远红外天文观测
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485页（3617字）
由于水蒸气、二氧化碳和臭氧等大气中的少量气体吸收红外线，使得来自宇宙天体的远红外辐射不能到达地面。
如果要接收来自天体的远红外辐射，必须把仪器送到大气层以外，放在人造卫星、航天飞机、火箭和高空气球上观测。因此红外天文属于空间天文范畴。
1800年英国赫歇尔(Herschel)在观测太阳光谱时，偶然发现了红外线。如果说这也算是初始的红外天文观测的话，那么已将近200年的历史了。但是红外天文，特别是远红外观测的兴旺，是在人造卫星上天以后的事。如果回顾历史，有意识的红外天文观测是1869年美国的罗斯(Rosse)第1次在90cm直径的望远镜上观测月球的红外辐射。
后来，经历了漫长的岁月，到1939年才成功地进行了月全食的红外观测。在这段漫长的空白时期，虽然也有人进行过红外观测，但由于技术上的困难和理论的不完善，都没有获得象样的结果。
而这次观测，记录到月食的全过程，月面温度变化达170℃以上，从而证明月球表面没有大气，而且还推算出月面物质的导热性能。
但这些都仅在近红外波段，在波长大于14μm的远红外，几乎都被地球大气吸收。
19世纪末20世纪初，物理学家面临的主要问题之一，是如何解释热辐射体的光谱能量分布。当时经典物理在解释这个问题时，遇到了困难。
1860年基尔霍夫(Kirchhoff)提出：当温度一定时，任何物体的发射率和吸收率相同。也就是说，一个好的热吸收体，也一定是一个好的热辐射体。
1894年出现了维恩(Wien)定律，他认为物体的绝对温度与辐射能量的峰值波长的乘积是一个常数。
可惜这个规律只与低温时短波段实验数据相符。1900年瑞利(Rayleigh)导出了与高温时长波段实验数据相吻合的表达式，它可以描述为：物体表面的辐射能量与绝对温度成正比，与波长的4次方成反比。遗憾的是按此式推算，能量随波长的减小而无限止的增加。
因此，人们开玩笑地称这个规律叫“紫外灾难”。
1900年10月19日，德国普朗克(Planck)发表了论文，并公布了他着名的普朗克公式，这才解决了所有波长和温度范围的热辐射体光谱能量分布问题。
到20世纪初爱因斯坦(Einstein)建立了量子论。如果将普朗克公式的能量辐射从零到无穷大的波长积分，就得到黑体辐射定律，即黑体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成正比。
至此，红外辐射的光谱能量分布理论解决了。但红外辐射本身的物理机制还不完全清楚，这不影响红外技术的发展。
20世纪40年代后，制成了各种光导型红外探测器，1947年开始用于天文观测。60年代起，红外天文工作有了长足的进展。红外辐射是一种热辐射，来自天体的红外辐射是非常微弱的，背景噪声比讯号大得多。因此，接收天体的微弱讯号，就等于在的大海噪声背景中去捕捉一条小鱼，并测量其大小。
为了要在强背景中选出弱讯号，红外技术都采用调制技术和低温致冷。
地球大气的吸收和散射，使地面上的红外天文观测受到限制。
但波长大于5μm，大气散射是次要的，而大气本身发射要大得多。因此，大于5μm的红外天文观测，白天和晚上都一样。
就整个红外波段，大气的吸收是主要的，其中以水蒸气、二氧化碳和臭氧吸收最为严重。但是，也给我们留下几个近红外的小窗口，波长为1～2．7μm，3～5μm，8～14μm以及16～22μm可少量通过。
实测表明，在28km以上高空，上述3种成份的吸收大大减少，可以观测到25μm的远红外。大约35km以上，可以接收到100μm的远红外。
因此，许多远红外观测，都在飞机、探空火箭和高空气球上进行。特别是高空气球，虽然它是已有200多年历史的古老工具，但在航天时代的今天，人们还是大量使用这种工具。主要原因是：气球比人造卫星便宜；发射、控制和回收技术，相对比卫星简单；对远红外观测一些高能天体和高空大气物理来说，气球高度已可做许多研究工作；卫星载仪器，可在气球上预演。
今天的高空气球比200年前当然大不相同。
不久前的记录是：球体大到140万m3，载重达5t以上。飞高记录为52km，飞行时间长达762d。
利用现代化的高空气球，进行红外天文观测，开始于1964年，一个载有30cm口径的望远镜和红外光度计的气球仪器吊仓，飞高26．5km，观测了金星的红外光谱；另一个名叫“同温层望远镜”的91km望远镜，对6个红巨星以及木星、月球进行了光谱观测。这两次初具规模的观测，开创了近代高空气球红外天文工作的先例。
第1次远红外高空气球观测，是由德国霍夫曼(Hoffman)在1969年做的，球载望远镜口径30cm，在波长100μm的远红外波段对银河中心进行了观测。为了使背景噪声尽可能低，不仅探测器要用液氦致冷到4K，甚至更低，就连光学系统也要致冷到4～10K左右，才能接到宇宙天体的微弱的远红外讯号。
1983年1月25日由美、英、荷兰3个国家联合研制的远红外天文卫星(IRAS)”发射成功，是红外天文技术水平达到了前所未有的程度。卫星上装有一架致冷到10K有效口径为57cm的红外望远镜，4个致冷到2K的红外光度计，波段分别为12μm、25μm、60μm和100μm峰值波长以及一台波段从7．7μm到22．6μm的低分辨率光谱仪。
在105Pa的液氦沸点为4．2K，要使探测器降到2K，必须使液氦在低于105Pa下工作，这就要有一个特制的装置，使液氦慢慢向太空的真空中流失。预计7个月流失完，实际工作了10个月。
在此以前，卫星远红外观测的探测器，只致冷到12K左右，这个卫星致冷低到2K，讯噪比提高了2个量级。另外，红外源的温度愈低，辐射出的波长愈长，即愈是远红外。
红外天文卫星最困难的关键技术，在于它必须在太空无人的条件下，实现主要仪器接近绝对零度下工作，因此，红外卫星的研制工作长达10年之久。
IRAS卫星的轨道也是经过精心设计的，圆形轨道周期为103min，高度900km。轨道岁差为每年360°，与太阳同步。发射时间的选择是使卫星进入“晨昏轨道”(twilight orbit)，即卫星沿着地球的昼夜分界线运动，这可使卫星尽量少的进入地影，同时可对天空任何区域观测。
这样，轨道缓慢进动使望远镜的指向永远与太阳方向成直角；而与望远镜筒平行安装的太阳能电池帆板永远对向太阳。
IRAS卫星以前所未有的巨大能力，在4个波段扫描观测了25万颗远红外天体，并记录了5600多个源的低分辨率的光谱。
它用100μm的探测系统，揭示了被尘埃和气体遮住的银河中心的细节，也观测到宇宙背景辐射。在太阳系内还发现了5颗彗星和5颗小行星。
特别是发现织女星周围正在形成“太阳系”，织女星周围的大量大于几个毫米的尘粒，将来将形成行星。类似织女星的情况，被IRAS卫星探测到50多颗。
。【参考文献】：
1 Richard D.Hudson J R. Infrared System Engineering. John wiley and sons,INC,1969
2 Setti G,Fazil G. Infrared Astronomy, Proceedings of the NATO Adveanced Study Institute, held at Erice, Sicily. D. Reidel Publishing Company ,1977,7:9 ～ 12
3 IRAS, Explanatory Supplement, R S. Government Printing Office. Washington, D. C, 1985
4 邹惠成，徐春娴，等．可见光外天文学．北京：科学出版社，1986
5 Nogrchi K．Publ Astron Soc，Japan，1990，42∶419
(上海天文台邹惠成副研究员撰)