《上知天文》九、天文学基础知识：电磁波谱和大气窗口

在很多小伙伴看来，学天文、看星星那都是需要用很昂贵的设备的。事实并不如此，只要我们的眼睛还能看星星，咱们就可以参与天文观测。只不过，用望远镜我们可以看得更清晰。现在科学家们制作了各种望远镜：光学的、射电的、红外的、紫外的，而且还把哈勃望远镜发射到了太空。为什么天文学家要设计这么多的望远镜和天文仪器出来，这就跟本文要讨论的电磁波谱和大气窗口有关了。

一、电磁波谱

1888年赫兹（Hertz）通过一系列实验证实了电磁波的存在。麦克斯韦（James Clerk ，1831〜1879）从理论上预言了光是一种电磁波。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们将这些电磁波按照它们的波长或频率、波数、能量的大小顺序进行排列，这就是电磁波谱。现在我们已经知道电磁波包括的范围很广，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是不同频率范围的电磁波。（图9.1）

图9.1 电磁波谱

目前科学家通过各种方式已经产生或者是观测到的电磁波的频率范围为10^(-2)Hz~10^25Hz之间。根据电磁波频率的不同，天文学家们就可以利用不同的手段进行天文观测。

二、大气窗口

由于地球大气中的各种粒子可以对辐射具有吸收和反射，所以只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地球表面被我们看到或者是仪器观测到。这个天体辐射中能穿透大气层的波段就叫做大气窗口。（图9.2）

2.1、光学窗口

光学窗口的可见光波段为390~760nm。波长小于390nm为天体的紫外辐射，在地面几乎观测不到，因为紫外线会被臭氧层吸收，只能传到到约50Km的高度以外；（这对于爱美的小姐姐们来说是个好消息。）100~200nm的远紫外线辐射被氧分子吸收，只能到达约100Km的高度；而大气中的氧原子、氧分子、氮原子、氮分子则吸收了波长小于100nm的辐射。可见光范围内的辐射受到的选择性吸收很少，主要是因为大气散射作用减弱。

2.2、红外窗口

光学窗口中的红外窗口水分子是红外辐射的主要吸收体。水汽分子是红外辐射的主要吸收体。较强的水汽吸收带位于0.71～0.735μ（微米），0.81～0.84μ，0.89～0.99μ，1.07～1.20μ，1.3～1.5μ，1.7～2.0μ，2.4～3.3μ，4.8～8.0μ。在13.5～17μ处出现二氧化碳的吸收带。这些吸收带间的空隙形成一些红外窗口。其中最宽的红外窗口在8～13μ处（9.5μ附近有臭氧的吸收带）。17～22μ是半透明窗口。22μ以后直到1毫米波长处，由于水汽的严重吸收，对地面的观测者来说完全不透明。但在海拔高、空气干燥的地方，24.5～42μ的辐射透过率达30～60%。在海拔3.5公里高度处，能观测到330～380μ、420～490μ、580～670μ（透过率约30%）的辐射，也能观测到670～780μ（约70%）和800～910μ（约85%）的辐射。

图9.3 射电望远镜阵列

2.3、射电窗口

这个波段的上界变化于15～200米之间，视电离层的密度、观测点的地理位置和太阳活动的情况而定。（图9.3）

三、宇宙中的各种电磁波段

3.1、无线电波

在宇宙中充满了无线电波，无线电波能穿透星际尘埃和地球大气，到达地球表面，可以被天文望远镜全天（24小时）俘获，但通常都需要极大口径的望远镜才能达到理想的解析度。

不同观测目标可以带给我们不同的宇宙信息：

行星、星际磁场，电子在磁场中的高速运动会辐射出无线电波，可以知道银河系的磁场分布；

利用21厘米无线电波观测星际运气，可以知道幸运中冷氢气的含量，进而知道原恒星产生之处；

利用一氧化碳（CO）分子光谱波段的观测地球大气层含量最多的是，可以知道分子云、星际物质、原恒星的分布；

3.2、红外线

宇宙中的红外线能穿透星际尘埃，但对于地球大气的穿透能力有限地球大气层含量最多的是，只能在高海拔地区或者是大气层外进行观测。远红外线无法穿透大气，但是近红外可以穿透大气，但会被水汽分子吸收。

图9.4 国家天文台,望远镜

3.3、可见光

可见光穿透大气层的能力很强，但是同样需要考虑大气消光和红化效应，所以通常都是在高海拔地区建立观测站。（图9.4）

3.4、紫外线

紫外线无法穿透大气层，所以观测紫外波段的无线电波只能是利用空间望远镜来进行。

3.5、X射线

X射线无法穿透地球大气层，同样需要建立太空观测站。而且X射线成像需要采用特殊安排的镜子。

3.6、γ射线

γ射线无法穿透地球大气层，也需要建立太空观测站，另外也无法成像。

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本文到此结束，希望对大家有所帮助。