为什么要建造不同类型的望远镜

我们之所以能够观察周围的世界是因为眼睛可以探测到可见光——电磁辐射的一种。但是，在地球和外太空中的其它物体，会辐射出肉眼无法看见的其它不同类型的电磁辐射，比如射电波。所有电磁辐射的综合就是电磁波谱：

电磁波谱。（? NASA）

上图右边的电磁波谱包括了高能量的伽玛射线和X射线（波长短，频率高），左边则是低能量的射电波和微波（波长长，频率低），而在图中彩虹般的颜色就是可见光了。

大气窗口。（? NASA）

电磁辐射会被地球大气层中的一些气体反射和吸收，这些气体中最重要的有水蒸气、二氧化碳和臭氧。有一些辐射，比如可见光，大部分都会直接穿过大气层。电磁波谱中的这些区域——波长能够穿过大气层——通常被称为“大气窗口”。一些微波甚至可以穿过云层，使它们成为传输卫星通讯信号的最佳波段。

电磁波谱各个波段下都有相应的望远镜，当然不止这些。（? NASA）

在地面上最常见的大型望远镜都是光学望远镜和射电望远镜，最近红遍大江南北的FAST望远镜就是世界上最大的射电望远镜。除此之外，科学家还会发射紫外、X-射线和伽玛射线望远镜等到太空去，因为大气层对这些波段并不透明。而红外望远镜则可以在地面、空中以及太空。不同的望远镜也都有各自的科学目标，比如，FAST的科学目标是探索宇宙起源和演化、观测脉冲星、探测星际分子，以及寻找外星人等等。

注：射电是天文学里独有的叫法，其它学科里一般叫微波和无线电波。

位于中国贵州的“天眼”FAST，是世界上最大的射电望远镜。望远镜越大，采集的光也越多，就能够看得越远越深。

为什么我们要建造不同波段的望远镜？换句话说，如果我们以不同的波长去观测宇宙时会有什么不同吗？是的，当我们通过不同波段的视角去观测宇宙时，它们所观测到的现象也会很不同，这有助于我们获取的宇宙信息越全面。因此为了探索宇宙，天文学家研制了各种各样的望远镜来观测宇宙。所有的望远镜，其实都是对电磁波谱各波段的观测。我们先看一个例子：

上图显示的是M51螺旋星系在不同波段下的样子。每张图片都是电磁波谱里非常窄的一个波频，但是它们展现给我们的却是如此的不同。低能量辐射来自分子气体较冷的区域，高能量辐射则来自原子完全被离子化的热点。从合成图像中，我们就能够获取M51螺旋星系的结构、温度和化学成分。

下面，我们以银河系为例，详细了解在各个波段下我们会发现银河系正在发生的不同事情。

（? NASA）

射电

射电望远镜的工作原理。射电波使我们看到许多可见光无法看见的物体，比如星系中的气体。（? BBC）

射电辐射会告诉我们银河系中发生的不同事情，这取决于你观测的是射电波谱中的哪个部分。有些部分会告诉我们电子在银河系中被加速了，另一些部分则会告诉我们银河系中的氢气分布。

银河系盘面的射电波段连续发射的强度。上图：频率为408MHz；下图：频率在2.4 - 2.7GHz之间。（? Haslam, et. al (1982), A&AS, 47, 1; Duncan, et. al (1995) MNRAS, 277, 36; Fuerst, et. al (1990) A&AS, 85, 691; Reich, et al. (1990), A&AS, 85, 633）

加速电子的射电连续发射会通过两种不同的过程。在408MHz波段，在银河系的这些地方，电子被星际磁场加速接近光速。当电子被加速时，它们会绕着磁场线，并辐射出射电波。在2.4 - 2.7GHz的频域中，有一些非常明亮的点显示的也是电子在磁场中被加速。另外，我们也会看到电子被炽热、发射星云中的等离子的质子加速。

同步加速辐射。（? NASA）

另一方面，对一些特定波长的观测，天文学家就能够知道银河系中氢气的分布。

射电波段下的银河系。这两个图片显示了原子（上，1.4GHz）和氢分子（下，115GHz）的分布。（?Credit: Burton, (1985) A&AS, 62, 365; Hartmann, "Atlas of Galactic Neutral Hydrogen," Cambridge Univ. Press, (1997, book and CD-ROM); Kerr, (1986) A&AS, 66, 373; Dame, (2001) ApJ, 547, 792）

氢原子会在频率为1420MHz（相当于波长21厘米）处有一个罕见的谱线。尽管这条光谱线很罕见，但我们仍然看到该谱线在银河系中非常突出，因为银河系包含了太多的氢气。氢原子可以用来追踪冷或暖的星际介质，这些介质通常由扩散的气体和尘埃构成，跨度有上百光年。

要探测银河系中的氢分子则是非常困难的，但是我们可以通过观测一氧化碳来追踪氢分子。一氧化碳的光谱线位于频率115GHz。我们发现氢分子主要会出现在分子云中。这些星际气体云通常会出现在银河系的螺旋臂上，在那里有大量的恒星诞生。换句话说，氢分子是恒星形成活动的主要成分。

（利用射电望远镜我们可以观测到遥远的脉冲星、恒星的形成区域、超新星遗迹遗迹类星体。类星体是上个世纪60年代的天文四大发现之一。有兴趣的读者可戳：《一闪一闪类星体》。）

红外

红外线的波长要比可见光的长，它能够穿过拥有气体和尘埃的高密度区域，不容易被吸收或散射，因此利用红外线可以观测银河系盘面的深处。红外线较短波长的那部分可以揭示银河系中的恒星分布，较长波长的那部分则显示了被星光温暖的星际尘埃。

银河系盘面的红外图像。最上图显示的是由IRAS观测到的中红外和远红外的合成图像；中间显示的是由MSX卫星观测的中红外图像；最下面的图片则显示的是COBE观测的近红外图像。（? Wheelock (1994) IRAS Sky Survey Atlas Explanatory Supplement, JPL Publication 94-11; Price (2001) AJ, 121, 2819; Hauser (1995) COBE Diffuse Infrared Background Experiment Explanatory Supplement, Version 2.0, COBE Ref. Pub. No. 95-A (Greenbelt, MD: NASA/GSFC)）

红外线可以帮助我们窥视在分子云中形成的年轻恒星，分子云会挡住可见光的视线，但刚好对红外线透明。当星光遇上星际尘埃时，它会使尘埃加热并辐射出红外线。通过观测较长红外线，我们就可以追踪星际尘埃云。

（哈勃空间望远镜的继任者詹姆斯?韦伯（JWST）就是红外线太空望远镜，将探索宇宙的起源，星系、恒星以及行星的诞生之谜。）

光学

对银河系中的光学波段观测或许是我们最熟悉的。在光学波段观测的挑战是，可见光会很快的被星际气体和尘埃吸收，因此我们无法像其它波段那样看的那么远。

银河系的盘面的光学图像。（?Mellinger, A.）

由于星际尘埃严重的遮挡住了可见光，因此上图显示的主要都来自距离太阳几千光年远的恒星。同时我们也看到明亮红色区域，是由发光的气体产生的。黑色的斑块是由于气体和尘埃云的吸收，这些区域可以通过射电和红外辐射来观测。

紫外

紫外线的波长要比可见光短。尽管人的眼睛无法看到紫外线，但是有一些昆虫，比如蜜蜂，就可以看见。太阳就是个强大的紫外线源，长久暴露在紫外线对DNA可能会有损害。

科学家通过探测紫外线，可以看到恒星加热星际介质，以及恒星诞生的区域。年轻、炽热的恒星会辐射紫外线，接着会加热周围的氢气体。

银河系盘面的紫外图像。数据来自GALEX，黑色的宽带是因为数据不足。（? D. Schiminovich (Columbia), M. Seibert (OCIW) and GALEX science team, led by Prof. C. Martin at Caltech）

图中显示的有星团、超新星遗迹的辐射，以及在银河系盘中的恒星诞生区域和分子云中显著的的尘埃吸收特征。

X射线

在银河系中，X射线的来源有很多，比如炽热气体、双星系统、年轻恒星、星团、超新星遗迹和落入星系中央黑洞的物质。

来自ROSAT的软X射线图像。（? Snowden (1997) ApJ, 485, 125）

炽热的气体会辐射出软X射线（低能量）。不同的颜色代表不同的吸收程度，或者发射区的温度。

伽玛射线

伽玛射线是电磁波谱中波长最短、能量最高的辐射。他们来自宇宙中最极端的环境，比如中子星、脉冲星、超新星爆发和黑洞吸积盘。我们探测到的大多数伽玛射线都来自银河系外。但是，我们的确观测到星际云中的氢原子核与宇宙射线碰撞时产生的伽玛射线背景，另外，伽玛射线也来自一些明亮、致密的天体，比如脉冲星。

费米伽玛射线太空望远镜6年的观测数据。（?NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration）

上图显示的费米伽玛射线太空望远镜观测到的伽玛射线，能量介于500GeV和2TeV之间。大部分伽玛射线都来自于宇宙射线和氢原子核的碰撞。但同时也会看到一些非常明亮的来源，这些是脉冲风星云和超新星遗迹。我们看一张放大版，可以清楚地看到一些脉冲星源：

（?NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration）

除了观测来自银河系圆盘的伽玛射线，费米伽玛射线太空望远镜也发现了银河系中央分离出两个巨大的“气泡”，其中包含巨大能量：