紫外天文观测

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第486页（3625字）

地球大气层将大部分电磁波谱挡在大气层外，只允许可见光、射电波和少部份红外线、紫外线通过。

短于3000×10^－10m的紫外、X射线都被大气层中的各种成份所吸收。但是，宇宙中许多天体的大量讯息，都包含在被吸收的这些波段中。所以，紫外天文必须到大气层外，利用高空气球、卫星或其他航天器进行观测。紫外天文也就属空间天文范畴。

一般地说，紫外波段可以从100×10^－10m起到4000×10^－10m止。其中3000×10^－10m到4000×10^－1⁰m可以透过大气层，被地面观测到。而100×10^－10m到900×10^－10m有严重的星际吸收，属于氢原子莱曼连续区吸收。

1801年德国里特(Rydberg)证实太阳光谱中紫外线的存在，但经过150y后，在1946年美国海军才用火箭观测到像样的太阳紫外光谱。

1968年美国发射了第1颗紫外天文卫星——“轨道天文台2号”(OAO)，以后在其他天文卫星上，都有紫外天文观测仪器，包括最近上天的“空间望远镜”，其中特别值得提到的是1978年发射的“国际紫外探测器”卫星(International Ultraviolet Explorer，IUE)。

Herbig-Haro天体又称“HH天体”，公认是由红外源发出的激波物质与星际介质碰撞产生的亮区域。这些亮区域可能是深嵌在胎盘云中的主序前星，只能在远红外看到。因此这种天体是恒星形成初期的可见物。

IUE卫星惊奇地观测到丰富的高激发发射谱线和很强的紫外连续谱。并证明是由于碰撞而增强的双光子氢连续谱。有科学家认为在好的条件下，2000K分子氢可能与莱曼－α线产生荧光激励，波长在1050×10^－10～1700×10^－10m之间发射。这一过程已被IUE卫星在“HH43”天体中明显地观测到。

从60年代初开始，安装有紫外天文观测仪器的卫星有很多，其中有“太阳辐射监测卫星”系列(SOLRAD)，“轨道太阳天文台”(OSO)，以测量近地空间的紫外背景为主；“宇宙”(COSMOS)215号，“双子座”(GEM)10、11和OSO－2号进行了恒星紫外观测；1968年发射的“轨道天文台”(OAO)2号，全部11架仪器都用于紫外观测。主要用于巡天，编制了紫外星表，包括5068颗紫外天体的星等、位置和光谱型。

“荷兰天文卫星”进行了紫外光谱的多普勒频移观测，企图通过不同距离处的类星体频移比较，来验证宇宙膨胀速度有无变化，从而说明宇宙脉动理论。另外，OAO－3号和哥白尼号(Copernicus)卫星都获得了类似的紫外讯息。IUE紫外卫星上安装有口径45cm的望远镜和紫外光谱仪，波段为1150×10^－10～3200×10^－10m。

对天鹅X－1，天蝎X－1以及几个黑洞候选体，X射线源的紫外辐射进行了研究，对某些天体进行了紫外成象观测，获得了81个类星体，一些脉冲星，X射线源和塞弗特星系的低分辨率的紫外谱。其中包括积分时间长达5．5h，记录下的一个15等的类星体。所以IUE是迄今最成功的一颗紫外天文卫星。

紫外望远镜比光学望远镜要求高，其反射镜面材料早期用铍，后来用微晶玻璃、焙石英等。主要要使“强度／重量”比值要高，温度膨胀系数小。紫外区的反射镀层主要是铝，但为了防止铝的氧化，再涂以400×10^－10m厚度的氟化镁和氟化锂保护膜，他们的短波截止波长分别为1050×10^－10m和1130×10^－10m，而铝的反射率在1000×10^－10m以上为80%，到1000×10^－10m时突然下降到15%，综合以上条件，这种结构的望远镜反射率的短波限为1200×10^－10m，所以到目前为止，发射的卫星，包括去年上天的“空间望远镜”(HST)，观测和研究波长，短波方向大多都截止在1200×10^－10m。HST上用了2个紫外波段的光子计数多极微通道列阵探测器(Photon-counting Multi-Anode Microchannel Array Detectors)，简称MAMA探测系统，波段为1050×10^－10m～1700×10^－10m，1700×10^－10m～3000×10^－10m，但实际使用都从1200×10^－10m开始。

HST仍是当今最新探测器。

要进行短于1000×10^－10m的远紫外。

都采用掠射望远镜。1973年发射的“天空实验室”(Sky Lab)曾用一架焦距为1m的掠射望远镜，由偏轴抛物面镜收集太阳远紫外辐射成像，再通过薄铝滤光片，留下171×10^－10m～630×10^－10m紫外波段，再用紫外阴极转换成可见光，获得分辨率为40的太阳单色象。

为了探测900×10^－10～1200×10^－10m紫外谱区的宇宙讯息，目前正在准备另一个紫外天文卫星计划，称莱曼(Lyman)计划。该计划由美国、澳大利亚、加拿大和欧空局(ESA)提出，其科学目标为继IUE和HST后研制和发射一个新的紫外天文卫星，要求是：(1)观测900×10^－10～1200×10^－10m波段为主，分辨率要达到能分辨氢同位素的谱线，灵敏度要接收到最密近的星系中最亮成员星和几个红移为2的类星体；(2)在保证上述指标下，争取附加观测波段1200×10^－10～2000×10^－10m和100×10^－10～900×10^－10m；(3)卫星寿命大于5年。

宇宙中的物质在特殊条件下的许多发射线，如氢、氦、碳、氮、氧、硅等的同位素电离发射线，都落在900×10^－10～1200×10^－10m波段上。通过对这些谱线的研究，企图搞清早型星(如金牛座T型星)远紫外和X射线发射的机制；太阳和冷恒星中日冕的非辐射加热；明亮早型星的大气层快速膨胀和质量损失；亚矮星大气化学组成；行星状星云核星的高速星风；新星爆炸过程中的传能机制以及X射线双星的紫外辐射等等。

此外对太阳系天体的观测，不存在远紫外星际吸收的问题，行星、卫星、彗星都有紫外发射，对它们的研究可以搞清一些特殊问题，例如“土星”第6个卫星表面有很厚的氮气层，至今还不清楚是否原始就存在的。

测定宇宙中氦和氘的原始丰度，对宇宙学的大爆炸理论具有重要意义，对存在于星系之间的氘丰度的研究，已作为莱曼计划的主要任务之一。

莱曼卫星的主要仪器为一架口径为80cm的掠射式望远镜和远紫外极远紫外光谱仪，卫星轨道周期为2个恒星日，约48h，近地点1000km，远地点120000km，偏心率0．9，轨道倾角7度，这个轨道的优点是观测有效时间超过70%，低轨道卫星一般为35%。再有，轨道的80%在地球辐射带以上；卫星大部份时间离地面很高；在地影中的时间短；最长的积分时间(对同一天体)可达38h。

高空科学气球在紫外天文观测中起着很大作用，由于经费省，技术方便至今还在应用。Mg Ⅱ的双重自反转谱h和K线，因为波长在2800×10^－10m，中紫外波段，地面上无法观测到，首先是在气球上观测太阳色球谱中发现的。

今后会利用气球、卫星对紫外、X射线和γ射线联合探测宇宙天体的高能辐射，对空间天文学的发展将有重大意义。

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【参考文献】：

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3 邹惠成，徐春娴，等．可见光外天文学．北京：科学出版社，1986

4 Dopita M A，et al．Science Working Group．Proc，ASA 1988，7(3)

5 Turner M S．The Early Universe，eds W G．Unruh and G W Semenoff(Dordrecht：Reidel)，1988

(上海天文台邹惠成副研究员撰)