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在风和日丽的日子，只要视野足够好，总会让人感觉仿佛能看到无穷远（这么说好像有点夸张，严谨的说法是“最起码能看很远很远”）。每当我结束在夏威夷冒纳凯阿山顶的彻夜观测，就会有这种感触：日出时立于山巅，一览环绕着自己的岛屿，连绵的风景澄澈如织。
人是视觉动物，容易认为我们周围的大气是透明的。但是，在我们狭小的可见光谱之外，我们对于光的“常识”都并不适用。以红外线为例，有些波长能轻易穿过我们认为是“不透光”的物体，而却会被看似透明之物拒于门外。当你用红外摄像机观察世界时，会有异样的体验，时而会拥有类似X射线的透视眼，能轻易穿透黑色塑料袋去看里面装了什么；时而却也会发现，玻璃窗对你来说却会像墙一样无法透光。
地球大气层亦是如此。许多红外线波段无法穿过大气层，犹如可见光撞上墙面，其原因和我们在第一章讨论过的“光谱线”的科学原理类似。不同颜色的光分别具有独特的能量，有些正好足以激发电子“跳槽”（结果就是该波长的光会被电子完全吞噬，不再出现在光谱中）。红外线波段中，许多波长的能量特殊，击中水分子后会使之振动，如同子弹打中铃铛。大气中的水分子好像组成一张天罗地网，专门捕捉红外线的光子。虽然地球水分只有0.04%溶于大气，其体积还是高达约13立方千米。如果在大气中均匀分布，每1平方米也会覆盖10 24 个水分子。难怪红外线难以穿过大气层。
其实分子相当挑剔。就像上一章提到的电子一样，只有强度恰好到位的能量才能撼动分子。如果红外光子恰好携带了强度适合的能量，撞上水分子后就无法到达地表；而能量大小有所出入的光子却会被无视而到达地面，最终让等待许久的天文学家观测到。我们把能略过大气抵达地表的红外波段称为“大气窗口”。
天文学家自由自在地利用这些大气中的“窗口”。近红外波段就有一些这样的“窗口”（这使得观察近红外光尤为容易）。在波段上的1.25微米、1.65微米、2.2微米处，大气如同对于可见光那样透明（这些“窗口”分别称为“J段”“H段”和“K段”窗口）。一旦脱离这些狭小的门户，就什么也看不见了。如果你想在1.5微米的波段上观测一颗恒星，那就对不起了，因为在这些波段上，水分子会让大气变得像铅板一样不透光。
这就是观测红外线的一种方法：照常使用望远镜，不过要通过大气窗口来观测。另一个方法是突破大气，将观测点设立得越高越好。许多天文望远镜已经采用了这个方法：我在本书开端使用的甚大望远镜位于智利的阿塔卡马沙漠，其海拔近3000米。站在这样的高度，你就已经将许多大气成分踩在脚下了（我的大脑明显对这点感到不适）。这样干燥的高空，大气中的水分子较少，使得在高海拔观测红外线更为轻松。不过弥留的大气仍然包含许多分子，还是多多少少阻挡我们宝贵的红外线。我们能站得再高点吗？
平流层红外天文台“索菲亚”（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）位于一架特别改装过的波音747飞机上，是世界上唯一一架建在飞机上的天文望远镜。该天文台比标准客机飞得更高，飞行海拔约为14000米。在这样的海拔之上，空气中的水含量降低了99%，便于捕捉地面上完全看不到的波段。索菲亚天文台能观测到一系列精彩的天文现象，包括恒星的诞生和消亡，甚至能观测到生命的基石。这些等我们谈到红外天空的时候会讲解。
还有一个更有效（但更昂贵）的方法是完全穿过大气，把望远镜架到外太空。1983年人们就发射了红外天文卫星（Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是第一架位于太空的红外望远镜。在其绕地10个月的任务中，红外天文卫星极大地发展了红外天文学，成为第一个在较长红外波段上观察整片天空的设备；先后在12微米、25微米、60微米、100微米等波段上，发现了太空中35万个新天体，小到彗星，大到星系。这些物体在地表都无法观测。毫不夸张地说，红外天文卫星为后来的红外天文学奠定了深厚的基础。之后又有许多红外观测站升入太空，包括欧洲空间局的红外线太空天文台（Infrared Space Observatory），美国的斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope），日本AKARI红外线天文卫星等均继承了最初红外天文卫星的衣钵。2009年，欧洲空间局（与NASA合作）发射了一颗外红线卫星，同时也是有史以来最大的远红外线望远镜——赫歇尔空间天文台（Herschel Space Observatory）。该天文台以发现红外线的赫歇尔命名。赫歇尔天文台再次革新了红外天文学，提供了恒星形成与星系演变的宝贵信息。直至2013年冷却剂耗尽，它才光荣完成使命。
观测远红外波段就需要涉足外太空。如果人类停留在地表，这扇观察宇宙的窗户将永远对我们关闭。这也是为什么我们需要关注“太空垃圾”问题。弃置的太空飞行器会分解为大量的遗骸，围绕着地球的轨道。过多的太空垃圾不仅会导致地球轨道堵塞，妨碍人类的太空航行，也会困住在地球上的我们，永久地关闭一些用于观察宇宙的关键窗口。我们只能希望未来有能力清扫遗骸，还太空一片清澈。