美国从年代初起，在十余年时间内先后发射了4台工作波段不同的大型太空望远镜，这就哈勃太空望远镜（HST）、康普顿太空望远镜（CGRO）、钱德拉太空望远镜（CXO）和斯皮策太空望远镜（SST），有国人昵称之为“四大天王”。“四大天王”共耗资逾50亿美元。人们为什么要不惜工本耗费巨资把大型天文观测设备送上天？这还得从地球大气层谈起。地球大气层的“捣乱”众所周知，地球表面有一层厚厚的大气，它是人类和许多生物须臾不可离开之物。不仅如此，大气层还能有效保护地球表面和生物圈免遭流星体以及各种地球外辐射（如宇宙线、紫外线、太阳风粒子等）的致命轰击。目前，在有关外星生命的探索工作中，便以类地行星周围是否存在足够厚度且成分合适的大气层作为那儿可能存在外星生命的先决条件之一。然而，万事皆一分为二。对于天文观测来说，地球大气层却是有百弊而无一利。对此，天文学家早就有了充分的认识。人造卫星上天之前，除了利用飞机以及高空气球开展少量、短时段的观测工作外，所有天文观测都是在地面上进行的。因此，来自天体的辐射（包括可见光和其他波段的辐射）必须先穿过大气层，然后方能到达地面接收设备，故天文观测必然会受到地球大气的影响，且这种影响是多方面的。首先是大气层对天体辐射在路径方向上的折射作用，称为大气折射。地球大气并无明确的上部边界，越接近地面大气的密度越大，因此天体辐射穿过大气层时的路径不是一条直线，而是一条曲线。大气折射的主要效应是使天体的观测位置较实际位置沿着垂直方向有所抬高，天体的高度越低，这一效应越厉害，地平线附近可达到30左右。此外，由于地球大气密度分布的复杂性，大气折射也会使天体的方位角发生少许变化。地球大气处于不停运动之中，大尺度上表现为风，还有对流层和平流层的运动等。极小尺度上，大气微团的快速、不规则湍动，会使星像观测位置不停地作小幅度快速变动，称为大气抖动或星像抖动。大气抖动常用天文视宁度来表征，抖动越小视宁度越好，天体成像质量越高，对天文观测越有利。因此，在选择天文台台址时，除了晴夜数要尽可能多，还必须充分考虑到当地的大气视宁度。天体的亮度会因大气的不规则湍动出现短时标的明暗变化，称为大气闪烁或星光闪烁。大气折射率与辐射波长有关，短波段辐射的折射效应比长波段更显著，这就是大气色散。大气闪烁和大气色散都会影响天体的成像质量。随着新成像技术的发展，上列各种大气效应对天文观测的影响已经可以有效地加以克服，或大为削弱。例如，星像复原技术可以有效克服大气抖动的不利影响。地面观测无法消除的大气效应就是大气消光——因地球大气的吸收和散射作用，天体的辐射在穿越大气层后强度必然会有所降低。大气消光量还与辐射波长有关——对短波辐射的消光作用比对长波辐射来得大，称为选择消光，结果是使天体的颜色偏红。太阳在接近地平线时呈现红橙色就是这个原因，这时阳光穿越的大气层路径特别长，阳光明显偏红。更严重的问题是，由于大气的消光作用，只有某些波段的辐射才能穿透、或部分穿透大气层到达地面，这些波段所处的范围称为大气窗口。有些波段辐射在到达地面之前会被大气全部吸收掉，地面上根本观测不到。大气窗口包括光学窗口、红外窗口和射电窗口。～纳米的可见光波段是光学窗口，光学望远镜可以通过这个窗口观测到色彩各异的天体。红外窗口的情况较复杂，其中17～22微米是半透明窗口；对22微米～1毫米之间的辐射，大气变得完全不透明，不过在高山上还是能在这一范围内找到一些红外窗口。地球大气对10兆赫到京赫的射电波是透明的，或部分透明，这就是射电窗口。最后，对紫外、X射线和伽玛射线这些短波段辐射来说，大气几乎完全不透明。多波段天文观测的前期进展为从根本上克服地球大气层对天文观测的影响，把望远镜放到大气层外实乃必由之路。从历史上看，早在第一颗人造卫星上天前的年，美国天文学家斯皮策就已提出开展空间天文观测的前瞻性构想，他明确指出这会对天文学科的发展带来很大好处。要想实现在几百公里的高空、甚至更远距离处按计划成功观测各类天体，技术难度不言而喻。尽管如此，人类凭借自己的智慧和不懈努力，在空间天文领域取得了辉煌的成就。年苏联第一颗人造地球卫星上天标志着人类进入空间时代，空间天文应运而生。今天，利用空间技术已能观测到天体从长波段射电到短波段伽玛射线的各类辐射，其间包括红外、可见光、紫外和X射线等，从而诞生了多波段天文学。年，英国天文学家威廉赫歇尔发现了太阳的红外辐射。年，英国人帕森斯测量了月球的红外辐射，年代已有人对行星和恒星进行红外探测。不过，早期红外天文因缺乏有效探测设备而进展缓慢。年，美国人诺伊吉保尔建造了1.5米口径的红外望远镜，并发现了以红外辐射为主的红外星，从而揭开了现代红外天文的序幕。第一颗红外线天文卫星（IRAS）于年1月升空，它是美、英、荷三国的联合项目，望远镜口径0.6米，共探测到约35万个红外源。红外波段对探测深埋于气体尘埃云中的原恒星或年轻星非常有效，对研究恒星、星系的起源和早期演化具有特别重要的意义。IRAS的成功极大地推动了红外空间天文的发展，年11月，欧、美、日合作的红外空间天文台（ISO）成功发射，望远镜口径0.6米。ISO的各方面性能比IRAS都要胜出一筹，不过IRAS是大范围巡天观测，ISO是定点观测，两者功能有所不同。紫外波段的范围为10～纳米，地面上几乎不可能探测到。年8月美国发射的“哥白尼号”卫星开始了对非太阳系天体的紫外观测，望远镜口径0.8米。之后，一些国家相继发射了不少紫外卫星，如年1月美、欧联合研制的“国际紫外探测者号”，年6月美国发射的“远紫外光谱探测者号”等。这些卫星的观测覆盖了整个紫外波段，取得许多重要成果，特别是加深了对星际物质成分的认识。X射线的波段范围为0.～10纳米，只能在太空进行探测。年12月美国发射“自由号”X射线卫星，经3年系统巡天后发表了第一张X射线源分布图，共汇集个源，包括第一个黑洞候选者天体，并探测到许多星系团都是X射线源。年11月，美国的“爱因斯坦天文台”升空，卫星上首次安装了大型掠射X射线望远镜，这是因为X射线虽然不能通过折射和反射成像，却能在非常倾斜的掠射角下产生全反射并聚焦、成像。使用这类X射线望远镜后，获得了河外星系中的单个X射线源像，并发现几乎所有类星体都是X射线源。进入年代后，一些国家相继发射了若干X射线卫星。其中最有代表性的当推年6月由德、英、美三国联合发射的“伦琴X射线天文卫星”（ROSAT），并作出许多重要发现，如观测到蟹状星云脉冲星的吸积盘和喷流，取得超新星遗迹和星系团X射线辐射的细节图像，等等。伽玛射线的波长短于0.纳米，只有在大气层外才能探测到。鉴于天体的温度越高辐射波长越短，伽玛射线（以及X射线）观测主要用于认识高温天体和宇宙中发生的高能物理过程。年3月，欧洲空间局发射了TD-1A伽玛射线卫星，用于观测太阳、恒星和河外天体的伽玛射线辐射。年11月美国发射“雨燕号”伽玛射线卫星，目标是对大天区范围内的伽玛射线源进行详细观测。首次探测到一类新的天文现象——伽玛射线暴（伽玛暴），并说明作为暴源的恒星可能在宇宙诞生后最多7亿年就已寿终正寝，变成了一个黑洞。由于摆脱了地球大气的影响，人们借助一些口径并不太大的太空望远镜，取得了许多地面望远镜所无法取得的重要成果。于是，天文学家开始考虑、并最终建成了一系列大口径空间望远镜。“大天文台”计划的实施上述空间天文台计划的成功实施，促使实力雄厚的美国宇航局（NASA）着手制定耗资更大、预期产出更多的空间天文项目，其中包括所谓“大天文台”计划。“大天文台”计划的概念成形于年代中期，由几位高层天文学家提议，并最终为NASA所接受。在该项计划中，共计要发射4台在不同波段工作的大型太空望远镜。后来，这些望远镜分别以4位美国科学家哈勃、康普顿、钱德拉、斯皮策的名字命名，以纪念他们在相关领域内所作出的卓越贡献。大天文台计划中的第一项是哈勃太空望远镜，由美国和欧洲联合实施。年4月5日，哈勃空间望远镜由“发现号”航天飞机成功送入太空，卫星重约11.5吨，望远镜口径2.4米，造价20亿美元，是迄今为止耗资最多的空间天文项目。在20多年的工作中哈勃太空望远镜取得了大量极有价值的发现，如观测到多亿光年远的星系，证实星系中央存在超大质量黑洞，拍摄到星系并合图像，发现比太阳亮1,万倍的恒星等，大大增进了人类对宇宙大小和年龄的认识，使天文学家有可能追溯宇宙发展的早期历史。年4月5日，康普顿伽玛射线太空望远镜由“阿特兰蒂斯号”航天飞机送入绕地轨道，造价7.6亿美元，卫星重约16吨，是由航天飞机发射的最重民用航天器。该望远镜把对天体伽玛射线的探测范围扩大了倍，主要任务是进行伽玛射线波段上的首次巡天观测。在最初9年的工作期间，康普顿伽玛射线太空望远镜便探测到了2,起来自各类天体的伽玛射线爆发事件，人们首次了解黑洞如何引发X射线和伽玛射线的喷发；观测到银河系中心出现的反物质粒子云，以至在天文界引起轰动；它还探测到亿年前产生的伽玛射线冲击波。每年约有名天文学家利用康普顿伽玛射线太空望远镜的资料进行研究，至今已完成数以千计的论文。可惜的是，年底康普顿伽玛射线太空望远镜上的一个姿控定位陀螺仪发生故障，且无法及时修复。为防止失控后的卫星落入人口稠密区，NASA不得不忍痛“壮士断臂”，于2年9月4日对其实施人工坠毁。由于康普顿太空望远镜被迫提前“退役”，原本要使“四大天王”在太空“相聚”的设想最终未能实现。经过长达22年的研制期，钱德拉X射线太空望远镜于年7月23日由“哥伦比亚”号航天飞机送入太空，耗资15亿美元。钱德拉太空望远镜以更高的精度和灵敏度绘制了全天X射线源图，并在太阳、恒星、活动星系、星系团等各类天体的X射线观测上取得了前所未有的重要成果。意大利裔美国天文学家贾柯尼无疑是X射线天文学的奠基人，他主持了多项有关X射线空间天文观测的项目，早在年就已倡议研制钱德拉太空望远镜。由于他的开创性工作，贾柯尼与另外两位科学家共同分享了年度的诺贝尔物理学奖。大天文台计划中的最后一项是斯皮策太空望远镜，于年8月25日搭载DeltaII火箭成功发射，望远镜口径0.85米，探测波段为3～微米，造价8亿美元。实际上斯皮策并不是一颗绕地球转的卫星，它采用了日心轨道，位于地球公转方向之后随地球绕太阳运动，升空之初距地球将近1,万公里，并以每年约1,万公里的速率远离地球。正因为如此，斯皮策可以在极低温的条件下工作，彻底避开了来自地球的红外辐射之干扰，特别有利于对极年轻天体的探测。自斯皮策太空望远镜投入工作之后，重要发现便接踵而来，如观测到宇宙大爆炸之后1亿年就已形成的第一代恒星，捕捉到太阳系外行星的首幅图像，拍摄到超新星遗迹和银河系中心区的密集星场，等等。包括“四大天王”在内的空间观测大大提升了人类的“目力”，它们所取得的一系列重要成果极大地推进了多波段天文学的发展。然而，天文学家并未就此止步不前，他们把目光放得更远，力求建成更大、更好的空间观测设备。例如，作为哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜的继任项目，由美国NASA领衔、10多个国家参与的韦伯空间望远镜（JWST，曾称下一代空间望远镜——NGST）计划于年左右升空，望远镜口径6.5米（达哈勃太空望远镜口径的2.7倍），并采用拼接镜面结构。一旦成功实施，人类必能洞察更早期、更为深远处的宇宙奥秘。

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