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空间天文学

空间天文学是在高层大气和大气外层空间进行天文观测和研究的学科  。就观测波段而言,空间天文学可分成多个分支:红外天文学、紫外天文学、X射线天文学、γ射线天文学等。空间天文研究始于20世纪40年代,空间科学技术的迅速发展,给空间天文研究开辟了十分广阔的前景。空间天文观测可以克服地面天文观测中存在的地面紫外光谱观测无法进行,地球大气的非选择性消光作用,红外波段部分缺失等的缺陷,扩宽了天文观测波段  。

在人造卫星未上天以前,气球和火箭作为空间探测的先驱被用于天文学研究。 

人造卫星和各种宇宙飞船的成功发射,对许多学科和技术领域产生了前所未有的巨大推动作用,其中就包括天文学这门古老的学科。

由于地面天文观测要受到地球大气的各种效应和复杂的地球运动等因素的严重影响,因此,其观测精度和

1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星上天,标志着人类科学进入了空间时代。美国于1960年发射了第一颗天文卫星“太阳辐射监测卫星1号”,对太阳进行紫外线和X射线观测。此后,世界各国又相继发射了许多天文卫星和用于天文研究的各种星际飞船,大大丰富和扩展了人类对宇宙和各类天文现象的认识。

空间天文学的发展大致经历了三个阶段。最初阶段致力于探明地球的辐射环境和地球外层空间的静态结构,这个时期的主要工作是发展空间科学工程技术;第二阶段开始探索太阳、行星和星际空间;第三阶段是从20世纪70年代起,开始探索银河辐射源,并向河外源过渡。

上世纪60年代前苏联和美国都研制和发射了专门探测太阳的卫星和探测器,上世纪70年代国际合作进行太阳探测达到高潮,对太阳的认识取得了巨大成就。

1964年7月28日美国发射的“徘徊者”7号到达月球表面,发回了4300张清晰的月面照片,人们对月球的认识达到一个新阶段。

美国1962年发射的“水手”2号发现金星没有磁场和辐射带。美国发射的“麦哲伦”号金星探测器于1990年对金星表面进行了详细的测绘,测绘之细甚至超过了地球。

对火星的探测活动始于上世纪60年代前期,至上世纪70年代达到了高峰。美国“水手”9号成为第一颗人造火星卫星,获得了大量关于火星的资料,发回7000多张火星和其他卫星的照片。各种资料表明,火星上不存在任何生命,也不具备生命发育和生长的基本条件。

美国于1973年发射的“水手”10号是一颗水星探测器,对水星进行了几次观测。水星离太阳最近,表面环境十分恶劣,上面的温度最高达510℃,背日面低达-210℃。

木星、土星、海王星和天王星的观测,在空间天文学上也取得了很多的研究成果。“旅行者”1号和2号探测器观测到:木星有厚约30km、宽度约5800km的光环,共有16颗卫星;土星有光环数以千计,可谓环中有环,多达18颗卫星。“旅行者”2号发现天王星拥有15颗卫星,发现海王星有5条光环,6颗卫星等。

空间天文学对宇宙的观测研究进行得也相当广泛。探测对象包括宇宙星系、各种射电源、类星体、新星和超新星、黑洞、星际分子、宇宙背景辐射等。 

红外天文学是在电磁波红外波段研究天体的学科。红外波段包括波长0.7-1000微米的范围,可分为三个区:近红外区0.7-3微米、中红外区3-30微米、远红外区30-1000微米。

温度4000摄氏度以下的天体,其主要辐射在红外区,因此诸如红巨星、原恒星、恒星延伸大气中的尘埃包层、气体星云和星际介质都可以在红外波段进行观测研究。

星际介质对红外光吸收较小,对掩埋在气体和尘埃中的天体要用红外波段进行观测。随着半导体物理学的发展和军事侦察的需要,出现高灵敏低热噪声的单元和阵列红外检测器,红外天文学因此得到进一步发展。 

紫外天文学是在电磁波紫外波段研究天体的学科。

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,人造卫星发射成功后,紫外天文探测有了新的飞跃。 

后续由于使用了装载在轨道太阳观测台卫星上的扫描式紫外分光光谱仪,获得空前丰富的紫外发射线光谱资料。这些资料具有极高的空间分辨率,对色球-日冕过渡层的物态研究颇有价值。

通过X射线波段来研究天体的学科称为X射线天文学。

宇宙中某些天体发出X射线,在传向地球时受地球大气严重阻碍。因此,虽然X射线探测器在20世纪40年代就已经开始,而成为独立学科,则迟至人造地球卫星上天后才做到。

X射线天文学从诞生时起,在短短20多年时间内发现了前所未有的一批新型天体,获得了光学天文学和射电天文学不能得到的天体信息。X射线天文学以其自身特点站稳了在空间天文学中的重要地位。 

γ射线天文学是接收从宇宙中来的波长短于X射线的电磁辐射来研究天体的一门学科。

γ射线被地球大气严重吸收,只能利用高空气球、火箭和卫星来进行探测。

γ射线天文学概念虽比X射线天文学提出更早,但其进展反而落后于X射线天文学。其原因是宇宙γ射线的探测更难:探测的γ射线流量极低,对仪器要求很高。但是,γ射线的谱线具有较大的物质贯穿力,能够提供宇宙中具体的核过程信息,使我们能够探测更远的宇宙。

主要的γ射线天文卫星有康普顿γ射线空间望远镜、BeppoSAX卫星、高能暂现源探索卫星。 

在高层大气和大气外层空间开展的天文观测有地面天文观测无法比拟的优越性。

在地面进行天文观测,由于大气中臭氧、氧、氮分子等对紫外线的强烈吸收,地面紫外光谱观测无法进行;由于水汽和二氧化碳分子等的振动带、转动带对光谱所造成的强烈吸收,红外波段只有为数很少的几个观测波段。而且在射电波段上,短波被低层大气中的水汽吸收,长波辐射被电离层反射回空间,同时分子散射造成地球大气的非选择性消光作用。

空间天文观测基本不受上述因素的影响,并且减轻或免除地球大气湍流造成的光线抖动,提高了仪器的分辨本领。 

空间天文学的独特贡献,特别是20世纪70年代的一些重要发现,对天文学产生了巨大影响,从而使人类对太阳系、银河系、恒星演化、行星际和星系际空间等领域的了解发生深刻变化  。

空间科学技术,特别是空间天文的实验方法处于不断完善之中。新技术、新方法、新原理不断出现,使得最年轻的天文学分支学科空间天文学是最活跃的。

一系列当代高能天体物理中的重大问题──新合成核存在的直接证实、元素合成理论、黑洞的寻找、宇宙线的起源以及宇宙学中的某些问题都有待空间天文学去解决。