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6.5: 地球大气层以外的观测

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    学习目标

    在本节结束时，您将能够：

    • 列出从太空进行天文观测的优势
    • 解释哈勃太空望远镜的重要性
    • 描述天文学家使用的一些主要天基天文台

    地球大气层阻挡波长短于可见光的大多数辐射，因此我们只能从太空进行直接的紫外线、X射线和伽玛射线观测（尽管可以从地球进行间接的伽玛射线观测）。 在可见光和红外波长下，克服大气的扭曲效应也是一个优势。 星星不会在太空中 “闪烁”，因此你可以观察到的细节量仅受仪器大小的限制。 另一方面，将望远镜放入太空的成本很高，维修可能是一项重大挑战。 这就是为什么天文学家继续建造用于地面和发射到太空的望远镜的原因。

    机载和太空红外望远镜

    水蒸气是进行红外观测的主要大气干扰源，集中在地球大气的下半部分。 出于这个原因，即使增加几百米的海拔也可以对红外天文台场地的质量产生重要影响。 鉴于高山的局限性，其中大多数会吸引云层和暴风雨，以及人类在高海拔地区执行复杂任务的能力会降低，天文学家自然会研究从飞机观测红外波并最终从太空观测到红外波的可能性。

    自20世纪60年代以来，人们一直在飞机上进行红外观测，首先是在里尔喷气式飞机上安装了15厘米的望远镜。 从 1974 年到 1995 年，美国宇航局运营了一台 0.9 米长的机载望远镜，定期从旧金山以南的艾姆斯研究中心飞出。 从12公里的高度进行观测，望远镜超过了大气水蒸气的99％。 最近，美国宇航局（与德国航空航天中心合作）建造了一台大得多的2.5米望远镜，名为平流层红外天文观测台（SOFIA），该望远镜乘坐改装后的波音747SP飞行（图\(\PageIndex{1}\)）。

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    图\(\PageIndex{1}\)平流层红外天文观测台（SOFIA）。 SOFIA 允许在地球的大部分大气水蒸气上方进行观测。

    要了解有关 SOFIA 的更多信息，请观看美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心提供的这段视频。

    对于红外天文学来说，走得更高并从太空本身进行观测具有重要的优势。 首先是消除来自大气层的所有干扰。 同样重要的是有机会冷却仪器的整个光学系统，以便几乎消除望远镜本身的红外辐射。 如果我们试图冷却大气中的望远镜，它很快就会被冷凝的水蒸气和其他气体覆盖，使其毫无用处。 只有在太空真空中，光学元件才能冷却到冰点以下数百度，并且仍然可以运行。

    1983年发射的第一个轨道红外观测站是红外天文卫星（IRAS），由美国、荷兰和英国联合建造。 IRAS 配备了一台 0.6 米长的望远镜，冷却至低于 10 K 的温度。红外天空首次可以像夜晚一样被看作是夜晚，而不是透过大气和望远镜发射的明亮前景。 IRAS在10个月的时间里对整个红外天空进行了快速而全面的调查，对大约35万个红外辐射源进行了分类。 从那时起，由于红外探测器的改进，其他几台红外望远镜在太空中运行，灵敏度和分辨率要高得多。 这些红外望远镜中最强大的是0.85米的斯皮策太空望远镜，它于2003年发射。 它的一些观测结果如图所示\(\PageIndex{2}\)。 通过红外观测，天文学家可以探测宇宙物体中较冷的部分，例如恒星苗圃周围的尘云和可见光图像无法揭示的垂死恒星的残余物。

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    图来自斯皮策太空望远镜（SST）的\(\PageIndex{2}\)观测结果。 这些红外图像——恒星形成的区域、爆炸恒星的残余物以及一颗老恒星正在失去外壳的区域——仅显示了从SST进行并传回地球的少量观测结果。 由于我们的眼睛对红外线不敏感，因此我们无法感知红外线发出的颜色。 天文学家选择了这些图像中的颜色，以突出显示这些区域的成分或温度等细节。 （来源 “火焰星云”：美国宇航局对作品的修改（X 射线：NASA/CXC/PSU/K.Getman、E.Feigelson、M.Kuhn 和 Mystix 团队；红外线:NASA/JPL-CalTech）；来源 “Helix nebula”：NASA/JPL-CalTech 对作品的修改科技）

    哈勃太空望远镜

    1990年4月，随着哈勃太空望远镜（HST）的发射，天文学取得了巨大飞跃。 这台望远镜的孔径为2.4米，是迄今为止放入太空的最大望远镜。 （它的孔径受到作为其运载火箭的航天飞机有效载荷舱大小的限制。） 它以天文学家埃德温·哈勃的名字命名，他在20世纪20年代发现了宇宙的扩张（我们将在星系章节中讨论他的工作）。

    HST 由美国宇航局的戈达德太空飞行中心和位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所联合运营。 这是第一个设计由航天飞机宇航员提供服务的轨道天文台，自发射以来的几年中，他们多次访问以改进或更换其最初的仪器，并修复一些运行航天器的系统（图章），尽管该维修计划现已完成已停止，将不再进行访问或改进。

    借助哈勃望远镜，天文学家获得了从太阳系向外到最遥远星系的一些最详细的天体图像。 它的众多伟成就之一是哈勃超深场，这是一张观测了将近100小时的天空小区域的图像。 它包含大约 10,000 个星系的视图，其中一些是在宇宙只有当前年龄的百分之几时形成的（图\(\PageIndex{3}\)）。

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    图\(\PageIndex{3}\)哈勃超深场（HUDF）。 哈勃太空望远镜提供了根据2003年9月24日至2004年1月16日期间收集的数据建造的特定太空区域的图像。 这些数据使我们能够搜索大约130亿年前存在的星系。

    HST 的镜子经过研磨和抛光，精度极高。 如果我们把它2.4米的镜子放大到整个美国大陆的大小，那么光滑的表面就不会有大于大约6厘米的山丘或山谷。 不幸的是，在发射后，科学家们发现主镜的形状有轻微的误差，大约相当于人类头发宽度的1/50。 尽管听起来很小，但足以确保进入望远镜的大部分光线没有清晰的聚焦，并且所有图像都模糊不清。 （为了省钱，在发射前没有对光学系统进行全面测试，因此直到哈斯特进入轨道后才发现错误。）

    解决方案是做一些与我们为视力模糊的天文学学生所做的事情非常相似的事情：将矫正光学器件放在他们的眼前。 1993年12月，在有史以来最激动人心、最困难的太空任务之一中，宇航员捕获了轨道望远镜并将其带回航天飞机有效载荷舱。 在将 HST 送回轨道之前，他们在那里安装了一个装有补偿光学元件的封装以及经过改进的新摄像头。 望远镜现在可以按预期工作，进一步的任务能够安装更先进的仪器来利用其能力。

    高能天文台

    紫外线、X 射线和直接伽玛射线（高能电磁波）观测只能从太空进行。 这种观测在1946年首次成为可能，第二次世界大战后从德国缴获了V2火箭。 美国海军研究实验室在这些火箭上安装了仪器，用于一系列开创性的飞行，最初用于探测来自太阳的紫外线辐射。 从那时起，发射了许多其他火箭，对太阳进行X射线和紫外线观测，后来又对其他天体进行了观测。

    从20世纪60年代开始，源源不断的高能观测站被发射到轨道，以短波长揭示和探索宇宙。 最近的X射线望远镜中有钱德拉X射线天文台，该天文台于1999年发射（图\(\PageIndex{4}\)）。 它正在生成具有前所未有的分辨率和灵敏度的X射线图像。 设计能够收集和聚焦 X 射线和伽玛射线等高能辐射的仪器是一项巨大的技术挑战。 2002 年诺贝尔物理学奖授予了建造和发射高级 X 射线仪器领域的先驱里卡多·贾科尼。 2008年，美国宇航局发射了费米伽玛射线太空望远镜，该望远镜旨在以比以前任何望远镜都要高的能量测量宇宙伽玛射线，从而能够收集宇宙中一些最有活力的事件的辐射。

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    图：\(\PageIndex{4}\)钱德拉 X 射线卫星。 钱德拉是世界上最强大的X射线望远镜，由美国宇航局开发并于1999年7月发射。

    一个主要挑战是设计 “镜子” 来反射X射线和伽玛射线等穿透辐射，这些辐射通常直接穿过物质。 但是，尽管设计的技术细节更为复杂，但正如我们在本章前面所解释的那样，观测系统的三个基本组成部分在所有波长上都是相同的：用于收集辐射的望远镜，用于根据波长对辐射进行分类的滤光器或仪器，以及某种检测和永久记录观测结果的方法。 表中\(\PageIndex{1}\)列出了人类发射的一些最重要的活跃太空观测站。

    使用大气层作为主要探测器，也可以从地球表面进行伽玛射线探测。 当伽玛射线击中我们的大气层时，它会加速大气中的带电粒子（主要是电子）。 这些高能粒子撞击大气中的其他粒子并释放自己的辐射。 其效果是可以在地面上探测到一连串的光和能量。 亚利桑那州的 VERITAS 阵列和纳米比亚的 H.E.S.S. 阵列就是两个这样的地面伽玛射线天文台。

    图\(\PageIndex{1}\)：最近的太空天文台
    天文台 行动开始日期 频谱波段 注意事项 网站
    哈勃太空望远镜 (HST) 1990 可见光、紫外线、红外 2.4 米反射镜；图像和光谱 www.hubblesite.org
    钱德拉 X 射线天文台 1999 X 射线 X 射线图像和光谱 www.chandra.si.edu
    xmm-Newton 1999 X 射线 X 射线光谱学 http://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton
    国际伽玛射线天体物理实验室 (INTEGRAL) 2002 X 射线和伽玛射线 更高分辨率的伽玛射线图像 http://sci.esa.int/integral/
    斯皮策太空望远镜 2003 IR 0.85 米望远镜 www.spitzer.caltech.edu
    费米伽玛射线太空望远镜 2008 伽玛射线 首次高能伽玛射线观测 fermi.gsfc.nasa.gov
    开普勒 2009 可见光 行星探测器 kepler.nasa.gov
    宽视野红外探测探测器 (WISE) 2009 IR 全天地图，小行星搜索 www.nasa.gov/mission_pages/Wise/
    盖亚 2013 可见光 精确的银河系地图 http://sci.esa.int/gaia/
    过境系外行星测量卫星 (TESS) 2018 可见光 行星探测器 http://tess.mit.edu

    摘要

    红外观测是使用飞机上和太空中的望远镜进行的，也可以从干燥的山峰上的地面设施进行的。 紫外线、X 射线和伽玛射线观测必须从大气层上方进行。 在过去的几十年中，许多轨道观测站都经过飞行，在这些频谱波段进行观测。 太空中最大的孔径望远镜是哈勃太空望远镜（HST），最重要的红外望远镜是斯皮策，钱德拉和费米分别是主要的X射线和伽玛射线天文台。