二、射电波段和辐射的类型

# 为什么要在射电波段？

可以透过地球大气的波长

正如下图所示，只有可见光波段和射电波段能够透过地球大气（红外波段的一部分也能透过）。如果你想在地面上观测，你需要使用光学或者射电望远镜。另外值得注意的是，射电波段的可用波长范围至少是光学波段的波长范围的 100 倍。

# 什么会导致射电辐射？

射电辐射可以分为两种，一种是热辐射，一种是非热辐射。简单来讲，热辐射就是说和热有关的辐射，即和温度有关的辐射，温度越高，辐射越强。非热辐射就是说这种辐射和温度没啥关系，热不热对辐射的强度没影响。

# 热辐射

任何有温度的物体都会辐射出电磁波，这种辐射称之为热辐射。物体温度越高，辐射的电磁波强度越强（准确来说，强度正比于$T^4$）。热辐射是最为普遍的电磁辐射，主要有三种可以被观测的热辐射类型：

• 黑体辐射
• Free-Free 辐射
• 谱线

# 黑体辐射和温度

从任何物体的辐射与其本身的温度有关。温度越低，辐射的能量或者说辐射的频率越低，反之亦然。所谓的黑体即是一种理想物体，该物体可以将入射到它身上的任何辐射给吸收掉，而不会反射回去。黑体的温度趋于稳定后，就开始再次以某种频谱分布把能量辐射出去。这个频谱分布在某个波长有最大值，具体在某个波长有最大值则取决于黑体的温度。

图片来源：1.1: Blackbody Radiation Cannot Be Explained Classically - Chemistry LibreTexts

# Free-Free 热辐射

另外一种形式的热辐射来源于电离的气体。当电子脱离原子时，气体中的原子就被电离。这导致带电粒子在电离的气体中四处游荡。当这种现象发生时，电子被带电粒子加速，于是离子连续地辐射能量。这种类型的辐射称之为 “Free-Free 辐射” 或者 “轫致辐射”。在射电波段，有一些射电源是 Free-Free 辐射，例如靠近恒星形成区的电离气体或者活动星系核。

Free-Free 的意思即自由 - 自由的意思，原子被电离后，电子自由了、带电粒子（即电子脱离后，剩下的带有正电荷的原子）也自由了，两者都自由了，所以叫做 Free-Free 辐射。

至于轫致辐射，轫是刹车的意思，致是导致的意思，即刹车导致的辐射。电子经过带正电荷的离子时，会被正电荷吸引，做变速运动，从而辐射出电磁波。辐射出电磁波后，电子动能减少，即速度变慢，于是称之为轫致辐射。

# 谱线热辐射

谱线辐射涉及到原子中的电子从高能态跃迁到低能态的过程。当这种过程发生时，一个光子被发射出来，这个光子的能量等于高能态和低能态的能量之差。光子发射的电磁波谱显示为一条明显的 “线” 或者说在频谱中的某个波长上突起，例如氢谱线即为谱线热辐射。

# 非热辐射

非热辐射没有上述黑体辐射的频谱特征，而且恰恰相反，它的辐射强度随着波长的增大而增大。

主要有两种基本类型：

• 同步辐射
• 脉泽

同步辐射是由一个带电离子绕着较强的磁力线然后辐射出射电信号导致的。这种辐射发生在木星以及其他很多天体上，例如星系和黑洞。

脉泽是一种自然发生的受激辐射，其频率与某一特定化学物质有关，例如水、羟基（OH）等。它们产生的方式和激光非常相似。原子被迫进入激发态，并以特定频率扩大辐射。这些原子被放置在一个产生反射 (Feedback) 并产生相干辐射的腔室中（所有的辐射都是同一频谱的 —— 就像激光一样）。可能含有脉泽的物体包括彗星、行星大气、恒星、幸运、超新星遗迹和星系。