试听180秒XVII：多波段的天文｜射电与红外

引言：我们总以为我们看见的世界是足够的五彩斑斓。但事实上与完整的电磁波谱相比，我们所能“看”见的，其实极其的有限。天文学中的“多波段”，究竟意味着什么呢？

多波段天文学，英文名称：multi-wavelength astronomy，是指在两个以上不同波段对天体进行观测与研究的天文学分支。同时，由于现在的天文学研究已经覆盖了电磁波的所有波段，所以现在的天文学也被称为全波段天文学。

知识点I：可见光以外的光

我们平时看到的太阳光是带有一点点黄色的白色。1666年，英国物理学家牛顿用三棱镜将太阳光分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，含有七种颜色的色带，这和彩虹的颜色是一致的。牛顿据此推论：太阳的白光是由七色光混合而成。三棱镜色散实验可以说是开启了光谱学研究的先河，为光学研究奠定了基础。1800年，物理学家威廉·赫歇尔使用多个温度计测量单色光的温度，意外发现了可见光以外肉眼不可见的红外光。1801年德国物理学家里特使用了氯化银发现了紫外线。人们终于意识到，我们眼睛还有看不见的光线。于是我们看得见的光被叫做“可见光”。现在我们知道可见光的波长范围是400nm-760nm，之所以这段范围是可见的，是因为太阳辐射的峰值在

500nm上。

赫歇尔的实验

太阳辐射峰值在500nm左右

知识点II：电磁波谱

直到1865年，伟大的物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了电磁波理论，我们才终于知道红外线、紫外线与肉眼可见的七色光是什么关系。电磁波是原子中电荷作变速运动所产生的。麦克斯韦推导出的电磁波方程，是一种波动方程，清楚地显示出电场和磁场的波动本质。变化的电场会产生磁场，变化的磁场也会产生电场，它们同相振荡且相互交替相互垂直构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的以波的形式移动，因此被称为电磁波。电磁波不是机械波，而是一种能量的形式。由于电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等，所以麦克斯韦推论光波也是电磁波。1887年至1888年间海因里希·赫兹在实验中证实了电磁波的存在。1897年卢瑟福发现α射线、β射线，同时又预言了γ射线，科学家逐渐认识了电磁波，也知道电磁波分布极广。

电磁波的分布是以频率或波长为标准的，频率乘以波长就等于光速，所以波长越长的频率越低。波长从短到长排列，可以把电磁波分成伽马射线波段、X射线波段、紫外线波段、可见光、红外线波段、无线电波段，无线电波段在天文学中又被叫做射电波段。

电磁波谱的分布

知识点III：射电波段

凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波，而且温度越高，放出的电磁波波长就越短。这个规律早已被掌握，但尽管宇宙中那么多温度很高的恒星，但是在地面上的我们还是测不到大量的来自天体的电磁辐射。主要原因就是地球存在着厚厚的大气。直到20世纪20年代，美国贝尔电话实验室央斯基发现了来自银河系中心的无线电信号，标志着射电天文学的诞生，也宣告人类发现了地球大气层的又一个窗口——射电窗口。

射电天文学所观测的对象可以说遍及全宇宙，涉及所有天体。比如太阳系内的天体，木星、土星；银河系中的星云星团，包括气体尘埃、分子云；再如遥远的星系，都可以用射电望远镜进行观测，甚至整个宇宙的微波背景辐射。无线电波是可以穿透云层，不受大气散射光影响，因此理论上讲射电望远镜可以风雨无阻且白加黑昼夜不停，这种全天候的观测能力是天文学家梦寐以求的。此外，星际尘埃云往往会阻挡可见光，我们地面望远镜无法看透尘埃背后的天体，而无线电波可以通行无阻，因此，射电望远镜也大大增加了可观测的范围。所以这几十年射电天文学飞速发展，也就不奇怪了。

射电波段银河

知识点IV：红外波段

我们通常把红外波段分为近红外和远红外。离可见光中红光较近的叫近红外，较远的，更靠近射电波段的叫远红外。也可分为三段，近红外波段（0.78～3微米），中红外波段（3～30微米）和远红外波段（30～1000微米）。一部分近红外波段是可以透过大气层，地面红外望远镜可以进行观测，但是使用的就不是普通的照相底片、光电管，而是要用红外线较敏感的硫化铅等材料制成的红外探测器。然而水汽和二氧化碳会屏蔽红外线，所以地面红外望远镜必须要到水汽少、大气透明度高、空气稀薄的地方，通常都是海拔4500米以上的高原。另一方面，由于需要接收的源信号大约是10-14瓦的量级，而一般探测器上得到的背景辐射却高达10-7瓦，如何抑制背景噪声是红外观测的难点，所以致冷技术在红外天文探测工作中是必不可少的。美国人也有奇招，把一台2.5米口径的望远镜搬到波音747货机上，可以在12000~14000米的高空工作。

美国航天局“平流层红外天文台”（SOFIA）

根据相关理论，温度4000K以下的天体，其主要辐射就在红外区了。像红矮星、褐矮星这类光度比较弱的天体，可见光找不到的说不定红外波段就能找到；红外观测手段可以拨开宇宙尘埃的迷雾，让我们看到被掩盖着的天体；红外波段还有许多重要的分子谱线，还有许多河外天体在远红外区的辐射较强。所以红外天文学的分量可以说越来越重。

欧南台拍摄的红外波段银河中心显示出尘埃背后大量的恒星