星明天文台

国内外享有盛誉的业余天文台,在这里汇聚了众多的顶尖爱好者。我们致力于彗星,小行星,超新星,新星等各类新天体的发现。

多波段天文学

作者|高孟嘉

审核|董晨晖

编辑|王启元

电磁波是天文学中获取天体信息四种渠道之一(另外三种分别为宇宙射线、中微子、引力波),也是其中研究历史最为悠久的一种“信使”。传统天文观测因1608年望远镜的发明迈入了新的时代,而进入20世纪40年代之后,科学与技术都得到了长足进步,尤其是当天文学上升到了空间的高度,射电天文学、红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和γ射线天文学等分支如雨后春笋般涌现并发展,和传统的可见光天文学共同构成了多波段天文学,实现了对天体电磁波辐射的全波段覆盖。

电磁波段简称波段,又称波谱段或波谱带,是指在电磁波谱中,具有确定波长范围的连续电磁波。整个电磁波谱可以按波长从长波到短波依次分为为射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线,来自太空的电磁辐射只有可见光和30米~1毫米波段的射电波可以到达地球表面,此外还有部分红外光可以透过大气层,其他大部分波段的电磁波段被地球浓厚的大气吸收了。因此,只有在空间技术足够发展的前提下,多波段天文学才应运而生。

多波段天文学

电磁波谱的不同部分被地球大气吸收的情况(图片来源: STScI/JHU/NASA)

多波段天文学是指在两个及以上不同波段观测与研究天体的科学。天体通常在许多波段都有强度不一的辐射,因此在不同波段对天体进行观测,便可揭示单一波段无法获取的信息,是现代天文学研究的重要手段。

多波段天文学

不同波段下的银河(图片来源于NASA)

射电天文学

射电天文学在波长范围大于1毫米的射电波段研究天体,其技术与光学天文学相似,但因射电波段波长较长,射电望远镜只有比光学望远镜做得更大,才能达到理想的分辨率[最小分辨角(弧度)=1.22×波长(纳米)/望远镜口径(毫米)]。人类对天体辐射的射电波的初步探测是在20世纪30年代,美国无线电工程师卡尔·央斯基无意间发现了来自银河系中心的射电波,这标志着射电天文学的诞生。射电天文学自诞生以来做出了许多重大发现,其中具有代表性的便是被誉为“20世纪60年代天文学四大发现”的类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射。此外,首张黑洞视界照片也是射电天文学具有代表性的成就之一。

多波段天文学

首张黑洞照片(图片来源于EHT)

红外天文学

红外天文学是在波长1毫米~780纳米之间的红外波段对天体进行观测和研究的学科。红外探测的早期历史可以追溯到1800年,那一年,英国天文学家、天王星发现者威廉·赫歇尔发现太阳在可见光的红端之外仍有辐射,便将其称为红外线。在射电天文学建立起来之后,天文学家意识到可以在可见光之外获取天体信息,现代红外天文学在此基础上迅速发展。

1965年,美国天文学家诺伊吉保尔建造了一台1.5米口径的红外望远镜。1983年1月,国际红外天文卫星(IRAS)发射升空,这是第一颗红外天文观测专用卫星。1995年11月,红外空间天文台(ISO)的成功发射更是大大加快了红外天文学的发展。2003年8月,斯皮策空间望远镜发射升空,为我们展示了红外波段下宇宙的绚丽多彩,它已于2020年1月底退役。2009年5月,赫歇尔空间天文台发射升空,它的命名是为了向发现红外线的威廉·赫歇尔爵士致敬,它是迄今发射的最大的中远红外望远镜,取得了许多发现,在工作了4年后正式退役。

此外,许多光学望远镜在可见光和近红外波段都能很好的工作,一个代表是哈勃空间望远镜,它主要在近紫外、可见光和近红外波段工作,为天文学带来了许多突破。

多波段天文学

哈勃空间望远镜(图片来源于《图解空间望远镜发展史》)

可见光天文学

可见光天文学是在可见光波段(780纳米~380纳米)观测和研究天体的一门学科。是电磁波天文学中历史最为悠久的,在人类第一次仰望星空时便诞生了。望远镜的发明使其发展进入了快车道,如今大部分地基光学望远镜均可在可见光波段观测。通常将近红外、可见光、近紫外波段进行的天文观测称为光学天文学。

多波段天文学

主要的大型光学望远镜与两个射电望远镜(阿雷西博、FAST)大小对比(图片来源于维基百科)

紫外天文学

紫外波段的波长范围为380纳米~10 纳米,介于可见光波段中最短的紫端和X射线波段之间,是人类了解宇宙的另一个窗口。这个波长范围的辐射难以穿透地球大气,必须使用空间望远镜才能观测。“哥白尼”卫星(即轨道天文台OAO-3)于1972年8月发射升空,是最早用于紫外天文观测的探测器之一;而第一颗紫外探测专用卫星国际紫外探测器(IUE)于1978年1月发射升空,标志着紫外天文学的成熟。

多波段天文学

哥白尼天文台曾观测的目标在天球上的位置(图片来源于《图解空间望远镜发展史》

X射线天文学

X射线的波长范围大约为0.01~10 nm。第一颗专用于X射线观测的探测器是于1970年12月发射的“乌呼鲁”卫星,它绘制了第一幅精确的X射线天空图。NASA发射的高能天文台系列天文卫星在X射线天文学的发展中起到重要作用。1990年发射的伦琴卫星发现了15万个X射线源。1999年NASA和ESA分别发射了两个旗舰级X射线空间天文台,即钱德拉X射线空间天文台和XMM—Newton空间天文台,它们让我们对X射线波段下的宇宙有了更为清晰的认识,至今仍在工作。2017年6月发射的慧眼卫星(HXMT)是我国首颗X射线空间望远镜,主要目标是搜寻银道面上的新X射线暂现源,监测已知X射线变源;观测X射线双星;对伽马射线暴和引力波电磁对应体进行后续观测。

多波段天文学

高能天文台123号图(图片来源于《图解空间望远镜发展史》

γ射线天文学

γ射线(波长小于0.01纳米)直接同太阳系、银河系以及河外星系中经常发生的高能天体物理过程有关,因此γ射线天文学是如今天文学中最活跃的分支领域之一。第一个用于观测γ射线的天文卫星是1961年发射的探索者11号探测器。1972年11月,小型天文卫星2号(SAS-2)成功发射,先后勾画了银河系大尺度γ射线图、描绘了河内局部源分布。康普顿伽马射线天文台(CGRO)于1991年进入地球轨道,标志着γ射线天文学开始逐渐进入成熟阶段,它在2000年再入大气前已探测到数千个γ射线暴。NASA在2002年和2008年分别发射了两颗γ射线旗舰级空间天文台,即Swift和费米γ射线空间望远镜,它们的贡献刷新了人类对宇宙的认知,至今仍在运行。

多波段天文学

小型天文卫星SAS-2(图片来源于《图解空间望远镜发展史》

上下拉动翻看参考资料

1、天文学家的备忘手册,中科院高能所微信公众号,https://mp.weixin.qq.com/s/l0kYWIsxJZn-FotJNb-BAA

2、赵君亮,多波段天文学,自然杂志,2007(4):193-199

3、叶楠,图解空间望远镜发展史γ射线空间望远镜(),太空探索,202004

4、叶楠,图解空间望远镜发展史γ射线空间望远镜(),太空探索,202005

5、叶楠,图解空间望远镜发展史 X射线空间望远镜(),太空探索,202006

6、叶楠,图解空间望远镜发展史 X射线空间望远镜(),太空探索,202007

7、叶楠,图解空间望远镜发展史紫外空间望远镜(),太空探索,2020 08

8、叶楠,图解空间望远镜发展史紫外空间望远镜(),太空探索,202009

9、射电天文学,维基百科https://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E5%B0%84%E7%94%B5%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%AD%A6

10、向守平,天体物理概论,中国科学技术大学出版社,200811

11Infrared astronomy wikipediahttps://en.m.wikipedia.org/wiki/Infrared_astronomy

12、石顺祥、王学恩、马琳,物理光学与应用光学,西安电子科技大学出版社,20147

有关多波段天文学的更多疑问,欢迎大家在评论区留言,小星会为你一一解答哦~

多波段天文学

关注微信公众号/新浪微博“星明天文台”,和小星一起踏遍星辰,收获浪漫吧~

多波段天文学
多波段天文学

 

发表评论