红外天文卫星（IRAS）的诞生开创了红外天文学的新世纪。
红外天文学的创立及其意义
红外线的发现开创了红外天文学。
1800年，W. Herschel在可见区进行太阳光谱测定时，意外地发现在红光外侧存在着肉眼看不到的热辐射。这就是红外线。从此，人们就开始利用红外线探索宇宙奥秘。从那时起至今，红外天文学已经历了将近200年历史。但是首次利用近红外（波长在5 μm以下）观测太阳外恒星的则是在本世纪初实现的。而利用中间红外（波长在5 μm至35 μm之间）与远红外（波长在35 μm至300 μm之间）进行宇宙观测就更难了，这种宇宙观测技术的发展历史不长，只是最近10年中的事。
红外天文学并非是一个从其他波长区的天文学类推出来的天文学分支，而是天文学中一个独立的领域。红外宇宙观测所得的结果对于解明大量的天体现象（低温及高温天体）具有十分重要的意义。
几度至几百度的低温天体主要放出红外线。在低温天体中，除去行星系（行星大气、彗星等）以外，最主要的是银河中的巨大分子云。可根据连续的红外辐射观测，研究在这种分子云中形成的星体。并利用红外光谱观测能获取分子云内最重要的分子即H2分子以及同位素HD分子（这些物质的光谱线不在电波领域而是处于红外区）的信息。
高温天体（高温星体周围的气体星云及银河中心等）主要放出紫外线及可见光线。虽然这些光线被位于地球与天体之间的星际尘埃吸收后大为减弱，但是在长波近红外领域中基本上都能透射。例如，可见光只能观测到银河的一个角落——太阳附近的宇宙空间，而红外光则基本上能够观测到整个银河。
由于红外天文学所研究的领域极为广阔（包括太阳、行星系、行星空间、星体、星际空间与银河等），所以当然不可能在几篇文章中就能阐述清楚的。本文取其中的两个研究课题——星的形成及银河的结构与进化，从这一窗口来了解红外天文学已经取得的重大成果及其今后发展的前景。
红外天文学的主要成果
1. 星的形成
今天，研究天体的目的已经越过了单纯分类的范畴，进入了解释天体进化过程的阶段。比如对星体生命史的研究已成为一个基本且重要的课题。
星从其周围的星际物质中生成、进化，最后物质又返回到星际空间结束其一生。星形成所需的时间远远短于地球上典型性高等生物进化的时间尺度。目前虽然已经提出了不少有关星形成过程的理论模式，但要检验这些模式是否正确，只能依靠红外观测与电波观测方有可能。同时根据观测结果加之重新考虑到的问题不断地改进模式。这里简要地介绍一下星形成初期阶段的模式并根据红外观测结果对其可靠性进行验证。
由于巨大分子云（半径10 PC≈30光年，氢分子密度约为103 cm-3，温度约为10℃）的自重不稳定，故依据本身的重力收缩。分子云收缩开始时的结构宛如由冲击波造成分子云压缩那样，起因于外部、重力和反向热运动的压力正如在分子云冷却作用下的下降场合那样起因于分子云自身。在收缩过程中分子云分裂，成为星体诞生的基础。
我们来看一下O型星的形成过程。O型星的质量约是太阳的25倍，温度极高。在O型星形成初期、收缩的分子云分裂片（约为太阳质量的100倍）中，大约过了10万年后出现类似星体的核，这种核体开始放出辐射。不断降落到核内物质中的尘埃在其附近融合，在周围形成一个外壳。这一外壳直径约为10天文单位（=1.5×109 km）尘埃温度为500° ~ 1000°C左右。在外壳内的尘埃的红外辐射作用下，阻挡了不断地从外侧落向外壳内部的物质，逼使这些物质在外壳的外侧又形成了一个壳，其直径约为0.1 pc（0.3光年=3×1012 km），尘埃温度为50°C至100°C左右。与这些温度相对应，内侧的壳放出近红外及中间红外线，外侧的壳放出远红外线。
当内壳与外壳中的大部分物质降到核内并堆积起来以后，由氢气的核融合反应形成了闪烁在宇宙中的星体。这时，由于星体的紫外线电离了周围的大气，构成了H+领域，放出自由辐射并进一步发展起来。经过这一过程以后，形成了进入周围分子云的冲击波，使分子云压缩，分子云密度增大，下一代星体又开始形成。
在上述星形成的各个阶段中均放出典型的红外辐射。利用猎户座分子云的观测实例就可解释这种现象。
近红外辐射是由中心小的领域（角度秒直径）放出的，而远红外辐射是由中心大的领域（角度分直径）放出的。这些领域可能与前述的重星周围的两个尘壳相对应。放出远红外辐射的外侧领域称为KL星云。KL星云的总辐射能量约是太阳的10万倍，整个质量约为太阳的200倍。
其次，根据近红外与中间红外线光谱的结构可在一定程度上了解尘埃的组成。波长3.1 μm与9.7 μm附近的吸收分别是由水的冰粒OH结合及硅酸盐粒子的SiO结合引起的。而且，颇有趣味的是，最近在对KL星云的观测中发现，水的冰粒光谱结构在45 μm附近产生辐射。
KL星云中星的形成可能是由起因于H+领域（猎户座星云）的冲击波所致。由于冲击波的通过，氢分子温度上升到2000℃，氢分子相互撞击以后激发了振动、回转的光谱线。
红外宇宙观测为正确地制作一个星形成、进化的模式发挥了重要作用。并且对于研究与此相关的在H+领域周围发现的OH脉泽及H2O脉泽具有十分重要的意义。人们猜想，这些脉泽很可能是由红外光谱线激发的，并且左右着脉泽的发生机理。
2. 银河的结构及其进化
同由星际物质密度的不同质形成的星一样，银河起始于宇宙——从宇宙大爆发放出的浓、淡大气中诞生。人们对于银河进化的认识要比星肤浅得多。利用星际减光量小的红外宇宙观测技术可以观测到银河圆盘的绝大部分，因此现在我们正在不断地加深对银河进化的认识。那么根据目前所了解到的银河基本结构及进化过程是怎样的呢？银河中心存在着什么物质呢？
我们的银河呈圆盘形状，整个质量约为太阳的2×1011倍以上，其中大约90%为星体，其余为星际物质（气体和尘埃）。要了解银河的进化过程，就必须调查由理论推导出来的各等级星体的生成率是否与观测所得的星体数相矛盾。
如上所述，远红外宇宙观测在研究温度高质量大的星体的分布中发挥了很重要的作用。此外，质量小的星体数量远远超过质量大的星体，其表面温度较低（约3000°C），在红外区中显示出持有峰值的光谱。鉴于这一原因，当在无限广阔的宇宙中观测银河时，可望在近红外与远红外区域中出现各持峰值的光谱。近红外线是轻星直接光积分后形成的辐射，远红外线则是由重星增暖的尘埃发出的热辐射。
根据近红外线和远红外线可分辨出银河的强度分布。银河呈一条狭长的带状，银河的中心强度最大，在其周围可看到星体的集团群——椭圆形区域。而且，在离银河中心30度的方向上也有一个强度很大的领域。它大大高于星体密度，与环状或涡旋状的接线方向相对应，半径达5 Kpc。
依据观测结果和模式计算可获得与银河有关的物理量。例如，在太阳附近，一年中每一Kpc2约为太阳质量1%的星际物质变成星体，在5 Kpc的领域内，星的生成率比前者高10倍左右。利用近红外线与远红外线强度的比较，可以推算出轻星与重量数量的比例。并且，由于质量不同的星其寿命长短不一，故也可推算在银河一生的某一时期中有多大量的星际物质变成星体。虽然可以说，解明这些问题是天文学上的进步，但是大量的疑题尚未得到明确的解答。
我们再来看看银河中心的性质。银河中的物质在不断地旋转运动，依靠自身的重力降落到银河中心。因此，银河中心的物质密度变得极高。银河中心附近1 PC领域的密度大约是太阳的100万倍。如此高密度的银河核的性质是目前唯一没有解明的天体。现在有一种假设认为，银河核的中心是一个黑洞，还有一种学说认为，银河核正在向亮度最大的准星进化。搞清银河核的性质是我们在目前研究这一天体，即研究银河中心不可缺少的一个大课题。
利用光谱线位置、幅度，可以搞清银河中心物质运动的状态。在可见区，由于星际减光程度极大，不利于观测。因此，必须进行红光光谱观测。我们所观测到的这种光谱线来自于银河中心一侧0.5 PC领域与另一侧0.5 PC领域。由于一方的领域靠近我们的太阳系一侧，光谱线偏向短波一方（蓝方偏移），而另一方的领域远离我们的太阳系一侧（红方偏移）。就是说，这一观测结果可用大约物质以1万年周期在银河中心回转运动的模式来加以说明（太阳附近的物质大约以1亿年的周期在银河中心回转运动）。根据物质旋转速度算得的质量为太阳的数百万倍，它暗示了黑洞的存在。
为了进一步搞清银河核，还必须观测其它的银河中心。根据观测可知，其它一些银河核都将向远红外领域放出大量辐射能，因此这些银河核的质量远远低于我们的银河圆盘中的平均值。这种现象表示，这些银河核含有少量放出强辐射的星体。与此相关的极端天体是塞佛特银河与准星。有些准星并不放出热辐射，而放出同步加速辐射。这类天体的光度极强，但由于离我们地球异常遥远，故到达地球的辐射强度还是极其微弱的。
红外天文学前景
现在，红外天文学刚刚迈进一个崭新的时代。1983年1月末，由荷兰、英国和美国三国联合研制的红外天文卫星（IRAS）成功发射上天，2月上旬，IRAS已向地面发回了大量高质量数据资料。IRAS的望远镜直径为60 cm，用液体氦低温冷却，其主要目的是利用光导检出仪的高灵敏红外观测进行全天搜索。
目前，有两大研究领域必须要进行红外全天搜索的高精度观测，一个是利用极高的波长分辨率与空间分辨率的观测，研究特定的天体，另一个是利用极高灵敏度的观测，测定从银河及宇宙发出的大尺度辐射。
第一个研究课题由GIRL（德国红外天文观测实验）实施，其后由ISO（红外天文观测）和SLRTF（航天飞机红外望远镜实验）继续进行。第二个研究课题由IRTS（红外望远镜宇宙观测）和COBE（宇宙杂音探测）计划来完成。
日本和德国分别计划于1990年代初与八十年代中期将IRTS与GIRL实验中使用的望远镜发射上天。到那时，我们不仅可以获得已知天体上的最新信息，还可从中发现宇宙中新产生的自然现象。我们相信，IRTS计划一定能为人类提供宇宙中天体进化的重要信息。
[《自然》（日），1983年6月号]