریه‌های فیزیکی ارائه نمود که برخی از آنها این اجرام را براساس اجرام دیگر مانند ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها توصیف می‌کنند. کیهان‌شناسی فیزیکی در طی قرن ۲۰ میلادی پیشرفتهای زیادی را تجربه کرد و نظریه مهبانگ (بیگ بنگ یا انفجار بزرگ) براساس شواهد کشف شده در علوم اخترشناسی و فیزیک مانند تابش زمینه‌ای ریزموج کیهانی، قانون هابل و تشکیل هسته مهبانگ قوت یافت.