太空望远镜中的“多波段景观”

一、把望远镜送上太空

早在上世纪40年代，就有人提出将望远镜送入太空的想法，这个人就是美国天体物理学家莱曼.斯必泽，他于1945年提出了太空望远镜的概念，这个设想在当时非常超前，要知道，第一颗人造地球卫星是在他提出这个设想的十年之后才升空的。那么，为什么要把望远镜送上太空呢？

可见光有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色，天体除了发出可见光之外，还发出多种我们人眼看不见的光，包括射电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线等。

早期的天文学家只能在可见光范围内观测宇宙，但近一二百年来，由于人类陆续发现了各类肉眼看不见的光线，并不断研制出各种观测这些辐射的特殊的望远镜，人类已经掌握了在多种“不可见”波段上观测宇宙的技术，对宇宙的认识也越来越全面和深入了。

表面上看，可见光和肉眼看不见的光似乎区别很大，但它们的本质其实是相同的，即都是电磁波，只不过波长不同罢了。红光是可见光中波长最长者，红外线和无线电波比红光的波长更长；紫光是可见光中波长最短者，紫外线、X射线、γ射线都比紫光的波长更短。

虽然来自天体的各种辐射本质相同，但地球大气对它们的反应却大相径庭。一些波段的辐射因被地球大气反射，吸收和散射无法抵达地面，而另一些波段的辐射则可以穿透大气层抵达地面。具体地说，可见光、射电波和一小部分红外光能穿透地球大气抵达地面，而紫外线、X射线、γ射线和绝大多数红外波段的辐射却不能抵达地面，所以要想在一些无法穿透大气层的波段上观测宇宙，人们便需要把望远镜送上太空。

当然，即使是可以抵达地面的波段，例如可见光，太空望远镜因为不受大气的干扰，它们的观测效果也比地面好得多。

二、“多波段景观”一瞥

20世纪70年代，为了在多种波段上看清宇宙的真面目，天文学家们实施了一个名为“大型观测台”的太空望远镜计划，在这个计划的带动下，各类大型太空望远镜陆续升空，多亏它们各自独特的“目光”，宇宙的“多波段景观”才呈现在了我们面前。

哈勃太空望远镜是“大型观测台”计划的首个成员（图1），主要工作在可见光波段，其光学设计和人眼视物的原理非常接近，所以哈勃太空望远镜仿佛是一只代替人眼的太空巨眼在饱览着宇宙的奇观。它拍摄的太空图片美轮美奂，精妙绝伦，使人类前所未有地感受到太空中的恒星、星云（图2）和星系是如此地美丽和壮观，这也正是这款前所未有的太空巨镜拥有大批忠实粉丝的重要原因。

图1 哈勃太空望远镜

图2 哈勃太空望远镜拍摄的“猴头星云”

宇宙中有很多寒冷的低温天体，观察这种天体，红外望远镜是“行家里手”。斯必泽太空望远镜是“大型观测台”计划中的红外太空望远镜，它能透视遥远星系中被尘埃遮挡的中心地带，也能相对容易地研究太阳系以外其他恒星周围的行星，还能有效地观测彗星和星际尘埃。

“斯必泽”主要工作在近红外和中红外波段，而另一架红外太空望远镜“赫歇尔”则是一架远红外太空望远镜，其强大的功能足以使它收集到来自宇宙深空中由极寒冷和极遥远的天体发出的辐射。

“赫歇尔”的后续镜是詹姆斯・韦伯太空望远镜（图3），它是观测能力更强的红外太空望远镜，个头更加宏大，主镜直径6.4米，接近“赫歇尔”的两倍。“詹姆斯・韦伯”将把人类的视线延伸到宇宙遥远的幼年期，使我们看到宇宙诞生不久后的状态。

图3 詹姆斯・韦伯太空望远镜

在宇宙中，既有低温天体，也有炽热的高温天体，它们除发射可见光和多种其他辐射外，也发射X射线，所以被称为X射线源。例如有些双星就是X射线源，它们由一颗普通恒星和一颗密度极高的致密星组成。由于致密星强大的引力，邻近普通恒星中的物质便被致密星拉了出来并落向致密星，这个过程会产生Ｘ射线辐射。除此之外，像活动星系核、超新星遗迹也是X射线源。

观测宇宙X射线源是人们研究高温天体和宇宙中高能物理现象的好方法，钱德拉Ｘ射线太空望远镜就是专为观测X射线源而升空的（图4）。

图4 组装中的钱德拉Ｘ射线太空望远镜

“钱德拉”观测了大量Ｘ射线源，如超新星遗迹（图5）等，使人们看到了此前未曾一见的宇宙Ｘ射线景观；它还观测到船底座两个星系团碰撞融合的景象，从而发现了暗物质存在的证据。

图5 第谷超新星遗骸的“X射线景观”

除了Ｘ射线外，宇宙中的炽热天体还发射紫外线，包括高温恒星、大质量恒星、活动星系核等，所以人们也发射了一些紫外太空望远镜以在紫外波段上观测太空。总之，宇宙中天体的温度是各不相同的，所以它们发出的电磁波也各不相同，温度越高，波长越短，而不同望远镜对电磁波的观测也“各有所长”和“各有所专”，有的负责长波段，有的负责短波段，这样一来，宇宙的“多波段景观”就展现在人们的眼前了。

三、闪光背后的星空传奇

在电磁波中，γ射线的波长最短，所以它让人们感知到的宇宙也最为特别，因为这种射线的突然增强往往暗示着宇宙发生了大事情。

天文学家们将宇宙射线突然增强的现象称为伽马暴，它是宇宙中一种神秘的爆炸（图6），这种爆炸在数秒种内产生的能量差不多等同于把太阳的全部质量都转变成了能量。在短短的一瞬间里，这种爆炸所释放的能量可以相当于太阳一年辐射能量的几百亿倍。它们是如何形成的？产生的源头在哪里呢？

图6 一个伽马射线暴

原来，伽马暴来自大质量天体的剧烈活动，主要包括两种情况，一是当一颗超大质量恒星走向死亡时，它会发生爆炸，这时，由于重力的坍塌，灼热的能量便从星核冲出星体，爆炸波与星际间的气体、尘埃发生碰撞，于是，伽马暴就发生了；另一种情况是，当两颗致密星发生碰撞时，它们融合成黑洞，这个过程也会产生伽马暴。

为了研究伽马暴，人们发射了一些专门用于观测伽马暴的太空望远镜和先进的伽马暴观测卫星，其中一颗名为“雨燕”的观测卫星是最为先进的伽马暴观测者（图7），它配备了爆发警示望远镜、X射线望远镜和紫外望远镜，可从γ射线、X射线、紫外线和可见光四个方面研究伽马暴，还能将信息通过电子邮件传给世界最大的几个天文台，这样，天文学家们便可及时启用地面望远镜观测伽马暴发生后的余光了。

图7 捕捉伽马暴的“能手”----“雨燕”卫星

“雨燕”捕捉到了人类迄今为止观测到的最遥远的伽马暴，那是一颗垂死的远古恒星在结束一生时发生的大爆炸。令人非常惊讶的是，这个伽马暴位于130亿光年之外的地方。我们知道，宇宙大爆炸发生在137亿年前，也就是说，当这个伽马暴发生时，宇宙仅仅诞生了五亿至七亿年，这表明，那颗死亡的恒星属于宇宙中最古老的恒星。

宇宙早期的情况是人们很想知道的，虽然现代望远镜可以看得很远，但来自早期宇宙的恒星的光依然不易被望远镜捕捉到，而伽马暴则为研究早期宇宙提供了机会，人们可以分解伽马暴发出的光，得到它的光谱，从而获得早期宇宙的大量信息。

伽马暴是宇宙中最奇妙的闪光，研究这种闪光可揭示宇宙，尤其是早期宇宙的大量秘密，所以γ射线太空望远镜也就成了太空望远镜家族中的重要成员。

本文由王芳摘编自张唯诚著《镜收眼底：天文望远镜中的星空》（科学出版社.2015.6）一书，内容有删节。

ISBN  978-7-03-044970-2

小时候，我也是个好奇的孩子，时常望着星空思考漫无边际的问题：星星是什么？为什么这么多，这么亮？它们来自何方，归向何处？我相信，全世界的孩子都会毫无例外地思考同样的问题。即使我们长大了，变成了大人，在我们的内心深处也一定保留着那个儿时的园地――那份对星空的来自本能的好奇。

《镜收眼底：天文望远镜中的星空》就是为这样的读者而问世的，它不是望远镜的简单介绍，也不是天文学的系统叙述，而是穿插天文新发现的星空描述，当然还包括人们用望远镜发现星空的有趣历史。它能为读者提供一幅“现代版”的美丽星空，向读者呈现宇宙的神奇和星空的浩瀚。

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