天文学的奥秘论文

天文学的奥秘论文

古代天文学的论文

古典文学常见论文一词，谓交谈辞章或交流思想。当代，论文常用来指进行各个学术领域的研究和描述学术研究成果的文章，下面是关于古代天文学的论文的内容，欢迎阅读！

摘要： 中国古代天文学有着上千年的悠久历史，自神话时期兴起，绵延千年不衰。但中外学者对于中国古代天文学的质疑也从未停止过。本文从科学哲学角度，叙述中国古代天文学的兴起与发展，详细分析其功能效用与历史影响，从而辨别中国古代天文学是否为真科学。

关键词： 中国古代天文学；科学哲学；真科学

一、中国古代天文学的兴起

从众多资料来看，中国古代天文学的历史之悠久，可以追溯到上古时期。传说在少昊氏时，人人私下研习天文，都搞起了沟通上天的巫术，致使天下大乱。颛顼帝命令重、黎二人“绝地天通”，禁止了平民与上天沟通交流。之后与天交流的权利就专属于天子，也只有天子钦定的巫觋才有资格去沟通上天。从此天文学在古代中国就成了皇家的专属品，而天子也开始拥有了对“天命”的解读权。这也就是中国漫长天文学史的开端。

二、中国古代天文学的发展

我国天文学至于夏商周代时已经有了一定水准的历法。特别是到了周代，已经有人开始观测流星、行星等天象及星辰。相比于上古时代，这已经有了很大的进步。

传统的天文学体系是在春秋战国时期正式完成的。在这一时期，不仅二十八星宿体系确立，而且在历法方面有了重大的进步。我们古人开始通过观测日影长短的周年变化来确定冬至和夏至的日期。并且在这一时期流传了大量人们观测流星、彗星等天象的详细记录。这些都成了我国历史上的宝贵资料。

自从春秋战国时期传统天文学大框架建立之后，秦、汉、魏晋南北朝、隋、唐、宋时期，天文学进一步蓬勃发展。不仅历法得到统一，二十四节气，浑天仪等天文知识以及天文学仪器的进一步发明使得我国的天文学一路高歌猛进。到了元朝，由于铁木真缔造了一个横跨欧亚大陆的辉煌帝国，我国古代天文学甚至传到阿拉伯等国，可谓是盛极一时。明清时期，中国开放了千年来“严禁私习天文”的禁令，使得我国古代天文学有机会走向一个新的巅峰。

三、对中国古代天文学的质疑

也正是因为我国古代天文学在很长一段时间是服务于皇室，很多中西方学者就质疑中国古代天文学是否是真正的科学。甚至有些激进派的学者直接将中国古代天文学打入伪科学的深渊。在此，笔者持有不同看法。

马克思主义的科学观认为，科学是历史发展总过程的产物，它抽象地表现了这一历史发展总过程的精华，这个精华显然包括自然科学与社会科学。每一种不同的运动形式都构成每一门具体科学的研究对象，而整个物质世界和精神世界在总体上便构成总体科学的研究对象。因此，所谓科学就是对自然界和人类社会运动、变化规律的概括，都是人们在感觉经验基础之上用“理性方法”整理概括的结果。此外在科学的本质与功能上，马克思还突出强调了科学技术是生产力，科学是一种在人类历史上起推动作用的、革命力量的思想。

按照马克思的观念，我们反观中国古代天文学，这是一门有着上千年悠久历史的学科，毫无疑问它也是历史发展的产物。无数古代先贤们定历法、造仪器、编文献来研究这浩渺天空中天体运转的奥秘。这分明就是在研究自然界的运动变化规律。更为重要的是，我国古代天文学对社会发展变革起了很大的推动作用。

中国古代天文学最重要的应用领域之一便是航海。早在战国时期中国人就根据天文学中观测到的星辰位置，发明了具有指向性功能的“司南”。这在当时的'世界上是独一无二的。这为日后开辟海上丝绸之路做出了不可磨灭的贡献。

如果大家觉得航海之术离我们日常生活过于遥远，不能说对社会变革起了决定性的作用。那么，中国作为一个传统的农业大国，农业该是我们的立身之本了吧。中国古代天文学对我国农业的发展也起到巨大的推动作用。在石器时代，人们保持着刀耕火种的农业经营方式，这种粗放的耕作模式导致了极端的低产。不过正是伴随着天文学的发展，历法的完善，节气的确立，使得传统农业高度关注农时后，精耕细作的优良方式才逐步趋于成熟，造福了无数黎民百姓。

如果说马克思的观点太过于阳春白雪，那当代科学哲学界的泰斗吴国盛教授在《什么是科学》一书中精辟分析了科学的两种基本用法，堪称下里巴人式的真知灼见。第一种是可以依靠它来振兴国家，第二种是某种积极意义上的价值判断。根据这种观点，中国古代天文学及推动了航海时代的发展，促进了国家的繁荣发展。同时，它又大力推动了农业的进步，在价值意义上来讲也是毋容置疑的“好东西”。那么我们为什么不能承认中国古代天文学是真正的科学呢？

参考文献：

[1]江晓原，钮卫星.中国天学史[M].上海人民出版社，2005.

[2]遵妫.中国天文学史[M].上海人民出版社，2007.

[3]张之沧.科学哲学导论[M].人民出版社，2004.

[4]吴国盛.什么是科学[M].民出版社，2016.

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浅论天文

天文学历史
天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时代，人们为了指示方向、确定时间和季节，而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。
古时候，人们通过用肉眼观察太阳、月亮、星星来确定时间和方向，制定历法，指导农业生产，这是天体测量学最早的开端。早期天文学的内容就其本质来说就是天体测量学。从十六世纪中期哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。此前包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，并在此后的一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。
十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。
二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。
天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具——望远镜及其后端接收设备。在十七世纪之前，人们尽管已制作了不少天文观测仪器，如中国的浑仪、简仪，但观测工作只能靠肉眼。1608年，荷兰人李波尔赛发明了望远镜，1609年伽里略制成第一架天文望远镜，并作出许多重要发现，从此天文学跨入了用望远镜时代。在此后人们对望远镜的性能不断加以改进，以期观测到更暗的天体和取得更高的分辨率。1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。1937年诞生第一台抛物反射面射电望远镜。之后，随着射电望远镜在口径和接收波长、灵敏度等性能上的不断扩展、提高，射电天文观测技术为天文学的发展作出了重要的贡献。二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。而在望远镜后端的接收设备方面，十九世纪中叶，照相、分光和光度技术广泛应用于天文观测，对于探索天体的运动、结构、化学组成和物理状态起了极大的推动作用，可以说天体物理学正是在这些技术得以应用后才逐步发展成为天文学的主流学科。
人类很早以前就想到太空畅游一番了。1903年人类在地球上开设了第一家月亮公园。花50美分就能登上一个雪茄状、带翼的车，然后车身剧烈摇晃，最后登上一个月亮模型。
同一年，莱特兄弟在空中哒哒作响地飞行了59秒，同时一位名为康斯坦丁·焦乌科夫斯基、自学成才的俄罗斯人发表了题为《利用反作用仪器进行太空探索》的文章。他在文内演算，一枚导弹要克服地球引力就必须以1．8万英里的时速飞行。他还建议建造一枚液体驱动的多级火箭。
50年代，有一个公认的基本思想是，哪个国家第一个成功地建立永久性宇宙空间站，它迟早就能控制整个地球。冯·布劳恩向美国人描述了洲际导弹、潜艇导弹、太空镜和可能的登月旅行。他曾设想建立一个经常载人的、并能发射核导弹的宇宙空间站。他说：“如果考虑到空间站在地球上所有有人居住的地区上空飞行，那么人们就能认识到，这种核战争技术会使卫星制造者在战争中处于绝对优势地位。
1961年，加加林成为进入太空的第一人。俄国人用他说明，在天上飞来飞去的并不是天使，也不是上帝。美国约翰·肯尼迪竞选的口号是“新边疆”。他解释说：“我们又一次生活在一个充满发现的时代。宇宙空间是我们无法估量的新边疆。”对肯尼迪来说，苏联人首先进入宇宙空间是“多年来美国经历的最惨痛的失败”。唯一的出路是以攻为守。1958年美国成立了国家航空航天局，并于同年发射了第一颗卫星“探险者”号。1962年约翰·格伦成为进入地球轨道的第一位美国人。
许多科学家本来就对危险的载人太空飞行表示怀疑，他们更愿意用飞行器来探测太阳系。
而美国人当时实现了突破：三名宇航员乘“阿波罗号”飞船绕月球飞行。在这种背景下，计划在1969年1月实现的两艘载人飞船的首次对接具有特殊的意义。
20世纪的80年代，苏联的第三代空间站“和平”号轨道站使其航天活动达到高峰，都让美国人感到眼热。“和平”号被誉为“人造天宫”，1986年2月20日发射上天，是迄今人类在近地空间能够长期运行的唯一载人空间轨道站。它与其相对接的“量子1号”、“量子2号”、“晶体”舱、“光谱”舱、“自然”舱等舱室形成一个重达140吨、工作容积400立方米的庞大空间轨道联合体。在这一“太空小工厂”相继考察的俄罗斯和外国宇航员有106名，进行的科考项目多达2.2万个，重点项目600个。
在“和平”号进行的最吸引人的实验是延长人在太空的逗留时间。延长人在空间的逗留时间是人类飞出自己的摇篮地球、迈向火星等天体最为关键的一步，要解决这一难题需克服失重、宇宙辐射及人在太空所产生的心理障碍等。俄宇航员在这方面取得重大进展，其中宇航员波利亚科夫在“和平”号上创造了单次连续飞行438天的纪录，这不能不被视为20世纪航天史上的一项重要成果。在轨道站上进行了诸如培养鹌鹑、蝾螈和种植小麦等大量的生命科学实验。
如果将和平号空间站看作人类的第三代空间站，国际空间站则属于第四代空间站了。国际空间站工程耗资600多亿美元，是人类迄今为止规模最大的载人航天工程。它从最初的构想和最后开始实施既是当年美苏竞争的产物，又是当前美俄合作的结果，从侧面折射出历史的一段进程。
国际空间站计划的实施分3个阶段进行。第一阶段是从1994年开始的准备阶段，现已完成。这期间，美俄主要进行了一系列联合载人航天活动。美国航天飞机与俄罗斯“和平”号轨道站8次对接与共同飞行，训练了美国宇航员在空间站上生活和工作的能力；第二阶段从1998年11月开始：俄罗斯使用“质子－K”火箭把空间站主舱——功能货物舱送入了轨道。它还担负着一些军事实验任务，因此该舱只允许美国宇航员使用。实验舱的发射和对接的完成，将标志着第二阶段的结束，那时空间站已初具规模，可供3名宇航员长期居住；第三阶段则是要把美国的居住舱、欧洲航天局和日本制造的实验舱和加拿大的移动服务系统等送上太空。当这些舱室与空间站对接后，则标志着国际空间站装配最终完成，这时站上的宇航员可增至7人。
美、俄等15国联手建造国际空间站，预示着一个各国共同探索和和平开发宇宙空间的时代即将到来。不过，几十年来载人航天活动的成果还远未满足他们对太空的渴求。“路漫漫其休远兮，吾将上下而求索”，人类一直都心怀征服太空的欲望和和平利用太空资源的决心。1998年11月，人类第一个进入地球轨道的美国宇航员、77岁的老格伦带着他未泯的雄心再次踏上了太空征程，这似乎在告诉人类：照此下去，征服太空不是梦。
[编辑本段]天文学概况
天文和气象不同，它的研究对象是地球大气层外各类天体的性质和天体上发生的各种现象——天象，而气象研究的对象是地球大气层内发生的各种现象——气象。
天文学所研究的对象涉及宇宙空间的各种物体，大到月球、太阳、行星、恒星、银河系、河外星系以至整个宇宙，小到小行星、流星体以至分布在广袤宇宙空间中的大大小小尘埃粒子。天文学家把所有这些物体统称为天体。地球也是一个天体，不过天文学只研究地球的总体性质而一般不讨论它的细节。另外，人造卫星、宇宙飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，可以称之为人造天体。
宇宙中的天体由近及远可分为几个层次：(1)太阳系天体：包括太阳、行星（包括地球）、行星的卫星（包括月球）、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。(2)银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。(3)河外星系，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。
天文学还从总体上探索目前我们所观测到的整个宇宙的起源、结构、演化和未来的结局，这是天文学的一门分支学科——宇宙学的研究内容。天文学按照研究的内容还可分为天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。
天文学始终是哲学的先导，它总是站在争论的最前列。作为一门基础研究学科，天文学在不少方面是同人类社会密切相关的。时间、昼夜交替、四季变化的严格规律都须由天文学的方法来确定。人类已进入空间时代，天文学为各类空间探测的成功进行发挥着不可替代的作用。天文学也为人类和地球的防灾、减灾作着自己的贡献。天文学家也将密切关注灾难性天文事件——如彗星与地球可能发生的相撞，及时作出预防，并作出相应的对策。
[编辑本段]太阳系
（注：在2006年8月24日于布拉格举行的第26界国际天文联会中通过的第5号决议中,冥王星被划为矮行星，并命名为小行星134340号，从太阳系九大行星中被除名。所以现在太阳系只有八大行星。文中所有涉及“九大行星”的都已改为“八大行星”。）
太阳系（solar system）是由太阳、8颗大行星、66颗卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。
行星由太阳起往外的顺序是：水星（mercury）、金星（venus）、地球（earth）、火星（mars）、木星（jupiter）、土星（saturn）、天王星（uranus）和海王星（neptune）。
离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星（terrestrial planets）。宇宙飞船对它们都进行了探测，还曾在火星与金星上着陆，获得了重要成果。它们的共同特征是密度大（大于3.0克/立方厘米）、体积小、自转慢、卫星少、主要由石质和铁质构成、内部成分主要为硅酸盐（silicate）并且具有固体外壳。
离太阳较远的木星、土星、天王星及海王星称为类木行星（jovian planets）。宇宙飞船也都对它们进行了探测，但未曾着陆。它们都有很厚的大气圈、主要由氢、氦、冰、甲烷、氨等构成、质量和半径均远大于地球，但密度却较低，其表面特征很难了解，一般推断，它们都具有与类地行星相似的固体内核。
在火星与木星之间有100000个以上的小行星（asteroid）（即由岩石组成的不规则的小星体）。推测它们可能是由位置界于火星与木星之间的某一颗行星碎裂而成的，或者是一些未能聚积成为统一行星的石质碎块。陨星存在于行星之间，成分是石质或者铁质。
星，距离(AU)，半径(地球)，质量(地球)，轨道倾角(度)，轨道偏心率，倾斜度，密度(g/cm3)
太 阳，0 ，109 ，332,800 ，--- ，--- ，--- ，1.410
水 星 ，0.39 ，0.38 ，0.05 ，7 ，0.2056 ，0.1° ，5.43
金 星 ，0.72 ，0.95 ，0.89 ，3.394 ，0.0068 ，177.4° ，5.25
地 球 ，1.0 ，1.00 ，1.00， 0.000 ，0.0167 ，23.45° ，5.52
火 星 ，1.5， 0.53， 0.11 ，1.850 ，0.0934， 25.19° ，3.95
木 星 ，5.2 ，11.0 ，318 ，1.308 ，0.0483 ，3.12° ，1.33
土 星 ，9.5， 9.5 ，95 ，2.488 ，0.0560 ，26.73° ，0.69
天王星 ，19.2， 4.0 ，17 ，0.774 ，0.0461 ，97.86° ，1.29
海王星 ，30.1 ，3.9 ，17 ，1.774 ，0.0097 ，29.56° ，1.64
行星离太阳的距离具有规律性，即从离太阳由近到远计算，行星到太阳的距离（用a表示）a=0.4+0.3*2n-2（天文单位）其中n表示由近到远第n个行星（详见上表） 地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自转周期为12小时到一天左右，但水星、金星自转周期很长，分别为58.65天和243天，多数行星的自转方向和公转方向相同，但金星则相反。 除了水星和金星，其它行星都有卫星绕转，构成卫星系。
在太阳系中，现已发现1600多颗彗星，大致一半彗星是朝同一方向绕太阳公转，另一半逆向公转的。彗星绕太阳运行中呈现奇特的形状变化。 太阳系中还有数量众多的大小流星体，有些流星体是成群的，这些流星群是彗星瓦解的产物。大流星体降落到地面成为陨石。 太阳系是银河系的极微小部分，太阳只是银河系中上千亿个恒星中的一个，它离银河系中心约8.5千秒差距,即不到3万光年。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见，太阳系不在宇宙中心，也不在银河系中心。 太阳是50亿年前由星际云瓦解后的一团小云塌缩而成的，它的寿命约为100亿年。
[编辑本段]宇宙航天
宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。 宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。 千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，科学家们才确信，宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。 在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。 大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。 然而，大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释，“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？ “大爆炸理论”是伽莫夫于1946年创建的。
大爆炸理论
（big-bang cosmology）现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称大爆炸宇宙学。与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：
（1）大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
（2）观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。
（3）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。
（4）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。

关于宇宙奥妙的论文

我们都生存在同一个地球上，而地球又是宇宙中的一颗行星。宇宙是千变万化的，这一刻是这样的，下一刻就截然不同了。宇宙是神秘的，那一颗颗星系让我们眼花缭乱。 　　
　 从我的知识体系中，我知道：在200年前，人们一直认为天空中有5个行星，加上地球就是6个。五大行星再加上太阳，月球，就被称为“七曜”。岁月流逝到了　1781年3月31日　这天，在英国，有个叫威廉·赫歇耳的天文学家用自己的望远镜，看到了在土星之外那颗蓝色的天体——天王星。这个发现，突破了千百年来的传统观念，为人类在探索宇宙的道路上，迈出了了不起的一步，起了解放思想的作用。　　这让我我想起了李四光说过的：真理，哪怕只见到一线，我们也不能让他的光辉变得暗淡。”正是因为这样，才会有如此重大的发现，这一切都归功于科学家们坚持不懈的努力。　　
宇宙，既美丽神秘，却又危险，各种星系中，最危险的就是黑洞了，“黑洞”顾名思义，就是不会发光，黑洞洞的。他虽然在宇宙中，但它并不是“星”，而是空间的一个区域，一种特别的天体。它具有强大的引力场，以致任何东西，甚至是光都不能从中逃逸，成为宇宙中一个吞噬物质和能量的“陷阱”。黑洞绝非是永久的隐蔽而毫无生气的物体。由于它的电荷和角动量，黑洞是一个动力学系统，能够受力和施力，能够吸收和提供能量，也就是说它是随着时间变化的，而且它的表面积绝不会随着时间减少，而会随着对物质和辐射的捕获而大。当两个黑洞相撞并成为另一个黑洞。这个面积就一定会大于两个之和。更让人惊奇的是，有一种黑洞会缩小叫量子黑洞。　　
多么神奇啊！宇宙中竟然有如此多的奥秘，这正是人类科学的结晶，只有我们相信科学，探索科学，才能学到更多的知识！　　

宇宙奥秘探索

我院2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文， 首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素

南京大学天文与空间科学学院 昨天

一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的 碳同位素13C ，并发现其相对含量高于地球标准（图1）。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化 历史 。相关研究论文（标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”）于2021年7月15日在《自然》（Nature）杂志发表。该论文的第一作者 张雅鹏 2017年本科毕业于 南京大学天文与空间科学学院 ，现为荷兰莱顿天文台博士研究生。

图1: 探测系外行星大气中的同位素（想象图） Daniëlle Futselaar

1穆朗玛峰 应用广泛的同位素 同位素（isotope）是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同，却有着不同的中子数目。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为13C或14C。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化，太阳系以及系外行星的起源。

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丰富多样的系外行星

迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星，并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量（例如，“超级木星” super-Jupiter），或占据着的极近的轨道（“热木星” hot-Jupiter）……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家：行星的形成路径究竟是自上而下，还是自下而上？它们形成于何处？轨道是否迁移？……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分，它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。

图2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO冻结在固态物质表面，成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面，导致最终构成的行星中更富含13C。

3 用同位素追溯系外行星起源 研究者们利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍，距离地球300光年。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO和12CO（一氧化碳分子的两种同位素形式），并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为我们揭示其可能的起源过程提供了线索 （图2）。张雅鹏解释说：“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。在如此远距离下，原行星盘（protoplanetary disk）中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气”。 因此，通过测定大气中同位素相对含量，研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。

该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说：“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后，天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中，向揭秘行星起源更进一步。现在，这仅仅是个开始！”