太空望遠鏡中的「多波段景觀」

一、把望遠鏡送上太空

早在上世紀40年代，就有人提出將望遠鏡送入太空的想法，這個人就是美國天體物理學家萊曼.斯必澤，他於1945年提出了太空望遠鏡的概念，這個設想在當時非常超前，要知道，第一顆人造地球衛星是在他提出這個設想的十年之後才升空的。那麼，為什麼要把望遠鏡送上太空呢？

可見光有紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等七種顏色，天體除了發出可見光之外，還發出多種我們人眼看不見的光，包括射電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等。

早期的天文學家只能在可見光範圍內觀測宇宙，但近一二百年來，由於人類陸續發現了各類肉眼看不見的光線，並不斷研製出各種觀測這些輻射的特殊的望遠鏡，人類已經掌握了在多種「不可見」波段上觀測宇宙的技術，對宇宙的認識也越來越全面和深入了。

表面上看，可見光和肉眼看不見的光似乎區別很大，但它們的本質其實是相同的，即都是電磁波，只不過波長不同罷了。紅光是可見光中波長最長者，紅外線和無線電波比紅光的波長更長；紫光是可見光中波長最短者，紫外線、X射線、γ射線都比紫光的波長更短。

雖然來自天體的各種輻射本質相同，但地球大氣對它們的反應卻大相徑庭。一些波段的輻射因被地球大氣反射，吸收和散射無法抵達地面，而另一些波段的輻射則可以穿透大氣層抵達地面。具體地說，可見光、射電波和一小部分紅外光能穿透地球大氣抵達地面，而紫外線、X射線、γ射線和絕大多數紅外波段的輻射卻不能抵達地面，所以要想在一些無法穿透大氣層的波段上觀測宇宙，人們便需要把望遠鏡送上太空。

當然，即使是可以抵達地面的波段，例如可見光，太空望遠鏡因為不受大氣的干擾，它們的觀測效果也比地面好得多。

二、「多波段景觀」一瞥

20世紀70年代，為了在多種波段上看清宇宙的真面目，天文學家們實施了一個名為「大型觀測台」的太空望遠鏡計劃，在這個計劃的帶動下，各類大型太空望遠鏡陸續升空，多虧它們各自獨特的「目光」，宇宙的「多波段景觀」才呈現在了我們面前。

哈勃太空望遠鏡是「大型觀測台」計劃的首個成員（圖1），主要工作在可見光波段，其光學設計和人眼視物的原理非常接近，所以哈勃太空望遠鏡彷彿是一隻代替人眼的太空巨眼在飽覽著宇宙的奇觀。它拍攝的太空圖片美輪美奐，精妙絕倫，使人類前所未有地感受到太空中的恆星、星雲（圖2）和星系是如此地美麗和壯觀，這也正是這款前所未有的太空巨鏡擁有大批忠實粉絲的重要原因。

圖1 哈勃太空望遠鏡

圖2 哈勃太空望遠鏡拍攝的「猴頭星雲」

宇宙中有很多寒冷的低溫天體，觀察這種天體，紅外望遠鏡是「行家裡手」。斯必澤太空望遠鏡是「大型觀測台」計劃中的紅外太空望遠鏡，它能透視遙遠星系中被塵埃遮擋的中心地帶，也能相對容易地研究太陽系以外其他恆星周圍的行星，還能有效地觀測彗星和星際塵埃。

「斯必澤」主要工作在近紅外和中紅外波段，而另一架紅外太空望遠鏡「赫歇爾」則是一架遠紅外太空望遠鏡，其強大的功能足以使它收集到來自宇宙深空中由極寒冷和極遙遠的天體發出的輻射。

「赫歇爾」的後續鏡是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（圖3），它是觀測能力更強的紅外太空望遠鏡，個頭更加宏大，主鏡直徑6.4米，接近「赫歇爾」的兩倍。「詹姆斯·韋伯」將把人類的視線延伸到宇宙遙遠的幼年期，使我們看到宇宙誕生不久後的狀態。

圖3 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

在宇宙中，既有低溫天體，也有熾熱的高溫天體，它們除發射可見光和多種其他輻射外，也發射X射線，所以被稱為X射線源。例如有些雙星就是X射線源，它們由一顆普通恆星和一顆密度極高的緻密星組成。由於緻密星強大的引力，鄰近普通恆星中的物質便被緻密星拉了出來並落向緻密星，這個過程會產生Ｘ射線輻射。除此之外，像活動星系核、超新星遺迹也是X射線源。

觀測宇宙X射線源是人們研究高溫天體和宇宙中高能物理現象的好方法，錢德拉Ｘ射線太空望遠鏡就是專為觀測X射線源而升空的（圖4）。

圖4 組裝中的錢德拉Ｘ射線太空望遠鏡

「錢德拉」觀測了大量Ｘ射線源，如超新星遺迹（圖5）等，使人們看到了此前未曾一見的宇宙Ｘ射線景觀；它還觀測到船底座兩個星系團碰撞融合的景象，從而發現了暗物質存在的證據。

圖5 第谷超新星遺骸的「X射線景觀」

除了Ｘ射線外，宇宙中的熾熱天體還發射紫外線，包括高溫恆星、大質量恆星、活動星系核等，所以人們也發射了一些紫外太空望遠鏡以在紫外波段上觀測太空。總之，宇宙中天體的溫度是各不相同的，所以它們發出的電磁波也各不相同，溫度越高，波長越短，而不同望遠鏡對電磁波的觀測也「各有所長」和「各有所專」，有的負責長波段，有的負責短波段，這樣一來，宇宙的「多波段景觀」就展現在人們的眼前了。

三、閃光背後的星空傳奇

在電磁波中，γ射線的波長最短，所以它讓人們感知到的宇宙也最為特別，因為這種射線的突然增強往往暗示著宇宙發生了大事情。

天文學家們將宇宙射線突然增強的現象稱為伽馬暴，它是宇宙中一種神秘的爆炸（圖6），這種爆炸在數秒種內產生的能量差不多等同於把太陽的全部質量都轉變成了能量。在短短的一瞬間里，這種爆炸所釋放的能量可以相當於太陽一年輻射能量的幾百億倍。它們是如何形成的？產生的源頭在哪裡呢？

圖6 一個伽馬射線暴

原來，伽馬暴來自大質量天體的劇烈活動，主要包括兩種情況，一是當一顆超大質量恆星走向死亡時，它會發生爆炸，這時，由於重力的坍塌，灼熱的能量便從星核衝出星體，爆炸波與星際間的氣體、塵埃發生碰撞，於是，伽馬暴就發生了；另一種情況是，當兩顆緻密星發生碰撞時，它們融合成黑洞，這個過程也會產生伽馬暴。

為了研究伽馬暴，人們發射了一些專門用於觀測伽馬暴的太空望遠鏡和先進的伽馬暴觀測衛星，其中一顆名為「雨燕」的觀測衛星是最為先進的伽馬暴觀測者（圖7），它配備了爆發警示望遠鏡、X射線望遠鏡和紫外望遠鏡，可從γ射線、X射線、紫外線和可見光四個方面研究伽馬暴，還能將信息通過電子郵件傳給世界最大的幾個天文台，這樣，天文學家們便可及時啟用地面望遠鏡觀測伽馬暴發生後的餘光了。

圖7 捕捉伽馬暴的「能手」----「雨燕」衛星

「雨燕」捕捉到了人類迄今為止觀測到的最遙遠的伽馬暴，那是一顆垂死的遠古恆星在結束一生時發生的大爆炸。令人非常驚訝的是，這個伽馬暴位於130億光年之外的地方。我們知道，宇宙大爆炸發生在137億年前，也就是說，當這個伽馬暴發生時，宇宙僅僅誕生了五億至七億年，這表明，那顆死亡的恆星屬於宇宙中最古老的恆星。

宇宙早期的情況是人們很想知道的，雖然現代望遠鏡可以看得很遠，但來自早期宇宙的恆星的光依然不易被望遠鏡捕捉到，而伽馬暴則為研究早期宇宙提供了機會，人們可以分解伽馬暴發出的光，得到它的光譜，從而獲得早期宇宙的大量信息。

伽馬暴是宇宙中最奇妙的閃光，研究這種閃光可揭示宇宙，尤其是早期宇宙的大量秘密，所以γ射線太空望遠鏡也就成了太空望遠鏡家族中的重要成員。

本文由王芳摘編自張唯誠著《鏡收眼底：天文望遠鏡中的星空》（科學出版社.2015.6）一書，內容有刪節。

ISBN978-7-03-044970-2

小時候，我也是個好奇的孩子，時常望著星空思考漫無邊際的問題：星星是什麼？為什麼這麼多，這麼亮？它們來自何方，歸向何處？我相信，全世界的孩子都會毫無例外地思考同樣的問題。即使我們長大了，變成了大人，在我們的內心深處也一定保留著那個兒時的園地——那份對星空的來自本能的好奇。

《鏡收眼底：天文望遠鏡中的星空》就是為這樣的讀者而問世的，它不是望遠鏡的簡單介紹，也不是天文學的系統敘述，而是穿插天文新發現的星空描述，當然還包括人們用望遠鏡發現星空的有趣歷史。它能為讀者提供一幅「現代版」的美麗星空，向讀者呈現宇宙的神奇和星空的浩瀚。

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