| ✦ 多波段天文观测 ✦ 目前詹姆斯韦伯望远镜已经正式调整好镜片，不出意外的话，下个月它将传回第一批清晰的图像，这也标志着它正式开始工作了。说到韦伯望远镜，人们常把它和它的前辈哈勃望远镜进行比较。除了韦伯有更大的镜片，更新的技术，更遥远的距离外，专家表示，韦伯将填补哈勃望远镜观测空间上的空白，在远红外波段上进行观测。什么是不同波段，以及为什么韦伯要关注可见光以外的信号呢？   韦伯近日发布的照片，韦伯的概念图 1 从光谱开始 物理老师告诉我们，光有波的性质。有的光波起伏急促，有的光波起伏平缓。物理上把光波在一秒内起伏的次数叫做频率。频率越高的光波长越短，频率越低的光波长越长。 不同波长的光有着不同的特性，而它们都是电磁波的一种。狭义的光指可见光，即人眼能够看见的光。这种光在所有的电磁波中只占很小一部分。除了可见光，电磁波还包括伽马射线，紫外线，红外线，无线电波等。它们尽管种类繁多，但是都有着自己独特的波长，因此可以按照波长把它们分类。按照波长长短排序后得到的“队列”被称作光谱。光谱又可以分成多个区域，每个区域是一个波段。于是所有的电磁波被分成这样几个区间：伽马射线，X射线，紫外线，可见光，红外线，无线电。   波的演示以及电磁波谱 2 可见光 从夜观天象到发明望远镜，可见光观测就算到今天也是天文观测的主力军。夜空中布满星光，为了了解地球之外的世界，天文学家一直在捕捉微弱的光明。在观测恒星和以恒星为主的星系时，可见光发挥了显著的作用。高分辨率的可见光结果很适合用来研究恒星分布和星系形状。但是可见光也有诸多局限。首先，有时可见光不能看清图像。宇宙中除了能主动发出光的恒星外，还有各种其他的星体，除了星体外还有各种星际气体和尘埃。星尘可以挡住可见光，导致照片中出现一片一片的黑影，就好像那片区域没有星星一样。此外，尽管可见光可以让我们研究恒星，但是不发出光芒的星体用可见光研究会鞭长莫及。比如黑洞的照片就不能用可见光拍摄。因此，天文学家需要多波段天文学。   在不同波段下再熟悉的天体也有崭新的模样 3 多波段天文学 对于人眼来说，宇宙中充满了星光，但实际上不止如此。宇宙中充满了各种波长的电磁波，不仅仅是可见光。所有的天体都会向外发出电磁波，但是有的主要发射红外线辐射，其他一些则主要发射可见光，还有一些则主要发射紫外线。天体发出不同波长的光主要由它们的温度决定，换句话说不同辐射类型对应着不同辐射温度，不同类型的辐射也对应着不同的辐射源。值得一提的是，因为地球大气也是一个辐射源，所以现今大部分高精度的观测都是由太空中的望远镜做出的。对同一个天体在多种不同波段上观测有极大的好处。不仅可以全方位的了解观测目标的性质，而且各个波段也可以互通有无，补足模糊的部分。天文学家对蟹状星云（又称M1星云）的多波段观测是一个经典的例子。公元1054年，一颗超新星爆发，中国天文台记载：“客星晨出东方，守天关，至是没。”这个恒星爆发后向外喷出物质，核心则坍缩成脉冲星。早在上世纪x射线观测刚萌芽时蟹状星云就作为第一批目标被观测。作为非常有名的星体，各个天文机构都提供了蟹状星云高精度的图片。  蟹状星云在多波段下的合成图像 4 X射线 X射线是波长非常短的电磁波。在生活中X射线被用于医学诊断，因为它有极高的能量，具有较强的穿透性。宇宙中X射线源往往意味着高温、高能的情况，X射线源在宇宙其实很常见，超高温气体、黑洞吸积盘（包括活跃星系核、类星体）、超新星遗迹、大质量恒星等都能产生强烈的X射线。 目前NASA的钱德拉X射线太空望远镜和欧洲航天局的XMM-牛顿卫星都是代表性的X射线望远镜。   钱德拉和它拍摄的图像   XMM和它拍摄的图像 5 可见光 显而易见，可见光可以寻找恒星，确定星系形状。此外，可见光还可以寻找地外行星，寻找宇宙中大质量天体等。 目前哈勃望远镜仍然是最为优良的望远镜。   哈勃望远镜和让它声名鹊起的“创生之柱” 6 红外线 一方面，宇宙中的星尘大小和可见光波长接近，所以可见光往往会与尘埃相互作用，从而导致光线半途消失。但是波长更长的红外线不会被尘埃影响，所以在可见光效果较差时，可以在近红外线波段观测。另一方面，红外线对应的是温度在零下170度的物质的辐射。这个温度尽管在地球上非常冷，在太空中却是很热的温度。这样的“高温”意味着物质被恒星加热了，因此当天文学家研究恒星附近的气体分布时，需要红外线波段的观测。 NASA的斯皮策太空望远镜是目前最好的红外望远镜，但是韦伯望远镜即将超过它。   斯皮策太空望远镜对M1O1的成像 7 无线电 红外线探索“高温”星体，无线电对应的则是真正的低温星体，有的低至零下260度。这样的物质在恒星形成的早期发挥了特别大的作用，当我们用无线电波观测宇宙时，我们能够得知气体和尘埃的分布方式。有些剧烈活动的天体会产生很强的射电辐射，下图中的天鹅座A就是一个著名的例子。图中的圆盘状区域是环绕黑洞的吸积盘，黑洞的巨大引力为其射电辐射提供了能量。射电天文观测使我们在这类天体的研究中取得了重大进展。 我国建成了世界上最大口径的射电望远镜FAST，此外，NASA的甚大天线阵（VLA）也是最好的射电望远镜之一。   VLA对某星体的成像和得到的星体模型  VLA  FAST 在多波段天文学的历史上，对于蟹状星云（M1星云）的研究应该是最为透彻的。天文学家们动用了目前最好的仪器，在所有波段上观测它。M1是一颗超新星爆炸后的残骸，对它的研究不仅促进了高能天文学的发展，而且让我们对恒星的更替也有了新的认识。 在不同波段上取得的主要成果大概有以下几个： 可见光：运用光谱分析，得到星云中各个元素的分布情况。 紫外线：分析电子的运动速度，得知星云内部的温度高于外部。 X射线：发现星云中间有一个转动的部分，而且最中心的能量远高于预期。这样的周期运动让M1星云内部有类似脉冲的特征。 红外线：发现星云中有强大的磁场，可以捕获大部分电子。 无线电：在正中心有一个无比明亮的天体，以每秒30次的速度自转，带动着星云物质向外抛出。 将这些结果汇总后，便得到了一个精致的M1的模型。 总的来说，多波段天文学是天文的集大成者，它可以站在所有前辈的肩膀上，它的成就举世瞩目。  全波段  红外线  无线电波  紫外线  可见光  X射线  X射线（动图） 参考资料：https://www.youtube.com/watch?v=Vc39qjGuqg4https://www.youtube.com/watch?v=Qm1VscNlMK8https://new.qq.com/rain/a/20200522A0OLDS00https://baijiahao.baidu.com/s?id1720009661880188361&wfr=spider图源：NASA ESO ESA 文案：彭任骏 排版：杜嘉荣  |
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