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红外天文学

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  用电磁波的红外波段研究天体的一门学科。整个红外波段,包括波长0.7~1,000微米(1毫米)的范围。通常分为两个区:0.7~25微米的近红外区和25~1,000微米的远红外区;也有人分为三个区:近红外区(0.7~3微米)、中红外区(3~30微米)和远红外区(30~1,000微米)。温度4,000K以下的天体,其主要辐射在红外区(如图)。红外探测是观测被宇宙尘埃掩蔽的天体的得力手段;红外波段有许多重要的分子谱线;许多河外天体在远红外区的辐射较强。红外天文学正在成为实测天文学的最重要领域之一。

  简史 
 1800年,英国著名天文学家F.W.赫歇耳在观测太阳时,用普通温度计首次发现红外辐射。1869年,罗斯用热电偶测量了月球的红外辐射。对行星和一些恒星进行红外测量,是美国天文学家柯布伦茨等人在二十世纪二十年代进行的。但在六十年代以前的一个半世纪中,红外天文学进展缓慢,这主要因为当时缺乏有效的探测手段。第二次世界大战后,红外技术发展很快,各类高灵敏度的红外探测器相继问世,气球、火箭以及人造卫星技术也为红外天文观测摆脱地球大气的限制提供了方便。这些都为现代红外天文学的兴起打下了基础。1965年,美国加利福尼亚理工学院的诺伊吉保尔等人用简易的红外望远镜发现了著名的红外星,从此揭开了现代红外天文学的新篇章。
  探测技术  在地面上进行红外天文观测,受地球大气的限制很大。大气中的水汽、二氧化碳、臭氧等分子,吸收了红外波段大部分的天体辐射,只有几个透明的大气窗口可供地面观测使用,在这些窗口中被指定的红外测光系统为J(1.2微米)、H(1.6微米)、K(2.2微米)、L(3.6微米)、M(5.0微米)、N(10.6微米)和Q(21微米)。如要在这些窗口以外的波段进行天体红外观测,就必须到高空和大气外进行。地球大气不但吸收天体的红外辐射,而且由于它具有一定的温度(约300K),其自身的热辐射对探测工作、特别是对波长大于 5微米的观测,会造成极强的背景噪声。为了摆脱大气的这种影响,必须到高空和大气以外去进行中、远红外探测。
  由于可能收集到的一般天体的红外辐射较弱,所以必须精选探测能力很高的红外探测器。用得较多的探测器是液氮致冷(77K)的硫化铅光电导器件,液氦致冷(从4K到小于1K)的锗掺镓测辐射计。从最早F.W.赫歇耳用简易温度计测量太阳的红外辐射到现在,红外探测器经历了很长的改善过程。典型的地面望远镜在10微米波长观测红外源时,探测器上接收到的源信号是10-14瓦的量级,而探测器上得到的背景辐射却高达10-7瓦。强的背景噪声淹没了微弱的源信号,所以红外天文探测的一个根本问题是抑制背景噪声。红外探测器采取致冷措施就是为了减少元件自身的噪声。从事波长大于5微米的探测,望远镜系统中的一些其他部件(有时连整个望远镜)必须进行致冷。致冷技术在红外天文探测工作中是必不可少的。
  在红外天文望远镜中,为了从观测的源信号加背景的总和中减去背景,设置了调制机构。这样就大大增加了仪器探测弱源的能力。表给出一般天体红外辐射的微弱程度和典型的地面红外望远镜目前所能探测到的极限星等

  成果  首次红外巡天普查是美国用波长 2.2微米的地面红外望远镜进行的。对-33°~+80°的巡天探测结果,发现亮于40央[1央=10-26瓦/(米2·赫)]的红外源约5,600个。虽然其中大多数可证认为光谱型在K5型以后的恒星(见恒星光谱分类),即大多数是晚型巨星,然而,约有50个红外源在0.8~2.2微米有约1,000K的色温度,并且大多数不与光学天体对应。这项工作已由诺伊吉保尔等人整理成专门的红外星表。美国空军坎布里奇研究实验所1971年和1972年共7次用火箭在波长4微米、11微米和20微米进行巡天工作,探测范围约占79%的天空区域。在4微米测到2,507个红外源,在11微米测到1,441个红外源,在20微米测到873个红外源。有的红外源在不同波段都测到了,所以探测到的红外源共约3,200个。以后又进行了几次探测,测到一些新源。在小部分天区做过更长波段的巡天工作。美国红外天文学家霍夫曼等人在1970~1971年用一个小气球上的望远镜,在波长100微米观测到了极限通量密度104央的近百个红外源,这些源基本上沿着银道面分布。至今探测到的红外源包括太阳系天体、恒星、电离氢区、分子云行星状星云、银核、星系类星体等。在红外波段也对微波背景辐射进行过探测。此外,高分辨率红外光谱已在行星和某些恒星方面做出成果,近两年也在红外波段发现了新的星际分子谱线。
  仪器  改造现有的地面望远镜使之适于红外观测,以及建造新的专用红外望远镜的工作一直在进行。美、英、法、加拿大等国1979年已启用装在夏威夷的口径3.6米的红外望远镜,美国加利福尼亚理工学院建造了口径10米的红外望远镜。气球啥10米的红外望远镜。气球上的 1米红外望远镜和飞机载运的91厘米的仪器都已建成投入使用,并获得许多重要成果。
  参考书目
 龚树模:红外天文学,《红外物理与技术》,1978,第3期,10~21页。

 

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