《天文学家的备忘手册》

阿里山图书馆 2020-04-24

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作者| NASA
译者| Paradox

这个系列翻译自NASA的Astronomer's Toolbox专栏。专题将会更新11次，每次更新一个小节。如果有不清楚的地方请留言，我会根据情况回复大家，或者再做新的板块进行补充。译者翻译水平有限，请大家多多包涵指教。

这本备忘手册简单介绍了天文学家用来研究高能宇宙的工具和方法。《天文学家的备忘手册》分为三个章节: 第一个章节主要介绍天文学家最熟悉的观测手段，光。以及光能告诉天文学家关于宇宙的哪些信息；第二个章节介绍天文观测中使用的不同波段的光各自研究的对象和领域；第三个章节则介绍天文学家使用的其他工具——引力波和宇宙线。它们之所以被称为信使是因为他们穿越了浩瀚的宇宙空间，历经了数万年乃至数亿年的时间来到了地球，告诉天文学家关于宇宙早期的信息。同样，这个备忘手册也可供对宇宙充满着好奇心的你参考。

I could be bounded in a nutshell, and count myself a king of infinite space. –Hamlet

1.1光就是电磁波

电磁波谱是电磁辐射按照能量分布形成的谱。电磁辐射在传播的过程中携带着能量，无论是家里的灯发出的可见光还是电台发出的无线电波都是电磁辐射。构成电磁波谱的其他电磁辐射类型有微波、红外线、紫外线、X射线和γ射线。

你对电磁波的了解，比你想象的要多。我们生活中就已经接触到了各种能量的电磁波，下面从能量由低至高，波长从长到短的顺序介绍我们在生活中可能遇到的电磁波谱中的每一部分。同样天文学家也在使用电磁波谱的每一部分尝试去了解我们的宇宙。

无线电：收音机广播接收到的就是广播站发出的无线电，同样星际中的恒星和大气也能发出无线电波。
微波：微波炉可以在几分钟内将你的爆米花给加热完毕，同样天文学家也用微波这个了解和研究附近星系的结构。
红外线：夜视仪可以接收皮肤和物体发出的红外线。在太空中，红外光帮助我们绘制恒星之间的星际尘埃的图像。
可见光：我们眼睛看到的就是可见光，无论是萤火虫的微弱萤火，白炽灯的亮光抑或是天上的星光都是可见光。
紫外线：太阳光中包含紫外线可以灼伤我们的皮肤，同样星际中那些炽热的星体也能发出紫外线。
X射线：骨科医师用X射线看骨折患者的患处，机场安检也采用X射线检查乘客的行李。宇宙中的热气体也会释放出X射线。
γ射线：医生采用γ射线为病人切割肿瘤。同时最大的γ射线产生源就是我们身处的宇宙。

图1.从最低能量/最长波长(顶部)到最高能量/最短波长(底部)的电磁波谱. (图片来源: NASA's Imagine the Universe)

无线电波和γ射线一样吗?

无线电波和γ射线是完全不同的物理对象吗?虽然它们是在不同的过程中产生的，但并没有本质上的不同。无线电波、γ射线、可见光，以及电磁波谱的所有其他部分都是电磁辐射。

电磁辐射可以用无质量的粒子流来描述，这些粒子流被称为光子，它们以光的速度以波的形式运动。每个光子都含有一定量的能量。不同类型的辐射是由光子所携带的能量决定的。无线电波中的光子能量较低，微波中的光子比无线电波的能量多一点，红外线中的光子则更多，然后是可见光、紫外线、X射线，以及能量最大的伽玛射线。

如何测量电磁辐射?

电磁辐射可以用能量、波长或频率来表示。频率是以每秒周期或赫兹来测量的。波长以米为单位。能量以电子伏特为单位。这三个用来描述电磁辐射的量以精确的数学方式相互关联。电磁辐射可以描述为光子流，每一个光子都以波的形式传播，携带能量并以光速移动。无线电波、可见光和γ射线之间的唯一区别是光子的能量。无线电波的光子能量最低，微波比无线电波的能量多一点。接着是红外线，可见光、紫外线、X射线和γ射线能量依次升高。

图2.电磁波谱中波长、频率和能量的比较. (图片来源: NASA's Imagine the Universe)

光子根据自己所拥有能量的不同，可以让行为表现得更像一个波，或者更像一个粒子。这被称为光的“波粒二象性”。重要的是，我们谈论的不是光是什么，而是光的行为方式。低能光子(如射电电波的量子)的行为更像波，而高能光子(如X射线的量子)的行为更像粒子。电磁频谱可以用能量、波长或频率来表示。对电磁频谱的表示方式都是通过数学公式联系的。能量、波长和频率之间的关系可以写成波长等于光速除以频率，写作

能量等于普朗克常数乘以频率，写作

光速,
普朗克常数

但是为什么对光用三种物理量描述，每一种都采用不同的物理单位?

天文学家用波长、频率和能量三种单位描述光，为什么不统一采用一种物理量描述呢？答案很简单，天文学家很懒，不喜欢写很大或者很小的数字。或者说写“2 km”要比写“2000 m”省事。一般来说，天文学家喜欢采用描述他们常用的电磁辐射类型来说最容易最省事的单位。

研究无线电波的天文学家倾向于使用波长或频率。电磁频谱的大部分无线电电波波长在大约1 cm到1 km的范围内，即30 GHz到300 kHz的频率。无线电是电磁频谱中非常广泛的一部分。

红外和光学天文学家通常使用波长。红外天文学家使用微米(μm，)作为波长，因此他们的电磁光谱部分在1 μm到100 μm的范围内。光学天文学家同时使用埃(Å，)和纳米(nm，)。使用纳米，紫光、蓝光、绿光、黄光、橙光和红光的波长在400 nm到700 nm之间。(这个范围只是整个电磁光谱的一小部分，所以我们眼睛能看到的光只是我们周围电磁辐射的一小部分。

电磁光谱中紫外线、X射线和γ射线的波长很短。研究电磁波谱中这些部分的天文学家通常不使用波长，而是用能量来指代这些光子，用电子伏特(eV)来衡量。紫外线辐射的范围从几电子伏特到大约100 eV不等。X射线光子的能量在100 eV到100000 eV(100 keV)之间。γ射线是指所有能量大于100 keV的光子。

为什么我们要把望远镜送入卫星轨道？

地球大气层阻止了来自太空的大多数电磁辐射到达地球表面。这幅图显示了电磁光谱的不同部分在被吸收之前穿透多深的大气。结果是只有部分无线电和可见光到达表面。大多数来自太空的电磁辐射无法到达地球表面。无线电，可见光和一些紫外线可以达到海平面。天文学家把望远镜设置在山顶上可以观测到来自宇宙红外波段。气球实验可以在离地面35公里的地方进行观测，并持续几个月。火箭可以把望远镜带到地球大气层的上空，只需要几分钟就可以返回地球。对于长期观测而言，最好的办法就是将探测器放在轨道卫星上一直运行！