打开宇宙电磁频谱的新窗口——超长波

<正>1.超长波及其早期观测历史1800年2月11日,英国天文学家威廉·赫谢尔在观测太阳光谱热效应时意外发现了肉眼不可见的红外辐射。此后,随着麦克斯韦电磁理论的建立,人们开始意识到,在可见光之外,还存在着其他波段的电磁波,它们的差别只在于频率或者说波长。现代的天文研究综合了这些不同波段的观测以获取信息。但是,地球大气对于观测不同频段的天体辐射却有很大影响。图1为地球大气对不同波     

真空紫外和软X线波段成像探测器

一、引 言 随着科学技术的发展,人类的观测范围从可见光扩展到红外、紫外和软X射线波段.例如,宇宙空间在在着大量紫外、X射线辐射源——恒星、河外星系、类星体等.通过对这些天体的研究,有助于了解天体的演化过程.由于地球大气的的吸收,这些紫外、X射线达不到地面,限制了人类对这些天体的了解.随着空间技术的发展,可以在地球大气层外探测来自天体的辐射,这就把人类的认识延伸到距离远达80亿光年的地方.而对紫外、软X射线敏感的高性能探测器,是实现这种观测的关键.又如在研究核聚变时,高温等离子体辐射的真空紫外和软X射线,能给出等离子体…     

空间硬X射线调制望远镜

用宇宙作为物理实验室,探索在地球上无法企及的条件下,例如极早期宇宙或黑洞视界附近强引力场中的物理规律,已成为新世纪物理学和天文学共同的前沿课题;空间天文观测是其中一个最重要的研究途径.自主研制和发放空间硬X射线调制望远镜(HXMT),实现中国空间天文卫星零的突破,是中国<"十一·五"空间科学发展规划>的目标之一.HXMT将实现宽波段X射线(1-250 keV)巡天,其中在硬X射线波段具有世界最高灵敏度和空间分辨率,发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,探测宇宙硬X射线背景辐射;HXMT还将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程.基于成像技术创新提出HXMT项目迄今已有15年,能不能抓住技术创新所提供的科学机遇仍然是一个严重的挑战.     

邮票上的物理学史（64）--天体物理学:新的观测手段(续)

空间技术的发展,使得有可能建造空间观测站,到太空去观测,由此建立了空间天文学.它带来的好处是:①突破大气窗口限制,把观测波段从可见光和射电波扩展到电磁波全波段,包括红外、紫外、X射线和γ射线.我们还记得,天体物理学是伴随着光谱分析而建立起来的,依靠望远镜收集的一点星光,通过测量天体的亮度和分析天体的光谱,就建立了天体物理学,现在将观测扩展到全部电磁波段,得到的信息、发现的现象就更多了.②对地面能观测的波段,也减轻或消除了大气湍动的影响,提高了分辨本领.对光学望远镜成像主要有三个限制:衍射;大气宁静度;望远镜本身的缺陷.事实上,对一些大口径望远镜,大气湍动对成像的破坏作用远远超过了衍射限制.     

近代空间天文学的进展

一、概 况 以人造卫星为标志的太空研究已经经历了十五年以上的历史.如果从探空火箭算起,太空研究的历史还可以追朔到本世纪四十年代.空间科学技术的迅速发展,给空间天文事业开辟了十分广阔的前景.空间天文当今作为天文学中一个独特领域,已经发展成为一门相当齐全的综合性学科.1.外空天文观测的优越性 首先,它能够在不同程度上越过地球大气这个屏障,开拓了天文观测波段,取得由外层空间进入地球的整个电磁谱的可能性.各类天体发射着波长从103厘米到1012厘米范围内的辐射.但是地面天文观测主要地局限在可见光区域内.由于大气中臭氧、氧、氮等…     

硬X射线调制望远镜卫星及其科学目标

正硬X射线调制望远镜(The Hard X-ray Modulation Telescope,简称:HXMT)是我国自主研制的第一颗X射线天文卫星,承载有高能X射线望远镜(20~250ke V,5000 cm2)、中能X射线望远镜(5~30ke V,952 cm2)、低能X射线望远镜(1~15ke V,384 cm2)以及空间环境监测器。HXMT具有扫描观测和定点观测两种工作模式,扫描观测可以进行宽波段大天区X射线巡天成像,定点观测可以研究黑洞、中子星等高能天体的多波段X射线快速光变,HXMT还可以监视天空的高能爆发现象。通过HXMT     

月球背面——低频射电天文观测的圣地

 宇宙辐射电磁波谱的任何一个波段背后，都有天体的物理现象和机理，只要能感知到，就可以寻找它们的规律。20世纪30年代，美国贝尔实验室工程师卡尔央斯基在短波高频波段偶然收到来自地球之外的天体辐射，开启了射电天文的大门。自此，电磁波成为了天文学家观测天体辐射的核心手段之一。由于地球空间存在的比较浓密的电离层，能够反射短波和中波波段的人造电磁波，使得电磁波无法逃出地球范围。但与此同时，来自地球以外低于10兆赫兹的电磁辐射，也无法透过地球电离层到达地面。可以说，这个波段的天文观测窗口被地球电离层“屏蔽”了。与地球相比，月球的电离层非常稀薄，在其表面的射频观测下限可以达到500 kHz，在夜间还会更低。利用月球背面“干净”电磁环境开展低频射电探测，是全世界天文学家梦寐以求的事情，将填补低频射电观测的空白。因此，嫦娥四号月球着陆探测为科学家提供了在月球背面和月球空间开展低频射电天文研究的绝佳起步机会。     

浅谈紫外天文学的发展

 在威廉·赫歇耳发现太阳的红外辐射不久,1801年德国物理学家里特尔发现了太阳的紫外辐射。紫外波段介于可见光和X射线波段之间。紫外辐射受大气吸收最为严重。对波长0.2-0.3微米的紫外线尚可用升高到50公里的气球获得,而其余紫外波段的观测工作必须要用火箭和卫星完成。由于在紫外区可以了解到比可见光区更多的有关天体物理状态和化学组成的信息,现代天体物理学家十分重视这一领域的研究。从太阳开始,先后探测了行星和行星际空间、银河辐射源,以及河外源,取得了不少令人振奋的成果。 太阳系紫外探测 紫外研究的第一个天体是太阳。其实,在太阳总辐射中,紫外辐射所占的比例很小,约占7％,但这部分短波辐射能够引起地球高层大气各种反应,对卫星表面涂层和太阳能电池有破坏作用,因而受到人们的重视。人们对太阳紫外辐射关注的另一个原因是太阳紫外光谱中有许多高电离硅、氧、铁等元素的谱线,它们对太阳色球和日冕间过渡层和耀斑活动的研究极有价值。     

无云地球大气背景辐射光谱亮度的计算模型

根据辐射的叠加性,提出了一种用于卫星遥感无云地球大气背景辐射强度计算的理论模型。在利用该模型对晴朗无云地球大气背景的光谱辐射亮度进行计算时,使用迭代法解辐射传输方程并对大气采用动态分层。模型计算的结果与法国6S软件计算结果的对比表明：该模型以及计算方法对于无云地球大气背景向上的辐射亮度计算是精确可行的。且计算结果说明在可见光波段地球大气背景的辐射是很强的,而在红外强吸收波段,地-气系统的辐射很弱,主要来自大气的后向散射。     

高能天体物理学的几项重要新成果

 高能天体物理以观测天体的X射线和伽马射线辐射为主要研究手段,由于天体高能物理过程的辐射多集中在X射线和伽马射线能段,同时X射线和伽马射线具有大大高于可见光的穿透能力.     

星体为什么会发射X射线?

太阳是我们最先观测到的发射X射线的星体.由于地球大气对X射线的强烈吸收,所以直到1948年火箭带着仪器离开大气层后才测量到太阳的X射线.1960年4月得到了第一张太阳的X射线照片[1].几年后,轨道高能天文观测台1号及荷兰天文卫星发现,天空布满了明亮的X射线星,有的甚至比太阳的X射线强好几个量级,随着技术的发展,1978年发射的轨道HEAO-2爱因斯坦观测站发现,几乎每一颗星,不论是年老的还是年轻的,大的或是小的,热的还是冷的,都能发射X射线[2-4],只有冷巨星、超巨星和白矮星例外.可见星体发射X射线并不是一种异常现象,而是正常现象. 深入的…     

银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说

 20世纪初，随着人们对空气电离度测量精度的不断提高，大气电离现象被普遍观测到并被归因于放射性元素衰变产生的高能辐射。1911~1913年奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Franz Hess）通过一系列高空气球实验发现了来自外太空的可以导致空气电离的辐射--宇宙线^①，他也因此获得了来自于河外高能天体源。能量低于109eV （1GeV）的宇宙线由于受太阳风的影响，很难到达地球附近。由太阳活动产生的高能粒子的能量通常也低于1 GeV⑦，因此在地球附近观测到的能量低于1 GeV的高能粒子主要产生于太阳系。虽然银河系中很多高能天体都可以产生宇宙线，但是超新星遗迹被普遍认为是最主要的银河系宇宙线源。这就是所谓的银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说。1936年的诺贝尔物理学奖（图1（a））。20世纪30年代，人们通过对来自地球东西方向宇宙线流量不对称性的分析，逐渐认识到它们主要是由带正电的高能粒子组成，受地球磁场影响，来自西方的宇宙线流量更高。后来的一系列研究表明，99%的宇宙线是原子核，其中约10%为α粒子即氦核，更重的原子核占1%左右。考虑到宇宙线的高流量，1934年巴德（W.Baade）和兹维基（F.Zwicky）指出，它们可能来自于超新星爆发^②。由于宇宙线粒子带电，在星际介质中传播时将受到星际磁场的影响，因此地球附近观测到的宇宙线空间分布几乎是各向同性的，这也导致我们无法通过对宇宙线的成像观测来确定宇宙线源。但是宇宙线可以和背景等离子体相互作用产生从射电到伽马射线的电磁辐射，随着射电天文、X射线天文、伽马射线天文的发展，人们不仅发现了超新星爆发产生宇宙线的观测证据，还发现了其他一些可以产生宇宙线的高能天体^③~⑥。     

高能天体物理学的几项重要新成果

高能天体物理以观测天体的X射线和伽马射线辐射为主要研究手段,由于天体高能物理过程的辐射多集中在X射线和伽马射线能段,同时X射线和伽马射线具有大大高于可见光的穿透能力,它们携带的是天体中心最活跃区域     

超新星遗迹与LHAASO

 宇宙线的起源作为科学难题已经长达一个世纪。近年随着GeV、TeV伽马射线天文望远镜的发展，探测到了一批高能和甚高能伽马射线超新星遗迹（Supernovae Remnant，SNR），表明超新星遗迹的电磁辐射，不仅从低频射电波段跨越到X射线波段，而且延伸至伽马射线波段，是宇宙中重要的伽马射线源。频率跨度如此之大的电磁辐射，科学家们用以研究各种天文物理过程，如恒星晚期演化与核合成，激波动力学，相对论性粒子高能辐射，高能粒子加速、传播等等。特别是，超新星遗迹被普遍推测为银河系内主要的宇宙线加速源。为了确证对超新星遗迹或其他高能天体这样的推测，深入探索宇宙线的有关机理，必须建造下一代更灵敏的伽马射线望远镜，在更高的能段投入观测。超新星遗迹也因此成为LHAASO项目的重要探测目标。     

大气红外辐射及消光特性实测研究

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M′波段(4.605~4.755μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2Binning、4×4Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。     

暗物质粒子探测及进展

正暗物质是天文学家观测宇宙时发现的一种"暗"的物质。所谓"暗"的物质是指没有观测到这种物质任何的电磁辐射。我们知道,天文学家观测宇宙所通过的媒介是不同波段的电磁波,像图1所示,根据波长的不同,电磁波从波长最长的无线电波、微波、红外线、可见光到波长比较短的紫外线、X射线和能量最高的γ射线。现代的天文观测仪器发     

X射线在天体物理学的应用

正天体物理学是天文学与物理学的交叉学科,是20世纪自然科学发展的一个极其重要的分支。现代天体物理学的重要探测手段之一是借助射电技术设备接收并研究宇宙天体的辐射。这些辐射按波长可分为若干波段,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。按观测的电磁波段可分为光学天文学、射电天文学和空间天文学等。传统的观测是在     

X射线在天体物理学中的应用

 天体物理学是天文学与物理学的交叉学科,是20世纪自然科学发展的一个极其重要的分支。现代天体物理学的重要探测手段之一是借助射电技术设备接收并研究宇宙天体的辐射。这些辐射按波长可分为若干波段,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。按观测的电磁波段可分为光学天文学、射电天文学和空间天文学等。     

近代天体物理学中的几个问题

长期以来,人类用以观测天体的波段,主要被限制在可见光辐射这一相当狭窄的频率范围之内.这一方面是由于设备和技术的不足,另一方面也由于人类长期居住在稠密的地球大气底层,而大气层仅对可见光等几段比较狭窄的电磁辐射透明的原故。这个情况在近十余年来开始有了很大的改变.由于射电天文等技术的发展,人造地球卫星探测设备的应用,人类终于逐步地冲破了大气透光性的限制,可以在从无线电波频起直到高能γ射线止的、宽达14个量级以上的电磁波以及其他辐射区域内,对天体进行观测;这就大大地扩展了探索宇宙天体的眼界,导致了许多重要的新发现,提…     

红外大气能见度:定义、算法及关键因素分析

通常用大气能见度表征大气对可见光波段的视觉影响程度,但它并不适用于红外波段。鉴于大气能见度的直观特性和红外光电技术的迫切需求,参照可见光大气能见度的定义,依据红外系统对比度阈值,提出了红外大气能见度的概念。根据这里提出的定义和涉及的红外大气透射率的物理过程,分析了决定红外大气能见度的关键大气因素。一般情况下,这些因素是可见光大气能见度、水汽含量、气溶胶类型。建立了红外大气能见度与这些关键参数间的定量关系,计算了噪声等效温差(NETD)为0.05 K对应的3个大气窗口(1.06、3~5、8~12μm)的红外大气能见度。