在高層大氣和大氣外太空區域進行天文觀測和研究的一門學科。空間天文學的興起是天文學發展的又一次飛躍。就觀測波段而言，它分成許多新的分支，如紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學、X射線天文學等等。從發射探空火箭和發送氣球算起，空間天文研究始於二十世紀四十年代。空間科學技術的迅速發展，給空間天文研究開闢瞭十分廣闊的前景。

　　空間天文觀測的優越性　在外太空開展的天文觀測測有地面天文觀測無法比擬的優越性。首先，它突破地球大氣這個屏障，擴展瞭天文觀測波段，取得觀測來自外層空間的整個電磁波譜的可能性。各類宇宙天體的輻射波長在108厘米到10-12厘米范圍內，但是地面天文觀測僅限於可見光和射電兩個大氣窗口。由於大氣中臭氧、氧、氮分子等對紫外線的強烈吸收，天體的紫外光譜在地面無法進行觀測。在紅外波段，則由於水汽和二氧化碳分子等振動帶、轉動帶所造成的強烈吸收，隻留下為數很少的幾個觀測波段。在射電波段上，低層大氣的水汽是短波的主要吸收因素，而電離層的折射效應則將長波輻射反射回空間。至於X、γ射線，更是難於到達地面。由於分子散射，地球大氣還起著非選擇性消光作用。空間天文觀測基本不受上述因素的影響。其次，空間觀測會減輕或免除地球大氣湍流造成的光線抖動的影響，天象不會歪曲，這就大大提高儀器的分辨本領。此外，今天的空間技術力量已能直接獲取觀測客體的樣品，開創瞭直接探索太陽系內天體的新時代。現在已經能夠直接取得行星際物質的粒子成分、月球表面物質的樣品和行星表面的各種物理參量，並且取得沒有受到地球大氣和磁場歪曲的各類粒子輻射的強度、能譜、空間分佈和它們隨時間變化的情況等。

　　發展基礎和基本實驗方法　現代空間科學技術是空間天文發展的基礎，近二十年來，它給空間天文觀測提供瞭各種先進的運載工具。目前，空間天文觀測廣泛地使用高空飛機、平流層氣球、探空火箭、人造衛星、空間飛行器、航天飛機和空間實驗室等作為運載工具，進行技術極為復雜的天文探測。特別是人造衛星和宇宙飛船，是空間天文進行長時期綜合性考察的主要手段。自六十年代以來，世界各國發射瞭一系列軌道天文臺以及許多小型天文衛星、行星探測器和行星際空間探測器。美國在七十年代發射的天空實驗室，是發展載人飛船的空間天文觀測技術的一次嘗試。看來今後的空間天文觀測可能主要依靠環繞地球軌道運行的永久性觀測站。

　　空間天文探測常常需要準確證認輻射源的方位，有時需要在短達幾秒鐘的時間內完整地記錄一個復雜的瞬時性爆發現象；有時則要求探測儀器在極端幹凈的環境中工作，免遭太空環境的幹擾。現代空間科學技術常常能夠滿足這些嚴格的要求，為上述運載工具提供極為準確的定向系統、復雜而又可靠的姿態控制系統、大規模高速信息采樣和回收系統以及各種任意選擇的運行軌道，給天文觀測以良好的保證。

　　空間天文迅速發展的另一個因素是實驗方法的不斷完善。空間天文的實驗方法和傳統的光學或射電天文方法有很大區別。由於電磁輻射性質的不同，特別在高能輻射方面差別更大，因此，對它們的探測多半需要采用各種核輻射探測技術，利用電磁輻射的光電、光致電離、γ-電子對轉換等效應，來測量輻射通量和能譜，並根據空間天文的特點加以發展。目前在空間天文中從紫外線、軟X射線直到高能γ射線，按照能量的高低廣泛使用光電倍增管、光子計數器、電離室、正比計數器、閃爍計數器、切連科夫計數器和火花室等多種探測儀器。

　　在這些輻射波段裡，一般的光學成像方法失去作用，必須應用掠射光學原理進行聚光和成像。現在，已經使用掠射X射線望遠鏡，但還隻應用於遠紫外和軟X波段。在硬X射線和γ射線波段目前還沒有任何實際有效的聚光和成像方法。

　　空間天文探測的一個重要方面是證認各種輻射源，並確定其方位。上述各種探測器本身不具有任何方向性，因此發展瞭定向準直技術。這種技術在X射線天文中，應用得最為充分，如絲柵型、板條型、蜂窩狀等不同類型的準直器已廣泛使用。

　　為瞭確定輻射譜，空間天文探測也需要發展分光技術。傅裡葉光譜技術近年來已在紅外波段應用。在光子能量較高的X射線波段，采用多能道脈沖高度分析技術可以獲得足夠高的能量分辨率。實驗室的傳統的分光技術，如紫外光柵、X射線掠射式光柵或透射光柵、佈拉格晶體衍射光柵等在空間天文中也得到瞭發展。

　　研究成果　空間天文的發展大致經歷瞭三個階段。最初階段致力於探明地球的輻射環境和地球外層空間的靜態結構。這個時期的主要工作是發展空間科學工程技術。第二階段開始探索太陽、行星和行星際空間。第三階段是從二十世紀七十年代起，開始探索銀河輻射源，並向河外源過渡。

　　六十年代初以來，在太陽系探索和紅外、紫外、X射線、γ射線天文方面，都取得十分重大的成就。

　　近地空間、行星、行星際空間探測　空間探測首先在近地空間、行星際空間方面取得重大突破。發現日冕穩定地向外膨脹，電離氣體連續地從太陽向外流出，形成所謂太陽風。這些成就改變瞭原來的日地空間的概念。行星際空間探測清楚地揭示瞭行星際磁場的圖像，天體物理學傢由此而得到啟示去尋找它與太陽本身的關系，並且產生研究太陽光球背景場的興趣。這種研究獲得瞭一種嶄新的概念，從大尺度光球背景場的特性來看，這種概念與古典的巴佈科克的恒星磁場理論相矛盾。這是近年來對太陽物理學的最大的挑戰。行星際空間是一個天然的等離子體實驗室，它提供瞭地面實驗室條件下無法比擬的規模和尺度。太陽風作為無碰撞的等離子體，通過對行星際空間中豐富的動力學現象的觀測而得到最充分的研究。

　　行星、月球的探測主要是依靠對行星、月球作接近飛行或在上面登陸的行星探測器來進行的。很自然，最先得到探索的行星是地球。1958年范愛倫設計瞭地球“探險者”1號，並在1959年通過這個衛星的測量發現瞭范愛倫輻射帶（見地球輻射帶），對這一問題的繼續研究又揭示瞭地球周圍存在著一個復雜的巨大磁層（見地球磁層），這是空間探索在行星科學方面的首次重大進展。接著開始對月球和其他行星的一系列探測，在這一階段得到很多有意義的資料，動搖瞭地面天文研究的許多結論。發現月球沒有輻射帶，也沒有磁場。月面存在重力異常，月球腰部有隆起。根據放射性元素衰變的測定，月球殼層的年齡約為46億年。金星覆蓋著濃厚的大氣，主要成分是二氧化碳。上層大氣的雲層厚度達25公裡。金星的表面溫度為465～485℃，表面壓力約90大氣壓。木星則存在著驚人的強磁場，它的磁層活動強烈。行星際空間的部分高能粒子來自木星。火星的大氣非常稀薄，主要成分是二氧化碳。火星上沒有發現運河。火星極冠主要是由幹冰而不是冰雪組成。行星際探測器“海盜”1號和2號的初步探測表明，火星根本不存在高級生物，在著陸處附近也未發現任何低級生命。

　　紅外輻射探測　在空間進行紅外天文探測始於六十年代後期。用高空飛機、平流層氣球、火箭等手段進行紅外探測已取得許多重要成果。最引人註目的是中、遠紅外的巡天工作。七十年代初期，幾次火箭巡天探測，在波長4、11和20微米波段發現三千多個紅外源，描繪出一幅完全不同於光學天空的新圖像。紅外源包括瞭星前物質、恒星、行星狀星雲、電離氫區（見電離氫區和中性氫區）、分子雲、星系核和星系等。中、遠紅外的探測還發現一些星系、類星體等存在著預想不到的強輻射，如3C273、NGC1068、M82等。在某些情況下，它們的紅外亮度比它們在其餘波段的全部輻射還要大三、四個量級。這種極強的紅外輻射機制迄今未能解釋。空間觀測也對一些紅外源做過十分細致的工作，例如在不同波段對銀心區的高分辨描圖。它的紅外特征揭示瞭銀核結構的復雜性。八十年代初期，還將發射幾個空間探測裝置如西歐的空間實驗室、美國國傢航空和航天局的航天飛機以及美荷合作的紅外天文衛星等。

　　紫外輻射探測　人造衛星發射成功以來，紫外天文探測有瞭新的飛躍。由於使用瞭裝載在軌道太陽觀測臺衛星上的掃描式紫外分光光譜儀，獲得空前豐富的紫外發射線光譜資料。這些資料具有極高的空間分辨率，對色球-日冕過渡層的物態研究頗有價值，從而為建立更精細的過渡層理論模型提供瞭實驗依據。

　　恒星紫外輻射研究的主要課題是一些有關恒星大氣模型的問題。空間觀測表明，早型星在紫外波段有強烈的紫外連續譜和共振線。這種輻射與恒星大氣的模型的關系十分密切，因而可以用來研究恒星大氣。晚型星的紫外輻射類似太陽，主要來自色球和星冕。最近的一些觀測證實，有些晚型星存在明顯的色球層或外圍高溫氣體。這反映色球、日冕結構可能普遍存在於恒星中。紫外探測對星際物質的研究有特殊用處，因為星際物質包含有塵埃，它對不同波長的電磁輻射消光不同，這是研究星際塵埃本身的主要依據。根據大量空間觀測得到的紫外波段消光的特點，人們得知星際塵埃包含有線度約為10-6厘米的石墨塵粒。星系的紫外探測也已開始。觀測證實星系存在強烈紫外輻射，並且顯示出較大的紫外色餘，這也許是星系中存在大量熱星的表現。

　　X射線探測　六十年代初期開始的大量X射線探測，已經給我們展示瞭一幅與光學天文截然不同的宇宙圖像。太陽X射線天文的主要貢獻是弄清瞭太陽X輻射中的三個成分──寧靜、緩變和突變成分。寧靜成分的 X輻射起源於太陽色球外層和日冕區的熱輻射，具有連續輻射和線輻射。緩變成分與活動區上空的日冕凝聚區有關。突變成分則和耀斑爆發或其他日面偶發性活動成協。人們常稱為X射線爆發。對X射線爆發的觀測和研究已經充分揭示瞭太陽耀斑的非熱特征。它與射電微波爆發結合在一起，對建立耀斑的爆發階段模型，以及建立耀斑區粒子加速過程模型提供瞭重要根據。此外，X射線冕洞的發現也是一個相當重要的事件。

　　1962年6月第一次發現來自天蠍座方向的強X射線輻射以後，在不到二十年的時間內，非太陽X射線天文也蓬勃發展起來。和其他領域相比，它的實驗方法比較成熟，在空間天文中發展最快，成就最為突出。目前已發現一千多個X射線源，其中一部分已得到光學證認，它們和強射電星系、塞佛特星系、超新星遺跡有關。超新星遺跡發射穩定的X輻射引起這樣一個問題:在磁場中產生同步加速輻射的高能電子從何處得到能量補償？

　　射電脈沖星的發現很自然地促使人們去尋找X射線脈沖星。1969年首先發現蟹狀星雲脈沖星NP0532的脈沖X輻射，它和對應的光學脈沖幾乎有完全相同的周期。以後又發現半人馬座X-3、武仙座X-1等都是著名的另一類X射線脈沖星，它們的發現對雙星演化過程有非常重要的意義。

　　非太陽X射線探測的另一個成果是，發現瞭幾乎是各向同性的宇宙X射線背景輻射，這對天體演化的研究有重要意義。

　　1974年以後，隨著大面積探測器的出現，終於又發現瞭一批暫現X射線源和宇宙X射線爆發。後者具有重現性特征，極大流量達10-8～10-7爾格/（厘米2·秒），估計總功率在1038～1039爾格/秒以上，目前還沒有一種理論能作出合適的說明。

　　1977年高能天文臺-A(HEAO-A)的發射，使X射線天文的視野擴展到河外天體。它已經成功地得到可能的黑洞圓規座X-1的數據。還發現星系際可能存在著熱氣體，它的總質量可能超過星系內恒星總質量。這意味著高能天文臺-A發現瞭宇宙的主要成分。

　　γ射線探測　太陽γ 射線探測的嘗試雖開始於五十年代末期，但高能量的γ 發射線探測成功則是不久以前的事。1972年8月，在一次太陽特大耀斑事件中，軌道太陽觀測臺7號衛星以非常高的能量分辨率記錄到瞭完整的γ 射線譜，從而使太陽γ 射線天文的研究跨出瞭新的一步。這次探測證實，太陽γ 射線爆發包含有熟知的特征發射線，它們被證認為是正負電子對湮沒、中子俘獲、12C和16O的核態向低能態過渡所引起的輻射。這對高能耀斑物理的研究具有重要意義。

　　過去十年，非太陽的γ 射線探測進展較快，其成就有：①證實各向同性的γ 射線彌漫背景輻射的存在。發現在數兆電子伏能區附近，光子譜存在著某種隆起，這可能與原始宇宙線粒子能譜在1015電子伏附近變陡有關。②對銀道面高能γ 射線流以及它們沿銀徑方向的分佈進行精細探測的結果，支持宇宙線起源於超新星的假設。③來自銀河中心區域的γ 輻射譜中找到瞭若幹條γ 發射線，這對研究銀河中心區域的核過程提供瞭重要線索。④從一些射電脈沖星中記錄到脈沖γ 射線流，其脈沖周期幾乎與射電脈沖周期相同，而蟹狀星雲脈沖星可能存在著1011～1012電子伏的超高能γ 光子發射。

　　1973年“維拉”衛星偶然探測到輻射能流可與太陽耀斑爆發相比的宇宙X射線爆發。這也許是七十年代天文學最重大的發現之一，當時轟動瞭高能天體物理學界。這種宇宙γ 射線爆發具有極短的光變時標、高達1040爾格的巨大能量和快速的能量釋放，它迄今仍然是天體物理中最迷人的問題之一。

　　展望　空間天文學的獨特貢獻，特別是在七十年代的一些重要發現，對天文學產生瞭巨大影響，從而使我們對太陽系行星、銀河系、恒星早期和晚期演化、星際物質、行星際空間、星系際空間等一系列領域的瞭解，發生深刻的變化。然而空間科學技術，特別是空間天文的實驗方法尚處於不斷完善之中。新技術、新方法、新原理不斷出現，使得我們有理由認為，天文學的這個最年輕的分支是最活躍的。我們看到，γ 射線天文學正在開始進入線輻射譜探測的嘗試階段，這裡有巨大潛力，它會打開一個通向宇宙的嶄新的窗口。一系列當代高能天體物理中的重大問題──新合成核存在的直接證實、元素合成理論、黑洞的尋找、宇宙線的起源以及宇宙學中的某些問題都有待空間天文去解決。

　　

參考書目

　K.Greisen，The physics of cosmic X-ray，γ-ray and particle sources，Cordon and Breach，New York，1971.

　S.R.Kane，Solar gamma-，X-and EUV radiation，D.Reidel Publ.Co.，Dordrecht and Boston，1975.