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    • 地基红外天文望远镜的 “宇宙大发现”

      来源： 中国数字科技馆
      更新时间：
      （作者：黄伟，马斌中山大学物理与天文学院）
      　　2024年11月我国新一代地基红外天文望远镜在青海冷湖建成，并发布了首批观测图像，其中就包括了遥远的类星体。类星体是什么，为什么要用红外望远镜观测，而红外望远镜又有什么特点呢？
      　　顾名思义，类星体就是看起来像星星（看上去像一个点，不像星系有明显的结构）的一类天体，但却比星星远得多。
      超大质量双黑洞（示意图）
      　　类星体其实是星系中心的超大质量黑洞（一百万个太阳质量以上！）在吞噬周围物质，因而发出极为明亮的光，仅星系中心很小的区域，发出的光却掩盖了整个星系的数以亿计的星星，因此看上去就像一个点。这次观测到的类星体就是中国天文学家发现的，距离我们128亿光年，是当时已知遥远宇宙中黑洞质量最大（约为120亿个太阳质量）、最明亮（约为430万亿倍太阳光度）的类星体。
      　　既然这么亮，为什么用红外望远镜观测呢？这是因为从遥远宇宙发出的光，在传播过程中随着宇宙膨胀，光的波长也逐渐被拉长。光是一种电磁波，波长越长，对应颜色越红，所以这个过程也叫做红移。这颗类星体红移6.3，也就是它的波长被拉长了6.3倍。类星体发出的光原本集中在紫外线上，传播到地球就变成了红外线，因此需要用红外望远镜观测更有效。
      詹姆斯韦伯太空望远镜所拍摄的宇宙红外图像（示意图）
      　　这次建成的红外望远镜口径80厘米，比常见的双筒望远镜大得多，但在专业望远镜家族，其实还是个小家伙，为什么望远镜要做那么大呢？一方面是为了看得更“远”，当然“更远”其实并不严谨，应该称之为更“暗”，因为能不能看得见，除了跟光源的距离有关，还跟本身亮度有关。望远镜是如何看得见那些更暗的天体呢？这其实是因为在一定时间内，望远镜越大，就能够接收到更多的光。用望远镜看星星，就像下雨天里用容器接雨水，再量一下雨水的多少，就知道雨下得多大。雨很小的时候，容器太小接到的雨水太少就量不出来了，相当于小望远镜看不见很暗的星星。
      月球上的环形山（图片源于新华社）
      　　口径更大的望远镜不仅能够看得见更暗更远的天体，还能够看得更清楚。“看得清”指的是能够看得清细节，比如肉眼能看到月亮，但看不清上面的环形山，用望远镜就可以看出不同的环形山，口径越大，就能看清更小的环形山，也就相当于视力越好。望远镜的视力跟口径成正比，跟所用的光的波长成反比。一般的小双筒望远镜就比人的视力好很多，但我们熟悉的贵州天眼，虽然口径500米，但它的视力还不如人眼，就是因为它观测的是无线电波，波长比可见光、红外线长得多。
      　　光是一种电磁波，按照频率从大到小（或波长从短到长）分别是：伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、亚毫米波、无线电波等。而可见光里，红橙黄绿青蓝紫就是波长越来越长，比红光更长的就叫红外线，比紫光更短的就叫紫外线。光的类别不同，它们产生的背后有着不同的物理原理，通过观察不同的光，就可以知道遥远星星的性质和正在发生什么。最常见的热辐射，有温度的物体就会发光，温度越高，发出的光波长就越短（或者越蓝）。比如太阳发光，是因为它的表面温度大概为5500℃，对应的颜色有点偏黄。人体的体温维持在37℃左右，其实也是发光的，只不过不是肉眼可见的光，而是红外光，所以用红外线成像仪就可以看到人是亮的，可以用来测体温。
      　　但常温下的物体在发出红外线却给红外望远镜带来了很大的干扰。常规光学望远镜都是把镜筒内涂黑就行，然后在黑夜里就可以观察星星了，但对红外望远镜，虽然是黑夜，但周围所有的物体都在发出红外线，包括相机本身都变成了“灯”，会把暗淡的星光完全掩盖。那要怎么消除这些干扰呢？像这次的红外望远镜，在相机感光芯片前加了一组透镜进行二次成像，这样望远镜和周围建筑发出的红外线就会被透镜偏折到不了感光芯片。但透镜和芯片本身还会发出红外线，这就需要将它们进行深度制冷，温度越低，发出的光就越少，而且越偏离红外线。我国新一代的地基红外望远镜采用了国内自主研制的红外相机，感光芯片制冷到了零下200℃以下，前面的透镜也制冷到了零下150℃以下。
      　　这台望远镜弥补了我国地基红外观测的短板，已经有国内外多家单位的天文学家利用它观测了不同的星星，我们期待它有更多的发现！
      本文来自： 中国数字科技馆

      责任编辑：刘海华

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