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十八 空间天文学1 空间天文学简史空间天文学，是利用空间飞行器在地球高层大气中和大气层外进行天文观测与研究的一门学科。它诞生于20世纪40年代，早期观测以平流层飞机、气球和火箭作为运载工具。1957年人造卫星上天后，空间天文获得迅猛发展，一跃成为天文学的一门新兴分支学科。随着运载技术的发展，载人飞船、航天飞机、空间站都成为空间天文探测的主要运载工具；随着科学技术的进步，现代物理一批实验方法和设备，如核物理实验技术、摄影技术、光电技术、光学技术、红外探测技术等不断用于空间天文；随着探测技术的进步，属于空间天文范畴的一些新兴学科空间红外天文学、空间光学天文学、紫外天文学、X射线天文学和射线天文学，雨后春笋般地出现并且迅速发展起来。如今，空间天文学的研究范围几乎涉及天文学一切领域，行星和行星际探测、太阳物理、恒星和星系辐射以及高能天体物理等都在它研究之列。在行星考察、日地关系、太阳物理、恒星物理和星系演化以及中子星、脉冲星和黑洞的研究中取得惊人的成绩。2 空间光学天文学从伽利略用望远镜进行天文观测起，到射电天文学的兴起，光学观测一直是天文观测唯一手段。但是，由于地球大气的反射、折射、散射和抖动，严重影响着地面光学天文观测。人造卫星上天为天文学革命开辟了宽阔的道路，随即诞生了一门崭新的天文学分支学科空间天文学，光学观测也开始由地面走向空间。天体测量卫星随着空间探测手段的进步，光学望远镜也搬上了“天”。第一个进行空间光学观测的是欧洲空间局的天体测量卫星伊巴谷（见下图），它于1989年8月发射，目的是测量恒星视差和自行。经过四年飞行，圆满完成了所有科学探测任务，于1993年8月15日停止工作。 四年飞行获得了全天一百多万颗亮度暗到11等的恒星与一万多个非恒星天体的星图。哈勃空间望远镜 在空间光学天文卫星中，最著名的是“哈勃空间望远镜”，它是1990年4月25日由美国“发现号”航天飞机部署到轨道的，哈勃空间望远镜是一架经典光学望远镜，长度13.3米，直径4.3米。望远镜主镜是卡塞格林式反射望远镜，口径2.4米，能在光学、紫外和红外等多个波长范围工作。同地面大望远镜相比，它的口径虽然不算大，但由于它在大气层上面观测，摆脱了大气的束缚，具有空间分辨率高和天光背景暗的突出优点，加上它带有广角行星照相机，可同时拍摄百万颗恒星照片，拍摄的照片比地面天文望远镜拍摄的清晰十多倍等良好性能，成为当代最精良的天文观测设备。通过在轨道上的四次大修，它成功地观测了19年，完成了88万多次宇宙观测，对2.9万个宇宙天体拍摄了57万多张照片，传回了5万张高质量的精美图片，采集到39万亿比特科学数据，它取得的数据足以堆满两个美国国会图书馆。哈勃空间望远镜还创造了许多太空观测奇迹：如发现了黑洞存在证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到目前人类所能触及的最遥远距离地球130亿光年的古老星系。利用这些观测资料，天文学家提出7500多份科学研究报告。并且取得12项最重大的科学发现：（1）证实了暗物质的存在。（2）探测到冥王星卫星。（3）探测到类星体明亮的光线。（4）观测到彗欧空局天体测量卫星伊巴谷星撞击木星的过程。（5）宇宙在加速膨胀。（6）探测到星系形成的全过程。（7）在可见光范围内探测到第一颗地外行星。（8）“称量”了超大质量黑洞。（9）观测到宇宙中最强烈的爆炸。（10）探测到行星在恒星尘埃盘里诞生。（11）观测到恒星壮观地死亡过程。（12）发现宇宙年龄为130亿年。这些观测对世俗文化有着极大的冲击力，对人类建立新的宇宙观有着极重要的影响。3 其他波段的空间天文学 空间天文学的优点在于充分发挥了各种电磁波在天文观测中的作用，使一些在地面观测不到的天体辐射得以在空间探测。微波、红外辐射、紫外辐射、X射线和射线就是这样一些电磁波。微波背景辐射的探测 从理论上推测，宇宙起源于一次大爆炸，大爆炸应当残留有温度为几开的背景辐射。这一推测被美国贝尔实验室的工程师阿诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊的发现所证明，这个发现叫做“宇宙微波辐射背景”。1989年11月升空的微波背景探测卫星(COBE)对此作了很好的测量，结果证实：银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度；宇宙背景辐射具有高度各向同性，温度涨落的幅度只有百万分之五左右。2003年，美国又发射了“威尔金森微波各向异性探测器”（WMAP）对不同方向上宇宙微波背景辐射的涨落进行了测量，这个探测器取得一系列重要成果，指出宇宙年龄是137亿年:在宇宙的组成中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量；宇宙目前的威威尔金森微波各向异性探测器膨胀速度是71千米/每秒每百万秒差距；宇宙空间近乎是平直的；它经历过一个暴涨的过程，并且会一直膨胀下去。空间红外天文学 红外天文学是利用0.7微米至1毫米波长的红外辐射研究天体的一门学科。红外辐射通常分为三个区：近红外区(0.73微米)、中红外区(330微米)和远红外区(301000微米)。红外辐射是热辐射，温度在4000以下的天体，辐射主要在红外区。红外辐射是观测周围有宇宙尘埃天体的最有效手段。在红外波段还有许多重要分子谱线，许多河外天体在远红外波段有较强的辐射，所以红外天文学是实测天文学的一种很重要的工具。地面红外天文观测，虽然历史较久，但地球大气中水汽、二氧化碳、臭氧等分子，对天体的红外辐射有强烈吸收，只有短波红外“窗口”允许在地面观测，在“窗口”以外的天体红外辐射则须在空间测量。另一方面，地球大气不仅吸收天体的红外辐射，而且它本身也有一定的温度，也是一定的红外辐射源。大气热辐射对于红外探测，特别是对波长大于5微米的探测，会造成极强的背景噪声。为了摆脱大气的影响，中、远红外天文探测常用灵敏度高的红外天文仪器在空间探测,并且事先要对仪器进行冷却。用作空间红外测量的运载工具有飞机、气球、火箭和人造卫星，其中气球用得较多。迄今为止，专门用作红外探测的人造卫星只有三颗：美国、荷兰和英国在1983年发射的“国际红外天文卫星”,欧空局发射的“红外空间天文台”以及 2009年12月14日美国发射的“大视场红外探测器”。除此以外，哈勃空间望远镜在红外探测方面也取得非常出色的成绩。在19711972年美国曾经7次用火箭在波长4微米、11微米和20微米上进行过巡天探测，探测了79的天空区域。在 4微米波长上探测到2507个红外源，在11微米上探测到1441个红外源，在20微米上得到873个红外源。到目前为止，已探测到各类天体的红外源，其中包括太阳系天体、恒星、电离氢区、分子云、行星状星云、银核、星系、类星体等。除了红外源，还探测了红外背景辐射，发现了新的星际分子谱线。空间紫外天文学 一般称1004000埃的电磁辐射为紫外辐射。其中30004000埃的天体辐射可在地面测量。在912埃以下的紫外辐射，由于电离能为13Gev的中性氢原子的强烈吸收而探测不到，因此空间紫外天文学实际上只限于研究9123000埃之间的辐射。 轨道天文台-3号（OAO-3）紫外辐射是人类认识宇宙的一个新“窗口”，通过这个窗口获知许多重要的宇宙现象，了解到从恒星到星系各种尺度的活动性，从而“看”到了一个动态的不均匀的宇宙。由于宇宙中最丰富的元素和分子都在紫外光谱上有特殊标识，而这些元素的原子和分子在宇宙中是很丰富的，因此天体紫外辐射的探测在决定宇宙特征方面有着特别重要的作用。紫外探测出现得很早，1946年就开始用V-2火箭进行探测，1956年拍摄紫外单色像，1966年第一个紫外天文卫星系列的第一颗卫星“轨道天文台-1号”（简称OAO-1）成功发射。“轨道天文台”卫星系列的最后一颗卫星发射刚半年，“国际紫外探测者”就飞上了天，1992年6月美国又将“极紫外考察卫星”（EUVE）送入轨道。紫外探测没有辜负天文学家的希望，它们为研究太阳上色球与日冕之间的过渡区活动与耀斑活动，为研究太阳系内行星和彗星，为研究各类恒星、星际分子，正常星系和特殊星系，提供了大量观测资料，为现代天文学发展做出了很大贡献。uX射线空间天文学 X射线天文学是空间天文学的一个分支学科。它以天体0.1kev100kev的X射线为主要研究手段，其中0.1kev10kev的X射线是热辐射，称为软X射线，10kev100kev是非热辐射，叫做硬X射线。X射线天文学既研究热辐射，也研究非热辐射。它研究的天体包括太阳活动区、X射线双星、脉冲星、射线暴、超新星遗迹、活动星系核以及星系团周围的高温气体等。由于地球钱德拉X射线望远镜及其拍摄的天文照片大气层对X射线不透明，所以观测天体X射线辐射只能在空间进行。用于X射线探测的主要运载工具是空间飞行器，包括人造卫星、宇宙飞船和空间站等，其中著名的有“爱因斯坦天文台”和“钱德拉X射线望远镜”（见上图）等。 ev称为电子伏特，是一种能量单位。1Kev=1000ev, 1Mev=1000Kev, 1Gev=1000MevX射线天文学是最早出现的空间天文学分支学科，最初的研究对象是太阳，1962年以贾可尼为首的观测小组发现来自天蝎座方向的强大X射线源以后，非太阳 X射线天文学蓬勃发展起来。20世纪70年代以来，不断有专门探测X射线的天文卫星升空，X射线探测器也不断更新，特别是掠射式X射线望远镜的问世，极大地推动了X射线天文学的发展，目前已经探测到数以千计的X射线源，有些已编成X射线源表。在探测的x射线源中，有X射线双星、中子星、脉冲星、黑洞、射线暴、超新星遗迹、活动星系核等，凡是属于高能天体物理领域的都在它的研究之列。X射线在太阳活动区和耀斑研究中也发挥了主力军的作用。今天的X射线天文学取得了光学天文和射电天文无法比拟的大量观测资料，使天文学研究领域得以大大拓展。射线天文学 光子能量比X射线更高的一种电磁辐射叫做射线，一般称100Kev10Mev为低、中能射线，10Mev100Gev为高能射线，100Gev以上的为甚高能或超高能射线。在射线能量范围内研究天体辐射的天文学分支学科称为射线天文学。其中100Gev以下的天体射线辐射，由于穿越地球大气层时，受到强烈吸收而不能在地面探测，只能借助高空科学气球和人造卫星等运载工具在空间探测；而100Gev以上的甚高能射线在地球大气层里会产生高能粒子簇射，形成大气契仑柯夫辐射，因而可以在地面测量。所以，空间射线天文学实际上是研究100Kev100Gev的天体射线辐射。运用射线进行天文探测，研究天体高能辐射的性质和演化，探索宇宙中神奇玄妙的奥秘，已成为现代天文学的一个不可缺少的手段。最早用作射线探测的卫星是“小型天文卫星-2号”（SAS-2），1981年4月由“阿特兰蒂斯号”航天飞机放进轨道的“康普顿射线天文台”使射线天文学的发展进入了一个新的历史时期。它升空不久，就探测到最亮的河外射线源；它探测到数 “费米”探测的大麦哲伦云里剑鱼座30弥漫射线千个射线源，并编制了高能射线源表；它研究了脉冲星和各种有意义的天体，如分子云、弥漫银河背景、超新星