——天体辐射的各种波段
古代元曲有曲牌，西洋乐曲有曲调。处于不同状态和不同年龄的天体，往往按不同的方式产产生辐射，它们发出的“光”具有不同的能量（即不同的频率），形成宇宙天体交响曲的不同“音域”。而对各个音域的欣赏产生了天体物理的不同分支。 1．可见光辐射——光学天文学
几千年来，人类主要靠肉眼可见的星光来认识地球以外的宇宙万物，欣赏来自星星的妙唱。从物理学的角度来看，可见光只是电磁辐射（电磁波）的很小一部分。虽然如此，它可算得上是星星交响曲里的“下里巴人”和者甚多。前面说到的神学家，诗人的激情全来自于此。基于可见光对天体的研究是天文学的一个分支学科，称光学天文学。因为大气对可见光是完全透明的，因此，光学天文学主要是靠地面建立的观测仪器进行研究的。以光学望远镜为主，配以照像仪、分光仪或偏振仪等接收器，并利用光度计，光谱测量仪，坐标测量仪等仪器，对天体进行光学观测和研究。随着技术的不断改进，人们一方面加大望远镜的口径，以接收更微弱的星光及提高分辨率。另一方面利用新的感光器件，如光电器件及最新的 CCD（电荷耦合）器件，以缩短成像时间，更有利于发现天体光度短时间的变比。一些更详细的内容后面将陆续介绍，这里先只谈谈星光的光度和颜色，也就是星星乐曲的音阶和抑扬顿挫。
在望远镜发明以前，人类全凭肉眼分辨星光，把可见星光分为六等，最亮的为一等星，最暗的为六等星。现代科学研究表明，一等虽相当于一支标准腊烛放在 991 米处给人的视亮度。我们假定天体为一个点光源，它是按球状向四面八方传播，因此在一定距离上，单位面积内所能接收到的光与这个距离的平方成反比。因此，我们观测到的只是视光度或视星等。如何得到天体的“绝对光度”和“绝对星等”尚需知道天体的距离。如何确定天体的距离后面讨论。
另一个问题是光度和星等的关系。我们知道，人体器官对事物的感受往往并非线性关系而是成对数关系的变化。简单的分析表明，从一等星到六等星光度相差 100 倍，因此每个星等间的光度相差 2.512 倍。1609 年，伽利略发明了天文望远镜，从而诞生了光学天文学。他利用自己的望远镜发现了月球环形山，太阳黑子，木垦的四颗卫星和金星盈亏等，并知道了银河是由无数恒星形成的一条亮带。现在最大光学望远镜的口径为 1.0 米（我国北京天文台的为 2.16 米）加上 CCD 技术已能观测到 24 等以上的天体。比肉眼能见的暗 1000 万倍，从而发现了河外星系，使人类的视野扩展到了 200 亿光年以外的距离，也就是我们讨论的观测宇宙学的“宇宙尺度”，也就是宇宙大舞台的范围。天文学家正在欣赏并分析来自那里的歌手们所发出的妙唱。
光谱仪展示了天体乐团的音阶。我们知道，利用棱镜能使太阳光分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。天文学家把分光设备用于望远镜所接收到的来自遥远天体的星光，同样可以将它们分解为不同颜色，展示出这些天体的光谱。从化学知识知道不同元素有其自己独特的光谱线，这些谱线可由量子理论得到解释。因此，天体乐曲的音阶告诉了我们天体表面物质成分的秘密。但来自遥远天体的谱线又有其自身的特殊性，即它们往往具有发射线和吸收线。发射线反应了天体自身的特色，而吸收线则是遥远天光在旅途中遇到不速之客（星际介质）“抢”走了它的一部分能量，因此在谱线上出现了某些凹缺。这个特点为天文学家比较两个星的远近提供了一个可靠判据，也为了解星际介质的物质成分及状态提供了重要信息。
由于天体不同颜色的光度比反应了天体的表面温度，而分光技术又是较难实现的技术，它要求大口径望远镜和高精度的光谱仪。因此通常采用不同颜色的滤光片加在望远镜的光路上，这样得出了不同颜色的星等。通常以紫、 蓝和绿三个颜色的波长上分别测定星等，并得到天体的色指数，U—B，B—V由此估计天体的表面温度，通常称它为天体的色温度。
读者诸君不知是否感受到了天体乐曲的某种奥妙。如果没有，不妨回头再读读想想。如果有了一些感受，请跟我们继续往下欣赏。
2．红外辐射的意义——红外天文学
不知读者是否对利用红外瞄准器的射手在漆黑的夜间能射中目标，带有红外观测仪的卫星能在夜间拍下清晰的地面的照片而感到惊奇呢？原来电磁波辐射在可见光之外还有更广阔的领域，可见光波长仅在 0.4～0.77 微米的范围，波长介于红光与微波间的电磁辐射，即 0.7～1000 微米范围内的电磁波称红外波，它构成了天体交响曲的另一个曲调。基于天体红外辐射研究天体性质的天文学分支称红外天文学。
红外辐射可分为近红外区（0.3～3.0 微米），远红外区（3.0～ 30.0 微米）和亚毫米波区（30.0～ 1000 微米即 1 毫米）。这个波段的辐射大多受到地球大气（特别是水汽、二氧化碳和臭氧等分子）的吸收。因此，地面只能进行少量的观测，而大多要利用空间技术把红外探测仪带到地球大气层外进行探测。因此红外天文学也是空间天文学的一个分支。它可利用高空飞机，大型气球和探空火箭进行探测。不言而喻，要欣赏这一段曲子，技术上比光学探测更加困难。
大多数天体都有红外辐射。实际上，红外天文学的开始可追溯到 1800 年英国天文学家赫歇尔在观测太阳光谱时偶然发现了太阳光谱中的红外线。以后天文学家发现银河系中心、星系和类星体都有红外辐射。但促使天文学家进行红外探测的更大动力是 60 年代以来为验证宇宙微波背景辐射的黑体谱和探测红外星，它是辐射能量集中在红外波段的恒星。1961 年美籍华人天文学家黄授书预言了这类天体的存在。这类天体有两种极端情况：一是年青的摇篮中的恒星，它们由于引力坍缩使恒星的温度升高，但还未引起热核聚变成为恒星之前的天体。另一种情况是老年恒星，燃料已尽的天体其可见光被其自身喷出的尘埃云所吸收而尘埃云的温度升高而引起红外辐射。
因此，这一段乐曲包含了天体的“红白喜事”的喜乐及丧钟！
3．射电天文学——天文学的一个强劲分支
波长从 1 毫米到 10 米的电磁波辐射称射电波，其中又可分为毫米波，分米波，米波和十米波。这一波段除少数区外，大气对它不吸收，因此它与光学天文学相仿，大多数观测可以在地面上进行。这就为其发展带来有利条件，而在技术上，射电天线的制造远比光学望远镜容易，加之它接收的射电信号很便于直接与现代计算机技术结合，因此便于将不同射电天线接收的信号加以综合处理。于是组成数十个天线大面积分布的射电阵。不难理解，对天体的观测要求看得远、分得清，这都要求增大接收面积，即加大望远镜口径。而分布在以公里计范围内的射电阵等效于这样大口径的天线，其灵敏度与分辨度自然能大大提高。研究射电天体不仅要测出其射电辐射强弱，还要测量其频谱，偏振，精确位置和结构。而采用射电阵得到的结构细节已达一角秒。可与地面上的光学望远镜拍摄的天体照片媲美，而甚长基线干涉仪则已达到万分之）几角秒的分辨率，远远超过光学望远镜。举一个形象的例于，这种分辨度相当于在北京的上空能清晰地分辨在天津的人们他们头上相邻的两根发丝间的细节。60 年代天文学的四大发现：类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，全是借助于射电天文观测手段获得的。而脉冲星和宇宙微 波背景辐射已分别获得 1974 和 1978 年的诺贝尔物理学奖。从 50 年代初发现中性氢分子 21 厘米谱线，1963 年发现星际羟基的微波谱线至今已有数十种分子的两千多条星际分子谱线。研究这些谱线的意义是十分重大的。一方面它们是新天体形成的物质基础，另一方面它们受到其周围成团物质的引力场制约，因此观测它们的运动可以间接考查成团物质的质量。宇宙中暗物质的探测就是借助 21 厘米氢分子谱线探测而判别的。再有，由于这些游离分子中存在着大量有机分子，它们是产生生命的物质基础。因此它们或许对研究宇宙中生命的起源会提供重要信息。
通过上面一小段介绍你是否感到宇宙射电曲调的优美旋律和强劲的生命力呢？或许你会觉得宇宙中天体的射电辐射太强烈，甚至怀疑这样强的射电辐射对人类的生态环境有什么不良影响？在一次射电天文的国际会议上，每个与会者在进入会场前都得到了一张小小纸片，大家疑惑不解！会议开始后人们才明白，它告诉人们 60 多年来射电观测所取得的这些成就，所接收到的来自宇宙射电源的总能量不足以驱动人们手里拿着的那张小纸片！从这个小故事你是否能感受到天文学家为了欣赏这一段宇宙旋律所付出的代价吗？
4．天体的紫外线辐射和紫外天文学
1801 年德国的物理学家里特首次证实了来自天体的紫外线的存在。但在
150 年后人类才利用升高到 80 公里的一枚高空火箭得到波长为 2200 埃的太阳紫外光谱。
天体紫外辐射观测的困难对人类的生态环境却是福音。我们星球上的一派生机正是因为地球的大气层像过滤器那样差不多全部吸收了来自宇宙的 3000 埃以下的威胁生命的紫外辐射。首功就是在 50 公里高空形成的臭氧层。因此近些年来人类十分关心地球南极上空臭氧层空洞的扩大。本来介于可见光和 X 射线间即从 100～4000 埃范围内都是紫外辐射，但即使把探测器送到地球大气外层，星际气体对紫外线的吸收也是很严重的。因此，对紫外波段的观测实际上仅限于 912～3000 埃之间。
前面说过，当星光通过星际介质时，一些光子的能量会被吸收形成吸收线，这种吸收是由于气体中的中性元素受到一定能量光子的打击就会发生电离，这种现象对研究天体的物理状态和化学组成最为敏感，而这种吸收线在紫外区比可见光区丰富得多，所以天文学家愿意付出较大代价去欣赏天体发出的这一段乐曲。1995 年初美国还从发现号航天飞机上发射了一颗观测天体紫外辐射的天文卫星。
紫外研究的第一个天体就是太阳，它的紫外辐射不仅影响地球大气层而且会破坏人造卫星的正常运行。而从天文学角度出发，对太阳的紫外观测显示了其紫外光谱中有许多高电离的硅、氧和铁等元素的谱线，为太阳色球与日冕间过渡层和耀斑活动的研究提供了有价值的信息。
紫外研究对其他天体也很重要，特别值得一提的是对彗星的紫外观测，发现了大多数彗星其彗发外部都包围着比太阳体积大得多的氢云，这使我们对彗星的认识增加了一个新的组成部分。此外，紫外观测对了解行星大气，恒星大气，星际物质和星系等也提供了很重要的信息。
5．更高的宇宙曲调——x 射线和γ射线天文学
x 和γ射线是更高能量的电磁波。它们的波长短，粒子性质更加突出。因此，除了软γ射线波段还能用聚焦，分光一类的传统光学观测方法外，其余只能用粒子物理探测器进行观测。这就使得 x 和γ射线天文学的研究从物 理内容到探测方法都与多种学科相关联。它涉及宇宙线物理，核物理，粒子物理，高能物理，天文学以及宇宙学等领域。这种多学科的交错不仅对天体物理是必需的，而且对其他学科的发展也是有益的。因为壮丽的宇宙舞台有着地球上各种实验室难以实现的条件，如：超低温、超高真空、超高密度、超高压，或是与之相反的各种极端条件。可以说，作为宇宙乐曲的这一新篇章——x 射线和γ射线天文学，把无限大的宇宙与微观物理研究紧密地联系在一起。
由于大气对这两类辐射的强烈吸收，因此这两类观测仍属空间天文学的分支学科。x 射线波长为 1×10^－6～1×10^-2 微米。根据人造卫星和高能天文台的观测，已记录到上千个宇宙 x 射线源。主要可分为两类：一类为银河系内源，它们有超新星遗迹，密近双星，脉冲星，宇宙 x 射线爆发和暂现 x 射线源等；另一类为河外 x 射线源，多数为星系团，少数是活动星系，类星体和宇宙 x 射线背景辐射。
γ射线为波长短于 1×10^－6 微米的射电辐射。人们利用高空气球，探空火箭，人造卫星和轨道天文台上的γ射线探测器，观测到宇宙γ射线背景辐射和一些γ射线源，以及某些脉冲星，活动星系核与暗星云等发出的γ射线辐射。此外还观测到γ射线爆发。其能量超过 10¹¹ 电子伏特的γ射线，在地球大气中产生高能粒子簇射，这种簇射又产生大气切仑柯夫辐射，因而有人尝试在地面用大型天文望远镜对宇宙γ射线作间接的观测。可见，壮丽的宇宙乐曲不仅深深地打动了人类的心弦，激发了人类探索宇宙奥秘的灵感，它也引起了地球大气的共鸣，并转演出新的乐章。
6．中微子天文学和引力波天文学
研究原子核β衰变时，理论上预言存在一种不带电的中性微粒子——中微子。以往，人们认为中微子的静质量为零。但近些年规范理论的发展，理论上允许它不为零，而不少实验物理学家宣布他们已测到了中微子的静质量。尽管这些实验并未被普遍承认，但中微子可能有静质量的问题一直成为物理学家和天体物理学家所关心的问题之一，并由此引出宇宙中的暗物质问题。按宇宙原初核合成理论来分析天文观测所得到的宇宙中物质的平均密度表明：宇宙中存在着占总质量 90%以上的非重子暗物质。
研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星结构和演化的影响形成理论天体物理的一个重要分支。从 1955 年起用四氯化碳接收太阳核反应所发射出的中微子，观测所得到的比理论上预言的少 10 倍，由此引出一个天文上至今尚未解决的太阳中微子短缺问题，它是太阳物理中三大疑难之一。中微子由于与一般物质很少发生相互作用，因此穿透力极强。如果恒星的中心产生一个光子，它要跑到该恒星的表面约需数千万年的时间。这有如人群中的一个长跑运动员，他只要一动就撞上附近的人，所以想跑出中心是极为困难的。但中微子目中无人，在人群中任意出入而不发生碰撞。因此它极易带走恒星内部产生的核反应所释放的能量，从而加速恒星的坍缩过程，在超新星爆发和中子星形成过程中，中微子也起着十分重要的作用。
1987A 这颗超新星的爆发过程中，人们测得了 11 个中微子事件，但由此引出了数百篇相关的论文。从这里你是否能感受到天文学家对中微子“歌星”的“崇拜”程度呢？
对天文学发展可能有潜在影响的另一支是引力波。它是爱因斯坦引力场方程从理论上预言的，有如麦克斯威方程当年预言了电磁波的存在，今天不 仅影响到每个人的生活，并成了整个天文学的观测基础。
引力波较之电磁波更难产生和接收。如果研究两个质子可能辐射的引力波其强度仅为其电磁波强度的 10^－37。至今人们设计了不少探测引力波的装置，但并无公认的直接结果。而观测一些特定双星的轨道周期变化，可间接地证实引力波的存在及估算其辐射所带走的能量。获得 1993 年诺贝尔物理学奖的 J·H·泰勒所探测到的射电脉冲双星 PSRI913＋16 的轨道周期变化率就给出了引力波存在的第一个间接的定量证据。
7．多波段天文学
前面我们从不同电磁波段的观测介绍了对应各波段的天文学。不同波段的辐射，往往反应了天体不同时期和不同部位的辐射。很多研究表明，不同频段对天体的研究往往反映了天体的某个局部。好像瞎子摸象，有的摸到大象的耳朵，便认为大象像一把扇子，而其鼻子则像一支长号。为了全面了解大象，人们常常利用不同波段的探测设备在同一时间同时对某一特定天体进行观测。这样，一方面可以从不同方面去确认天体某种过程的确实发生，另一方面可以全面地反映天体该过程在不同地点的特征，可以给人们一个较全面的完整形象。同时用多个波段去观测天体，研究天体特征的方法，已形成天文学发展的一个新的倾向，与此相应地发展出多波段天文学的新分支。
乐曲中常用变调来改变曲子的情绪，如用升调来增加明快气氛，而某种突然的降调则产生某种恐怖与沉闷。多波段天文学家正如欣赏乐曲一样，从多方面去洞察天体咏叹调中所显示的天体内部的“深情”！
天文学家已很清楚，对天体辐射范围观测愈广，就愈能较全面地认识天体和宇宙，将有更多的难题得以解决。所以天文学家总是努力使研究领域扩展到所有波段，并尽可能利用各种波段的观测设备同时对准某个感兴趣的天体。这在今天已经成为现实，尽管有些还处于初始阶段。