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空间天文学

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空间天文学

空间天文学是借助宇宙飞船、人造卫星、火箭和气球等空间飞行器,在高层大气和大气外层空间区域进行天文观测和研究的一门学科,它是空间科学天文学的边缘学科。空间天文学的兴起是天文学发展的又一次飞跃。就观测波段而言,空间天文学可分成许多新的分支,如红外天文学紫外天文学X射线天文学等。从发射探空火箭和发送气球算起,空间天文研究始于二十世纪四十年代。空间科学技术的迅速发展,给空间天文研究开辟了十分广阔的前景。

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诞生和发展编辑本段回目录

空间天文学太阳辐射监测卫星1号
太阳辐射监测卫星1号
人造卫星和各种宇宙飞船的成功发射是本世纪最重大的科技成就之一,它对许多学科和技术领域产生了前所未有的巨大推动作用,其中就包括天文学这门古老的学科。

由于地面天文观测要受到地球大气的各种效应和复杂的地球运动等因素的严重影响,因此,其观测精度和观测对象受到了许多限制,远远不能满足现代天文研究的要求。为了从根本上克服上述不利因素的影响,天文学的一门新分支学科?空间天文学伴随着航天技术的迅速发展而诞生了。

自1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星上天后,美国于1960年发射了第一颗天文卫星“太阳辐射监测卫星1号”,对太阳进行紫外线X射线观测。此后,世界各国又相继发射了许多天文卫星和用于天文研究的各种星际飞船,大大丰富和扩展了人类对宇宙和各类天文现象的认识。从发射近地轨道人造卫星,到“阿波罗”飞船载人登月、"乔托"飞船探索哈雷彗星,以及“先驱者号”和“旅行者号”飞船穿越整个太阳系的大规模、长时间的星际探测计划,天文学在许多重要研究领域内取得了辉煌的成果。可以这么说,如果没有空间天文技术,就不可能有紫外天文X射线天文γ射线天文,甚至也不可能有今天成果丰硕的红外天文。正因为如此,尽管空间天文耗资巨大,每次探测均需花费数亿甚至数十亿美元,但加入“空间俱乐部”的大部分国家却都在发射自己的第一颗人造卫星后的10年时间内就开始实施本国的天文卫星计划。

随着空间技术以及其他各种高技术的发展,人们如今已能相当有效地发射和操纵一些不算太小的天文卫星(或者说是绕地球作轨道运动的天文望远镜)。从80年代末至今,最引人注目的天文卫星当推欧洲空间局的“依巴谷”卫星(1989年8月8日发射)、“X射线多镜面任务望远镜”(1999年12月10日发射),以及美国的“哈勃”空间望远镜(1990年4月24日发射)和“钱德拉X射线天文台”卫星(1999年7月23日发射)。有人预言,在下一个10年中,人类将有能力使更大一些的望远镜在近地轨道上投入使用,耗资将大大超过10亿美元。

优越性  编辑本段回目录

空间天文学太阳的X射线
太阳的X射线照片
在外层空间开展的天文观测有地面天文观测无法比拟的优越性。首先,它突破地球大气这个屏障,扩展了天文观测波段,取得观测来自外层空间的整个电磁波谱的可能性。各类宇宙天体的辐射波长在108厘米到10-12厘米范围内,但是地面天文观测仅限于可见光和射电两个大气窗口。由于大气中臭氧、氧、分子等对紫外线的强烈吸收,天体的紫外光谱在地面无法进行观测。在红外波段,则由于水汽和二氧化碳分子等振动带、转动带所造成的强烈吸收,只留下为数很少的几个观测波段。在射电波段上,低层大气的水汽是短波的主要吸收因素,而电离层的折射效应则将长波辐射反射回空间。至于X、γ 射线,更是难于到达地面。由于分子散射,地球大气还起着非选择性消光作用。空间天文观测基本不受上述因素的影响。其次,空间观测会减轻或免除地球大气湍流造成的光线抖动的影响,天象不会歪曲,这就大大提高仪器的分辨本领。此外,今天的空间技术力量已能直接获取观测客体的样品,开创了直接探索太阳系内天体的新时代。现在已经能够直接取得行星际物质的粒子成分、月球表面物质的样品和行星表面的各种物理参量,并且取得没有受到地球大气和磁场歪曲的各类粒子辐射的强度、能谱、空间分布和它们随时间变化的情况等。

科技基础编辑本段回目录

空间天文学哈勃空间望远镜
哈勃空间望远镜
现代空间科学技术是空间天文发展的基础,近二十年来,它给空间天文观测提供了各种先进的运载工具。目前,空间天文观测广泛地使用高空飞机、平流层气球探空火箭、人造卫星、空间飞行器航天飞机空间实验室等作为运载工具,进行技术极为复杂的天文探测。特别是人造卫星和宇宙飞船,是空间天文进行长时期综合性考察的主要手段。自六十年代以来,世界各国发射了一系列轨道天文台以及许多小型天文卫星、行星探测器和行星际空间探测器。美国在七十年代发射的天空实验室,是发展载人飞船的空间天文观测技术的一次尝试。看来今后的空间天文观测可能主要依靠环绕地球轨道运行的永久性观测站。

空间天文探测常常需要准确证认辐射源的方位,有时需要在短达几秒钟的时间内完整地记录一个复杂的瞬时性爆发现象;有时则要求探测仪器在极端干净的环境中工作,免遭太空环境的干扰。现代空间科学技术常常能够满足这些严格的要求,为上述运载工具提供极为准确的定向系统、复杂而又可靠的姿态控制系统、大规模高速信息采样和回收系统以及各种任意选择的运行轨道,给天文观测以良好的保证。

空间天文迅速发展的另一个因素是实验方法的不断完善。空间天文的实验方法和传统的光学或射电天文方法有很大区别。由于电磁辐射性质的不同,特别在高能辐射方面差别更大,因此,对它们的探测多半需要采用各种核辐射探测技术,利用电磁辐射的光电、光致电离、γ -电子对转换等效应,来测量辐射通量和能谱,并根据空间天文的特点加以发展。目前在空间天文中从紫外线、软X射线直到高能γ射线,按照能量的高低广泛使用光电倍增管、光子计数器、电离室正比计数器闪烁计数器切连科夫计数器火花室等多种探测仪器。

在这些辐射波段里,一般的光学成像方法失去作用,必须应用掠射光学原理进行聚光和成像。现在,已经使用掠射X射线望远镜,但还只应用于远紫外和软X波段。在硬X射线和γ 射线波段目前还没有任何实际有效的聚光和成像方法。

空间天文探测的一个重要方面是证认各种辐射源,并确定其方位。上述各种探测器本身不具有任何方向性,因此发展了定向准直技术。这种技术在X射线天文中,应用得最为充分,如丝栅型、板条型、蜂窝状等不同类型的准直器已广泛使用。

为了确定辐射谱,空间天文探测也需要发展分光技术。傅里叶光谱技术近年来已在红外波段应用。在光子能量较高的X射线波段,采用多能道脉冲高度分析技术可以获得足够高的能量分辨率。实验室的传统的分光技术,如紫外光栅、X射线掠射式光栅或透射光栅、布拉格晶体衍射光栅等在空间天文中也得到了发展。

研究成果 编辑本段回目录

空间天文的发展大致经历了三个阶段。最初阶段致力于探明地球的辐射环境和地球外层空间的静态结构。这个时期的主要工作是发展空间科学工程技术。第二阶段开始探索太阳行星星际空间。第三阶段是从二十世纪七十年代起,开始探索银河辐射源,并向河外源过渡。

六十年代初以来,在太阳系探索和红外、紫外、X射线、γ 射线天文方面,都取得十分重大的成就。

空间天文学
太阳的日冕
近地空间、行星、行星际空间探测  空间探测首先在近地空间、行星际空间方面取得重大突破。发现日冕稳定地向外膨胀,电离气体连续地从太阳向外流出,形成所谓太阳风。这些成就改变了原来的日地空间的概念。行星际空间探测清楚地揭示了行星际磁场的图像,天体物理学家由此而得到启示去寻找它与太阳本身的关系,并且产生研究太阳光球背景场的兴趣。这种研究获得了一种崭新的概念,从大尺度光球背景场的特性来看,这种概念与古典的巴布科克的恒星磁场理论相矛盾。这是近年来对太阳物理学的最大的挑战。行星际空间是一个天然的等离子体实验室,它提供了地面实验室条件下无法比拟的规模和尺度。太阳风作为无碰撞的等离子体,通过对行星际空间中丰富的动力学现象的观测而得到最充分的研究。

空间天文学飞越各大行星的“旅行者”号
飞越各大行星的“旅行者”号
行星、月球的探测主要是依靠对行星、月球作接近飞行或在上面登陆的行星探测器来进行的。很自然,最先得到探索的行星是地球。1958年范爱伦设计了地球“探险者”1号,并在1959年通过这个卫星的测量发现了范爱伦辐射带(见地球辐射带),对这一问题的继续研究又揭示了地球周围存在着一个复杂的巨大磁层(见地球磁层),这是空间探索在行星科学方面的首次重大进展。接着开始对月球和其他行星的一系列探测,在这一阶段得到很多有意义的资料,动摇了地面天文研究的许多结论。发现月球没有辐射带,也没有磁场。月面存在重力异常,月球腰部有隆起。根据放射性元素衰变的测定,月球壳层的年龄约为46亿年。金星覆盖着浓厚的大气,主要成分是二氧化碳。上层大气的云层厚度达25公里。金星的表面温度为465~485℃,表面压力约90大气压。木星则存在着惊人的强磁场,它的磁层活动强烈。行星际空间的部分高能粒子来自木星。火星的大气非常稀薄,主要成分是二氧化碳。火星上没有发现运河。火星极冠主要是由干冰而不是冰雪组成。行星际探测器“海盗”1号和2号的初步探测表明,火星根本不存在高级生物,在着陆处附近也未发现任何低级生命。

红外辐射探测  在空间进行红外天文探测始于六十年代后期。用高空飞机、平流层气球、火箭等手段进行红外探测已取得许多重要成果。最引人注目的是中、远红外的巡天工作。七十年代初期,几次火箭巡天探测,在波长4、11和20微米波段发现三千多个红外源,描绘出一幅完全不同于光学天空的新图像。红外源包括了星前物质、恒星行星状星云、电离氢区(见电离氢区和中性氢区)、分子云星系核星系等。中、远红外的探测还发现一些星系、类星体等存在着预想不到的强辐射,如3C273、NGC1068、M82等。在某些情况下,它们的红外亮度比它们在其余波段的全部辐射还要大三、四个量级。这种极强的红外辐射机制迄今未能解释。空间观测也对一些红外源做过十分细致的工作,例如在不同波段对银心区的高分辨描图。它的红外特征揭示了银核结构的复杂性。八十年代初期,还将发射几个空间探测装置如西欧的空间实验室、美国国家航空和航天局的航天飞机以及美荷合作的红外天文卫星等。

空间天文学太阳极紫外辐射图象
太阳极紫外辐射图象
紫外辐射探测  人造卫星发射成功以来,紫外天文探测有了新的飞跃。由于使用了装载在轨道太阳观测台卫星上的扫描式紫外分光光谱仪,获得空前丰富的紫外发射线光谱资料。这些资料具有极高的空间分辨率,对色球-日冕过渡层的物态研究颇有价值,从而为建立更精细的过渡层理论模型提供了实验依据。

恒星紫外辐射研究的主要课题是一些有关恒星大气模型的问题。空间观测表明,早型星在紫外波段有强烈的紫外连续谱和共振线。这种辐射与恒星大气的模型的关系十分密切,因而可以用来研究恒星大气。晚型星的紫外辐射类似太阳,主要来自色球和星冕。最近的一些观测证实,有些晚型星存在明显的色球层或外围高温气体。这反映色球、日冕结构可能普遍存在于恒星中。紫外探测对星际物质的研究有特殊用处,因为星际物质包含有尘埃,它对不同波长的电磁辐射消光不同,这是研究星际尘埃本身的主要依据。根据大量空间观测得到的紫外波段消光的特点,人们得知星际尘埃包含有线度约为 10-6厘米的石墨尘粒。星系的紫外探测也已开始。观测证实星系存在强烈紫外辐射,并且显示出较大的紫外色余,这也许是星系中存在大量热星的表现。

X射线探测  六十年代初期开始的大量X射线探测,已经给我们展示了一幅与光学天文截然不同的宇宙图像。太阳X射线天文的主要贡献是弄清了太阳X辐射中的三个成分──宁静、缓变和突变成分。宁静成分的 X辐射起源于太阳色球外层和日冕区的热辐射,具有连续辐射和线辐射。缓变成分与活动区上空的日冕凝聚区有关。突变成分则和耀斑爆发或其他日面偶发性活动成协。人们常称为X射线爆发。对X射线爆发的观测和研究已经充分揭示了太阳耀斑的非热特征。它与射电微波爆发结合在一起,对建立耀斑的爆发阶段模型,以及建立耀斑区粒子加速过程模型提供了重要根据。此外,X射线冕洞的发现也是一个相当重要的事件。

空间天文学钱德拉X射线望远镜观测到的X射线
钱德拉X射线望远镜观测到的X射线
1962年6月第一次发现来自天蝎座方向的强X射线辐射以后,在不到二十年的时间内,非太阳X射线天文也蓬勃发展起来。和其他领域相比,它的实验方法比较成熟,在空间天文中发展最快,成就最为突出。目前已发现一千多个X射线源,其中一部分已得到光学证认,它们和强射电星系塞佛特星系超新星遗迹有关。超新星遗迹发射稳定的X辐射引起这样一个问题:在磁场中产生同步加速辐射的高能电子从何处得到能量补偿?

射电脉冲星的发现很自然地促使人们去寻找 X射线脉冲星。1969年首先发现蟹状星云脉冲星NP0532的脉冲X辐射,它和对应的光学脉冲几乎有完全相同的周期。以后又发现半人马座X-3、武仙座X-1等都是著名的另一类X射线脉冲星,它们的发现对双星演化过程有非常重要的意义。

非太阳X射线探测的另一个成果是,发现了几乎是各向同性的宇宙X射线背景辐射,这对天体演化的研究有重要意义。

1974年以后,随着大面积探测器的出现,终于又发现了一批暂现X射线源宇宙X射线爆发。后者具有重现性特征,极大流量达10-8~10-7尔格/(厘米2·秒),估计总功率在1038~1039尔格/秒以上,目前还没有一种理论能作出合适的说明。

1977年高能天文台-A(HEAO-A)的发射,使X射线天文的视野扩展到河外天体。它已经成功地得到可能的黑洞圆规座X-1的数据。还发现星系际可能存在着热气体,它的总质量可能超过星系内恒星总质量。这意味着高能天文台-A发现了宇宙的主要成分。

空间天文学XMM望远镜
XMM太空望远镜
γ射线探测  太阳γ 射线探测的尝试虽开始于五十年代末期,但高能量的γ 发射线探测成功则是不久以前的事。1972年8月,在一次太阳特大耀斑事件中,轨道太阳观测台 7号卫星以非常高的能量分辨率记录到了完整的γ 射线谱,从而使太阳γ 射线天文的研究跨出了新的一步。这次探测证实,太阳γ 射线爆发包含有熟知的特征发射线,它们被证认为是正负电子对湮没、中子俘获、12C和16O的核态向低能态过渡所引起的辐射。这对高能耀斑物理的研究具有重要意义。

过去十年,非太阳的γ 射线探测进展较快,其成就有:①证实各向同性的γ 射线弥漫背景辐射的存在。发现在数兆电子伏能区附近,光子谱存在着某种隆起,这可能与原始宇宙线粒子能谱在1015电子伏附近变陡有关。②对银道面高能γ 射线流以及它们沿银径方向的分布进行精细探测的结果,支持宇宙线起源于超新星的假设。③来自银河中心区域的γ 辐射谱中找到了若干条γ 发射线,这对研究银河中心区域的核过程提供了重要线索。④从一些射电脉冲星中记录到脉冲γ 射线流,其脉冲周期几乎与射电脉冲周期相同,而蟹状星云脉冲星可能存在着1011~1012电子伏的超高能γ 光子发射。

1973年“维拉”卫星偶然探测到辐射能流可与太阳耀斑爆发相比的 宇宙X射线爆发。这也许是七十年代天文学最重大的发现之一,当时轰动了高能天体物理学界。这种宇宙γ 射线爆发具有极短的光变时标、高达1040尔格的巨大能量和快速的能量释放,它迄今仍然是天体物理中最迷人的问题之一。

弱点编辑本段回目录

除了太阳系天体可以通过发射各类宇宙飞船进行近距离实地探测外,空间天文对其他的天体(包括恒星和各类河外天体)目前只能依靠各种配置在天文卫星上的天文望远镜进行“被动式”观测,利用这些望远镜收集到的各类天体所发出的不同波段的电磁辐射开展天文研究。

空间天文学太空维修哈勃太空望远镜
太空维修哈勃太空望远镜
尽管天文卫星所处的空间环境比地面优越得多,但是,在近地轨道上运行的天文仪器仍然要受到地球高层大气的一些效应的有害影响。例如:在几百公里的高空,大气虽已十分稀薄,但剩余大气的阻尼作用仍然会使卫星的运行轨道不断降低,以致如要长期使用天文卫星,必须适时作重新推动;天文卫星的运行速度高达8公里/秒,这使它在与微粒和残余大气离子相撞时受到损害;在失重的环境下,要使卫星上的天文望远镜实现对观测目标的高精度指向和精密跟踪非常困难,必须配有很复杂的机械装置,结果仪器越大,处于不能进行天文观测的时间就越多。此外,由于近地卫星绕地球公转的周期通常仅为90分钟,因而观测一批天体所能连续用的曝光时间就不可能很长,这也给卫星天文观测带来一定的限制。最令天文学家感到头痛的是,一旦卫星上出现故障,派人去进行维修或改进耗资很大。如果把天文卫星发射到离地球更远的轨道上去工作,大气的剩余影响将大为降低,空间天文工作的效率也将有明显提高。但那时,若想对仪器进行维修就更不困难了。

以上种种缺陷迫使人们去思考这样一个问题:能不能为天文望远镜找一种比人造卫星更好的观测基地,以进一步克服种种不利因素的影响呢?

展望未来编辑本段回目录

空间天文学的独特贡献,特别是在七十年代的一些重要发现,对天文学产生了巨大影响,从而使我们对太阳系行星、银河系、恒星早期和晚期演化、星际物质、行星际空间、星系际空间等一系列领域的了解,发生深刻的变化。然而空间科学技术,特别是空间天文的实验方法尚处于不断完善之中。新技术、新方法、新原理不断出现,使得我们有理由认为,天文学的这个最年轻的分支是最活跃的。我们看到,γ 射线天文学正在开始进入线辐射谱探测的尝试阶段,这里有巨大潜力,它会打开一个通向宇宙的崭新的窗口。一系列当代高能天体物理中的重大问题──新合成核存在的直接证实、元素合成理论黑洞的寻找、宇宙线的起源以及宇宙学中的某些问题都有待空间天文去解决。

把望远镜放到月球上去

空间天文学
钱德拉号
天文学家经过仔细论证后发现,以月球为基地开展天文观测有着卫星天文观测所不能企及的优点。

月球为天文望远镜提供了一个巨大、稳定而又极为坚固的观测平台,因而可以采用结构简单、造价低廉的安装、指向和跟踪系统。这一点是处于失重状态的天文卫星所望尘莫及的。同时,月球表面的重力只及地球表面重力的六分之一,因而在月球上建造任何巨大的建筑物都要比地球上容易得多。月球上没有空气,因而也没有风,其表面环境实际上处于超真空状态,故而在那里进行天文观测不会受到大气因素的影响。如果我们想得更远一些,经过充分开发之后,月球将会逐步为我们提供各种必需的原材料。这些因素对于在月球上安装理想的天文望远镜(特别是大型天文望远镜)以及与之相配的观测室将是十分有利的。

从天文观测工作本身的条件来讲,由于月球远离地球,它所受到的人类活动的影响和地球本身的各种活动的影响要比人造卫星小得多。此外,由于月球的自转周期和它绕地球的公转周期恰好相等,因而它总是以同一面对着地球。如果我们把观测仪器(特别是射电望远镜)放在背向地球的那一边,则地球对天文观测的不利影响就更小了。月球的天空即使在白天也是全黑的,而且它的自转周期长达近一个月,这就使得我们能够观测到望远镜视线所及的全部天空,并对很暗的天体进行充分长时间的积累观测。

同其他各种空间天文技术相比,在月球上开展天文工作的最大优点很可能是:随着月球基地的发展,人力物力的支援可以就近提供。可以料想,随着科学的发展,人类对月球的开发和利用是势在必行的。到那时,人们在月球上建造大型的、复杂的天文望远镜不仅成本低廉,安装简便(与安装同类天文卫星相比),而且所有部件都能由熟练的技术人员就近进行维修和更换。尽管天文观测工作将实现全自动化,但及时的现场技术支援,无疑会使各种尖端的天文观测仪器得到更为有效的使用。

尽管阿波罗计划的成功实施表明我们人类有能力登上月球,并使我们对月球和它的表面环境有了许多新的认识,但是,这种认识对于开展实际工作来说还是很不够的。许多细节问题还有待于我们去进一步探究。例如:人怎样才能在真空和尘埃条件下有效地工作?如何防止宇宙射线和微陨星对人和仪器的威胁?怎样对付月球表面昼夜温度的剧烈变化?......

毫无疑问,真正实现以月球为基地的天文观测还需要很长一段时间。月球基地的充分开发更是一件耗资巨大的事。月面天文的建立也必然要经历一个发展的过程。然而,它对天文学发展所能带来的光辉前景正鼓励着人们朝着这一既定目标前进。

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参考书目 编辑本段回目录

1、K.Greisen,The physics of cosmic X-ray, γ-ray and particle sources,Cordon and Breach,New York,1971.

2、S.R.Kane,Solar gamma-,X-and EUV radiation, D. Reidel Publ.Co.,Dordrecht and Boston,1975.

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