正文 第十四章 現代天文學學科簡介(二)(1 / 3)

射電天文學

射電天文學,是按觀測手段進行分類的天文學的一大分支,概括地說,就是利用射電望遠鏡通過探測天體的射電輻射信息來研究各種天體和天文現象的學科。它的研究對象包括太陽係內、銀河係內、河外乃至整個可觀測宇宙中絕大部分天體——其中有的是光學波段探測不到的天體。雖然波長長於1毫米的電磁波都是射電波,但在事實上由於我們的天然保護傘——地球大氣的阻攔,地麵上的射電天文探測絕大部分隻能局限於1毫米到30,波長左右。

射電天文學的起源僅晚於光學天文學——但晚了最少2000年,迄今隻有不到60年的曆史。

20世紀30年代初,美國的央斯基很偶然地發現了來自銀心的無線電波,揭開了射電天文學的序幕。從銀心射電開始,天文學家依次發現了太陽射電、河外星係射電、銀河係氫雲21厘米射電。50年代初就已經:知道了上百個射電源,並成功地進行了光學對應體的證認。而到60年代,天文學家更是利用射電方法發現了類星體、脈衝星、星際分子、宇宙微波背景射電。此後,射電天文學進人了一個新的曆史時期。由於超大型射電望遠鏡、大|天線陣幹涉儀、甚長基線幹涉儀相繼研製成功,使得射電望遠鏡的分辨率、靈敏度由原來的低於光學望遠鏡幾個量級變為達到同一量級甚至超出。這樣,射電天文學擺脫了原來的地位而與光學天文學並駕齊驅。二者的互相結合、互相補充,極大地促進了天文學的發展。

紅外天文學

紅外天文學是用電磁波的紅外波段來研究天體的一門學科。整個紅外波段,範圍從0.7~1000微米,可分為近紅外(0.7~5微米)和遠紅外(5~1000微米)兩區。有的分法為:近紅外、中紅外、遠紅外和遠遠紅外4個區。

1800年,英國天文學家赫歇耳在研究太陽光譜時,偶然發現,當玻璃溫度計放在太陽光譜的紅端之外時,溫度指示甚至比在可見光區還要高,這就說明在太陽的光譜紅端以外存在一種看不見的輻射,他稱它為“紅外輻射”。這是第一次紅外觀測。從這以後的100多年間,紅外天文觀測的主要目標是太陽、月亮以及一些行星,這主要是受紅外探測器靈敏度的限製,同時也受與紅外探測有關的低溫和真空技術的限製。

第二次世界減以後,由於受軍事等技術應用的刺激,比如運用紅外進行戰術方麵的夜視,紅外跟蹤技術,以及戰略方麵的偵察衛星、軍事預警衛星以及資源衛星的應用,加上半導體材料的發現、晶體管的發明以及半導體理論的提出,還有低溫技術、真空技術及自動控製技術的巨大進展,使紅外天文學獲得了飛速的發展。目前,已經完成了對宇宙幾個層次中的亮天體進行紅外觀測,比如,已經對太陽係中的太陽、大行星及其衛星、慧星、銀河係中的紅外恒星、各類恒星、紅外星雲、脈衝星、X射線源,還有河外星係進行了紅外觀測,發現了不少出乎意料的現象,取得了令人鼓舞的初步成果。

紅外天文學的重要性可從以下幾方麵進行說明:

(1)溫度低於如4000K的天體,如月亮、行星、冷的銀河天體(尤其是原恒星),以及絕大部分星際介質,它們的輻射主要集中在紅外範圍之內,所以紅外天文觀測是研究它們的最強有力的手段。

(2)少量處於相對密集狀態的物質,如致密暗塵雲,致密的電離氫HII區域,以及處於不同演化階段的恒星(尤其是演化的早期和晚期),它們的輻射主要也在紅外區域內。

(3)已知的一些特殊星係、類星體和河外星係大多都有強烈的紅外輻射,因此紅外探測可算是一個強有力的工具。

(4)紅外區域覆蓋範圍從0.7~1000微米,.而可見光區域為3900~7700微米,可見,紅外區域的探測蘊藏著很大的潛力。

最早用於天文觀測的紅外探測器,可算是赫歇耳的玻璃溫度計。之後,出現了各種熱電偶、熱敏電阻和高萊探測器。第二次世界大戰後,由於發現了半導體,現在天文上使用的紅外探測器完全是半導體探測器的天下了。半導體紅外探測器按它的作用和機製可分為熱探測器和光子型探測器。光子探測器又分為光導型和光伏型。近幾年,紅外列陣探測器引起了人們極大的重視,主要集中於各種類型的紅外電荷耦合器件和電荷注人器件,並且已經取得了初步的天文觀測結果,而且還展現出光明的前景。

我們知道,要進行紅外天文觀測,除了關鍵器件一一紅外探測器外,還應有紅外天文望遠鏡以及相應的其他設備(比如分光和偏振器件等),再加上數據采集和處理係統。

進行紅外觀測,主要受到大氣吸收和強背景輻射的影響。對紅外輻射吸收的物質主要來自大氣中的水蒸氣、二氧化碳以及高層大氣中的臭氧。所以地麵紅外觀測隻能通過特定的紅外“大氣窗口”進行。背景輻射包括望遠鏡和儀器自身的輻射,以及天空背景的輻射。因此,為了能進行有效的紅外天文觀測,天文台的台址選取要求具備嚴格的條件。還有對紅外天文望遠鏡也要作某種要求,另外,探測器等元件還要存放於致冷裝置中。

除了在地麵進行紅外天文觀測外,更為有效的辦法是進行空間紅外觀測,比如利用飛機、氣球、火箭或衛星,把紅外天文觀測設備帶人高空,這樣就能極地減少大氣吸收和強背景輻射造成的不利影響。

紅外天文學是一門年輕的學科,它填補了光學天文學和射電天文學之間的大“缺口”,成為全波段天文學中重要的一環,成為研究天體起源和演化必不可少的領域,它是最受天文學家重視的領域之一。

紫外天文學

紫外天文學是通過電磁波的紫外線波段研究天體的一門學科。

紫外線波段介於可見光和X射線之間,波長範圍為10-8~4×10-7米。由於地球大氣對紫外吸收非常嚴重,星際氣體對紫外也有吸收,實際上紫外可觀測的範圍為9.12×10-8~3×10-7米之間。通常元素中性態和電離態的共振線,在紅外區要比可見光豐富得多,而共振線對研究天體的物理狀態和化學組成是最為有利的,因此紫外天文學具有很深的意義。

紫外研究的第一個目標是太陽。太陽的紫外光譜中有許多高電離矽、氧、鐵等元素的譜線,為太陽色球與日冕間的過渡層和耀斑活動的研究提供極有價值的信息。通過研究某些分子和原子的共振線,對研究行星、彗星的大氣是有幫助的。紫外觀測過早型恒星、白矮星和行星狀星雲的中心星都是非常重要的,,因為這些星在紫外區有最強的輻射。對於晚型星的色球和星晃及二者間的過渡層的研究是必不可少的。紫外觀測對星際物質的研究也有特殊意義。

進行紫外研究,一般是用火箭和衛星。我們就不由得想起國際紫外探險者。這顆衛星是地球的同步衛星,上麵裝有45厘米的望遠鏡,已在天空工作了十多年,作出了極大的貢獻,完全超出了原來的預想。通過IUE,使早型星的研究進人一個新階段,弄清了恒星色球和星冕之間的過渡區,發現了處於赫羅圖中類太陽恒星和不同於太陽的恒星之間的過渡區分界線的混雜恒星。利用IUE:觀測到了用其他方法難於得到的元素豐度。IUE還發現了一種具有氖、鎂、鋁譜線的新星。IUE觀測到了豐富的.有價值的資料,已存入檔案,以供天文學家分析利用。

紫外天文學的下一步可能再發射一個類似於IUE的裝置,精度將更高,波長覆蓋可為9.12×10-8~1.2×10-6米。

X射線天文學

X射線天文學是用X射線研究天體的一門學科。

天體X射線輻射受到地球大氣的嚴重吸收,因此在地麵進行觀測是很困難的。主要利用氣球或火箭把探測器送至高空進行研究,現在的主要探測方法是用人造地球衛星。X射線天文觀測與高能天體物理幾乎是同時興起,即從20世紀60年代初開始訊速發展起來的。

X射線天文學早期的工作集中於太陽的觀測研究。1962年美國用火箭把X射線探測器送到45千米高的空間,發現天蠍座X-1,這是X射線天文學發現的第一個點狀源。從此非太陽X射線天文學進入一個新的發展階段。1970年12月12日美國發射了第一顆X射線天文衛星“烏呼魯”,發現了許多X射線源。其中的X射線雙星是中子星或黑洞的最佳候選者,引起天體物理學家們的極大興趣。1976年5月3日,前西德的高能天體物理學家用氣球運載X射線探測器得到了武仙座X-1。與此同時,荷蘭天文衛星,船帆衛星和SAS-C都得到了短時標的X射線爆發。有人認為這與黑洞有關係,也有人認為與中子星的吸積盤有關,尚未定論。20世紀70年代末美國又發射了兩顆重要的X射線天文衛星,第一個是全天X射線巡天裝置,第二個是愛因斯坦天文台。後者對X射線源給出的知識的重要性,完全可與光學或射電相比擬。這兩顆衛星都屬於高能天文台係列。80年代初HEAO先後停止工作工射線天文學由美國轉到了日本和歐洲,很有價值的是日本的銀河衛星接收到了超新星1987A爆發,成為唯一的接收到該爆發的X射線天文衛星。