天文学是一门研究天体的学科，它以观测、接收天体的信息和实地采样为基础，在源远流长的天文学发展的长河中，自始至终都贯穿着天文观测这条生命线。不断改进与拓宽天文观测的方法，不断学会读懂天体传来的各种信息，这是天文学家和天文爱好者永无止境的追求和使命，也是推动天文学发展的动力和源泉。
一、宇宙的层次和异彩纷呈的天体
天文观测的对象是异彩纷呈的天体和广阔无垠的宇宙。我们生活在地球母亲的怀抱里，地球在宇宙中是一颗普普通通的行星，它是太阳的儿女。太阳是离我们地球最近的恒星，它以灿烂的光芒普照寰宇。在太阳引力的作用下，八大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星以及它们的卫星，成千上万的小行星，亿万颗彗星、流星体，以及无数的星际物质，都围绕着它运转，由此组成了以太阳为中心的太阳系。
我们的太阳系是银河系中一个小小的成员，它位居美丽的银河系一个旋臂附近，距银河系中心约2.7万光年(1光年是光走一年的路程，大约是9.46万亿千米)。太阳带领着太阳系家族的儿女们，围绕着银河系中心不停地旋转，并缓慢地穿行于银道面及银河系旋臂之间。
银河系是个旋涡状的广阔天地，包括大约1 000亿颗恒星。数千个疏散星团和球状星团、星云及无数的星际物质，组成了美丽的银河系。银河系内的疏散星团也叫银河星团，它由十几颗至几千颗恒星组成，大多分布在银河面附近，结构比较松散，成员星比较年轻，而由成千上万颗星组成的球状星团内则包含了大量的老年星。除个别星团以外，大多数球状星团离我们太阳系较远。银河系内所有的成员都围着银河系的中心旋转。优美的旋涡状银河系以特有的频率不停地旋转，同时还以21千米/秒的速度朝着麒麟座的方向飞驰。
在辽阔无垠的宇宙之中，我们的银河系也只是“沧海一粟”，在银河系外还有约1 250亿个千姿百态的河外星系和河外星云。星系有成群结伙的倾向，组成双重星系、多重星系、星系群或星系团乃至超星系团。我们的银河系与大、小麦哲伦云和比邻星系一起组成了四重星系。从更大的范围来看，我们的银河系，大、小麦哲伦云和比邻星系，又与仙女座大星云等几十个星系组成了本星系群，而它又是本超星系团的一部分。本超星系团在空间延伸1亿光年，室女星团位于其中心。人们还发现了许多其他超星系团，它们宛如“珍珠项链”般交叉分布在宇宙空间中。
浩瀚的宇宙包容了五彩缤纷的各类天体，它们形态各异，大小不一。茫茫的宇宙充满生机和活力：许多原始星胎正在孕育；无数年轻的不稳定变星正在演变；亿万个类太阳星充满活力，正当壮年；激烈的超新星爆发，意味着又一个中子星形成；无数“年逾古稀”的老年星--白矮星和黑洞也在施展着魔力。
目前，用最大的望远镜和强有力的观测设备所能探测到的遥远天体，离我们大约有130亿光年。据科学考证，我们目前所认识的宇宙已诞生了130亿年以上，但是在漫长的宇宙演化史中，它还很年轻，依然是“风华正茂”，魅力无穷。
二、天文观测的主要途径
天体以各自独特的方式向我们发出有关它们的信息。例如，彗星拖着彗尾，流星划破夜空，密近双星两个子星互相绕转，周而复始膨胀、收缩的脉动变星光怪陆离，壮烈的超新星爆发光度剧增后又逐渐衰竭平息……天体发出的各种信息像一本本无字的天书，向我们述说着天体的“身世”和现状。
怎样才能读懂这无字的天书呢？人们总结了几条途径。一是对天体进行实地采样、实验和分析，例如采集陨石，到月球、火星上采集矿石、土壤，然后进行分析等。二是对来自宇宙的高能粒子射流(也称宇宙射线)进行探测，这些以光速运动的高能粒子主要有质子(氢原子核)、a粒子(氦原子核)、少量的其他原子核以及电子、中微子和高能光子。三是接收来自天体的电磁辐射，通过了解电磁辐射的强度、波谱、偏振特征等来了解天体，这是我们认识天体的主要渠道。四是探测由于大质量天体的强大引力变化而产生的引力波，由于各种干扰的影响，目前人们还不能十分肯定在地面上已探测到了它，科学家们正在为此而努力。
人们获得天体信息最多、最丰富的就是天体的电磁辐射，下面的内容将围绕这一主题展开。
三、天体的电磁辐射与地球大气的“窗口”
电磁波包括许多不同频率的波，将其按波长由短到长排列起来就构成了电磁波谱。天体也能发出电磁辐射，从而给我们带来了有关天体的种种信息。
天体发出的电磁波波段很宽，从短波到长波的排列顺序为：γ射线、X射线、紫外辐射、光学辐射(可见光)、红外辐射、射电波。其中人的眼睛所能看到的波段很窄，仅仅是可见光部分，波长为350~770纳米。其他波段的电磁辐射虽然眼睛看不见，但可用特殊的仪器探测到。
天体发出的电磁辐射不是都能到达地面，这是因为我们的地球被一层厚达1000多千米的大气包围着，它像一个天然的“盔甲”保护着地球和人类，然而它也像一个“屏障”阻碍着电磁辐射顺利通过，因而地球大气只有三个“窗口”，即“光学窗口”、“红外窗口”和“射电窗口”，可让相应的光学、红外和射电波段中的一部分辐射通过。
光学窗口是指光学辐射(可见光)能够穿透地球大气层到达地球表面，这就使我们能够享受到日光的照射，并看到美丽的月光和星光。波长短于可见光的部分，如220～300纳米的紫外辐射，由于被大气中的臭氧层吸收，只能穿透到地面以上约50千米高处。波长100～200纳米的远紫外辐射由于被大气中氧分子吸收，只能到达地面以上约100千米高处，而波长短于100纳米的辐射几乎全被大气中的氧、氮气体分子或原子吸收，所以人们在地面上观测不到天体的γ射线、X射线和远紫外辐射。
波长比光学辐射长的红外辐射，由于被大气中的水、二氧化碳等强烈吸收，仅有一些很窄的波段可以到达地面，这就是地球大气的红外窗口。
波长为1毫米到100米的天体射电波也能穿透地球大气层到达地面，这就是地球大气的射电窗口。波长比1毫米短的毫微米波段易受水汽、氧气和臭氧吸收的影响，比100米更长的波段易被大气的电离层吸收，也不能通过。
当今，人类已冲破了地球大气窗口的限制，利用宇宙火箭、人造卫星和空中实验室等到地球大气外空间开展了全波段观测，去探测宇宙更深处的奥秘。
（第二节）看天文观测如何实现伟大变革？
天文观测有着悠久的历史，其间经历了三次伟大的变革。第一次是以1609年意大利科学家伽利略把望远镜指向天空为起点，从肉眼观星时代跨进光学望远镜观测时期；第二次是以20世纪30年代初美国无线电工程师央斯基首次接收到来自太空的无线电波为起点，从单一的可见光观测扩展到射电天文观测的飞跃，并由此诞生了射电天文学；第三次是以1957年第一颗人造地球卫星成功发射而拉开序幕，从地面和低空观测跨进了太空全波段立体观测的新时代，并实现了对太阳系天体的实地和近距考察。
一、中国古代天文学的辉煌
在17世纪以前的漫长岁月中，肉眼是人类观天的唯一工具，一代又一代的探索者，在极其困难的条件下，辛勤地观察日月星辰，研究它们的运动规律，记录了大量的重要天象，积累了宝贵的天文资料，为近现代天文学的发展奠定了必不可少的基础。世界上最早的文明发源地：两河流域、古埃及、古希腊、中国、印度、阿拉伯等，都是天文学最早发展的地区。
我国古代天文学的成就举世瞩目。世界上最早、最丰富的哈雷彗星观测记录见于我国的古籍，从公元前240年到公元1910年哈雷彗星的每次回归，我国都有相应记载，这成为哈雷确定这颗彗星回归周期的重要依据。我国有世界最早的太阳黑子、彗星分裂、流星雨和日食记录，1054年超新星爆发的记载，至今仍为世人所引用。
早在公元200年以前，我国的祖先就通过恒星位置的观测编着了星表，绘制了星图。着名的苏州石刻天文星图就是现存的世界上最古老的星图。我国的历法也长期处于世界最高水平，除了测算日、月、年与天象的对应规律外，还推算日、月食的出现时间，以及水星、金星、火星、木星和土星的出没动态等。
我们的祖先还发明、创造了各种天文观测仪器，从利用日影记时的圭表、日晷，测量天体位置的浑仪和简仪，到演示天体视运动的浑象仪；从单一功能的观测仪器，到宋代苏颂等人创制的集观测、演示、报时于一体的水运仪象台，无不显示出我们祖先非凡的想象力和创造力。我国现存的最早的古观星台，迄今仍巍然屹立在河南登封；明、清两代建立的规模恢宏、仪器众多的北京古观象台，至今风韵尤存。我们的祖先创造了肉眼观星时代的天文学的辉煌。
在漫长的肉眼观星时代，不仅观测条件艰难，还受到迷信和神权的压制。但是勇于追求真理的人们依然通过艰难的跋涉创造了非凡的成就。伟大的波兰天文学家哥白尼在前人观测的基础上，1543年以他的《天体运行论》和太阳中心说打破了统治世界1000多年的地心说，宣告了神学宇宙观的破产，为科学的现代宇宙观奠定了基础。
二、望远镜的诞生和发展
1609年，意大利天文学家伽利略制作了第一台天文望远镜，首次把望远镜指向天空。他用自己研制并不断改进的望远镜观测到月球表面的环形山和“月海”，还发现银河是由无数恒星组成，并发现木星周围有4颗卫星等。至此，人类结束了肉眼观星的漫漫长夜，开始了用望远镜观测天空的新时代。
天文望远镜的应用极大地扩展了人们的眼界，提高了观测的精度，给天文观测带来伟大的变革，有力地推动了天文学的发展。此后390年间，天文望远镜不断革新、不断发展；随着天文光学望远镜与照相技术、分光技术、红外技术、空间技术等的结合，望远镜的威力越来越大，在人类探索宇宙奥秘的征途上立下了赫赫战功。
为了提高望远镜的贯穿本领(能观测到更暗弱的天体)和分辨本领，一般通过两种途径：一是增加望远镜的口径；二是提高探测器的灵敏度和分辨率。人们一直为此而不懈地努力。1897年，在美国叶凯士天文台建成一架口径1.02米的折射望远镜，此后，由于折射望远镜对玻璃材料要求高，而且透镜会严重吸收紫外光，再没有制作更大的，因而它成为绝代的世界最大的折射望远镜。在反射望远镜中，20世纪50年代鹤立鸡群的是美国制造的口径5.08米的反射望远镜。
目前居世界首位的是美国于1993年、1996年建成的两架10米口径的凯克I号和凯克Ⅱ号望远镜(其主镜面由36块六边形镜面拼接而成)，两架望远镜联合作干涉观测，相当于一架口径14米望远镜的威力。一些欧洲国家联合建造的超大望远镜(VLT)由4架口径8米的望远镜组成；由六国联合建造的双子座望远镜由两个8米望远镜组成，于1998年完成一架日本的8米昴星团望远镜及美、意联合制造的哥伦布双筒望远镜(由两个8.4米口径的望远镜组成)近期将落成。
世界上口径大于2米的光学和红外望远镜有40余台。我国最大的2.16米望远镜安装在北京天文台兴隆观测站，它对发展我国的天体物理科学研究起着巨大的作用。目前正在筹建一台大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)，它的有效口径为4米，主要用于天体的光谱巡天观测，其新颖独特的设计思想获得了国际天文界的赞誉，在21世纪它将为我国天文事业也为国际天文学的前沿做出重要贡献。
三、射电望远镜的崛起和射电天文学的发展
20世纪30年代初，美国年轻的无线电工程师央斯基在研究无线电干扰的噪声源时，首先发现了来自天体的无线电波；其后，美国无线电工程师雷伯架设了一个直径9.6米的金属抛物面天线，终于收到了来自银河系的无线电波，证实了央斯基的发现。雷伯的天线可看做是世界上第一架射电望远镜。
第二次世界大战期间，英国的雷达在监视和侦察德国的飞机时收到突然的干扰信号，当时认为是德国使用了反雷达新式武器，后来查明，是太阳上有大黑子和耀斑活动。此后人们仿照雷达的结构，做成由天线、接收系统和资料记录设备构成的射电望远镜，用以接收天体发射的射电波，由此诞生了射电天文学。
射电望远镜的使用不仅大大扩展了人们接收天体信息的范围，而且它不受天气阴晴、日夜变化的影响，使天文学家在看到“光学宇宙”的同时，又看到一个更为丰富多彩的“射电宇宙”。射电望远镜已发现了太空中数以万计的射电源， “看”到了130亿光年远的星系。20世纪60年代天文学的四大发现--类星体、射电脉冲星、微波背景辐射和星际分子，以及近几十年来宇宙探测的许多重大成就，几乎无不与射电天文学密切相关。
当代世界上最大的可动射电望远镜是德国的100米天线射电望远镜；建在波多黎各阿雷西博的305米射电望远镜是世界最大的固定式射电望远镜。我国拟在贵州建造一架500米天线的固定式射电望远镜。
利用多台射电望远镜组成射电干涉阵是提高观测分辨率的有效手段。美国的“甚大天线阵”(VLA)，是由27面直径为25米的天线排成“Y”字形组成的；另一个是“甚长基线干涉仪”(VLBl)，该阵列由10架口径均为25米的射电望远镜组成，它们分别独立地观测某一天体，然后利用计算机对观测数据作相关处理。我国上海天文台、新疆乌鲁木齐天文台的25米射电望远镜也参与了国际的甚长基线干涉仪的联合观测，为天文科学发挥着重要作用。
四、全波段立体探测
以1957年苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星为标志的人类航天时代到来后短短的三四十年，人类发射的以天文观测为目的的人造卫星、空间探测器等航天器已达400多个，天文学进入了全波段立体观测的新时代。
哈勃空间望远镜1990年4月25日，以天文学家哈勃的名字命名的空间望远镜由“发现号”航天飞机送入了太空轨道。但它初次发回的天体图像模糊不清，经查问题出在镜面磨制时检测镜位置错了1.3毫米。为此，1993年12月2日有7名宇航员登上宇航船，在太空工作了12天，修复了哈勃空间望远镜。
