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。

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。

不同波段下的银河（图片来源于NASA）

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。

首张黑洞照片（图片来源于EHT）

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。

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。

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。

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。

高能天文台1、2、3号图（图片来源于《图解空间望远镜发展史》）

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。

小型天文卫星SAS-2（图片来源于《图解空间望远镜发展史》）

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