天文观测工具和手段

10宇宙间天体的相关位置和运行都有确定的规律绍了获得宇宙信息的渠道、人类探究宇宙的根本方法和工具,以及现代天文观测争论的进展和构建虚拟天文台。§5.1获得宇宙信息的渠道一、来自宇宙的信息电磁波化学性质、构造和演化规律。目前，绝大局部是通过生疏天体的电磁辐射猎取的。那么，什么是电磁辐射呢?自古以来，人类都是靠观测遥远的天体放射来的光辉去争论它们，直到20世纪中期以前我们知道，这两种学说见解都是反映了真理的一个方面，光具“波粒二重性“。19601980年月到普遍成认。可见光、红外光、紫外光都是电磁波，只是波长不同而已〔图5-1。108cm～10-12cm。我们眼睛所能感觉0.4μm～0.8μm(1μm=10-4cm；假设用埃表示，则为4000埃～8000(1埃=18cm。其它不行见电磁波为紫100埃～4000埃，X0.01埃～100埃，γ射线<0.017000埃～1mm，无线电短波1m～30>30?气为它们开的窗口，称为大气窗口。主要有以下几个大气窗口：①光学窗口，能透过可见光；②红外窗口，红外辐射主要由水分子所吸取，只有很少局部能在地面观测；③射电窗口，在射电波段有一个较宽的窗口。假设要观测天体的全波段辐射，必需摆脱地减〔图5-。射很小的波段，这些波段对遥感格外有利。宇宙线质子，αX射线、γ射线等高能光子。通过对宇子外，必需用各种粒子探测器到大气外层进展。中微子3中微子，μ子中微子和τ子中微子。从恒星内部产生的中微子，可以不受阻碍地跑出来。因此，对中微子的观测，可以直接猎取恒星内部的信息，但由于中微子的碰撞截面微小2070～80戴维斯和日本小柴昌俊分别利用各自方法，尝摸索测来自太阳的中微子，结果，试验数据与理论预期的不符合的是：2023年赛德伯勒中微子天文台SNO合作组科学家成功地观测到来自太阳的μ子中微子和τ的戴维斯和小柴。引力子力波，但至今尚未得到公认确实定结果。不过，进入21世纪，兴盛国家对引力波的探测又燃起的兴趣。还有从引力透镜现象中，我们也可以得到宇宙天体的一些信息。其它来自宇宙信息除上述几方面外，还有陨石、宇航取样等。行光线偏折，并会聚到焦点上〔原理稍后有介绍。在宇宙空间中某些质量特别大的天体，它们也会起到像玻璃透镜一样使光线偏折的作用大质量的天体，三者要成一线，大质量的天体挡住了遥远的天体，我们虽看不到遥远天体，24环状的虚像，这就是引力透镜现象。目前，人类至少已经观测到100个引力透镜实例。二、观测工具和手段的进展史上天文学家始终致力手段的改进和观测仪器的研制辨本领有限。即使较近的月亮和行星，也不能看清它们的外表细节。1609年伽利略制成第一架天文望远镜(5.3)，这是近代天文仪器的开端。用望远镜观测天体是天文观测手段的第一次大变革。伽利略凭借他手制的口径仅有4.4cm的简洁望远成长。世纪中叶，在望远镜的根底上，又把分光术、测光术和照相术用于天文学争论，这是天文观测手段的其次次大变革所未闻的觉察，从而促使天体物理学诞生和觉察。50年月人造地球卫星上天，不仅开创了人类飞出地球的纪元，而且还为天文“坐井观天“的被动局面。人类探测宇宙的根本方法和工具主要从光学观测、射电观测和空间观测三个方面进展。§5.2天文光学望远镜像在望远镜里；同时，放大它们的角直径，提高区分本领，对观测目标的细节看得更清楚。所以望远镜有成像和作为光子〔辐射〕收集器的功能。光学望远镜分为三类：折射望远镜、反射望远镜和折反射望远镜。一、折射望远镜色差，严峻影响成像质量(图5.4)。为了抑制这一缺点，人们觉察近轴光线几乎没有球差和色差，于是尽量制造长焦距透镜，促使望远镜向长镜身进展。1722年希拉德雷测定金星直65m，用起来格外不便，跟踪天体时甚至需很多人推动。为解决上述缺点，后来人们用不同玻璃制成的一块凸透镜和一块凹透镜组成复合物镜。〔双透镜组或三合透5.5〕这样，可使望远镜口径增大，镜身缩短。1897年安装在美国叶凯士天1.02m19.4m230kg，至今仍是世界上最大的折射望远镜〔5.6。的质量要求极高，制作困难。镜身太大，支撑构造的刚性难保，大气抖动影响明显，其观测可以在望远镜镜面背后加上一套微调装置，依据大气的抖动状况，随时调整望远镜的镜面，二、反射望远镜有色差，又消弱了球差。学望远镜都是反射望远镜。5.7。反射望远镜的优点是显而易见的。20世纪中期以后，很多著名天文台都安装有大口径的反射望远镜。19485.08m的反射望远镜，安装在帕洛玛山天文台，19766m1989年安装在北京天文台兴隆观测站的2.16m反射望远镜，这是我国自己研制生产的。三、折反射望远镜折反射望远镜的物镜用透镜和反射镜组装而成托夫型〔如图5.8和图5.。前者于1931年由德国光学家施密特所制造，它在球面反射镜前，加一个非球面改正透镜，以消退球差。后者是1940年苏联光学家马克苏托夫制造，它2.03m1.34m。数百吨，在观测跟踪中难以保持极高的准确度。为解决上述问题，2090年月以后，用多镜面拼合的反射镜来收集星光。前不久美国建成的两台10米镜的凯克Ⅰ和凯克Ⅱ，各由36面六角形镜面〔1.810厘米〕拼合而成。其性能提高，而重量减小，用计算机调整其支撑构造的压力，该镜安装在夏威夷的莫纳克亚天文台，在1994年彗星撞木星时，曾拍下了世界上最好的照片。凯克Ⅰ和凯克Ⅱ可以通过光学干预的原理，联合起来变成一台超大型的望远镜。关于多面镜组合望远镜光路如图5.10。它们同时对准同一目标，在共同的焦点聚拢成像，使合成口径大大加大。2023年建成的欧洲南方天文台NTT望远48m16m。我国正在研制的大天区面积多目标〔:LAMOST1997年已开工。估量将在近期完成工程建设并用于观测。这是一架大口径〔4m〕兼备大视场5°、具有4000人瞩目的世界一流的望远镜，见图5.11。2023年我国最大的天文实测争论基地已在云南丽江开工，这个天文观测台〔高美古〕将2米级光学望远镜，估量也在近期建成。§5.2-2天文光学望远镜四、光学天文望远镜的几个重要参数物镜的口径〔D〕望远镜的物镜口径是指有效口径，即没有被镜框遮挡的物镜局部的直径，用D表示。6mm，假设用6m望远镜观测，增加的光流比人眼增大了106倍[〔6000mm/6mm〕2=106]。但在光害特别严峻的市区，大口径不愿定有效，要在城区拍摄天体，有阅历人士认为：口径有15mm就可满足拍摄条件了。相对口径〔A〕指有效口径D和焦距F的比值，用A表示。即：在望远镜中呈现确定视面的天体叫延长天体，如月球、太阳、行星等。延长天体在望远镜里的亮度与A2成正比，即相对口径越大，延长天体就越亮，也意味着它观测延长天体的〔如：相机上的光圈号就是相对口径的表示。焦距〔F〕望远镜一般有二个有限焦距的系统组成，一个是物镜焦距，用F表示；一个是目镜焦距，用f表示。两个系统的焦点相重合。利用传统胶片感光后成像，物镜焦距则是天体摄影时底片比例尺的主要标志。对同一天体，焦距越长，天体在焦平面上的影像尺寸就越大。例如，610.7mm的像。放大率〔G〕和底片比例尺目视望远镜的放大率〔G〕远镜的物镜都是确定的，只要配备几个焦距不同的目镜，就可以得到几种不同的放大率。一个角分相当底片上多少毫米。底片比例尺与焦距成正比。5区分角〔δ〕指刚刚能被望远镜区分开的天球上两点间的角距离，用δ表示。区分角的倒数为区分本领，即区分角越小，其区分本领越大。理论上依据光的衍射原理，望远镜的极限区分角为：式中λ为入射光波长，D为望远镜有效口径，λ和D都以毫米(mm)为单位。人眼瞳孔直径在～2mm之间，计算得知人眼区分角的抱负值是1″～7″6″=′6m0.021～3千倍。视场角〔ω〕用望远镜所能观测到的天空区域的角直径叫视场角，用ω表示。视场与放大率成反比，120135相机拍摄天体，约束视场大小是120本身5′。一般来说，望远镜焦距越短，拍摄视场越大，照相机镜头直接拍摄天体状况也是这样。贯穿本领晴朗的夜晚用望远镜观测天顶四周所能看到的最暗弱恒星的星等领或极限星等。它与望远镜的口径有亲热的关系，口径越大，就能够观测到越暗弱的天体。5cm105m21等星〔关于星等的定义在6章介绍。它们为有视面天体，包括太阳、月球、行星、彗星、星云、黄道光等。天好者对有视面分信息。读者在学会使用光学望远镜的同时进展天体观测与天体摄影实践确定会其乐无穷。的不断进展，终端设备渐渐增加了摄影系统、光电光度计、光谱仪、电荷耦合器件〔CCD〕19485远镜以及中国大天区面积多目标光纤光谱望远镜〔LAMOST〕等。§5.3射电望远镜一、射电望远镜和射电天文学射电望远镜是射电天文学争论的主要工具。自从19世纪末有人提出电磁波的存在，并件，始终未能接触到波长较短的无线电波。直到1932年，美国为实现横跨太平洋的无线30m直径的天线，工程师央斯基意外地收到来自银河系中心方向的15m波长的射电信号。1940年美国另一位无线电工程师雷伯，用自制的抛物面型射电望远镜，第一使这位业余天文学家成为射电天文学的先驱。文学争论，不久便有了一系列令人惊异的觉察，从而揭开了射电天文学进展的序幕。射电天文学使用的射电望远镜系统不能象光学望远镜那样靠眼睛观测方法。是用来观测和争论来自宇宙间无线电波段的电磁辐射的。目前所使用的波段是从1mm～30m左右。在这个波段的无线电辐射，不受大气层显著影响而能到达地面。由于无线电波可以穿过可见光不能穿过的尘雾测，是一种“全天候”望远镜。但射电望远镜也有弱点。它不想光学望远镜那样可以把可见多姿多彩的天体照片，只显示出表现强弱的曲线。二、射电望远镜的原理和构造〔放大器5.12是经典的射电望远镜根本组成和原理示意图。现代射电望远镜的数据采集和记录器都由计算机担当。λ/16～λ/10(λ为波长)。对于米“照明器“10～1000倍。然后由电缆把信号传送到把握室的接收机，再次放大、检波，最终依据争论的需要，对其进展记录、处理和显示。巨大的天线是射电望远镜最显著的标志和最重要的部件统有三种形式：一是旋转抛物面天线；二是固定抛物面天线；三是系统组合天线。5.13目前世界上最大可跟踪抛物面射电望远镜在德国普朗克射电争论所，口径100m，区分角33角秒33″。这样的庞然大物，光天线的可动局部就重达3200〔见5.14〕世界上最大固定式射电望远镜，安装在波多黎各的美国阿雷西特天文台。它的直径达305m，因固定在山间盆地中，只能靠地球自转转变观测方向。另外，还有法国南锡射电天文台的巨大凹网状射电望远镜，它长300m，高35m，呈带形抛物面。我国国家天文台近期打算在贵州南部的喀斯特凹地，建设500m口径的球面射电望远镜。三、射电干预仪领以及能觉察强信号最小变化的本领。这种观测微弱信号的力气主要受接收机噪声的限制，只须增加口径，改进仪器和选择好安装地点，即可提高灵敏度。5cm小型光学望500m500km2050年月以后，人们依据光的干预原理，制造了射电干预仪，才解决了这个问题。号〔见图5.15天体的“面源“干预仪沿基线方向区分本领，相当于口径等于基线长度D的单天线望远镜。单向排列的干预仪，只能提高“一维“的区分本领，如一个东西向的天线阵，只能提高东西向的区分率，并不能提高南北方向的区分率。为此，又研制了十字型天线阵，可以直接获20世纪60160012m的抛物柱面穿插组长。难。如传输线过长，会造成各路信号间位相差，影响接收质量。因此，又有“甚长基线干预仪“〔VLBI〕问世(见图5.15B)。它完全去掉连接线，每台干预仪完全独立，它们都有原子钟把握的高稳定度的本振系统和磁带记录装制，把各拘束同一时刻接收的同一信号记录下甚至可近似地球的直径63196c，0.0006″，远远超过一般光学望远镜水平。四、综合孔径射电望远镜电望远镜解决了这个问题。我们知道，由于任何图像都可以分解成很多亮度的正弦和余弦成份分布〔即化整为零〕〔聚零为整。综合孔径方法，就是先化整为零，分别测出它们各个重量，再利用计算机处理，聚零为整，据进展处理，便得到观测目标的射电图像。综合孔径射电望远镜都是多天线系统。例如：美国墨西哥州国立射电天文台的“甚大阵“〔VLA〕2725m的天线沿Y21km，0.18最早制造这一技术的英国射电天文学家赖尔因此获得1974年的诺贝尔物理学奖。§5.4空间天文观测空间天文观测需把观测仪器送到离地面几百公里高度以上的宇宙空间进展了大量航天器，构成不同的观测系列，令人类大开眼界。同时，由于空间探测突破地球“大气窗口“的限制，可进展全波段观测，从而导致空间天文学诞生。空间天文学依据观测波段的不同，又可分为很多科学分支，有红外天文学，紫外天文学，X射线天文学，γ射线天文学等。飞行时，如同“旅行者号“207080年月在太阳系里旅行的状况，探测器只能飞过“卡西尼号“飞船，可在围绕行星的轨道上对行星进展较长技术，“惠更斯号“将借助降落伞登陆；而“火星探路者“则承受气囊在它降落时起缓冲作用，就像一个大气球弹跳那样。人类空间探究放射的月球和行星探测器详见附录7。宇宙的惊奇。一、天文观测卫星系列文观测器。，有的兼有多种观测任务。太阳观测卫星和某些兼用于太阳观测的某些天空试验室等，其主要任务是监测太阳辐射，争论日地关系，考察太阳风，行星际磁场、地球磁层以及行星际物质等。1958年美国阳风作用的结果。2060年月后，美国和前苏联相继放射用于不同观测任务的太阳观测卫星系列。1974年美国和当时的西德合作放射的“太阳神“0.3AU处，并进间站，它携带的望远镜可以对太阳进展可见光、紫外和X射线等波段进展高区分率的电视和照相观测。例如：“太阳及日球层观测平台〔SOHO〕“304?波段全日面太阳像，19984月美国放射的太?quot;太阳过渡区和日冕探测者〔TRACE〕“卫星也观测到局部日冕构造。20世纪90年月“SOHO“和“TRACE“等卫星更是将太阳物理的争论推到一个崭的阶段。20231025日，美国宇航局又成功地放射了太阳观测卫星――“日地关系观测台STERE。通过这些卫星的联合观测，人类对太阳的争论确定更深入。辐射谱线特征，观测银河系和河外天体。1990年由美国航天飞机送入太空轨道的哈勃空间2.4m13.3m12.55种接收仪器：暗弱天体照相307501321亿美元，19932.5亿。哈勃望远镜果真不负众望，为天文学家供给了大量有价值的准确数据和清楚照片。如拍摄的冥王星及其卫星的照片，1994年彗星撞击木星的情景，都是当今世界上最好的观测资料。图5.161994718日彗星撞击木星时产生极为刺眼的闪光照片。二、月球、行星和行星际探测系列月球探测航天器飞出地球后就可成月球、行星和行星际空间进展直接采样或靠近观测的探测器。2050球进展了屡次不载人探测。1969720日，美国“阿波罗“11号把两位宇航员送上月球。5次登月成功，到197212人登上月球。在月球上安放了探测仪器，采集了月岩标本。从而开创了人类去天上进展实地考察和试验的纪元〔见图5.17。通过美国和前苏联的一系列探测和等月活动，人类生疏和了解到月球上有丰富、贵重、月球才能谈到如何开发和利用月球物质资源，而目前月球上的恶劣环境人类是难以生存的。1996年，美国“克莱门汀“号探测器探测到月球南极，有水就有生命和供能的源泉。为了进一步探明此事，199816勘探者“号探测器，通过对这个探测器所发回的图像进展分析，美国化学家不仅证明白月球1000321。太阳系的大行星探测测除靠近飞行外，有的还进展硬着陆或软着陆。从19731975年，美国放射的“水手“10327km“金星“7号登陆舱于1970年首次实现软着陆。后来美国的飞船也屡次莅临金星。从而人们对金星大气状况、大气成分和地表状况有了较清楚的生疏。对火星的探测更是不遗余力，从20世纪70年月到90年月，美国屡次组织对火星靠近和软着陆探测，还曾把分折仪器和登陆车送上火存在。1997年7月，美国“探路者“号探测器从火星上发回的大量照片及检测火星岩石和土个孕育和维持过生命的星球。21世纪初人类对火星的探测又有的觉察〔7章“火13章“地外生命探究”局部。对木星、土星、天王星和海王星的探测，也都大有收获。其中有觉察了它们一批卫星，818个或更多。对木星的大红斑，土星的光环以及它们构造有了进一步生疏，除土星外，木星、天王星的海王星也都有光环。从而使人类对它们的生疏不存在某种形态的生命。19971015日，“卡西尼“空间探测器放射上天，20237月飞临土星四周，打算对土星进展4年的就近围绕探测。“卡西尼“携带的“惠更斯“着陆器还要在土卫六上着陆，开头对其外表勘察，以便了解土卫六的状况〔太阳系行星探测成果在第7章“太阳系”中再表达。三、空间观测技术1．红外辐射观测器。波长0.77～1.2微米的近红外波段观测，可在地面进展。但波长较大的远红外观测，必需到大气外层空间进展。早在2070年人代，分别在4微米、1120微米波段观30002万多个红外源，获得了正在形成中的红外辐射源。对这些极强的红外辐射机制，至今尚未能做出令人满足的解释。美国宇航局〔NASA〕20238月放射了空间红外天文台，其上包括一架口径85厘865千克，是目前世界上放射的最大的红外望远镜。它将为人类翻开一扇观测宇宙的窗口。2．紫外辐射观测100埃～40003000埃的紫外光很不透亮。在地球上除了能接收到太阳局部紫外辐射之外，根本观测不到其它天体的紫外辐射。1968年美国放射的“轨道天文2号“44个波段进展巡察观测，获得了丰富的观测资料，从而到星场图像。紫外观测，对于星际物质的争论有特别意义。3．X射线和γ射线观测X0.01埃～100ΧΧ射线天Χ放射Χ射线望远镜的空间探测器〔如：钱德拉X射线天文台等，并取得了丰硕的Χ射线爆发，为深入生疏太阳耀斑供给了依据。在太阳系之外，目前已觉察上千个Χγ0.1γ射线波段上观测宇宙也给人类带来不少信息。关于天体可能放射γ2050年月就开头了。60年月证明存在宇宙γ射线背景辐射。70年月在整个银河平面〔银盘〕上探测到高能γ射线辐射，并觉察了γγγγ射线爆发源的本质仍存在争议。202311γ射线爆争论的崭的一页。世纪航天事业快速进展，各类卫星利用太空资源开发信息流产品已到达相当规模，促进世界迈向信息社会；载入航天进展很大，12名人类的使者登月访问，“和平“号空间站的建成„„全部这一些都为21世航天的进一步进展打下了比较坚实的根底。我们信任21世纪是航天的时代，21§5.4-2空间天文观测四、航天器航天器是太空航天器工程系统的核心组成局部〔如图5.1是原苏联的“人造卫星“1号。航天器因任务的不同，有不同的种类、不同的功能和不同的轨道。航天器的分类航天器不仅种类众多，而且形态各异，图5.19所列只是其中一些。可作进一步划分。载人航天器可分为载人飞船、航天飞船、太空试验室和空间站等几种。无人航天器目前太空中大量的航天器是无人航天器令把握实施。主要包括地球卫星和空间〔深空〕探测器。地球卫星按用途可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星等。例如：1990年4月美国放射的“哈勃“太空望远镜就是天文卫星；19976102号是气象卫星。空间探测器依探测的目标不同，可分为月球探测器和行星探测器。例如：“勘测者“号月球探测器，“先驱者“10号探测器等。载人航天器“阿波罗“11号载人飞船首次实现了人类登月的宿愿。空间站是指在地球轨道上运行的、适于人类长期工作、生活的大型航天器。例如：“和平“号空间站、“自由“号空间站和“阿尔法“号国际空间站。1986220233231516间站。它始建于1998年，是人类在太空领域最大规模的科技合作工程，也是世界航天史上第一个国际合作建设的空间站。空间站包括1615积有两个足球场大，整个密封容器约为1300M3整个工程要耗资630亿美元，现已根本完成。2023年“神舟五号“载人飞船成功返回，2023年“神舟六号“载人巡天安全着陆。在这些根底上，中国确定有力气建设将来的空间试验室和空间站。人类载人航天第一人：第一个进展太空旅行的人是尤里·〔1961.4.1〔1963.6.11965.3.1〔1967.4.21969.7〔1985.4.29－1985.5.62023利伟2023.10.1。太空生产基地、观天测地的场所和航天活动的中继站。航天器的组成航天器要在太空执行满足地面特定需求任务环境和条件，全部这些构成航天器的整体，如以下网络图5.20。航天器的轨道某一轨道的飞行轨迹。卫星运行轨道、月球探测器轨道、行星探测器轨道等几类；按飞行范围，又可分为绕地球质心运行段、绕月球质心运行段、绕太阳质心运行段和绕行星〔地球除外〕质心运行段等不同的阶段。航天器在太空中运行会受到四周天体引力的作用道摄动两局部组成。用轨道要素可以准确计算航天器的位置。人造卫星轨道在地球引力作用内，围绕地球运动时其质心的运动轨迹。一般卫星飞行高度 500～6000km之间，对人造卫星来说，多数运行方向和地球自转一样，由于这样能在放射时可用地球自转速度节约能源假设承受地球静止轨道卫星将始终固定在地球赤道某点的上空如图5.2a，地面站对卫星的指向可保持不变，便于地面站对卫星进展观测〔如通讯卫星气象卫星等。假设承受偏东且在低纬地区上空运转，则要设计如图5.21〔b〕中的1。要想卫星运转起来几乎可以掩盖自转着的地球，则轨道的设计要如图5.21〔b〕中的2、3。还有采用太阳同步轨道，轨道平面相对太阳方位不变，有利于进展可见光测试〔如地球资源卫星、气象卫星、照相卫星等。承受复现轨道，卫星可以周而复始地对地面目标进展监控，能发现目标地动态变化，如资源、气象卫星；承受低轨道，卫星猎取到的地面信息较强。承受大航天器，应避开地球辐射带，一般应小于500km。月球探测器轨道月球探测器受地月引力共同作用，轨道按挨次首先分为围绕地球的停靠轨道和地球-月〔5.22〕行星探测器轨道运动阶段和绕行星质心的运动阶段。这3个运动阶段分别与地球引力作用、太阳引力作用、3星的质心运动的。从地球向行星飞行的两种过渡轨道示意图5.23在行星探测器飞行目标行星的过程中度加大，从而可缩短航行时间和削减放射初速。卡西尼号探测器将承受借助金星〔1〕-金星〔2〕-地球-木星-土星引力来加速的轨道如图5.24。值得一提，科学家要探测太阳系天体时，在选择放射探测器的时间也会充分考虑1982年“九星聚会“的天象〔12197782095日放射成功。由于是九星聚会，九大行星都比较集中在同一个方向四周