天文学，不止看星星那么简单

尹恩沛

我想进入天文学领域，正在斟酌哪个方向适合自己。我在数学方面很有天赋，希望学习天文课程时用上数学。考虑到我喜欢数学，请问什么大学课程或天文学方向是最佳选择？

        我很开心你能对天文和数学都感兴趣。对数学感兴趣又有很好的理解能力，这可以让你有非常好的知识背景去学习任何类型的天文学。

        事实上，天文学的任何领域多多少少都需要用到数学。例如，你想用望远镜（即便是自动的），去观察一个天体时，你要知道如何去计算：该天体什么时候会出现在天空中，在天空中的可见时长，随着天体亮度变化你需要观察多长时间。当得到这些望远镜图像，你需要去分析它们，这通常意味着你需要测量这些图像，然后用不同的数学公式将测量数据转化成物理数值，比如恒星亮度或行星半径。

        如果你对望远镜观测不感兴趣，但又很想研究一些严谨的天文数学，那你可以考虑计算机模拟理论模型。这包括什么？我先大概说说，再讲个具体例子。首先你想到一个天文问题，但并不满意目前天文学家对于这个问题的解释。接着你思考这个问题出现时会有哪些天文条件，并把这些写进电脑程序。然后在你的程序中包括宇宙运行的物理定律，例如引力如何起作用、光如何传输吸收，等等。这是艰难的一步，一会我再来说说。接下来，运行计算机模拟，看看结果如何。如果你的结果恰好符合现实生活中我们看到的情况，那么恭喜，你走在解决问题的正确道路上。如果不符合，那么意味着计算机模拟的某部分脱离现实，所以你哪里出了差错或者没有囊括某些重要条件—很有可能出在上面提到的艰难的一步上，我很快会再谈到它。

        现在来举个实例。很多天文学家用理论模型和计算机模拟试图解决太阳系是如何形成的。我们知道太阳和行星（以及小行星、彗星、卫星等）形成自巨大的气体云团...但如何形成？致力于此的理论学家们已经编写了计算机程序，其中包括我们所公认的典型气体云团：它们的组成成分、温度、体积和其他特性。

        接着，他们将相关的物理规律例如引力作用、气液固转化等等也写进程序里。这是艰难的一步（正如我上面提到的），因为有非常非常多的物理定律，如果把它们全写进程序里，就会运行得非常慢。所以天文学家们要去选择这里面他们认为重要的。最后，在这个程序模拟运行“数百万年”，看它最终会呈现什么结果。

        现有的对太阳系形成的理论模型，已被编程成模拟程序，模拟结果和真实的“太阳系”看上去很像：太阳位于中心，类地行星接近太阳，气态巨行星离得较远。这个模型告诉我们，由于引力作用，气体云团压缩，在原太阳周围形成圆盘，然后其中的气体慢慢凝聚成小块固体，固体逐渐积累，形成行星。我这样说，好像我们已经搞清楚了全部事情—事实并非如此。天文学家们就发生的主要事件达成了共识，但还有很多太阳系形成过程中的细节我们还没有搞明白。

        然而，计算机模拟出很多从未见过的奇奇怪怪结果。哪里出了问题？很有可能是没把一个（或两个）很重要的物理条件写进去。再说了，我们并不能精确地知道初始气体云团的性质。不论哪种情况，天文学家要去修改理论模型，相应地调整计算机程序，然后不断地尝试。

        天文学家会用哪样的理论·模型去探索什么课题呢？以下几个供你参考：

        1、太阳系的形成

        2、星球的内部是怎样的？我们并不能真的进到恒星里面去看，所以只能根据星球的外面去推测。

        3、星系如何形成？数十亿年前，星系形成于大爆炸不久后，所以我们现在看不到能够帮助我们搞懂这个问题的任何星系的形成。

        4、恒星演化。随着时间推移，恒星如何变化如何消亡。某些恒星（比如太阳）会演变成白矮星，其他的会爆发成超新星，遗留下中子星和黑洞。因为我们无法做到观察一个恒星数千年直至消亡，要搞清楚这一连串事件和具体部分是很难的，

        5、暗物质。我们看不到这种物质，因此我们构想它是由一种我们还没发现的粒子组成的。它只通过引力和其他平常物质联系，这是通过理论模型和模拟了解到的。

        6、引力透镜。一些物体，例如星系团，有非常强大的引力以至于真的可以弯曲光线的路径。通过研究光线弯曲程度，我们可以推测这团物质有多少，是什么样的。

        7、暗能量和大爆炸。宇宙究竟是如何伊始的？暗能量在其中扮演着何种角色？

要选什么课程？

        对于你可以选择的，任何天文学方向，都需要扎实的物理背景（这也意味着扎实的数学背景）都是好主意。通常的做法是，大学主修物理，选修天文。如果对理论模型和计算机模拟非常感兴趣，你应该考虑选修一些编程相关课程。很多物理院系也会开设有关数学和针对理论模型编程的专项课程。

        完成四年大学学业后，如果你还想深入学习天文数学，可以申请天文类的研究院校。他们会非常欢迎物理专业的本科生。研究生阶段，你会开始着手研究你感兴趣的天文问题项目。我在麻省理工学院（MIT）读本科的时候，我是物理和行星科学双学位，然后到波士顿大学攻读天文研究生。

        好啦~希望我的回答能帮到你。呃，希望我的回答不是那么地强势，因为我一直在说天文学。天文学有非常多的激动人心的课题，所以我相信你也会找到自己特别感兴趣的那一个。祝你好运！

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