第三章天文观测与天文测量1

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第三章 天文观测 和天文测量（1）
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2013-8-12
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主要内容
• • • • • • 天体的辐射 天文观测工具 天文测量 天体光度测量 天体光谱测量 其他测量
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一、天体的辐射
来自宇宙的信息
• 电磁辐射(electromagnetic radiation)
光学窗口：波长300nm～700nm
射电窗口：波长1mm～20m
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不透明度
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• 不同辐射波段的太阳
光学 紫外
X射线
射电
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• 不同辐射波段的银河系
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1、光学望远镜
(3)性能指标 • 口径 • 分辨角 • 放大率和底片比例尺 • 相对口径 • 视场 • 贯穿本领
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口径D
• 物镜的有效通光直径，用符号D表示。 • 物镜收集星光的能力与其面积(πD2/4)成正 比 • 物镜口径越大，越容易观测到更暗的天体
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1、光学望远镜
(4) 类型 • 折射望远镜 • 反射望远镜 • 折反射望远镜
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折射望远镜 • 物镜是由透镜组成的折射系统 • 焦距较长、相对口径较小、工作视场 大 • 分两种：伽利略式和开普勒式
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• 伽利略把自制的口径 4.5 厘 米 ， 放 大 倍 率 33倍的望远镜指向天 空，发现了月球上的 环形山、围绕木星运 转的四颗卫星、金星 的盈亏现象、日面上 的黑子、银河由无数 暗弱恒星构成等现象。
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• 开普勒式：以凸透镜做物镜，凸透镜 做目镜。是将物镜所成的实像用凸透 镜组的目镜放大，获得倒像，由于其 视场大，在目镜组中可以安装十字丝 或动丝，天文观测中多采用这种类型 的望远镜。
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17世纪望远镜刚出现时，不仅口径较小， 而且成像质量相当差。因为当时的物镜都是 单透镜，有像差，特别是其中的色差非常严 重，它使观测到的天体不能呈现出清晰的像， 而是带五颜六色光圈的像斑。
• 可见光：390纳米～770纳米
• 紫外线：10纳米～390纳米
• Ｘ射线：0.1埃～100埃
• g射线：<0.1埃
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大气窗口(atmospheric window)
地球大气有选择地吸收电磁辐射
只有某些波段的电磁辐射能穿过大气层，达 到地面，这些波段称为“大气窗口”。 两个窗口：
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1、光学望远镜
(1) 望远镜的作用： • 增加聚光，尽可能多地收集天体辐射的能 量 人眼瞳孔直径最大只有8mm • 提高分辨率 人眼看不清月球表面细节，望远镜则可 以分辨出来 • 望远镜机械装置容易对准天体进行较长时 间跟踪观测
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1、光学望远镜
(2)总体结构：
物镜
1.22

D
式中， θ以弧度为单位，口径和波长取相同长度单位
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分辨角θ
• 目视观测最敏感的波长为0.55微米，当Ｄ以米为 单位时，目视观测分辨角的角秒值为：
'' 140''10 / D
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• 黑白照相观测最敏感波长为0.44微米，当D以米 为单位时，黑白照相观测分辨角的角秒值为：
中微子探测器
宇宙线
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1.6 km
100,000 gal. tank
Ar
C2Cl4
金矿
Ar
Argon Atom
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来自超新星1987A的中微子事件
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4.引力波(引力辐射)
根据广义相对论，引力也可以形成辐射 作为天体信息的来源。 引力是一切物质都具有的属性，其大小 和物质的质量成正比。天体运动发出的引力 波，会携带天体运动状态的信息。 虽然原则上可以从四种来源搜集天体的 信息，但迄今为止最主要的来源仍是电磁辐 射。
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赤纬式装置
德国式 叉式 框架式
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赤纬式装置
英国式
马蹄式
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地平式装置
• 两个转轴分别是“水平轴” 和“垂直轴” • 绕垂直轴转动可对向天体 的地平经度(方位角) • 绕水平轴转动可对向天体 的地平纬度(高度角) • 天体测量仪器(如经纬仪) 和人造卫星观测仪器常用 地平式
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底片比例尺
• 当直接在望远镜物镜焦面进行天体摄像时， 用底片比例尺作为望远镜的性能指标。 • 定义：底片中央每１毫米所对应的星空角 距
1/ F (rad / mm)
206265 / F ("/ mm)
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相对口径
• 又称“光力”，是口径Ｄ和焦距Ｆ之比， 以符号Ａ表示 A = D/F • 它的倒数(F/D)称为“焦比”，常写为 F/(焦比)，例如F/10(即焦距是口径的10倍) • 照相机镜头的光圈数就是焦比 • 物镜所成延展天体像的亮度跟其相对口径 的平方成正比
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德国的开普勒 （ 1571-1630 ） 在伽利略制成天 文望远镜后两年， 提出了一种新型 的望远镜，这种 望远镜被称为开 普勒式望远镜。
开普勒
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• 伽利略式：以凸透镜做物镜，凹透镜做目 镜。成正像，制造简单造价低廉，普通观 剧镜多采用这种光学系统。缺点是视场小、 放大率小、不能在目镜端加装十字丝。目 前在天文观测中不采用这种类型的望远镜。
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消色差折射镜的出现
• 牛顿从理论上弄清了色差的成因，但错误的做出折射物镜 色差无法消除的结论。由于牛顿极高的威望，不少人盲从 了他的观点。直到18世纪30年代，英国数学家C.M.霍尔发 现，用冕牌玻璃作凸透镜，用火石玻璃作凹透镜，所制成 的复合透镜能消除色差。 由于消色差折射物镜 的制成，人们再也不 用为减少色差而拼命 加长物镜的焦距了。 从此后，折射望远镜 的镜筒便大大缩短了。
0.5t cos
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贯穿本领(极限星等)
• 贯穿本领是指望远镜能够观测到最暗天体 的能力。 常以理想条件下，望远镜可观测到天体天 顶处最暗恒星的“极限星等”表示。
对于目视望远镜,它的极限星等可以用经验公式计算： m = 2.1 + 5log D
例： D=400mm的望远镜 m = 2.1+5log400 = 15.11
光学系统
目镜
机械装置
电控设备
包括基座、转轴、刻度盘 及指标，按转轴方向不同 分为赤纬式和地平式。 用于保障观测过程中望远镜对 准天体并跟踪天体的视运动
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物镜和目镜
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赤纬式装置
• 两个转轴分别是“极轴”、 “赤纬轴” • 望远镜绕赤纬轴转动可对向 天体的赤纬 • 绕极轴转动可对向天体的时 角(或赤经)，跟踪天体周日 视运动 • 赤道仪
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视场
• 由于物镜总有像差等缺点，仅其光轴附近 区域成像良好，此区域对应的星空角径称 为“工作视场”
–望远镜所能观测到的天空区域的角直径叫视场 角 –目视望远镜的视场跟所用的目镜或放大率有关， 放大率越大视场越小
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• 实际测定视场 将望远镜对向天赤道附近一颗赤纬为的 恒星，调到视场中心，固定望远镜，星象 沿时角改变的方向运动，记录星象由中心 到边缘的时间t，则：
产生电磁波的方式： 能级跃迁 热辐射 电磁振荡等
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根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、 可见光、紫外、X射线和γ射线等波段。 可见光又可分解为七色光(红橙黄绿青蓝紫)
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• 射电(无线电波)：>1毫米 • 红外线：0.77微米～1毫米
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2、宇宙线
天体发出的高能粒子流： •电子 •质子 •α粒子（氦原子核）等。 特点： 速度快、穿透力强，带有电荷
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3、中微子
•一种以光速运动的基本粒子，其穿透力极强， 停止一个中微子的运动要厚达1光年的铅板。 •很少与其他物质发生相互作用，可以轻易地从 天体内部深处跑出来，带出其他媒体无法传递的 信息。 •现在虽可以探测到它的存在，但还没有很有效 的设备去了解和研究它所携带的信息。
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径但 大下 此 两面 两 倍的 幅 。照 照 片片 所曝 用光 望时 远间 镜相 的同 口，
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分辨角θ
• 指望远镜刚好可分辨的两个点光源的角距 • 用于表征望远镜的分辨能力，分辨角越小，分辨 能力越高 • 高品质物镜的分辨角与物镜口径(D)和波长(λ)关 系
这种像差的成因当时尚未弄清楚，但当 时人们已经发现，当透镜曲率变小，焦距变 长时，色差就会减小，成像质量就比较好。 于是天文学家相继采用长焦距的望远镜。
早期折射望远镜
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1673年，波兰的赫维留（16111687）制成了一架长达46米的 望远镜，吊在30米高的桅杆上， 要许多人用绳子拉着它起落升 降。
美国南达科他州一废金矿井深处的中微子探测器 在那里放置了38万升全氯乙烯纯净液体，捕捉中微子， 使氯变氩，记录中微子数量的 。
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日本神冈中微子探 测器
这 个 50,000 吨 的巨 型 圆柱中微子探测器， 座落在日本一个矿山 的地下1,000米深处， 用来做探测中微子、 质子衰变、宇宙射线 等等研究。
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望远镜性能的总评价参数
• 品质因子Ｑ：
Q
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为辐射流量、为视场、为观测的波长范围
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思考：
• 为什么有些恒星用蓝光观测时能够被分解 为双星,而用红光观测时却不可以? 解：这是由于望远镜的分辨率（分辨角的倒 数）与口径成正比,而与观测的波长成反比, 其表达式为: 分辨角δ=1.22λ/D, 式中λ为波长, D为望远镜的口径。 显然，望远镜对于波长较短的蓝光的分辨 率较高.
• 宇宙线(cosmic rays) • 中微子(neutrinos) • 引力波(gravitational wave)
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1、电磁辐射
电磁辐射是由发生区域向远处传播的电磁场。 它以变化的电磁场传递能量、是具有特定波长和 强度的波（波动性） 波长范围：0.01Å ～ 30 m 1 Å = 10-10 m (波长λ)×(频率ν) ＝ 光速c = 3×1010 cms-1
'' 110''10 / D
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由于物镜的缺陷和大气的扰动，望远镜实际分辨角要大些
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例：
• 口径为10mm的望远镜的目视观测分辨角为 多少角秒？ • 人眼瞳孔直径约为2mm（白昼）~8mm（黑 夜），其分辨角的范围大致为多少角秒？
答案：14’’ 18’’～70’’
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放大率
• 目视望远镜的放大率等于物镜的焦距F与目 镜的焦距 f 之比，即G = F/f
物镜
焦面 目镜
A’ A
ω ω ω’
B
目视望远镜可以观测延 展天体的放大像，实际 f F 上是视角放大。放大率 实际是“角放大率”。
B’
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• 一架望远镜配备多个目镜，就可以获得不 同的放大率。目镜的焦距越短可以获得越 大的放大率。但这样并不好，小望远镜用 过大的放大率，会使观测天体变得很暗， 像变得模糊。 • 目视望远镜观测一般使用的放大率为30～ 300倍。
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二、天文观测工具
• 天文观测仪器系统的基本结构
望远镜 —收集天体的辐射 记录和处理天体信号 控 仪器控制 制
信 号
wk.baidu.com
控制信号
测 量 辐 射
分析器 探测器
接口
计 算 机
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• 光学望远镜 • 射电望远镜 • 空间天文观测
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