太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.4  探索宇宙的奥秘（1）

8.4.1 探索宇宙的基本方法

20世纪40年代以前，天文观测的惟一手段是光学观测。40年代以后，随着无线电技术的发展产生了射电天文学。人造卫星上天后，人们完全克服了地球大气的障碍，开始对天体的整个电磁波段进行观测，形成了空间天文学。

1. 红外天文观测

作为空间天文学的一个分支，红外天文学研究的是波长范围在0.7～1000 μm的红外区域。通常0.7～3 μm波段称为近红外区，3～30 μm为中红外区，30～1000 μm为远红外区。温度低于4000 K的天体，其辐射主要在红外区，因此是红外天文观测的主要对象。

(1) 红外观测的意义

① 红外观测揭示冷状态的物质。在空间的物体，从微米大小的尘埃到巨大的行星，温度范围为3～1500 K。在这个温度范围，物体辐射的大多数能量位于红外。因此，红外观测对于研究低温环境是非常重要的。

② 红外观测可探测隐藏的宇宙。宇宙尘埃粒子实际上隐藏了可见宇宙的一部分，妨碍我们观察关键的天文环境。但在红外波段尘埃是透明的，红外观测可探测光学不可见的区域，例如银河的中心、恒星及行星正在那里形成的稠密星云。

③ 红外观测可获得丰富的谱特征。所有气体分子以及固体的发射和吸收带位于红外，许多原子和离子在红外的谱特征可用于诊断恒星大气层和恒星气体。

④ 红外观测可追溯宇宙早期的生命。由于宇宙膨胀产生的宇宙红移，不可避免地使能量向长波端移动，移动量与物体的距离成正比。由于光速有限，观测到的高红移物体是它们处于宇宙很年轻时的。作为宇宙膨胀的结果，由恒星、星系和类星体初始发射的大多数可见光和紫外辐射，现在位于红外。宇宙中的第一个物体是怎样和什么时候形成的，大部分可从红外观测了解到。

红外辐射虽然比无线电波发现得早，但因为它大部分被大气吸收了，又没有适合的探测器，所以这个红外窗口到20世纪60年代才算真正打开。60年代出现了液氦致冷的红外探测器，从此红外天文学的工作就在地面和高空以及外层空间全面展开了。到目前为止，已经观测到的各种红外源包括太阳系中的行星、卫星和彗星等；正在星际云中凝聚成恒星的“星胚”，它们还没有热到足以发光的程度；还有那种核燃烧已经熄灭，温度已经降低的晚期恒星。因此红外辐射可以为我们提供关于恒星的出生和死亡，尤其是早期演化的宝贵知识。

(2) 空间红外观测概况

1800年，英国著名天文学家F·W·赫歇耳在观测太阳时，用普通温度计首次发现红外辐射。

1869年，罗斯用热电偶测量了月球的红外辐射。对行星和一些恒星进行红外测量，是美国天文学家柯布伦茨等人在20世纪20年代进行的。但在20世纪60年代以前的一个半世纪中，红外观测进展缓慢，这主要是因为当时缺乏有效的探测手段。第二次世界大战后，红外技术发展很快，各类高灵敏度的红外探测器相继问世，气球、火箭以及人造卫星也为红外探测摆脱地球大气的限制提供了方便。这些都为现代红外天文学的兴起打下了基础。1965年，美国加州理工学院的诺伊吉保尔等人用简易的红外望远镜发现了著名的红外星，从此揭开了现代红外天文学的新篇章。第一颗红外天文卫星于1983年1月25日升空，由美、英、荷兰共同研制，说明在技术上已经有了重大突破。

用于红外波段天文观测的卫星主要包括： 宇宙背景探测者(Cosmic Background Explorer，简称COBE)、红外空间观测台(Infrared Space Observatory， 简称ISO)、空间红外望远镜(Infrared Telescope in Space， 简称IRTS) 等。

COBE是由美国航空航天局于1989年11月18日发射的卫星，它的任务是精确测量弥漫于整个宇宙的1 μm～1 cm波段的辐射。观测目标包括： ① 100 μm～1 cm波段的3K背景辐射；② 这种辐射在3～10 mm波段的各向异性；③ 波长范围在1～300 μm的背景弥漫红外辐射的光谱及其角分布。COBE于1993年12月23日出色地完成使命。ISO是欧空局发射的一颗红外波段观测卫星，正常工作期间是1995年11月至1998年3月。它的观测谱段位于2.5～240 μm。1983年美国、荷兰、英国和爱尔兰的红外天文卫星(Infrared Astronomical Satellite， 简称IRAS)通过红外波段的观测发现250 000个宇宙红外射线源，开创了红外空间天文学的新时代。但这仅仅是个开端，ISO的探测器大大提高了探测的灵敏度和分辨率，使我们看到了宇宙红外景观的更多细节。这样，ISO不仅使天文学家能够以不寻常的眼光看待一些早已熟悉的天文现象，而且很多原先无法知道的天体纷纷得以发现。

IRTS是日本研制的第一个用于红外天文观测的轨道望远镜。该望远镜由日本的新型火箭H-II于1995年3月18日发射升空，并搭载在NASA的航天飞机SFU上。在 28 d 的飞行中，该卫星遍历了接近7%的天区，研究成果大大推动了宇宙学、星际物质、晚期恒星及行星际尘埃的研究。

计划发射的红外天文卫星包括： ESA的Planck卫星，计划2007年发射；美国的单孔径远红外观测台(Single Aperture Far-Infrared Observatory，简称SAFIRO)计划在2015～2020年期间发射；美国的空间干涉仪探测卫星(Space Interferometry Mission，简称SIM)计划于2009年发射；美国的类地行星发现者(Terrestrial Planet Finder，简称TPF)计划在2012～2015年期间发射。

2. 紫外天文观测

在方法与技术上与传统的光学天文观测非常类似，它是光学天文观测向紫外波段自然的延伸。太阳紫外光谱中有许多高电离硅、氧、铁等元素的谱线，为太阳色球层与日冕之间的过渡区和耀斑活动的研究提供了极有价值的信息。通过对太阳系内的行星、彗星等天体的紫外光谱、反照率和散射的观测，对于它们的大气组成的确定和大气模型的建立极有价值。早型恒星、白矮星和行星状星云的中心星等的紫外波段的辐射最强。紫外观测对于星际物质的研究有特殊意义。消光曲线向紫外的扩展，使人们得到星际尘埃含有直径为 100 左右的石墨粒子的结论。大量紫外星际气体谱线的发现，为星际气体分子提供了更精确的结果。

3. X射线和γ射线观测

20世纪40年代，人们即开始对太阳进行Ｘ射线探测，现已查明发射太阳Ｘ射线的三种机制，初步建立了太阳Ｘ射线辐射源的模型。近年来，探测的一个重要成果是发现了太阳活动区的Ｘ射线爆发源。第一个非太阳Ｘ射线源天蝎座X-1是在1962年用火箭探测发现的。但Ｘ射线天文学真正成为一个重要的天文学分支，是在1970年12月第一颗Ｘ射线天文卫星——Uhuru上天以后。Uhuru发现了300多个各种类型的Ｘ射线源。

在银河系内，已探测到的Ｘ射线源中数量最多的是双星Ｘ射线源，它是由一颗普通的光学恒星和一颗致密星(中子星或黑洞)所组成的密近双星。超新星以及遗迹是最早为人们所知的Ｘ射线源，也是视角径较大的Ｘ射线源。年轻的超新星遗迹的Ｘ射线能谱比年老的要硬。早在20世纪40年代末，就陆续有人进行地外γ射线的探测。但第一个真正表明存在地外γ射线的实验，是1962年作出的弥漫γ射线背景辐射的测量。1967年，探测到来自银盘的能量高于5.0×107 eV的γ射线，以银河心为最强。太阳的γ射线探测，真正成功的是轨道太阳观测台7号(OSO-7)卫星对1972年8月4日和7日两次大太阳耀斑事件的探测。γ射线的研究，目前最引人注目的现象仍然是宇宙γ射线爆发。这类γ射线源爆发猛烈而又短暂(典型的爆发延续时间为数秒)，源的分布呈各向同性。

由于γ射线具有较大的贯穿能力，能提供宇宙中某些核过程信息，因此始终吸引着人们对它进行研究。

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