引言：我們總以為我們看見(jiàn)的世界是足夠的五彩斑斕。但事實(shí)上與完整的電磁波譜相比，我們所能“看”見(jiàn)的，其實(shí)極其的有限。天文學(xué)中的“多波段”，究竟意味著(zhù)什么呢？
多波段天文學(xué)，英文名稱(chēng)：multi-wavelength astronomy，是指在兩個(gè)以上不同波段對天體進(jìn)行觀(guān)測與研究的天文學(xué)分支。同時(shí)，由于現在的天文學(xué)研究已經(jīng)覆蓋了電磁波的所有波段，所以現在的天文學(xué)也被稱(chēng)為全波段天文學(xué)。
知識點(diǎn)I：可見(jiàn)光以外的光
我們平時(shí)看到的太陽(yáng)光是帶有一點(diǎn)點(diǎn)黃色的白色。1666年，英國物理學(xué)家牛頓用三棱鏡將太陽(yáng)光分解為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，含有七種顏色的色帶，這和彩虹的顏色是一致的。牛頓據此推論：太陽(yáng)的白光是由七色光混合而成。三棱鏡色散實(shí)驗可以說(shuō)是開(kāi)啟了光譜學(xué)研究的先河，為光學(xué)研究奠定了基礎。1800年，物理學(xué)家威廉·赫歇爾使用多個(gè)溫度計測量單色光的溫度，意外發(fā)現了可見(jiàn)光以外肉眼不可見(jiàn)的紅外光。1801年德國物理學(xué)家里特使用了氯化銀發(fā)現了紫外線(xiàn)。人們終于意識到，我們眼睛還有看不見(jiàn)的光線(xiàn)。于是我們看得見(jiàn)的光被叫做“可見(jiàn)光”?，F在我們知道可見(jiàn)光的波長(cháng)范圍是400nm-760nm，之所以這段范圍是可見(jiàn)的，是因為太陽(yáng)輻射的峰值在
500nm上。
赫歇爾的實(shí)驗
太陽(yáng)輻射峰值在500nm左右
知識點(diǎn)II：電磁波譜
直到1865年，偉大的物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋提出了電磁波理論，我們才終于知道紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)與肉眼可見(jiàn)的七色光是什么關(guān)系。電磁波是原子中電荷作變速運動(dòng)所產(chǎn)生的。麥克斯韋推導出的電磁波方程，是一種波動(dòng)方程，清楚地顯示出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波動(dòng)本質(zhì)。變化的電場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)，它們同相振蕩且相互交替相互垂直構成了一個(gè)不可分離的統一的場(chǎng)，這就是電磁場(chǎng)，而變化的電磁場(chǎng)在空間的以波的形式移動(dòng)，因此被稱(chēng)為電磁波。電磁波不是機械波，而是一種能量的形式。由于電磁波方程預測的電磁波速度與光速的測量值相等，所以麥克斯韋推論光波也是電磁波。1887年至1888年間海因里?！ず掌澰趯?shí)驗中證實(shí)了電磁波的存在。1897年盧瑟福發(fā)現α射線(xiàn)、β射線(xiàn)，同時(shí)又預言了γ射線(xiàn)，科學(xué)家逐漸認識了電磁波，也知道電磁波分布極廣。
電磁波的分布是以頻率或波長(cháng)為標準的，頻率乘以波長(cháng)就等于光速，所以波長(cháng)越長(cháng)的頻率越低。波長(cháng)從短到長(cháng)排列，可以把電磁波分成伽馬射線(xiàn)波段、X射線(xiàn)波段、紫外線(xiàn)波段、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)波段、無(wú)線(xiàn)電波段，無(wú)線(xiàn)電波段在天文學(xué)中又被叫做射電波段。
電磁波譜的分布
知識點(diǎn)III：射電波段
凡是高于絕對零度的物體，都會(huì )釋放出電磁波，而且溫度越高，放出的電磁波波長(cháng)就越短。這個(gè)規律早已被掌握，但盡管宇宙中那么多溫度很高的恒星，但是在地面上的我們還是測不到大量的來(lái)自天體的電磁輻射。主要原因就是地球存在著(zhù)厚厚的大氣。直到20世紀20年代，美國貝爾電話(huà)實(shí)驗室央斯基發(fā)現了來(lái)自銀河系中心的無(wú)線(xiàn)電信號，標志著(zhù)射電天文學(xué)的誕生，也宣告人類(lèi)發(fā)現了地球大氣層的又一個(gè)窗口——射電窗口。
射電天文學(xué)所觀(guān)測的對象可以說(shuō)遍及全宇宙，涉及所有天體。比如太陽(yáng)系內的天體，木星、土星；銀河系中的星云星團，包括氣體塵埃、分子云；再如遙遠的星系，都可以用射電望遠鏡進(jìn)行觀(guān)測，甚至整個(gè)宇宙的微波背景輻射。無(wú)線(xiàn)電波是可以穿透云層，不受大氣散射光影響，因此理論上講射電望遠鏡可以風(fēng)雨無(wú)阻且白加黑晝夜不停，這種全天候的觀(guān)測能力是天文學(xué)家夢(mèng)寐以求的。此外，星際塵埃云往往會(huì )阻擋可見(jiàn)光，我們地面望遠鏡無(wú)法看透塵埃背后的天體，而無(wú)線(xiàn)電波可以通行無(wú)阻，因此，射電望遠鏡也大大增加了可觀(guān)測的范圍。所以這幾十年射電天文學(xué)飛速發(fā)展，也就不奇怪了。
射電波段銀河
知識點(diǎn)IV：紅外波段
我們通常把紅外波段分為近紅外和遠紅外。離可見(jiàn)光中紅光較近的叫近紅外，較遠的，更靠近射電波段的叫遠紅外。也可分為三段，近紅外波段（0.78～3微米），中紅外波段（3～30微米）和遠紅外波段（30～1000微米）。一部分近紅外波段是可以透過(guò)大氣層，地面紅外望遠鏡可以進(jìn)行觀(guān)測，但是使用的就不是普通的照相底片、光電管，而是要用紅外線(xiàn)較敏感的硫化鉛等材料制成的紅外探測器。然而水汽和二氧化碳會(huì )屏蔽紅外線(xiàn)，所以地面紅外望遠鏡必須要到水汽少、大氣透明度高、空氣稀薄的地方，通常都是海拔4500米以上的高原。另一方面，由于需要接收的源信號大約是10-14瓦的量級，而一般探測器上得到的背景輻射卻高達10-7瓦，如何抑制背景噪聲是紅外觀(guān)測的難點(diǎn)，所以致冷技術(shù)在紅外天文探測工作中是必不可少的。美國人也有奇招，把一臺2.5米口徑的望遠鏡搬到波音747貨機上，可以在12000~14000米的高空工作。
美國航天局“平流層紅外天文臺”（SOFIA）
根據相關(guān)理論，溫度4000K以下的天體，其主要輻射就在紅外區了。像紅矮星、褐矮星這類(lèi)光度比較弱的天體，可見(jiàn)光找不到的說(shuō)不定紅外波段就能找到；紅外觀(guān)測手段可以撥開(kāi)宇宙塵埃的迷霧，讓我們看到被掩蓋著(zhù)的天體；紅外波段還有許多重要的分子譜線(xiàn)，還有許多河外天體在遠紅外區的輻射較強。所以紅外天文學(xué)的分量可以說(shuō)越來(lái)越重。
歐南臺拍攝的紅外波段銀河中心顯示出塵埃背后大量的恒星
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