2.3 用于觀測(cè)不同波段光的天文觀測(cè)站

作者| NASA
譯者| Paradox

對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，在不同波段下觀察天體是非常重要的，天文學(xué)家需要使用不同種類(lèi)的探測(cè)器(或者望遠(yuǎn)鏡)去觀測(cè)天體。除了不同的探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)的光敏感這個(gè)條件需要考慮之外，還要考慮到并非所有的光都能穿過(guò)地球大氣層。因此對(duì)于某些波長(zhǎng)的光，我們必須將探測(cè)器(或者望遠(yuǎn)鏡)送上衛(wèi)星軌道，甚至我們收集不同波長(zhǎng)光的方式也會(huì)隨著光波長(zhǎng)的變化而變化。

下面就來(lái)簡(jiǎn)要介紹工作于各個(gè)波段的天文臺(tái)。

射電天文觀測(cè)

無(wú)線(xiàn)電波可以沒(méi)有阻礙地穿過(guò)地球的大氣層。即使在云層堆積的陰天，射電望遠(yuǎn)鏡也能正常工作。因此理論上，我們是不需要將射電望遠(yuǎn)鏡放在太空中的。但是，天基射電天文臺(tái)(在太空中工作的射電望遠(yuǎn)鏡)可以在某些重要方面對(duì)地基射電望遠(yuǎn)鏡的工作做補(bǔ)充。

射電天文學(xué)中使用的一種特殊技術(shù)稱(chēng)為"干涉測(cè)量法"(interferometry)。射電天文學(xué)家可以合并兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生等效于兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離一樣大的單個(gè)望遠(yuǎn)鏡相同分辨能力的圖像。這意味著射電望遠(yuǎn)鏡陣列可以看到非常小的細(xì)節(jié)。一個(gè)例子是超大型基線(xiàn)陣列(Very Long Baseline Array, VLBA)，它由10個(gè)10臺(tái)口徑25米的射電望遠(yuǎn)鏡組成，橫跨從夏威夷到波多黎各8000多千米的距離[譯者注：為了方便大家對(duì)這個(gè)距離有個(gè)概念，地球的赤道周長(zhǎng)40076千米。還有一個(gè)非常著名的例子就是人類(lèi)第一次拍攝黑洞照片采用的事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope, EHT)，該項(xiàng)目基于甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉技術(shù)(VLBI)結(jié)合世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡，使用等效于地球大小的射電望遠(yuǎn)鏡去拍攝黑洞]。

通過(guò)將射電望遠(yuǎn)鏡放置在環(huán)繞地球的軌道上，射電天文學(xué)家可以像使用等效直徑為衛(wèi)星軌道半徑大小的射電望遠(yuǎn)鏡拍攝遙遠(yuǎn)的天體圖像。第一個(gè)專(zhuān)門(mén)從事空間干涉測(cè)量的任務(wù)是從1997年至2005年的日本的天鵝衛(wèi)星(HALCA)；第二個(gè)是2011年發(fā)射的俄羅斯的光譜-R衛(wèi)星(Spektr-R)。

微波天文觀測(cè)

地球的大氣層會(huì)阻擋微波波段中大部分頻率，因此天文學(xué)家使用基于衛(wèi)星的望遠(yuǎn)鏡觀察宇宙中的微波輻射。來(lái)自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，通常被稱(chēng)為宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background, CMB)，也稱(chēng)為微波背景。這些微波被認(rèn)為是"宇宙大爆炸"(Big Bang)的殘余下來(lái)的熱輻射。

宇宙誕生之初(約在138億年前)，所有的空間、所有的物質(zhì)和所有的能量都被壓縮在在一個(gè)極小的尺度內(nèi)，隨后宇宙開(kāi)始急速膨脹，也就是我們說(shuō)的"宇宙大爆炸"。在之后的時(shí)間里宇宙在一直冷卻，到今天比絕對(duì)零度要高的水平。

1989年至1993年，COBE衛(wèi)星(Cosmic Background Explorer, COBE)衛(wèi)星首次對(duì)整個(gè)天空的微波背景輻射溫度進(jìn)行了精確測(cè)量。此后從2001年開(kāi)始運(yùn)行至2010年威爾金森微波各向異性探測(cè)器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)修正了COBE衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果。而普朗克衛(wèi)星于2009年啟動(dòng)，普朗克衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果使天文學(xué)家進(jìn)一步加深了對(duì)微波背景輻射的理解。

紅外天文觀測(cè)

紅外天文學(xué)必須克服許多挑戰(zhàn)。盡管某些波長(zhǎng)的紅外輻射可以使其穿過(guò)地球的大氣，但這還不是最大的挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)是所有發(fā)熱的物體都會(huì)發(fā)出紅外光，這意味著大氣、望遠(yuǎn)鏡甚至紅外探測(cè)器本身都發(fā)出紅外光來(lái)干擾我們的觀測(cè)結(jié)果。

地面紅外望遠(yuǎn)鏡常常位于干燥氣候的高海拔地區(qū)，以力求大氣中的水汽對(duì)紅外線(xiàn)的吸收降至最低。但是地面紅外天文臺(tái)在觀測(cè)時(shí)仍必須考慮大氣的影響。當(dāng)我們?cè)谟^測(cè)天體的同時(shí)，還需要測(cè)量來(lái)自大氣的紅外發(fā)射本底，然后去掉本底以獲得對(duì)天體的精確測(cè)量。不僅如此，地面和空間/機(jī)載天文臺(tái)的紅外望遠(yuǎn)鏡還需要考慮抑制雜散輻射的問(wèn)題，同時(shí)還需要冷卻探測(cè)器以限制探測(cè)器自身紅外發(fā)射的干擾。

2003年，美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA將斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到了一條以地球?yàn)橹行牡娜招妮S軌道上，在那里它不必與近地空間中相對(duì)溫暖的環(huán)境相抗衡。另一個(gè)主要的紅外天文臺(tái)是索菲亞望遠(yuǎn)鏡，它是一個(gè)工作在平流層的紅外天文臺(tái)。索菲亞望遠(yuǎn)鏡裝在一架波音747飛機(jī)內(nèi)，飛機(jī)的飛行高度足以使望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大部分能吸收紅外線(xiàn)的大氣層，從而避免大氣的干擾。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope, JWST)計(jì)劃于2014年發(fā)射，但是由于預(yù)算和其他原因一再拖延至今仍未服役，但是其造價(jià)已經(jīng)逼近100億美元。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)大型的空間天文臺(tái)，它針對(duì)紅外波長(zhǎng)探測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化。韋伯望遠(yuǎn)鏡可以看到宇宙最初期大爆炸后殘留在邊緣的紅外線(xiàn)，找到在早期宇宙中形成的第一個(gè)星系并監(jiān)視附近的塵埃云，而塵埃云是我們認(rèn)為形成恒星和行星系統(tǒng)的地方。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將在日地引力平衡的拉格朗日L2點(diǎn)遠(yuǎn)離熱源工作。為了使鏡子和儀器保持低溫工作環(huán)境并允許望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到遠(yuǎn)處物體發(fā)出的最微弱的熱信號(hào)，需要一個(gè)巨大的遮陽(yáng)罩來(lái)阻擋來(lái)自地球、太陽(yáng)和月球的光和熱。

光學(xué)天文觀測(cè)

可見(jiàn)光可以直接穿過(guò)我們的大氣層，古時(shí)候人類(lèi)就開(kāi)始仰望夜空中的星星——這就是為什么天文學(xué)的歷史與人類(lèi)一樣的古老。我們擁有許多地面光學(xué)天文臺(tái)。但是地基光學(xué)天文學(xué)存在一定的局限性。當(dāng)光線(xiàn)穿過(guò)大氣層時(shí)，它會(huì)因大氣湍流而扭曲，會(huì)使得成像出現(xiàn)擺動(dòng)導(dǎo)致畫(huà)面模糊。天文學(xué)家可以通過(guò)將天文臺(tái)設(shè)置山頂上或者沙漠里(大氣稀薄或者水汽少，也避免了城市光污染的影響)來(lái)提高獲得高質(zhì)量的成像。但是影像的清晰度仍然存在限制，尤其是對(duì)于微弱的信號(hào)源而言。

將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡放到太空上就避免了地球大氣湍流的影響。此外天基光學(xué)天文臺(tái)也可以觀察到部分紫外光，特別是被地球大氣層吸收的紫外線(xiàn)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也許是最著名的太空光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)然還有后發(fā)射的開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)10萬(wàn)顆恒星的光度，檢測(cè)是否有行星凌星的現(xiàn)象，來(lái)發(fā)現(xiàn)環(huán)繞著其他恒星之類(lèi)地行星。雨燕衛(wèi)星(Swift)搭載了紫外線(xiàn)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(Ultra-Violet and Optical Telescope, UVOT)用于觀察γ射線(xiàn)暴。

紫外天文觀測(cè)

地球的大氣層吸收紫外線(xiàn)，所以紫外天文臺(tái)必須設(shè)置在地球大氣層之上才能觀測(cè)宇宙源。除了濾光片的材料不一樣之外，紫外線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡與普通可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡非常相似。

星系演化探測(cè)器(GALEX)是近年發(fā)射的一個(gè)紫外天文衛(wèi)星。它于2003年啟動(dòng)，2013年關(guān)閉運(yùn)營(yíng)。它的目標(biāo)是在紫外波段觀測(cè)星系，特別是那些包含大量年輕恒星、輻射出強(qiáng)烈紫外線(xiàn)的星系，研究它們的形成和演化機(jī)制。它共觀察了超過(guò)5億個(gè)星系，這些星系可以追溯到大約30億年前的宇宙。

雖說(shuō)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和雨燕衛(wèi)星紫外和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡都能在紫外波段進(jìn)行觀測(cè)，但它們只能覆蓋到GALEX的紫外光譜的一部分。

X射線(xiàn)天文觀測(cè)

X射線(xiàn)也會(huì)被地球大氣層阻擋。因?yàn)閄射線(xiàn)波長(zhǎng)短能量高，它的行為不會(huì)像低能量的光一樣被鏡子反射回來(lái)。相反X射線(xiàn)會(huì)直接通過(guò)反射鏡，除非X射線(xiàn)是大角度掠射過(guò)反射鏡。聚焦X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡需要較長(zhǎng)的焦距，所以光線(xiàn)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的反射鏡必須與X射線(xiàn)探測(cè)器保持幾米的距離。要發(fā)射如此大的天文臺(tái)成本非常高昂，所以只能將其放在功率最大的火箭上。體積巨大的錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)是由航天飛機(jī)送上天的。

2012年，核能光譜望遠(yuǎn)鏡陣列(NuSTAR)通過(guò)設(shè)計(jì)帶有可展開(kāi)桅桿的天文臺(tái)解決了這一問(wèn)題。形象地說(shuō)，核能光譜望遠(yuǎn)鏡陣列將其反射鏡模塊和檢測(cè)器模塊安裝在一個(gè)自拍桿上了。一旦進(jìn)入軌道，自拍桿就會(huì)伸長(zhǎng)達(dá)到X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)要求。通過(guò)這樣做核能光譜望遠(yuǎn)鏡陣列可以在低成本火箭上發(fā)射。

圖8.核分光望遠(yuǎn)鏡陣列(NuSTAR)的概念圖.(圖片來(lái)源: NASA/JPL-Caltech)

γ射線(xiàn)天文觀測(cè)

γ射線(xiàn)不僅會(huì)被地球的大氣層阻擋，而且比X射線(xiàn)更難聚焦。實(shí)際上到目前為止，還沒(méi)有聚焦型γ射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，也就是說(shuō)我們沒(méi)有辦法直接使用γ射線(xiàn)成像。所以，天文學(xué)家依靠其他方式來(lái)確定在天空中產(chǎn)生γ射線(xiàn)的位置。比如讓?duì)蒙渚€(xiàn)轟擊探測(cè)器中的鎢金屬板從而產(chǎn)生次級(jí)粒子，我們通過(guò)檢測(cè)次級(jí)粒子來(lái)分析γ射線(xiàn)的能量和大致方向。

雨燕衛(wèi)星(Swift)于2004年發(fā)射，專(zhuān)門(mén)用于觀測(cè)γ射線(xiàn)暴。雨燕衛(wèi)星擁有一個(gè)γ射線(xiàn)探測(cè)器，可以一次監(jiān)測(cè)一半的天空。如果它能探測(cè)到γ射線(xiàn)暴，那么衛(wèi)星可以迅速將其X射線(xiàn)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡指向γ射線(xiàn)的方向去觀測(cè)。而費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡于2008年發(fā)射升空，旨在研究來(lái)自各種宇宙源的高能現(xiàn)象，包括脈沖星、黑洞、活動(dòng)星系、彌散γ射線(xiàn)和γ射線(xiàn)暴。

令人驚訝的是天文學(xué)家也可以使用地基天文臺(tái)探測(cè)最高能量的γ射線(xiàn)。望遠(yuǎn)鏡不會(huì)直接檢測(cè)到γ射線(xiàn)，而將大氣本身作為探測(cè)器——當(dāng)高能光子穿過(guò)大氣層的時(shí)候，光子與大氣分子相互作用產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，次級(jí)帶電粒子運(yùn)動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生切倫科夫光。切倫科夫光有很好的前向性，地面上只用探測(cè)切倫科夫光再重建出γ射線(xiàn)的信息就好了。HESS陣列已經(jīng)運(yùn)行了10多年，該陣列開(kāi)始于4架相同的13米反射鏡組成的望遠(yuǎn)鏡排列成正方形排列(間距120m)，之后擴(kuò)建的HESS II也投入觀測(cè)。

在2.3節(jié)介紹了工作在不同波段下的天文臺(tái)。有很多天文臺(tái)的籌備都是歷經(jīng)令人難以想象的艱辛過(guò)程，有的任務(wù)一再延期，有的天文臺(tái)一再延長(zhǎng)任務(wù)期?？茖W(xué)研究終究還是要和研究經(jīng)費(fèi)作斗爭(zhēng)，為了確保詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡任務(wù)的萬(wàn)無(wú)一失而選擇一再延期也是必然的。上次是在2018年6月份獨(dú)立審查委員會(huì)同意任務(wù)延期至2021年3月，但是如今2020年的新冠病毒全球大流行，望遠(yuǎn)鏡的集成和測(cè)試工作在2020年3月份暫停，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)可能進(jìn)一步推遲。在2.4節(jié)我會(huì)詳細(xì)介紹X射線(xiàn)天文學(xué)，請(qǐng)各位讀者繼續(xù)關(guān)注這個(gè)翻譯專(zhuān)欄，再次感謝大家的閱讀。