“四大天王”横空出世 四大天王
时间：2019-04-04 03:23:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
美国从1990年代初起，在十余年时间内先后发射了4台工作波段不同的大型太空望远镜，这就哈勃太空望远镜（HST）、康普顿太空望远镜（CGRO）、钱德拉太空望远镜（CXO）和斯皮策太空望远镜（SST），有国人昵称之为“四大天王”。“四大天王”共耗资逾50亿美元。人们为什么要不惜工本耗费巨资把大型天文观测设备送上天？这还得从地球大气层谈起。
地球大气层的“捣乱”
众所周知，地球表面有一层厚厚的大气，它是人类和许多生物须臾不可离开之物。不仅如此，大气层还能有效保护地球表面和生物圈免遭流星体以及各种地球外辐射（如宇宙线、紫外线、太阳风粒子等）的致命轰击。目前，在有关外星生命的探索工作中，便以类地行星周围是否存在足够厚度且成分合适的大气层作为那儿可能存在外星生命的先决条件之一。
然而，万事皆一分为二。对于天文观测来说，地球大气层却是有百弊而无一利。对此，天文学家早就有了充分的认识。
人造卫星上天之前，除了利用飞机以及高空气球开展少量、短时段的观测工作外，所有天文观测都是在地面上进行的。因此，来自天体的辐射（包括可见光和其他波段的辐射）必须先穿过大气层，然后方能到达地面接收设备，故天文观测必然会受到地球大气的影响，且这种影响是多方面的。
首先是大气层对天体辐射在路径方向上的折射作用，称为大气折射。地球大气并无明确的上部边界，越接近地面大气的密度越大，因此天体辐射穿过大气层时的路径不是一条直线，而是一条曲线。大气折射的主要效应是使天体的观测位置较实际位置沿着垂直方向有所抬高，天体的高度越低，这一效应越厉害，地平线附近可达到30""左右。此外，由于地球大气密度分布的复杂性，大气折射也会使天体的方位角发生少许变化。
地球大气处于不停运动之中，大尺度上表现为风，还有对流层和平流层的运动等。极小尺度上，大气微团的快速、不规则湍动，会使星像观测位置不停地作小幅度快速变动，称为大气抖动或星像抖动。大气抖动常用天文视宁度来表征，抖动越小视宁度越好，天体成像质量越高，对天文观测越有利。因此，在选择天文台台址时，除了晴夜数要尽可能多，还必须充分考虑到当地的大气视宁度。
天体的亮度会因大气的不规则湍动出现短时标的明暗变化，称为大气闪烁或星光闪烁。大气折射率与辐射波长有关，短波段辐射的折射效应比长波段更显著，这就是大气色散。大气闪烁和大气色散都会影响天体的成像质量。
随着新成像技术的发展，上列各种大气效应对天文观测的影响已经可以有效地加以克服，或大为削弱。例如，星像复原技术可以有效克服大气抖动的不利影响。
地面观测无法消除的大气效应就是大气消光——因地球大气的吸收和散射作用，天体的辐射在穿越大气层后强度必然会有所降低。大气消光量还与辐射波长有关——对短波辐射的消光作用比对长波辐射来得大，称为选择消光，结果是使天体的颜色偏红。太阳在接近地平线时呈现红橙色就是这个原因，这时阳光穿越的大气层路径特别长，阳光明显偏红。
更严重的问题是，由于大气的消光作用，只有某些波段的辐射才能穿透、或部分穿透大气层到达地面，这些波段所处的范围称为大气窗口。有些波段辐射在到达地面之前会被大气全部吸收掉，地面上根本观测不到。
大气窗口包括光学窗口、红外窗口和射电窗口。300～700纳米的可见光波段是光学窗口，光学望远镜可以通过这个窗口观测到色彩各异的天体。红外窗口的情况较复杂，其中17～22微米是半透明窗口；对22微米～1毫米之间的辐射，大气变得完全不透明，不过在高山上还是能在这一范围内找到一些红外窗口。地球大气对10兆赫到300京赫的射电波是透明的，或部分透明，这就是射电窗口。最后，对紫外、X射线和伽玛射线这些短波段辐射来说，大气几乎完全不透明。
多波段天文观测的前期进展
为从根本上克服地球大气层对天文观测的影响，把望远镜放到大气层外实乃必由之路。从历史上看，早在第一颗人造卫星上天前的1946年，美国天文学家斯皮策就已提出开展空间天文观测的前瞻性构想，他明确指出这会对天文学科的发展带来很大好处。要想实现在几百公里的高空、甚至更远距离处按计划成功观测各类天体，技术难度不言而喻。尽管如此，人类凭借自己的智慧和不懈努力，在空间天文领域取得了辉煌的成就。
1957年苏联第一颗人造地球卫星上天标志着人类进入空间时代，空间天文应运而生。今天，利用空间技术已能观测到天体从长波段射电到短波段伽玛射线的各类辐射，其间包括红外、可见光、紫外和X射线等，从而诞生了多波段天文学。
1800年，英国天文学家威廉?赫歇尔发现了太阳的红外辐射。1869年，英国人帕森斯测量了月球的红外辐射，1920年代已有人对行星和恒星进行红外探测。不过，早期红外天文因缺乏有效探测设备而进展缓慢。1965年，美国人诺伊吉保尔建造了1.5米口径的红外望远镜，并发现了以红外辐射为主的红外星，从而揭开了现代红外天文的序幕。
第一颗红外线天文卫星（IRAS）于1983年1月升空，它是美、英、荷三国的联合项目，望远镜口径0.6米，共探测到约35万个红外源。红外波段对探测深埋于气体尘埃云中的原恒星或年轻星非常有效，对研究恒星、星系的起源和早期演化具有特别重要的意义。IRAS的成功极大地推动了红外空间天文的发展，1995年11月，欧、美、日合作的红外空间天文台（ISO）成功发射，望远镜口径0.6米。ISO的各方面性能比IRAS都要胜出一筹，不过IRAS是大范围巡天观测，ISO是定点观测，两者功能有所不同。
紫外波段的范围为10～400纳米，地面上几乎不可能探测到。1972年8月美国发射的“哥白尼号”卫星开始了对非太阳系天体的紫外观测，望远镜口径0.8米。之后，一些国家相继发射了不少紫外卫星，如1978年1月美、欧联合研制的“国际紫外探测者号”，1999年6月美国发射的“远紫外光谱探测者号”等。这些卫星的观测覆盖了整个紫外波段，取得许多重要成果，特别是加深了对星际物质成分的认识。
