为理解红外天文学在我们研究宇宙的过程中所起的重要作用，我们需要理解产生红外线的物理过程。红外线产生的机制通常有三种：①原子、分子热运动产生的热辐射，产生包含所有频率的连续辐射谱；②原子、分子在不同能级之间跃迁，会产生某个特征频率的量子化、分立的发射或吸收谱线；③相对论性带电粒子在磁场中沿弯曲路径运动时，发出同步辐射，通常产生非热的幂率连续谱。

组成宇宙中的所有物体的基本粒子、原子和分子都在不断地振动，这种热振动会产生电磁辐射。物体温度越高，振动频率越快，发射出来的光子能量就越高。天文和物理学家通常用黑体概念来描述热辐射发射，该概念由G.R.基尔霍夫在1860年引入。一个理想黑体是一个能够吸收所有入射电磁辐射的理想物体，根据基尔霍夫定律，在给定波长下，物体的辐射率与吸收率之比只取决于它的温度，所以温度一定时，黑体的辐射率是最大的。1900年，M.普朗克发现处于热平衡的黑体，其辐射率随波长的分布只跟温度有关，这就是著名的普朗克黑体辐射定律。而黑体的峰值波长也直接取决于辐射体的温度，它们之间的关系：

称为维恩位移定律（Wien Displacement Law）。黑体温度越高，辐射峰值波长越短；越冷，峰值波长则越长。天体面向观测者的表面通常可视为近似于特定温度的黑体，一些恒星的光球层近似于一定温度的黑体，并被薄薄的尘埃壳包围，这些尘埃壳像较低温度的黑体一样辐射。

所以，对天体热光谱的观测可以告诉我们天体的温度（图1），通常把与恒星光度相同的黑体温度，定义为恒星的有效温度。温度的量化方法有几种，包括摄氏温标、开尔文温标等。天文和物理学家更喜欢用开尔文温标，0K表示绝对零度（约-273.15℃），即所有物质的热运动都停止的温度；水的三相点温度273.16K（0.01℃）；宇宙微波背景的温度2.73K（-270.42℃）；而我们的太阳温度约为5800K，黑体光谱峰值约在0.5微米的黄绿光波段。据维恩位移定律，温度低于3700K的天体电磁波辐射主要集中在红外区。如室温约300K（25℃），在波长约10微米的中红外波段发射最强，但在可见光下却难以察觉。所以利用红外线，我们可以研究温度太低无法产生可见光的天体。行星、恒星和星系在其生命周期中发生重大事件时，如原行星盘及行星形成、年轻恒星形成、老年恒星濒临死亡、星系形成等，往往伴随大量的气体和尘埃。尘埃会大量吸收可见光和紫外线，但在红外波段相对透明。恒星可将周围尘埃加热到100～1000K，在5～25微米的中红外区再次辐射。远红外区可以研究冷尘埃和冷分子云（10～30K）的发射。

太阳温度约5800K，峰值在可见光波段；更冷物体峰值波长更长，室温约300K，在波长10微米的中红外发射最强；星际冷尘埃云约30K，在波长约100微米远红外发射最强图1 不同温度下的黑体辐射谱

根据量子力学，单个原子或分子只能处于有限数量的分立能量状态。光子的能量也是量子化的，能量取决于其波长（或频率）：。当原子被一个光子击中，若光子能量与原子某两能级跃迁的能量匹配，则该光子就会被吸收，原子从低能级激发跃迁到高能级，这个过程会产生特定波长的光谱吸收线。而处于激发态的原子通过发射相同能量的光子自发从高能激发态衰变回低能态，会产生特定波长的发射线，谱线的确切波长取决于原子的详细特性。

原子能级包括多个成分的贡献：①整个原子的平移动能（通过多普勒频移影响谱线波长）；②电子在其绕核轨道上的能量；③自旋平行矢量的电子之间的交换力；④电子的静电相互作用，与其角动量有关；⑤电子的磁矩与电子自己绕核运动产生的磁场之间的相互作用（精细结构；L-S耦合，L为轨道角动量量子数，S为自旋量子数）；⑥原子核磁矩与电子绕核磁场的相互作用（超精细结构）；⑦原子磁场与外部磁场的相互作用（塞曼效应）；⑧相对论修正。

上图：原子吸收特定能量的光子，从低能级轨道跃迁到高能级轨道；原子发射光子，从高能级轨道跃迁到低能级轨道;下图：当通过较薄的气体云观测该连续谱时，可以看到叠加在连续光谱上的吸收线谱，若单独看一团受激气体原子（其后无发射源），会看到受激原子发射谱线图2 原子的能级跃迁（上）以及恒星产生连续光谱（下）

原子还可以通过与电子碰撞（碰撞激发）改变其能级，而不会发射或吸收光子。原子能级的跃迁要遵从一定的选择定则，通常是指电偶极辐射跃迁的选择定则。而电四极矩辐射、磁偶极辐射以及更高级的辐射都比电偶极辐射要弱得多，在自然情况下发生概率很小，为禁戒跃迁，以这种方式跃迁的线用方括号[]表示，称为禁线。在低密度气体占据巨大体积的条件下，禁线可有相对较大的强度，例如气体星云中，较强的禁线是二次电离氧[OⅢ]，一次电离氧[OⅡ]，一次电离氮[NⅡ]等，在红外波段可观测到大量[FeⅡ]跃迁。

分子的能级按能量递减的顺序排列包括以下几方面的贡献：①电子能级跃迁，发射线在紫外或可见光波段；②振动能的变化，只发射红外谱线；③转动能变化通常发射谱线在毫米波段。

图3显示了双原子、三原子分子的振动和转动模式，更复杂的分子有更多的振动和转动模式。CO₂的对称拉伸振动发射或吸收光子波长在中红外的7.22微米，该振动模式标记为v₁；非对称拉伸振动对应光子波长为近红外4.27微米，标记为v₃；弯曲振动模式对应中红外波长14.97微米，标记为v₂。水分子H₂O的吸收在红外天文学中尤其重要，它的v₁、v₂、v₃振动模式对应波长分别为2.74微米、6.25微米和2.66微米。地球大气对红外线的强烈吸收，主要就是由于大气中H₂O和CO₂分子的红外吸收，此外还有一氧化碳CO、臭氧O₃、甲烷CH₄、一氧化二氮N₂O等分子的吸收。宇宙中有大量物质以分子形式存在，从最简单的氢分子到复杂的碳氢化合物有机分子，红外观测成为对其研究的有力手段。

图3 双原子分子的振动和旋转（上）以及三原子分子（CO₂）的振动、旋转和平移运动的不同模式（下）

当接近光速的相对论电子或正电子被磁场偏转时，会沿其路径切向发射出一层薄薄的电磁辐射（图4）。这种电磁辐射于1947年在通用电气公司的电子同步加速器中首次观测到，因此被命名为同步辐射。同步辐射的特征包括：①幂率能谱。几乎所有同步辐射源中的相对论电子都具有幂律能量分布，因此它们不处于局部热力学平衡，通常被称为“非热”源。②偏振性，可有线偏振或圆偏振。③宽频谱。同步辐射频谱范围很宽，覆盖电磁波谱大部分范围，从射电、红外线、可见光、紫外、软X射线一直延伸到硬X射线，是截至2023年唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。④高准直性。

图4 同步辐射原理示意图

同步辐射的天体源很多，活动星系核（AGN）通常认为由星系或类星体中央超大质量黑洞供能，它的大部分射电发射都来自同步辐射，这是由离子在其强磁场中的引力加速度产生的。同步辐射另一类天文源是脉冲星风星云，其原型是蟹状星云及其中心的脉冲星，困在脉冲星周围强磁场中的电子会产生同步辐射。而对星际介质及其磁环境的研究可以通过同步辐射的观测，穿过介质的宇宙射线电子与相对论等离子体相互作用并发射同步辐射，天文学家可以从辐射特性推断这些区域的磁场强度和方向。

如图5所示，这张蟹状星云多波长图像结合了钱德拉X射线天文台的X射线（蓝色）、哈勃空间望远镜的可见光（黄色）和斯皮策空间望远镜的红外线（红色）。来自不同波段光的特殊组合突出了脉冲星风星云的嵌套结构。X射线揭示了蟹状星云跳动的心脏，这是近一千年前发生的超新星爆炸的中子星遗迹。这颗中子星是一颗爆炸恒星的超致密坍缩核心，是一颗以每秒旋转30次的脉冲星。一个X射线发射物质盘，喷出垂直于盘的高能粒子喷流，围绕着脉冲星。图中的红外线显示了同步辐射，由围绕脉冲星强磁场旋转的带电粒子流形成。可见光是由高能（紫外线和X射线）同步辐射加热的氧气发射的。这些多波长相互连接的结构表明，脉冲星是所有三个望远镜所看到的发射的主要能源。

图5 蟹状星云多波长图像