什么是多波段天文学？看这一篇就足够了！

作者| NASA

译者| Paradox

在第2章我们主要讨论多波段天文学的内容。天文学家想要完完全全地研究某个天体的时候，会想方设法的使用各种手段从不同的能段去采集天体的数据。第2章的目录如下，第2章介绍的重点将放在天文学家如何使用高能量的光去探索未知的宇宙。那么就开始天文学家备忘手册的第2章吧！

2. 用天文学光谱去探索宇宙2.1 多波段天文学2.2 "看见"我们看不见的光2.3 用于观测不同波段光的天文观测站2.4 X射线天文学2.5 γ射线天文学2.1 多波段天文学

我们头顶的星空一直是给我们带来惊喜和神秘感的源头。但是我们才真真正正地开始"看到"整个宇宙也是近几十年的事情。这是因为我们直到最近几十年才能够在全波段上观察宇宙，宇宙所包含的天体会产生很大范围的辐射，而辐射的波长对于我们的眼睛来说太短或太长而不能看到。

除了光学天文望远镜外，探测其他波段光的仪器直到20世纪人们才制造出来。然而制造出了探测器并等于天文学家就能马上使用这些探测器观察宇宙。因为红外、紫外线、X射线和γ射线波长的光大多都会被地球大气散射吸收，结果是只有部分无线电和可见光到达表面。而大多数来自太空的电磁辐射无法到达地球表面，如果要看到除了可见光和射电波段之外的宇宙，就需要将探测器放在海拔尽可能高的地方或者将探测器给搬上太空。所以直到人们制造出了火箭，将探测器装载在火箭上送上太空，天文学家才得以实现多波段天文观测。(可以参考在1.1节中出现的问题为什么我们要把望远镜送入卫星轨道？)

一些天体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。是什么决定天文物体发出的电磁辐射的类型？简单的答案是温度。固体中包含不断振动的原子、分子和离子。气体和液体是自由运动的原子、分子和离子，不断相互碰撞并与周围的物质碰撞。分子或原子运动的能量就是热量。固体或气体越热，分子或原子的运动就越快。而温度只是这些粒子平均能量的度量。

图1.从各个波段看我们的宇宙.从顶部开始分别是射电、红外线、光学、X射线和γ射线视角下的全天图像.(图片来源: radio: Haslam et al. 1982; infrared: NASA; optical: ESO/S. Brunier; X-ray: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics and S. L. Snowden; gamma-ray: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

表1.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.

宇宙中天体发出的辐射往往跨越很大的能量范围。由于不同能量的光背后产生的物理过程不尽相同，所以说不同天体内部也在发生不同的物理过程。天体在某些波段下也许是完全不可见的，而在另一种波段下又是清晰可见的。为了让读者更好的理解多波段天文，我会以蟹状星云为例子，介绍不同波段下的蟹状星云以及不同波段光下天文学家可以得出哪些结论。

图2.在新墨西哥州查科峡谷发现的象形文字, 被考古学家认为是关于公元1054年超新星的绘画.(图片来源: Flickr user John Fiveash (jsfiveash)

公元1054年7月，中国宋朝的天文学家和古代普韦布洛人(居住在当今美国西南地区的古代美洲原住民)记录了一颗新星的出现。中国宋朝司天监对那次爆发作出过观测，史料中有以下记载:《宋史·仁宗本纪》中(嘉佑元年三月)辛未，司天监言:"自至和元年五月，客星晨出东方，守天关，至是没。"("客星"一词是中国古代钦天监对彗星、新星或超新星的称呼。“客星”寓意像客人一样来了又会离开。)整个超新星的爆发过程持续了数月之久，即使是白天也可以看见。

在19世纪，法国天文学家查尔斯·梅西耶(Charles Messier)在与1054年的超新星爆发的相同位置记录了一个模糊的光球。模糊的光球在梅西耶的描述中就像一颗彗星，但它并没有在天空中移动。梅西耶记录了该星云，描述它具有螃蟹形状的外观，因此被称为"蟹状星云"。查尔斯·梅西耶在天文学中的成就就是给星云、星团和星系编上了号码，并制作了著名的“梅西耶星团星云列表”，蟹状星云被放在第1号的位置"Messier 1"，简称为M1星云。同时蟹状星云也是1960年代初发现的第一批X射线源之一。当时天文学家进行了第一批X射线天文学观测，并在以它所在的金牛星座(Taurus)中将X射线源的名字命名为Tau X-1。(我想可能会有读者因为M1星云而联想到了M78星云，想到了M78星云是不是真的盛产奥特曼？我在翻译的时候也想过这个问题，这个问题值得留坑去水做一期科普。)

现在天文学家知道蟹状星云是超新星遗迹(SNR)。巨大恒星的核心在燃烧完所有的核燃料的时候，内部产生的斥力不足以支撑自身对外层的吸引力时，整个恒心会发生塌缩。恒星在坍塌的过程中释放了巨大的能量，将恒星的表面层炸裂并抛向太空。排出的气体形成了至今仍在膨胀的星云。当中心恒星坍塌时，由于角动量守恒和磁通守恒，中子星至今仍然是一个快速旋转的天体，在其表面附近具有强磁场，在中子星磁极方向上有大量的光子辐射出来。由于中子星旋转的频闪效应产生可以在射电、光学和X射线波长处观察到的脉冲，就像海岸边的灯塔一样。因此每当中子星磁极指向地球时，我们就会看到中子星发出的闪光。这样发出脉冲的中子星也被称为脉冲星。

蟹状星云的射电图像是由甚大天线阵(Very Large Array)拍摄的，显示了蟹状星云在射电波段下的样子。在此图像中可以看到两个鲜明的特征。指向图像中心的明亮白点是位于星云中心的脉冲星。这是已经坍塌成中子星的恒星的核心。中子星以每秒约60次的射电频率产生脉冲。在此图像中，脉冲星的闪光比较模糊是因为该图像的曝光时间比单个1/60秒脉冲要长得多。围绕脉冲星的绿色部分反映了来自在星云内部磁场中旋转的自由电子的无线电发射情况。

图3.蟹状星云的射电图像.(图片来源: NRAO/AUI)

Spitzer太空望远镜拍摄的蟹状星云的红外图像显示了两种类型的特征。蓝白色区域的由被俘获在脉冲星磁场中的高能电子云发射，而电子云由快速旋转的脉冲星驱动加速。除此之外，我们还可以在照片中发现弥漫在星云间的红色纤维状星云物质，而他们又是什么？我会在下面的"光学观测"部分进一步解释。

图4.蟹状星云的红外图像.(图片来源: NASA/JPL-Caltech/R. Gehrz)

像红外图像一样，可见光中的蟹状星云在星云的外边缘显示出一层带红色的纤维，并在星云的蓝色的核心周围发射出射线。星云的蓝色的核心来自星云内的电子，这些电子被中心中子星的磁场偏转和加速。辐射显示为蓝色，因为此过程在可见光谱的较短(较蓝)波长部分发射的光比较长(较红)波长部分发射的光要更多。

围绕星云边缘的纤维状星云物质是原恒星原始外层的剩余部分。红色是来自氢原子的发射线的颜色。超新星将氢原子吹离中心，这些红色的纤维状星云物质至今仍然在不断远离中心，并向外扩张进入太空。科学家们可以通过比较相隔数年拍摄的照片并追踪这些细丝的运动来测量这种膨胀。从时间上向后推算，发现这些纤维状星云物质最早在公元1040年~1070年左右开始从中心开始膨胀，这与公元1054年的超新星爆炸事件记录的时间非常吻合。

图5.蟹状星云的光学图像.(图片来源: NASA/ESA/ASU/J. Hester)

紫外线下的蟹状星云照片显示出的星云体积略大于X射线中看到的星云体积。如果对将图6和图7对比观察的话，可以发现负责紫外光发射的较冷的电子分布一直延伸到负责X射线发射的热电子的外面，紫外波段和X射线波段的观察结果支持了由中央脉冲星负责为周围电子提供能量的假设。

图6.蟹状星云的紫外图像.(图片来源: NASA)

从蟹状星云的X射线照片中可以发现在星云中央的中子星附近显示出一个凝聚的核状结构。就像在无线电和光学波长上一样，中子星被认为在发射X射线脉冲。蟹状星云在X射线中显得比其他波长更小且更凝聚，因为主要负责X射线发射的电子仅存在于中央脉冲星附近。天文学家认为中子星表面附近的强磁场会"加热"其中的电子，这些热电子的运动产生了X射线。

图7.蟹状星云的X线图像.(图片来源: NASA)

在2.1节简单介绍了多波段天文学的内容，下一节将介绍人们是如何发现可见光波段外的光，比如红外光、紫外光和X射线等。请各位读者继续关注这个翻译专栏，再次感谢大家的阅读。