从空间天文展望九十年代天文学的进展

 天文学是一门观测科学,空间天文时代的天文学仍然如此.天文学的发展史,从某种意义上来说,就是探测宇宙的能力、技术和方法的进展的历史.地面的传统的和经典的天文观测,追求的是看得更远、看得更准、看得更清楚.为此就要不断地提高贯穿本领,提高空间分辨力和时间分辨力.空间天文学除了上述那些目标外,还能在空间观察到为地球大气所屏蔽的宇宙伽马、X、远紫外和远红外辐射,并能不分昼夜地连续对天体和宇宙巡视.     

打开宇宙电磁频谱的新窗口——超长波

 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段电磁辐射的吸收。我们看到，这其中有两个几乎完全透明的窗口，分别位于可见光波段和无线电波段（米波至厘米波）。我们的眼睛之所以对可见光敏感大概是长期进化的产物。现在，地面的天文观测也是以可见光和射电（无线电）天文观测为主，而其他波段特别是X射线、伽玛射线等高能天文观测，以及红外和毫米波观测，则往往依赖航天器的空间观测或火箭、气球等近邻空间观测手段，或者至少是利用高海拔观测站以尽量减少大气吸收。仅X射线波段，空间望远镜和实验就已有几十个。这些空间观测，打开了高能天文的观测窗口。     

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     

一个了解宇宙的新窗口——分子天体物理学进展介绍

 二次大战中发展起来的雷达及微波技术推动了微波波谱学及射电天文的发展.1944年荷兰的范德胡斯特首先考虑了用射电望远镜检测广泛存在于星云之中的氢原子21厘米微波谱线(它来自氢基态超精细结构能级间的跃迁)的可能性.这个想法在1951年实现.于是天文谱线的研究由光学波段扩展到射电波段.氢21厘米谱线的观测取得了丰硕成果并积累了用微波谱线观测星际气体的经验.天文学家认识到微波特别适合于研究低温的星云,这种星云不辐射可见光并且阻碍可见光透过,而微波谱线却能携带着星云深处的各种信息投向地球.     

放射性衰变和地球年龄

人类所赖以生存的地球的年龄是无限的还是有限的?对于这个问题,人们在天文观测中发现宇宙中存在着新生的、成年的和衰老的星体.地球当然也不会超出这一规律,所以它的年龄应该是有限的。但地球的年龄有多大呢? 关于地球的年龄的概念,一个是天文年龄,即从地球开始形成到现在的时间;另一个是地质年龄,这是指地球已开始有了地质作用,如沉积、侵蚀、构造等运动后到现在的时间。对于天文年龄,由于地球形     

红外天文卫星(IRAS)

1983年1月26 日,美国、英国和荷兰联合发射了一颗红外天文卫星(IRAS).它标志着红外天文学开始进入了空间时代,这一波段第一次可以从空间来进行观测了.由于红外辐射被地球大气阻挡,红外天文学家们一直限于在少数海拔极高处观测.除了在海拔约4000米的夏威夷死火山上的 Mauna Kea天文台之外,大多数天文台在红外区的接收能力受到很大限制,使天文学家们不得不借助一些聪明的办法从红外天空中抽取那怕是很少的一点信息.IRAS的飞行是以优于5’的空间分辨率在12,25,60和100微米波长进行全天普查.在6个月的时间内覆盖全天一次,对一些特定区域还计…     

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.     

发展中的宇宙射线天文学

1962年,罗西等人在火箭上放置了几个薄云母窗盖革计数器,本想研究太阳辐射引起的月面荧光X射线,然而观测的结果,却意外地发现,在银河系中心方向有一个奇特的能发射X射线的星体——天蝎座X-1.它发射X射线的木领十分巨大,其X射线辐射功率竟比太阳各种辐射功率的总和还大上千倍.天蝎座X-1的发现,揭开了天文学发展史上新的一页.从此,天文观测开始出现了一个崭新的发展方向.十多年来,已取得了很多重要的进展. 一、从光学天文到全波天文 六十年代以来,随着人造卫星、探空火箭和大型气球等运载工具的发展,突破了大气屏障.同时,把粒子探测技术不…     

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。     

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。     

窥视苍穹：从肉眼观星到太空望远镜

 “我的目标很简单，就是完全理解我们的宇宙，弄清它为什么会是今天这个样子，以及它究竟为什么存在。”《时间简史》的作者斯蒂芬·霍金恰如其分地表达了那种自远古时代起就不断驱使科学家和哲学家去研究宇宙的求知欲望。适用于地球本身的物理定律在天文尺度同样适用，这一简单假设已经在建立宇宙模型方面取得了引人注目的成功，从而导致了物理学根本性的飞跃和实用技术天翻地覆的进步。考虑到客观条件对天文观测的苛刻限制，我们能在理解宇宙的道路上走得如此之远可谓十分不寻常了。其他物理学家可以通过改变和限制各种参数来检测一个封闭系统的变化，而宇宙的宽广无垠却意味着天文学家永远受制于大自然而无能为力。因此，实验科学中这个出类拔萃的分支理应得到公平的对待和充分的认可。本文旨在简要回顾天文学观测从早期的肉眼观星发展到如今发射造价数十亿美金的太空望远镜的精彩历程。     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。     

了解宇宙的新窗口——分子天体物理学进展介绍(之三)

 有不少天文分子被称为“地外”分子.原因是在地球上找不到这种分子的天然样品,甚至化学实验室中也难以制备出来.但在星际空间或星周包层那种地球上不易模拟的超高真空（每立方厘米10²-10⁷个分子）、超低温（10-100K）、大尺度（天文时、空尺度）的特殊环境中,它们却能够以足够大的丰度产生和存在.     

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。     

HXMT卫星的观测规划与数据处理

正HXMT卫星在轨运行期间,需要开展一系列的空间观测,以便对天文现象进行研究。空间探测涉及到多个过程,需要考虑多种因素的约束,本文将详细给出从观测任务的提出,到任务安排、数据处理及科学分析的全过程。一、引言硬X射线调制望远镜(HXMT)是我国首颗X射线天文卫星,卫星发射升空后,预期在轨工作四年。在此期间,为实现预期的科学目标,将开展一系列的空间X射线探测,通过对这些观测数据的处理分析,     

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…     

FAST及其科学目标

<正>1引言射电(1)波段是除光学外另一个对大气透明的波段,为人类了解宇宙提供了重要的观测窗口。自20世纪30年代央斯基(K.Jansky)第一次接收到来自地球之外天体的射电辐射以来,射电天文技术取得了长足进步。20世纪60年代的四大天文发现——脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子都与射电天文学紧密相关。已于2016年9月25日落成的我国自主建设的世界上最大的单天线射电望远镜——500 m口径球面射电望远镜(FAST)是射电天文技术发展史上又一里程碑。FAST覆盖70 MHz~3000 MHz频段,配备脉冲星、谱线和甚长基线干涉(VLBI)数字终端,可以开展脉冲     

天战呼唤物理学

 一、控制太空是新的军事战略制高点太空是全人类的财产,和平开发与利用太空、造福于人类是全世界人民的共同心愿。然而,自从1957年人类发射第一颗人造地球卫星以来,世界各国已向太空发射的5000多颗卫星中70%是用于军事目的的。在现代战争中,从情报到侦察监视、从预警识别目标到精确制导武器的使用、从天气预报到战场情况的核查、从通信到计算机网络的防御和攻击,都要利用太空资源。“谁能控制空间谁就能控制地球”。天战已不再是科学幻想。     

封面故事

<正>用宇宙作为物理实验室,探索在地球上无法企及的条件下的物理规律,是物理学和天文学共同的前沿课题;空间天文观测是其中最重要的研究途径之一。硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星是我国自主研制的第一颗空间X射线天文卫星,将实现1-250 keV