关于空间天文学介绍

[拼音]：kongjian tianwenxue

[外文]：space astronomy

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进行天文观测和研究的一门学科。它是空间科学和天文学的边缘学科。

20世纪40年代以前，天文观测的惟一手段是光学观测。40年代后，随着无线电技术的发展，产生了射电天文学。人造卫星上天后，人们完全克服了地球大气的障碍，开始了对天体的整个电磁波段的观测，形成了空间天文学。

地球大气对天文观测极为不利，从甚长波到γ射线的电磁波，能够通过大气而被地面接收到的仅是几个极为窄小的所谓大气窗口（电磁波能穿透大气的波段）。由于原子、分子的吸收和瑞利散射，波长短于0.32微米的电磁波不可能通过大气到达地面；波长长于10米的天体射电波由于电离层的反射也不能穿透大气层；由于水、二氧化碳等分子的吸收，“窗口”中的红外波段也被分割得支离破碎。即使在“窗口”内，也并非完全透明，特别是由于大气湍流所造成的星光抖动，使得观测到的天象的空间分辨率很低。因此，人们只有到大气层以外去，才有可能扩大观测波段，提高观测的空间分辨率，增加观测的极限星等，并就近探测行星际介质、行星、卫星等太阳系天体，直接取得它们的物质样品。

目前空间探测使用的工具主要是气球、火箭、人造地球卫星和宇宙飞船。气球由于飞行高度低，只局限于红外、硬X射线和γ射线的探测;火箭的弱点是探测时间短促；宇宙飞船是探测太阳系各天体的有效工具；人造地球卫星是研究遥远宇宙空间的很合适的空间天文台。自60年代以来，许多国家已发射了一系列天文卫星和月球、行星、行星际探测器。为了能进行有效探测，对发射天文卫星有一定要求：

（1）卫星尽可能避开地球辐射带，以免带电粒子对探测的干扰；

（2）要求卫星能任意、精确地定向，有稳定的姿态控制系统，以便提高空间分辨率；

（3）要求卫星有大容量的数据存贮和相应的数据传输能力，以适应天文对象种类繁多、现象千变万化的情况。

空间天文学因探测手段和方法的不同，可按探测的电磁波段分为如下几个分支：

γ射线天文学

低能γ射线的探测，一般使用闪烁计数器；半导体探测器由于能量分辨率好，可用于γ射线谱线的测量。能量高于 107电子伏的γ射线探测使用火花室。超高能γ射线由于辐射通量极低，很难直线测量。对于能量高于1011电子伏的宇宙γ射线，可利用γ射线在大气中的级联簇射所产生的切连科夫辐射的探测来分析。

早在40年代末，就陆续有人进行地外γ射线的探测。但第一个真正表明存在地外γ射线的实验，是1962年作出的弥漫宇宙 γ射线背景辐射的测量，发现它在106～2.0×107电子伏能量范围，其辐射通量比由弥漫X射线背景辐射能谱外推的通量约大 5倍。1967年又探测到来自银盘的能量高于5.0～107电子伏的γ射线发射，以银心方向为最强。其能谱可能由宇宙线同星际气体相互作用产生的π0介子衰变谱和 σE厴的幂律谱两种成分所组成。γ射线谱线（约5×105电子伏）也是首次从银心方向探测到的。太阳的γ射线探测，真正成功的是“轨道太阳观测台”7号（OSO-7)卫星对1972年8月4日和7日的两次太阳耀斑事件相联的探测。γ射线爆发出现于耀斑的初始阶段，与脉冲射电爆发、硬X射线爆发紧密相关，既有连续成分、也有谱线，它们是：正负电子对湮灭产生的能量为5.1×105电子伏的辐射；中子俘获过程产生的能量为2.23×106电子伏的辐射;以及分别由12C和16O的去激发产生的能量为4.4×106电子伏和 6.1×106电子伏的辐射。

近年来用 γ射线探测卫星──“小天文卫星”2号(SAS-B)和“宇宙线卫星”2号 (COS-B)的探测，已发现宇宙γ射线源20多个。其中有些已被证认为脉冲星，有的被证认为河外的类星体 (如3c273)和塞佛特星系（如NGC4151）等。

γ射线研究，目前最引人注目的现象仍然是宇宙γ射线爆发。这类γ射线源爆发猛烈而又短暂（典型的爆发延续时间为数秒），源的分布呈各向同性，源的距离尚未确定。

由于天体的γ射线流量很低，仪器的噪声又很高，特别是尚未有很合适的能够精确测定辐射源的方位探测装置，因此 γ射线天文学的发展远不如X射线天文学快。但是γ射线具有较大的贯穿能力，能提供宇宙中某些核过程信息，因此始终吸引着人们对它进行研究的兴趣。

X射线天文学

硬X射线探测一般采用闪烁计数器。2～20千电子伏能量范围的X射线探测一般采用铍窗正比计数器。能量小于2千电子伏的软X射线探测，则可用塑料薄膜窗的流气式正比计数器。软 X射线探测器同掠射式望远镜配合，还可获得二维图像，并精确定出源的方位。研究软X射线的谱线，可使用布拉格分光仪和无缝分光仪。

20世纪40年代，人们即开始对太阳进行 X射线探测。近20年来，一系列太阳卫星的探测表明，太阳X射线发射由3种成分构成，即日冕高温等离子体所产生的宁静成分，日冕凝聚区所产生的缓变成分和太阳活动区所产生的突发成分。近10年来，太阳X射线探测着重于研究太阳耀斑脉冲阶段的高能天体物理过程，初步确立了X射线辐射源的模型。

第一个非太阳X射线源天蝎座X-1是在1962年用火箭探测发现的，但X射线天文学真正成为一个重要的天文学分支，是在1970年12月第一颗X射线天文卫星──“自由”号 (Uhuru)上天之后。“自由”号卫星陆续发现了300多个各种类型的X射线源。

在银河系内，已探测到的 X射线源中数量最多的是双星X射线源，它是由一颗普通的光学恒星和一颗致密星（中子星或黑洞）所组成的密近双星。X射线发射是引力场很强的致密星吸积光学星抛射的物质所造成的。在 X射线双星中，有一类 X射线强度不仅有交食周期的变化，还有脉冲周期变化，这是中子星自转的结果，它们被称为 X射线脉冲星。这类星的脉冲周期比射电脉冲星的要长，一般可达数百秒，一部分在 1秒到几十秒的范围内（一般说它们也有明显的射电发射，而射电脉冲星并不发射X射线，只有蟹状星云脉冲星是个例外，它也是X射线脉冲星，但它不是双星）。银河系内另一类是所谓暂现X射线源。这类X射线强度有时突然增强，成为天空中非常明亮的，甚至是最亮的X射线源。然后在几星期到几个月的时间内由强变弱，直到淹没于背景亮度之中。在此期间能谱变软。这类X射线源的变化特性类似新星，所以也称它为X射线新星。

超新星遗迹是早为人们所知的 X射线源，也是视角径较大的X射线源。年轻的超新星遗迹的X射线能谱比年老的要硬。这类源的部分 X射线发射来自星云中的脉冲星，脉冲周期只有几十毫秒。

近年来，探测的一个重要成果是发现了太阳活动区的X射线爆发源。其爆发的上升时间短于1秒，爆发的持续时间只有几秒到几十秒。爆发准周期出现，有的间隔几秒到几分，有的（如快爆发源）是几小时到几十小时。进一步研究发现，快爆发源实际包含两种准周期爆发，因而又把X射线爆发源的爆发分为两种类型：Ⅰ型和 Ⅱ型。前者爆发时间间隔长，爆发衰退时能谱变软；后者爆发时间间隔短，爆发衰退时能谱无明显软化。

除上述的软 X射线弥漫背景之外，还有属于河外的各向同性的X射线弥漫背景辐射。在已发现的河外X射线源中，星系团是数量最多的一类。此外，已证认的河外源还有塞佛特星系、类星体等。“高能天文台”2号的X射线望远镜还发现了新的类星体，随后，被光学观测所证实。

紫外天文学

在方法与技术上与传统的光学天文非常类似。它是光学天文向紫外波段自然的延伸。紫外辐射探测要求有较大的作为集光和成像系统的望远镜。成像系统和探测器所用的透射材料有氟化锂、氟化镁、蓝宝石和熔石英等；反射用的镀膜材料与光学波段一样，最广泛采用的是铝，为了防止因氧化影响反射性能，可在铝面上镀一层极薄的氟化镁作为保护层。使用的探测器有与光学波段类似的照相乳胶、光电倍增管、像增强器、电子照相机、电视摄像管等。在某些场合也可以使用类似于 X射线探测中所使用的气态电离室和正比计数器等。

太阳紫外光谱中有许多高电离硅、氧、铁等元素的谱线，为太阳色球与日冕间过渡区和耀斑活动的研究提供了极有价值的信息。通过对太阳系内的行星、彗星等天体的紫外光谱、反照率和散射的观测（对短波波段，分子的散射比起固体粒子的更为重要），对于它们的大气组成的确定和大气模型的建立极有价值。

早型恒星、白矮星和行星状星云的中心星等的紫外波段的辐射最强，紫外观测无疑是非常重要的。第一颗观测到的非太阳远紫外辐射源就是白矮星H243。某些变星的紫外观测也给出了重要的结果，如A型特殊星猎犬座α星的5.5天间期的光变，紫外与可见区相比出现180°的相位差等。

紫外观测对于星际物质的研究有特殊意义。消光曲线向紫外的扩展，使人们得到星际尘埃含有直径 100埃左右的石墨粒子的结论。大量紫外星际气体谱线的发现，为星际气体成分提供了更精确的结果。已有紫外观测表明，星系在紫外有较强的辐射。星系的研究需要较大的望远镜，它将是紫外天文学的第二代任务。

红外天文学

对可见光区和毫米波之间的电磁波段，地球大气只有若干“窗口”，红外观测主要在大气层或大气层外进行。红外天文学的探测方式也同光学观测类似，但研制红外探测器技术较难。1～4微米波段主要使用氮冷却的硫化铅等光导型元件;4微米以上波段主要使用液氦冷却的锗掺镓等测热计。红外光谱研究，除传统的光谱扫描方式外，傅里叶干涉光谱仪被广泛应用。远红外或亚毫米波，由于介于红外与毫米波之间，其探测技术兼有两者的特点。

根据地面、火箭和气球的红外巡天观测，已发现了不少红外辐射特别强的天体。这些红外源包括太阳系天体（行星、卫星、彗星等）、晚型恒星、行星状星云、电离氢区、分子云、银河系核心、河外星系（大部分是塞佛特星系）及类星体等。有些天体具有出人意料的强红外辐射。有些红外源未找到光学对应体，据推测它们可能是正在形成中的恒星。这一发现对恒星的早期演化的研究有特别重要的意义。鉴于天体的红外辐射较弱，大气外红外探测，需要较大的望远镜，尤其是由于探测器需要长期液氦致冷的技术尚待解决，其发展受到一定限制。1983年1月25日，第一颗“红外天文卫星”(IRAS)的成功发射，表明在技术上已有了重大突破。

大气窗口在射电波段的长波端，只打开到10米波长左右，对于来自天体的甚长波电磁辐射的探测，也是空间天文的研究内容。虽则这个波段的探测技术在地面是早已成熟的，同时通过轨道卫星和行星际探测器对太阳、行星、行星际空间也作了一些探测，也取得了一些结果。但是由于星际电离氢的自由-自由吸收，要越过太阳系探索遥远的宇宙，在技术上还有不少困难。

参考书目

1. E.L.Chupp，Gamma Ray Astronomy，D.Reidel publ.Co.，Dordrecht，1976.
2. R.Giacconi and H.Gursky，X-Pay Astronomy，D.Reidel publ.Co.，Dordrecht，1974.
3. Jean-elaude PeckerSpace Observatories，D.Reidel publ.Co.，Dordrecht，1970.