2.3 用于观测不同波段光的天文观测站
作者| NASA
译者| Paradox
对天文学家来说，在不同波段下观察天体是非常重要的，天文学家需要使用不同种类的探测器(或者望远镜)去观测天体。除了不同的探测器对不同波长的光敏感这个条件需要考虑之外，还要考虑到并非所有的光都能穿过地球大气层。因此对于某些波长的光，我们必须将探测器(或者望远镜)送上卫星轨道，甚至我们收集不同波长光的方式也会随着光波长的变化而变化。
下面就来简要介绍工作于各个波段的天文台。
射电天文观测
无线电波可以没有阻碍地穿过地球的大气层。即使在云层堆积的阴天，射电望远镜也能正常工作。因此理论上，我们是不需要将射电望远镜放在太空中的。但是，天基射电天文台(在太空中工作的射电望远镜)可以在某些重要方面对地基射电望远镜的工作做补充。
射电天文学中使用的一种特殊技术称为"干涉测量法"(interferometry)。射电天文学家可以合并两个相距很远的望远镜的数据，并产生等效于两个望远镜之间的距离一样大的单个望远镜相同分辨能力的图像。这意味着射电望远镜阵列可以看到非常小的细节。一个例子是超大型基线阵列(Very Long Baseline Array, VLBA)，它由10个10台口径25米的射电望远镜组成，横跨从夏威夷到波多黎各8000多千米的距离[译者注：为了方便大家对这个距离有个概念，地球的赤道周长40076千米。还有一个非常著名的例子就是人类第一次拍摄黑洞照片采用的事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)，该项目基于甚长基线干涉技术(VLBI)结合世界各地的射电望远镜，使用等效于地球大小的射电望远镜去拍摄黑洞]。
通过将射电望远镜放置在环绕地球的轨道上，射电天文学家可以像使用等效直径为卫星轨道半径大小的射电望远镜拍摄遥远的天体图像。第一个专门从事空间干涉测量的任务是从1997年至2005年的日本的天鹅卫星(HALCA)；第二个是2011年发射的俄罗斯的光谱-R卫星(Spektr-R)。
图2.将光谱-R卫星(Spektr-R)的数据与地球相连的射电望远镜的数据相结合，形成口径等效于地球和航天器距离的虚拟望远镜概念图.(图片来源: Lavochkin Association)
微波天文观测
地球的大气层会阻挡微波波段中大部分频率，因此天文学家使用基于卫星的望远镜观察宇宙中的微波辐射。来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，通常被称为宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background, CMB)，也称为微波背景。这些微波被认为是"宇宙大爆炸"(Big Bang)的残余下来的热辐射。
宇宙诞生之初(约在138亿年前)，所有的空间、所有的物质和所有的能量都被压缩在在一个极小的尺度内，随后宇宙开始急速膨胀，也就是我们说的"宇宙大爆炸"。在之后的时间里宇宙在一直冷却，到今天比绝对零度要高的水平。
1989年至1993年，COBE卫星(Cosmic Background Explorer, COBE)卫星首次对整个天空的微波背景辐射温度进行了精确测量。此后从2001年开始运行至2010年威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)修正了COBE卫星的测量结果。而普朗克卫星于2009年启动，普朗克卫星的观测结果使天文学家进一步加深了对微波背景辐射的理解。
图3.欧洲航天局(ESA)的普朗克卫星(Planck)工作轨道概念图.(图片来源: ESA/D.Ducros)
红外天文观测
红外天文学必须克服许多挑战。尽管某些波长的红外辐射可以使其穿过地球的大气，但这还不是最大的挑战。最大的挑战是所有发热的物体都会发出红外光，这意味着大气、望远镜甚至红外探测器本身都发出红外光来干扰我们的观测结果。
地面红外望远镜常常位于干燥气候的高海拔地区，以力求大气中的水汽对红外线的吸收降至最低。但是地面红外天文台在观测时仍必须考虑大气的影响。当我们在观测天体的同时，还需要测量来自大气的红外发射本底，然后去掉本底以获得对天体的精确测量。不仅如此，地面和空间/机载天文台的红外望远镜还需要考虑抑制杂散辐射的问题，同时还需要冷却探测器以限制探测器自身红外发射的干扰。
2003年，美国国家航空航天局NASA将斯皮策空间望远镜发射到了一条以地球为中心的日心轴轨道上，在那里它不必与近地空间中相对温暖的环境相抗衡。另一个主要的红外天文台是索菲亚望远镜，它是一个工作在平流层的红外天文台。索菲亚望远镜装在一架波音747飞机内，飞机的飞行高度足以使望远镜远远高于大部分能吸收红外线的大气层，从而避免大气的干扰。
詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)计划于2014年发射，但是由于预算和其他原因一再拖延至今仍未服役，但是其造价已经逼近100亿美元。詹姆斯·韦伯太空望远镜是一个大型的空间天文台，它针对红外波长探测进行了优化。韦伯望远镜可以看到宇宙最初期大爆炸后残留在边缘的红外线，找到在早期宇宙中形成的第一个星系并监视附近的尘埃云，而尘埃云是我们认为形成恒星和行星系统的地方。詹姆斯·韦伯太空望远镜将在日地引力平衡的拉格朗日L2点远离热源工作。为了使镜子和仪器保持低温工作环境并允许望远镜检测到远处物体发出的最微弱的热信号，需要一个巨大的遮阳罩来阻挡来自地球、太阳和月球的光和热。
图4.日落时飞翔的索菲亚望远镜(Sofia)概念图.(图片来源: NASA)
图5.黎明时分的凯克望远镜(Keck I/II)穹顶的照片，凯克望远镜在可见光和红外波长下工作.(图片来源: Rick Peterson/WMKO)
光学天文观测
可见光可以直接穿过我们的大气层，古时候人类就开始仰望夜空中的星星——这就是为什么天文学的历史与人类一样的古老。我们拥有许多地面光学天文台。但是地基光学天文学存在一定的局限性。当光线穿过大气层时，它会因大气湍流而扭曲，会使得成像出现摆动导致画面模糊。天文学家可以通过将天文台设置山顶上或者沙漠里(大气稀薄或者水汽少，也避免了城市光污染的影响)来提高获得高质量的成像。但是影像的清晰度仍然存在限制，尤其是对于微弱的信号源而言。
将光学望远镜放到太空上就避免了地球大气湍流的影响。此外天基光学天文台也可以观察到部分紫外光，特别是被地球大气层吸收的紫外线。哈勃太空望远镜也许是最著名的太空光学望远镜。当然还有后发射的开普勒太空望远镜，观测10万颗恒星的光度，检测是否有行星凌星的现象，来发现环绕着其他恒星之类地行星。雨燕卫星(Swift)搭载了紫外线和光学望远镜(Ultra-Violet and Optical Telescope, UVOT)用于观察γ射线暴。
图6. 哈勃空间望远镜(Hubble)在被亚特兰蒂斯号航天飞机送上太空后，于2009年服役至今.(图片来源: NASA)
紫外天文观测
地球的大气层吸收紫外线，所以紫外天文台必须设置在地球大气层之上才能观测宇宙源。除了滤光片的材料不一样之外，紫外线望远镜与普通可见光望远镜非常相似。
星系演化探测器(GALEX)是近年发射的一个紫外天文卫星。它于2003年启动，2013年关闭运营。它的目标是在紫外波段观测星系，特别是那些包含大量年轻恒星、辐射出强烈紫外线的星系，研究它们的形成和演化机制。它共观察了超过5亿个星系，这些星系可以追溯到大约30亿年前的宇宙。
虽说哈勃太空望远镜和雨燕卫星紫外和光学望远镜都能在紫外波段进行观测，但它们只能覆盖到GALEX的紫外光谱的一部分。
图7.星系演化探测器(GALEX)在轨概念图.(图片来源: NASA/JPL-Caltech)
X射线天文观测
X射线也会被地球大气层阻挡。因为X射线波长短能量高，它的行为不会像低能量的光一样被镜子反射回来。相反X射线会直接通过反射镜，除非X射线是大角度掠射过反射镜。聚焦X射线望远镜需要较长的焦距，所以光线进入望远镜的反射镜必须与X射线探测器保持几米的距离。要发射如此大的天文台成本非常高昂，所以只能将其放在功率最大的火箭上。体积巨大的钱德拉X射线天文台是由航天飞机送上天的。
2012年，核能光谱望远镜阵列(NuSTAR)通过设计带有可展开桅杆的天文台解决了这一问题。形象地说，核能光谱望远镜阵列将其反射镜模块和检测器模块安装在一个自拍杆上了。一旦进入轨道，自拍杆就会伸长达到X射线望远镜的技术要求。通过这样做核能光谱望远镜阵列可以在低成本火箭上发射。
图8.核分光望远镜阵列(NuSTAR)的概念图.(图片来源: NASA/JPL-Caltech)
γ射线天文观测
γ射线不仅会被地球的大气层阻挡，而且比X射线更难聚焦。实际上到目前为止，还没有聚焦型γ射线望远镜，也就是说我们没有办法直接使用γ射线成像。所以，天文学家依靠其他方式来确定在天空中产生γ射线的位置。比如让γ射线轰击探测器中的钨金属板从而产生次级粒子，我们通过检测次级粒子来分析γ射线的能量和大致方向。
雨燕卫星(Swift)于2004年发射，专门用于观测γ射线暴。雨燕卫星拥有一个γ射线探测器，可以一次监测一半的天空。如果它能探测到γ射线暴，那么卫星可以迅速将其X射线和光学望远镜指向γ射线的方向去观测。而费米太空望远镜于2008年发射升空，旨在研究来自各种宇宙源的高能现象，包括脉冲星、黑洞、活动星系、弥散γ射线和γ射线暴。
令人惊讶的是天文学家也可以使用地基天文台探测最高能量的γ射线。望远镜不会直接检测到γ射线，而将大气本身作为探测器——当高能光子穿过大气层的时候，光子与大气分子相互作用产生次级带电粒子，次级带电粒子运动又会产生切伦科夫光。切伦科夫光有很好的前向性，地面上只用探测切伦科夫光再重建出γ射线的信息就好了。HESS阵列已经运行了10多年，该阵列开始于4架相同的13米反射镜组成的望远镜排列成正方形排列(间距120m)，之后扩建的HESS II也投入观测。
图9.费米卫星(Fermi)概念图. (图片来源: NASA)
图10.HESS系统中的一个切伦科夫光望远镜.(图片来源: HESS Collaboration)
在2.3节介绍了工作在不同波段下的天文台。有很多天文台的筹备都是历经令人难以想象的艰辛过程，有的任务一再延期，有的天文台一再延长任务期。科学研究终究还是要和研究经费作斗争，为了确保詹姆斯·韦伯太空望远镜任务的万无一失而选择一再延期也是必然的。上次是在2018年6月份独立审查委员会同意任务延期至2021年3月，但是如今2020年的新冠病毒全球大流行，望远镜的集成和测试工作在2020年3月份暂停，詹姆斯·韦伯太空望远镜的任务可能进一步推迟。在2.4节我会详细介绍X射线天文学，请各位读者继续关注这个翻译专栏，再次感谢大家的阅读。
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