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紫外线是一种比可见光波长更短的电磁波,其波长介于可见光与X射线之间。人类发现天体存在紫外辐射已有200年的历史。但是由于地球大气对紫外线的吸收特别严重,因而紫外天文学迟迟得不到发展。
紫外线的发现及早期探测
1801年德国物理学家里特发现硝酸银在蓝光和紫光下照射以后,会分解出黑色的金属银。于是他想到将硝酸银放到紫端以外试试看,令他惊喜的是,他看到了这种反应进行得更快了。这个实验结果证实了太阳光谱中紫外线的存在。
紫外线发现之后,人们首先想要观测的就是太阳的紫外辐射。
1880年,科学家们通过多年的高空气球探测,发现35千米以上的太阳紫外辐射异常强烈。进一步发现地球大气层的15~35千米范围内,有一层厚约20千米的臭氧层,是这个臭氧层将太阳紫外辐射几乎全部吸收了。
1920年,有科学家乘气球升到9千米高空准备拍摄太阳紫外照片,没有成功。1930年,又有人放飞无人气球到20多千米高空去拍摄,依然不成。直到1946年,美国海军研究实验室发射一枚高空火箭,升高到80千米,才终于获得人类第一张太阳紫外照片。
轨道天文台系列
空间科学的发展,为紫外天文学带来了勃勃生机。
从1966年4月到1972年8月,美国发射了一系列共3颗主要从事紫外探测的卫星,名为“轨道天文台”,简称“OAO”。轨道天文台担负的主要任务是在紫外波段巡视宇宙天体辐射源,测定其方向、强度和辐射谱特征,观测恒星、星云、星际物质、银河系和河外天体的紫外辐射状况。卫星长约3米,直径约2.1米,重2吨左右,运行在750千米高空的近圆形轨道上。
轨道天文台1号(OAO-1)于1966年4月8日上天后,因配置的电源失灵,发射2天后停止工作,没有得到任何信息。
轨道天文台2号(OAO-2)于1968年12月7日上天。它携有4架口径32厘米的望远镜,分别在1400、1500、2300和2600埃这4个紫外光谱区用紫外电视光度计对热主序星作紫外光度观测。有1架口径41厘米的反射镜,配上900~3000埃的宽带光度计,用来研究银河系内弥漫星云的紫外线辐射和星际物质吸收。还有4架口径20厘米的望远镜组用作恒星光度测量;2台恒星紫外端光栅分光计,用来研究1100~4000埃区域的光谱细节。
轨道天文台2号实现了对银河系的巡视,发现了银河系中5068个具有紫外辐射的天体。根据这些观测资料,1973年刊布了全世界第一份紫外巡天星表,列出了这些天体的位置、紫外辐射强度、光谱类型等。轨道天文台2号还发现在比2000埃更短的波长上,许多星系的亮度超出了天文学家原来的想象。轨道天文台2号的成功,真正揭开了紫外天文学的序幕。
轨道天文台3号(OAO-3)于1972年8月21日上天后不久,适逢伟大的天文学家哥白尼诞辰500周年,因而又被命名为哥白尼卫星。哥白尼卫星携带一架直径81厘米、f/20的卡塞格林望远镜和光栅光电分光计,主要目标是研究热星的紫外光谱;另外还有三架小型X射线望远镜。
哥白尼卫星获得了许多紫外星的光谱以及星际分子的光谱;探测到星际尘埃中有大量氢原子和重氢原子;发现了可能是超新星爆发或热星喷发物质形成的大范围气体云;更重要的是在天蝎座还发现了一个与一颗超巨星相伴的候选黑洞。
天空实验室
天空实验室(简称SL)是美国于1973年5月1日用大型火箭“土星5号”送上435千米高空的大型载人轨道空间站。天空实验室不像轨道天文台那样是以紫外探测为主,而是承担了许多种学科在内的多达270项各类科学试验的重任。而他们用太阳望远镜观测太阳并分别在光学、紫外、X射线波段拍摄了太阳活动照片多达18万幅。其中有一幅太阳紫外照片拍到了一个高达40万千米的巨大日珥,令人叹为观止。
国际紫外探险者
继轨道天文台之后,1978年1月26日又有一个新的紫外探测器进入环绕地球飞行的轨道。它就是美国航宇局、欧空局联合建造的“国际紫外探险者”,简称IUE。这是一颗地球同步卫星,卫星上载有一个口径45厘米的光学望远镜和紫外摄谱仪。
国际紫外探险者是一颗十分成功的卫星。它和美国航宇局地面跟踪站每天24小时都能保持联系,还可以和欧空局的控制中心每天联络10个小时。国际紫外探险者的预定寿命为3年,而事实上它大大地超过了原计划,正常地在太空中工作了十几年,送回了大量的多种天体的紫外分光和紫外测光资料,为紫外天文学作出了极大的贡献。
国际紫外探险者的预定探测目标包括各类恒星、活动星系、星际物质和太阳系内的天体等。通过它的探测,使早型星的研究进入了新的阶段;弄清了恒星色球和星冕之间过渡区的情况;发现了处于赫罗图中主序星之外的一些混杂恒星。它还探测到了用其它方法很难得到的宇宙元素丰度,发现了一种以前未曾见过的具有氖、镁、铝谱线的新星等等。国际紫外探险者得到的丰富且有价值的信息资料,都存入了美国航宇局戈达德飞行中心的档案馆中,以供天文学家继续分析研究,发挥更大的作用。
向远紫外波段进军
空间天文学中,紫外辐射的探测是很困难的,远紫外波的探测就更困难了。20世纪60年代到70年代,轨道天文台、天空实验室和国际紫外探险者在紫外天文探测方面已经取得了可观的进展。然而,这些探测器在紫外波段的工作波长大都长于1200埃,在100~4000埃广阔的紫外波段范围内还有短于1200埃的远紫外波段一直是一个空白。
这不仅是因为宇宙中星际气体对于波长从100~912埃的远紫外辐射的吸收非常严重,而且还因为可以用来制造紫外望远望成像系统和探测器的透射材料是非常有限的,能够用于远紫外波段的材料就更少了。
从20世纪80年代初期开始,美、澳、加的空间机构和欧空局就致力于远紫外波段空间探测方法的研究。
1992年6月美国航宇局发射了一颗极远紫外探索卫星,简称EUVE,由美国加州大学研制,由德尔它火箭发射,预期工作寿命3年。它利用6种不同的极远紫外波段滤光片和扫描成像系统,在极远紫外波段,即80~800埃范围内作巡天观测。可获得分辨率为6`的全天亮源图,在这个尚未开垦的波段取得了较为详尽的全天资料。
继EUVE之后,1996年,美国又用德尔它火箭发射了一颗远紫外光谱探索卫星,简称FUSE。这颗卫星的设计思想早在80年代初即已提出,因为已有的紫外卫星都因镜面涂料的限制,在1200埃以下的远紫外波段不能很好地发挥作用,而在这一波段又存在着大量的原子吸收谱线,对研究宇宙元素丰度、星际介质和恒星大气都有相当重要的意义。
随着这两颗远紫外卫星的探测资料的逐步被利用,人类对紫外宇宙的认识又会大大地前进一步。☆