ヨーロッパ南天天文台のパラナル天文台が銀河中心に向けてレーザーガイド星を発射している

天文学は、天体と宇宙で起こる現象を研究する自然科学です。数学、物理学、化学を用いて、それらの起源と進化全体を解明します。対象となる天体には、惑星、衛星、恒星、星雲、銀河、流星体、小惑星、彗星などがあります。関連する現象には、超新星爆発、ガンマ線バースト、クエーサー、ブレーザー、パルサー、宇宙マイクロ波背景放射などがあります。より一般的には、天文学は地球の大気圏外で発生するあらゆるものを研究対象とします。宇宙論は、宇宙全体を 研究する天文学の一分野です。

天文学は最も古い自然科学の一つです。記録に残る古代文明は、夜空を系統的に観測していました。エジプト人、バビロニア人、ギリシャ人、インド人、中国人、マヤ人、そしてアメリカ大陸の多くの古代先住民などがこれにあたります。かつて天文学は、天体測量、天体航法、観測天文学、暦の作成など、実に多様な分野を含んでいました。

専門的な天文学は、観測天文学と理論天文学の2つの分野に分かれています。観測天文学は、天体の観測からデータを取得することに重点を置いています。取得したデータは物理学の基本原理を用いて分析されます。理論天文学は、天体や現象を記述するためのコンピュータモデルや解析モデルの開発に重点を置いています。これら2つの分野は互いに補完し合っています。理論天文学は観測結果の説明を目指し、観測は理論結果を裏付けるために用いられます。

天文学は、アマチュアが積極的な役割を果たす数少ない科学の一つです。特に、突発現象の発見と観測においては顕著です。アマチュア天文学者は、新しい彗星の発見など、多くの重要な発見に貢献してきました。

語源

天文学（ギリシャ語のἀστρονομία（ἄστρον astron、「星」）と-νομία -nomia（νόμος nomos、「法則」または「規則」）に由来）は、天体に関する研究を意味します。[1]天文学は、人間の営みは天体の位置と相関関係にあると主張する占星術と混同されるべきではありません。この2つの分野は共通の起源を持ちますが、それぞれ異なる分野へと発展しました。天文学は物理学によって支えられているのに対し、占星術は物理学によって支えられていません。[2]

「天文学」および「天体物理学」という用語の使用

「天文学」と「天体物理学」は、現代の用法ではほぼ同義語です。[3] [4] [5]辞書の定義では、「天文学」は「地球の大気圏外にある物体や物質、およびそれらの物理的・化学的性質の研究」であり、[6]「天体物理学」は「天体や現象の挙動、物理的性質、および動的過程」を扱う天文学の一分野です。[7]フランク・シュー著の入門書『The Physical Universe 』の序文に見られるように、 「天文学」は対象の定性的な研究を意味するのに対し、「天体物理学」は対象の物理学的側面を重視するバージョンです。[8]天体測量学などの分野は、この意味では天体物理学というよりは純粋に天文学です。研究部門は、その部門が歴史的に物理学部門と提携しているかどうかに応じて「天文学」と「天体物理学」を使い分けることがあります。[4]また、多くのプロの天文学者は天文学ではなく物理学の学位を取得しています。[5]そのため、現代の用法では、この2つの用語はしばしば互換的に使用されます。[3]

歴史

先史時代

ネブラ天文盤（紀元前 1800-1600年頃）は、おそらく天文施設の近くで発見されたもので、太陽または満月、三日月、プレアデス星団、夏至と冬至が円盤の側面に金色の帯で描かれており、[9] [10]上部は地平線[11]と北を表していると考えられます。

天文学の初期の発展は、農業暦のような実用的なニーズによって推進されました。有史以前、ストーンヘンジなどの考古学的遺跡は、古代における天文観測への関心の証拠を提供しています。[12] : 15 また、天文暦として機能するネブラ天盤 などの遺物からもその証拠が示されています。ネブラ天盤は1年を12の太陰月（354日）と定義し、閏月を加えて太陽年を構成します。この天盤には、太陽、月、そして7つの星団を含む星々を象嵌したシンボルが刻まれています。[9] [13] [14]

クラシック

バビロニアの星座早見盤（紀元前7世紀）。バビロニア天文学は初期の天文学機器でした。60進法（例：12、24、60、360）の使用は、今日でも広く時刻計測や天体測定に用いられています。[15]

エジプト、メソポタミア、ギリシャ、インド、中国などの文明は、異文化の影響を受けながら、天文台を創設し、宇宙の本質に関する考えを発展させ、暦や天文機器も開発しました。[16]初期の重要な発展は、バビロニア人の間で数学的・科学的天文学が始まったことで、他の文明における天文学の伝統の基礎を築きました。[17]バビロニア人は、月食が223朔望月のサロス周期で繰り返されることを発見しました。[18]

バビロニア人の後、古代ギリシャとヘレニズム世界で大きな進歩が遂げられた。ギリシャ天文学は天体現象に対する合理的かつ物理的な説明を求めた。[19]紀元前3世紀には、サモス島のアリスタルコスが月と太陽の大きさと距離を推定し、地球と惑星が太陽の周りを回る太陽系モデルを提唱した。これは現在、地動説と呼ばれている。[20]紀元前2世紀には、ヒッパルコスが月の大きさと距離を計算し、アストロラーベなど、当時知られている最も初期の天文学機器を発明した。[21]彼はまた、恒星に対する春分点と夏至点の位置のわずかなずれを観察した。これは現在では歳差運動によるものだとわかっている。[12]ヒッパルコスは1020個の星のカタログも作成し、北半球の星座のほとんどはギリシャ天文学に由来している。 [22]アンティキティラ島の機械（紀元前 150年頃～紀元前80年頃）は、特定の日付における太陽、月、そして惑星の位置を計算するために設計された初期のアナログ計算機でした。同様の複雑な技術的遺物は、14世紀にヨーロッパで機械式天文時計が登場するまで再び現れませんでした。[23]

古代ギリシャ時代以降、天文学はクラウディオス・プトレマイオスにちなんで名付けられた、地球中心の宇宙モデル、すなわちプトレマイオス体系によって支配されました。彼の13巻からなる天文学書は、アラビア語訳で『アルマゲスト』と名付けられ、1000年以上にわたって主要な参考文献となりました。[24] : 196  この体系では、地球が宇宙の中心であり、太陽、月、そして星々がその周りを回転していると信じられていました。[25]この体系は最終的に信用を失いましたが、当時利用可能な天体の位置に関する最も正確な予測を提供していました。[24]

ポストクラシカル

1493年の天文総覧にあるアルフラガヌスの肖像。イスラムの天文学者たちはインド、ペルシャ、ギリシャの文献を収集・翻訳し、独自の著作を加えた。[26]

中世イスラム世界では天文学が栄えた。9世紀初頭までには天文台が設立された。[ 27] [28] [29] 964年、アンドロメダ銀河は局部銀河群最大の銀河で、ペルシャのイスラム天文学者アブドゥルラフマーン・アル・スーフィーの著書『恒星の書』に記載されている。[30] SN 1006超新星は、過去1000年間で最も明るい見かけ等級の恒星現象で、 1006年にエジプトのアラブ人天文学者アリー・イブン・リドワンと中国の天文学者によって観測された。 [31]イランの学者アル・ビールーニーは、プトレマイオスとは反対に、太陽の遠地点（天空の最も高い点）は固定されておらず、移動していると観察した。[32] [33]アラビアの天文学者は、現在個々の星に使用されている多くのアラビア語の名前を導入しました。[34]

グレート・ジンバブエとトンブクトゥの遺跡[35]には天文台があった可能性がある。[36]後古典期西アフリカでは、天文学者たちは星の動きと季節との関係を研究し、複雑な数学的計算に基づいて天文図や他の惑星の軌道図を作成した。[37] ソンガイの歴史家マフムード・カティは1583年に流星群を記録した。 [38]

中世ヨーロッパでは、リチャード・オブ・ウォリングフォード（1292–1336）が、惑星と他の天体との間の角度の測定を可能にした最初の天文時計、レクタングルスを発明した。 [39]また、月、太陽、惑星の経度などの天文学的な計算に使用できるアルビオンと呼ばれる赤道儀も発明した。[40]ニコラ・オレーム（1320–1382）は、地球の自転の証拠について論じた。[41]ジャン・ビュリダン（1300–1361）は、インペトゥス理論を展開し、天体の運動などを説明した。[42] [43] 6世紀以上 にわたって（中世後期の古代の学問の復興から啓蒙時代まで）、ローマカトリック教会は、おそらく他のすべての組織よりも天文学の研究に対して財政的および社会的支援を行っていた。[44]

初期の望遠鏡

ガリレオの画期的な著書『星界の報告』（1610年）に描かれた月の地形の最初のスケッチ

ルネッサンス期には、ニコラウス・コペルニクスが太陽系の太陽中心モデルを提唱した。[45] 1610年、ガリレオ・ガリレイは金星の位相が月と似ていることを観測し、太陽中心モデルを裏付けた。[12]同じ頃、太陽中心モデルはヨハネス・ケプラーによって定量的に体系化された。[46]ティコ・ブラーエによる20年にわたる注意深い観測を分析して、ケプラーは太陽の周りの惑星の運動の詳細を記述するシステムを考案した。[47] : 4  [48]ケプラーはコペルニクスの等速円運動ではなく楕円運動を選択したが、[12]自分が書き留めた法則の背後にある理論を定式化することはできなかった。[49]惑星の運動を最終的に説明したのは、天体力学と万有引力の法則を発明したアイザック・ニュートンだった。 [50]ニュートンは反射望遠鏡も開発しました。[51]ニュートンはリチャード・ベントレー と共同で、星は太陽のようなものだが、はるかに遠くにあると提唱しました。[47]

新しい望遠鏡は星についての考え方も変えた。1610年までにガリレオは、私たちが天の川と呼ぶ、夜に空を横切る光の帯が、無数の星でできていることを発見した。[12] : 48  1668年、ジェームズ・グレゴリーは木星の明るさをシリウスと比較し、その距離を83,000 AU以上と推定した。[47]イギリスの天文学者で、英国初の王室天文官であるジョン・フラムスティードは、3000を超える星のカタログを作成したが、そのデータは1712年に彼の意に反して公開された。[52]天文学者ウィリアム・ハーシェルは、星雲と星団の詳細なカタログを作成し、1781年に最初の新惑星である天王星を発見した。 [53]フリードリヒ・ベッセルは1838年に恒星の視差の技術を開発しましたが、応用が非常に困難だったため、1900年までに測定された星は約100個しかありませんでした。[47]

18世紀から19世紀にかけて、レオンハルト・オイラー、アレクシ・クロード・クレロー、ジャン・ル・ロン・ダランベールによる三体問題の研究は、月と惑星の運動に関するより正確な予測につながりました。この研究はジョゼフ＝ルイ・ラグランジュとピエール・シモン・ラプラスによってさらに洗練され、惑星と衛星の質量を摂動から推定できるようになりました。[54]

天文学における大きな進歩は、分光器や天体写真といった新しい技術の導入によってもたらされました。1814年から1815年にかけて、ヨーゼフ・フォン・フラウンホーファーは太陽やその他の恒星のスペクトル中に約574本の暗線を発見しました。 [55] [56] 1859年、グスタフ・キルヒホフはこれらの線が様々な元素の存在に起因すると結論付けました。[57]

銀河

ウィリアム・ハーシェルの『天体の構築について』より星の図。[58]

1700年代後半、ウィリアム・ハーシェルは地球から様々な方向にある星の分布を地図化し、宇宙は太陽を中心とした星の円盤、すなわち天の川銀河の中心にあると結論付けました。ジョン・ミッシェルが星の固有光度が異なることを実証し、ハーシェル自身もより強力な望遠鏡を用いてあらゆる方向に新たな星が出現することを観測した後、天文学者たちは、ぼんやりとした渦巻星雲の一部が遠方の島宇宙であると考えるようになりました。[47] : 6 

1888年にアイザック・ロバーツが撮影したアンドロメダ大星雲の写真。 [59] [60] : 63 

地球の銀河である天の川銀河を含む銀河が星の集団として存在することが実証されたのは、20 世紀になってからである。[61] 1912 年、ヘンリエッタ・リーヴィットは、明確で周期的な光度変化を示すセファイド変光星を発見した。この変化を使って星の真の光度を確定し、正確な距離推定の手段にすることができる。セファイド変光星を使って、ハーロー・シャプレーは天の川銀河の正確な地図を初めて作成した。[47] : 7 エドウィン・ハッブルはフッカー望遠鏡を使って、いくつかの渦巻星雲でセファイド変光星を特定し、1922 年から 1923 年にかけて、アンドロメダ星雲やさんかく座などが、私たちの銀河系外にある銀河であることを決定的に証明し、宇宙が多数の銀河で構成されていることを証明した。[62]

宇宙論

アルバート・アインシュタインが1917年に一般相対性理論を発表したことで、宇宙全体の理論モデルの近代時代の幕開けとなった。[63] 1922年、アレクサンダー・フリードマンは静的、膨張、収縮の解を示す宇宙の簡略化モデルを発表した。[47] : 13  1929年、ハッブルは銀河はすべて地球から距離に比例した速度で遠ざかっているという観測結果を発表した。この関係は今日ハッブルの法則として知られている。この関係は、宇宙が膨張しているならば当然のことである。[47] : 13 かつて宇宙は非常に高密度で高温であったという結果は、ジョルジュ・ルメートルが1927年に発表したビッグバン概念であり、 [64]それを支持する実験的証拠はなかった。1940年代以降、高密度条件下での核反応速度が研究され、1940年代後半から1950年代前半にかけてビッグバン元素合成の成功したモデルが開発された。その後1965年に宇宙マイクロ波背景放射が発見され、ビッグバンの証拠が確固たるものとなった。[47] : 16 

理論天文学では、ブラックホール[65]や中性子星[66]などの天体の存在が予測されていました。これらはクエーサー[67]やパルサー[68]などの現象を説明するために使われてきました。

宇宙望遠鏡は、通常は大気によって遮られたりぼやけたりする電磁スペクトルの一部の測定を可能にしました。[69] LIGOプロジェクトは2015年に重力波の証拠を検出しました。 [70] [71]

観測天文学

観測天文学の種類の概要、波長とその観測可能性の関係

観測天文学は、さまざまな波長の電磁放射に依存しており、天文学の形態は、観測が行われる電磁スペクトルの対応する領域に従って分類されます。 [72]これらのサブフィールドに関する具体的な情報は以下に記載されています。

無線

ニューメキシコにある超大型干渉電波望遠鏡

電波天文学では、主に1ミリメートルから15メートル（周波数20MHzから300GHz）の、可視光線の範囲をはるかに超える長波長の放射線を使用します。[ 73]通常は目に見えない気体である 水素は、21cm（1420MHz）のスペクトル線を生成します。このスペクトル線は電波波長で観測可能です。 [74]電波波長で観測可能な天体には、星間ガス、[74] パルサー、[74] 高速電波バースト、[74] 超新星、[75]活動銀河核などがあります。[76]

赤外線

マウナケア山頂にあるすばる望遠鏡（左）とケック天文台（中央）。どちらも近赤外線と可視光線の波長で観測されています。NASA赤外線望遠鏡施設（右）は、近赤外線のみで観測される望遠鏡の一例です。

赤外線天文学は、私たちの視覚の範囲外にある、赤色の可視光線よりも波長の長い赤外線を検出します。赤外線スペクトルは、可視光を放射するには冷たすぎる天体、例えば塵によって光が遮られている惑星、恒星周回円盤、星雲などを研究するのに役立ちます。赤外線の長波長は可視光を遮る塵の雲を透過できるため、分子雲や銀河の中心核に埋め込まれた若い星の観測が可能になります。特に、広域赤外線探査衛星（WISE）による観測は、多数の銀河系原始星とその主星団の発見に効果的でした。[77] [78]

可視光に近い赤外線波長を除いて、このような放射は大気によって大きく吸収されるか、あるいは大気自体がかなりの赤外線を放射するため、遮蔽されます。そのため、赤外線観測所は地球上または宇宙空間の高地で乾燥した場所に設置する必要があります。[79]一部の分子は赤外線で強く放射するため、宇宙の化学を研究することができます。[80]

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は赤外線を感知し、非常に遠くにある銀河を検出します。これらの銀河からの可視光は数十億年前に放射され、宇宙の膨張によって赤外線領域に移行しました。天文学者たちは、これらの遠方銀河を研究することで、最初の銀河の形成について解明したいと考えています。[81]

光学

歴史的に、可視光天文学とも呼ばれる光学天文学は、最も古い天文学の形態です。[82]観測画像は、当初は手書きで描かれていました。19世紀後半から20世紀の大部分にかけては、写真機器を用いて画像が作成されていました。現代の画像は、デジタル検出器、特に電荷結合素子（CCD）を用いて作成され、現代の媒体に記録されます。可視光自体は約380nmから700nmの範囲ですが[ 83]、同じ機器を用いて近紫外線や近赤外線の観測も可能です。[84]

紫外線

紫外線天文学は、地球の大気に吸収される紫外線波長を用いるため、上層大気または宇宙からの観測が必要となる。紫外線天文学は、これらの波長で非常に明るい高温の青色OB星からの熱放射とスペクトル輝線の研究に最も適している。[85]

X線

NASAのチャンドラX線観測衛星によって発見された超大質量ブラックホールから発生したX線ジェット。初期宇宙からの光によって可視化された。

X線天文学は、極めて高温で高エネルギーの過程によって生成されるX線を利用します。X線は地球の大気圏で吸収されるため、観測は気球、ロケット、あるいは特殊な衛星などを用いた高高度で行う必要があります。X線源には、 X線連星、超新星残骸、銀河団、活動銀河核などがあります。[86]太陽の表面は比較的低温であるため、太陽や他の恒星のX線画像は、高温の太陽コロナに関する貴重な情報を提供します。[87]

ガンマ線

ガンマ線天文学は、電磁スペクトルの最短波長（最高エネルギー）で天体を観測する。ガンマ線は、コンプトンガンマ線観測衛星などの衛星によって直接観測されるか、[88]または大気チェレンコフ望遠鏡と呼ばれる特殊な望遠鏡によって観測される。チェレンコフ望遠鏡はガンマ線を直接検出するのではなく、ガンマ線が地球の大気に吸収されたときに発生する可視光の閃光を検出する。[89] [90]ガンマ線天文学は、宇宙線 の起源、暗黒物質の消滅イベントの可能性、活動銀河核（AGN）からの相対論的粒子流出、そしてAGNを遠方源として用いた銀河間空間の特性に関する情報を提供する。[91]ガンマ線バーストは、一時的に放射する極めてエネルギーの高いイベントであり、宇宙で最も明るい（最も明るい）現象である。[92]

非電磁観測

地下アンタレスニュートリノ望遠鏡

遠方から発生するいくつかの現象は、電磁放射に依存しないシステムを使用することで地球から観測できる可能性がある。[93] [94]

ニュートリノ天文学では、天文学者はSAGE、GALLEX、神岡II/IIIといった高度に遮蔽された地下施設を用いてニュートリノを検出しています。地球を通過するニュートリノの大部分は太陽起源ですが、1987A超新星からも24個のニュートリノが検出されました。宇宙線は、地球の大気圏に突入すると崩壊または吸収される非常に高エネルギーの粒子（原子核）で構成されており、現在の観測所で検出可能な二次粒子のカスケードを引き起こします。[93]

重力波天文学では、重力波検出器を用いて遠方の質量の大きい天体に関する観測データを収集します。レーザー干渉計重力観測所 LIGOなど、いくつかの観測所が建設されています。LIGOは2015年9月14日に連星ブラックホールからの重力波を観測し、初検出を行いました。[94] [95] 2015年12月26日には2回目の重力波が検出され、今後も観測を継続していく予定ですが、重力波の観測には非常に高感度の機器が必要です。[96] [97]

電磁波、ニュートリノ、重力波などの観測と他の補完的な情報を組み合わせた観測は、マルチメッセンジャー天文学として知られています。[98] [99]

天体測量と天体力学

光干渉計を用いた星の正確な位置の決定

天文学、そして科学全体の中で最も古い分野の一つは、天体の位置を測定する天体測量法として知られる分野である。[100]歴史的に、太陽、月、惑星、恒星の位置に関する正確な知識は、天体航法（航行の指針として天体を使用すること）や暦の作成に不可欠であった。[101]惑星の位置を注意深く測定することで、重力摂動に関する確かな理解と、惑星の過去と未来の位置を非常に正確に判定する能力が生まれ、天体力学として知られる分野となった。[102]近くの恒星の視差を測定することで、宇宙の規模を測る宇宙距離ラダーの基本的な基準が得られる。近くの恒星の視差測定は、より遠くの恒星の特性を比較できるため、それらの特性の絶対的な基準となる。[103]星の視線速度[104] [105]と固有運動の測定により、天文学者は天の川銀河を通るこれらの星系の動きをプロットすることができます。[106]

理論天文学

理論天文学者は、解析モデルや計算機による 数値シミュレーションなど、いくつかのツールを使用します。それぞれに利点があります。プロセスの解析モデルは、何が起こっているのかの核心に対するより広範な洞察を与えるのに適しています。数値モデルは、他の方法では観測されない現象や影響の存在を明らかにします。[107] [108]現代の理論天文学は、1990年代以降の観測の劇的な進歩を反映しており、宇宙マイクロ波背景放射、遠方の超新星、銀河の赤方偏移の研究などがあり、これらは宇宙論の標準モデルの開発につながりました。このモデルでは、宇宙には大量の暗黒物質と暗黒エネルギーが含まれている必要がありますが、その性質は現在十分に理解されていませんが、モデルは多くの多様な観測と非常によく一致する詳細な予測を提供します。[109]

スケール別サブフィールド

物理宇宙論

ハッブル・エクストリーム・ディープフィールド

物理宇宙論は、宇宙の大規模構造を研究する学問であり、宇宙の形成と進化の解明を目指しています。現代宇宙論の根底にあるのは、広く受け入れられているビッグバン理論です。これは、宇宙が極めて高密度かつ高温の状態から始まり、138億年[110]かけて膨張し、現在の状態になったという概念です[111] 。ビッグバンの概念は、1965年のマイクロ波背景放射の発見後に広く受け入れられるようになりました[111]。宇宙構造の根底にあるのは、暗黒物質と暗黒エネルギーの存在です。現在、これらが宇宙の主要構成要素であると考えられており、宇宙の質量の96%を占めています。そのため、これらの構成要素の物理的性質を解明しようと多大な努力が払われています[112] 。

銀河系外

青いループ状の物体は、重力レンズ効果によって複製された、同じ銀河の複数の像です。銀河団の重力場は光を曲げ、より遠くにある天体の像を拡大したり歪ませたりします。

銀河系外の天体の研究は、銀河の形成と進化、形態（記述）と分類、活動銀河の観測、そしてより大規模な銀河群や銀河団の研究に関わっています。これらは宇宙の大規模構造の理解に役立ちます。[101]

銀河

銀河天文学は、太陽系を含む棒渦巻銀河である天の川銀河を含む銀河を研究対象としています。棒渦巻銀河は局部銀河群の主要メンバーであり、太陽系を包含しています。天の川銀河は、ガス、塵、恒星、その他の天体が互いに重力で引き合うことで回転する塊です。地球は塵に覆われた外側の腕の中にあるため、天の川銀河の大部分は視界から隠されています。[101] : 837–842, 944 

天の川銀河やその他の銀河における物質の運動学的研究は、可視物質で説明できる以上の質量が存在することを示している。この暗黒物質の性質は未だ解明されていないものの、暗黒物質ハローが質量を支配しているように見える。[113]

ステラ

星と星の進化の研究は、宇宙を理解する上で基礎となる。星の天体物理学は、観測と理論的理解、そして内部のコンピューターシミュレーションによって解明されてきた。[114]研究対象には、巨大分子雲における星形成、原始星の形成、核融合および主系列星への移行、[115]元素合成の実行などがある。[114]さらに研究対象となるプロセスには星の進化があり、[116]最終的には超新星[117]または白色矮星となる。外層が放出されると惑星状星雲が形成される。[118]超新星の残骸は高密度の中性子星、または星の質量が太陽の3倍以上であればブラックホールとなる。[119]

太陽

NASA のTRACE宇宙望遠鏡が観測した太陽の活動光球の紫外線画像。

太陽天文学は、恒星クラスG2 Vの典型的な主系列矮星であり、年齢は約46億年（Gyr）である太陽を研究する学問です。この科学で研究されるプロセスには、太陽黒点周期[120] 、太陽の光度変化（定常および周期的）[121] 、 [122] 、そして太陽の様々な層、すなわち核融合反応を伴う核、放射線層、対流層、光球、彩層、コロナの挙動が含まれます。[101] : 498–502 

惑星科学

上部の黒い点は、火星のクレーターの壁をよじ登る砂塵旋風です。この移動しながら渦巻く火星の大気柱（地球の竜巻に相当）が、長く暗い筋を作り出しました。

惑星科学は、太陽を周回する惑星、衛星、準惑星、彗星、小惑星、その他の天体、そして遠方の恒星を周回する太陽系外惑星の集合体を研究する学問です。太陽系は、当初は望遠鏡によって、後に宇宙船によって、比較的よく研究されてきました。[123] [124]

研究対象となるプロセスには、惑星の分化、惑星磁場の生成とそれがもたらす影響[125]、そして衝突、放射性崩壊、潮汐加熱などによる惑星内部の熱生成などが含まれます。そして、その熱は火山活動、テクトニクス、表面浸食といった地質学的プロセスを駆動する可能性があり、これらは地質学の各分野で研究されています[126] 。

学際的なサブフィールド

天体化学

天体化学は天文学と化学の重なり合う分野です。宇宙における分子の存在量と反応、そしてそれらと放射線との相互作用を研究します。「天体化学」という言葉は、太陽系と星間物質の両方に当てはまります。この分野の研究は、例えば太陽系の形成の理解に貢献しています。[127]

宇宙生物学

宇宙生物学（または宇宙生物学[128]）は、地球以外の生命の起源と進化を研究する学問です。地球外生命が存在するかどうか、また存在する場合、人類はどのようにしてそれを発見できるかを研究します。[129]宇宙生物学は、天文学、生化学、地質学、微生物学、物理学、惑星科学を駆使して、他の惑星における生命の存在の可能性を調査し、地球とは異なる可能性のある生物圏の認識に役立てます。 [130]生命の 起源と初期進化は、宇宙生物学の分野と切り離せない部分です。[131]これには、惑星系の起源、宇宙における有機化合物の起源、岩石・水・炭素の相互作用、地球上の生命起源、惑星の居住可能性、生命検出のためのバイオシグネチャーの研究、そして地球と宇宙空間における課題に生命が適応する可能性に関する研究が含まれます。[132] [133] [134]

他の

天文学と天体物理学は、他の主要な科学分野との学際的な連携を発展させてきました。考古天文学は、考古学的および人類学的証拠を用いて、古代または伝統的な天文学を文化的文脈の中で研究する学問です。 [135] 天体統計学は、大量の観測天体物理学的データの分析に統計学を応用する学問です。[136]最後に、 「法医天文学」として、天文学の手法は美術史の問題[137] [138]や、時には法学の問題[139]の解決にも用いられてきました。

アマチュア

アマチュア天文学者は独自の機材を作り、ステラファンなどの星空観察会や集会を開催することができます。

天文学は、アマチュアが最も貢献できる科学の 1 つです。[140]アマチュア天文学者は総じて天体や天体現象を観測しており、消費者レベルの機器や自分で作った機器を使用することもあります。一般的な観測対象には、太陽、月、惑星、恒星、彗星、流星群、星団、銀河、星雲などの深宇宙の天体などがあります。世界中の天文クラブには、メシエカタログ (110 個のオブジェクト) やハーシ​​ェル 400 カタログのすべてのオブジェクトを観測するなどの観測プログラムの設定と実行を会員が支援するプログラムがあります。[141] [142] ほとんどのアマチュアは可視波長で観測を行っていますが、可視スペクトル以外の波長で実験を行っている人もいます。アマチュア電波天文学の先駆者であるカール・ヤンスキーは、天の川銀河の中心で電波源を発見しました。[143] アマチュア天文学者の中には、自家製の望遠鏡や、もともと天文学研究用に作られた電波望遠鏡（例えば、ワンマイル望遠鏡）を使用する人もいます。[144] [145]

アマチュアは掩蔽観測によって小惑星の軌道を精密に決定することができます。彗星を発見したり、変光星を定期的に観測したりすることも可能です。デジタル技術の進歩により、アマチュアは天体写真撮影において大きな進歩を遂げることができました。[146] [147] [148]

未解決の問題

21世紀においても、天文学には未解明の重要な疑問が数多く残されています。その中には宇宙全体に関わるものもあります。例えば、宇宙の進化と運命を支配する暗黒物質と暗黒エネルギーとは何なのか？ [149]宇宙の最終的な運命はどうなるのか？[150]宇宙におけるリチウムの豊富さが、標準的なビッグバンモデルで予測される量の4分の1に満たないのはなぜなのか？[151]他にも、より具体的な現象に関する疑問があります。例えば、太陽系は正常なのか、それとも異常なのか？[152]恒星の質量スペクトルの起源は何なのか、つまり、なぜ天文学者は初期条件に関わらず、恒星の質量の分布（初期質量関数）が同じであることを観測するのか？[153]同様に、最初の銀河の形成、[154]超大質量ブラックホールの起源、[155]超高エネルギー宇宙線の源、[156]宇宙に他の生命、特に他の知的生命体が存在するかどうかについても疑問が残っています。[157] [158]

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