天文学选修课课件.doc

第三章　天体的辐射和天文观测
主要内容
• 天体的辐射
• 天文观测工具
• 天体光度测量
• 天体光谱分析
• 天文测量
• 天体距离、大小、质量和年龄的测定
一、天体的辐射
来自宇宙的信息
• 电磁辐射(electromagnetic radiation)
• 宇宙线(cosmic rays)
• 中微子(neutrinos)
• 引力波(gravitational wave)
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
产生电磁波的方式： 能级跃迁 热辐射 电磁振荡等
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)
• 射电(无线电波)：>1毫米
• 红外线：0.77微米～1毫米
• 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
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：
光学窗口：波长300nm～700nm
射电窗口：波长1mm～20m
2、宇宙线
天体发出的高能粒子流，主要是电子、质子、α粒子（氦原子核）等。
虽然它们运动很快、穿透力强，但由于它们带有电荷，在到达地球表面之前，不仅会和途中物质发生相互作用，而且会受到宇宙空间磁场的影响，不断改变运动方向。因此很难判断它们的真实源头，在使用它所携带信息上有一定困难。
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。
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。目前，虽有一些间接证据，但还很难直接探测记录。
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。
二、天文观测工具
• 天文观测仪器系统的基本结构
• 光学望远镜
• 射电望远镜
• 空间天文观测
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
(2)总体结构：
光学系统
机械装置: 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。
电控设备: 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
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
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
(3)性能指标
• 口径: 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
• 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： ;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： ;由于物镜的缺陷和大气的扰动，望远镜实际分辨角要大些
例：
1.口径为10mm的望远镜的目视观测分辨角为多少角秒？
2.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？
• 放大率和底片比例尺: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

F
f
目镜
ω
ω
ω¡¯
A
A¡¯
B
B¡¯
焦面

目视望远镜可以观测延展天体的放大像，实际上是视角放大。放大率实际是“角放大率”。
一架望远镜配备多个目镜，就可以获得不同的放大率。显然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。
• 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
• 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
• 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w;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
实际测定视场:将望远镜对向天赤道附近一颗赤纬为d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：

• 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
望远镜性能的总评价参数
F为辐射流量、w为视场、lD为观测的波长范围
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?
(4) 类型
• 折射望远镜
• 反射望远镜
• 折反射望远镜
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
• 望远镜的物镜直径越大，对玻璃的质量要求越高，对支撑结构的刚性要求也越高，这些限制了大口径折射望远镜的发展，20世纪以来，折射望远镜通常用于寻星
• 分两种：伽利略式和开普勒式
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
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。
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。
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。
消色差折射镜的出现

反射望远镜
• 物镜以大的凹面(常为抛物面)反射镜为主镜
• 除主镜外，还常用较小的副镜来改变光路、焦距和像差等
• 特点：口径大、视场小、没有色差
• 牛顿反射望远镜：为了根本消除色差，牛顿干脆不用光的折射特性，而用反射特性。1668年，他制成了第一架反射望远镜，物镜是凹球面金属镜，物镜焦点前装一块和光轴成45° 的平面反光镜，将星光反射到镜筒一边，用目镜观察。
折反射望远镜
• 物镜是由改正透镜和反射镜组合而成
• 主镜一般是球面反射镜，改正镜用来修正主镜的像差
• 兼顾折射和反射式天文望远镜的优点，既有大口径采光特点又有反射后折射到焦点成像的高质量和高分辨率。同时大大缩短了光学镜筒长度便于携带。
• 相对口径和视场都很大，适合观测流星、彗星，以及巡天寻找新天体
• 根据副镜的形状，折反射镜又可以分为施密特结构和马克苏托夫结构
• 施密特结构：球面反射镜+复杂的折射改正透镜；视场大，像差小
• 马克苏托夫结构：球面反射镜+弯月形折射改正透镜；易于制造
光学望远镜总结
• 组成：光学系统、机械装置、电控设备
• 赤纬式装置和地平式装置
• 性能参数：口径、分辨角、放大率和底片比例尺、相对口径、视场、贯穿本领
• 类型：折射望远镜、反射望远镜、折反射望远镜
2、射电望远镜
• 射电天文学研究的主要工具
• 19世纪末，提出电磁波的存在
• 1932年，接收到来自银河系中心方向的15米波长的射电信号
• 1940年，雷伯第一个绘出银河系射电图
• 第二次世界大战后，射电天文学快速发展
优点：
• 光学望远镜靠眼镜观测，射电望远镜采用雷达的办法
• 射电可以穿过可见光不能穿过的尘雾，能观测到光学望远镜不能看到的宇宙深处
• 射电观测不受太阳散射光及云层的影响，能全天候观测，而光学望远镜受云雾、大气污染影响较大，通常只能夜间观测
缺点：
• 只能工作在一个波长，“单色仪”
• 不能像光学望远镜那样拍摄多姿多彩的天体照片，只能显示出表现强弱的曲线
射电望远镜的基本结构
• 天线系统：“物镜”，包括反射器和拾取器，
• 接收系统：“分析器和探测器”，对微弱的射电信号进行放大和检测，并转化成可记录的信息
• 记录系统
• 机械装置和电控设备：控制天线对向或跟踪天体
射电望远镜的特点
• 每一种天线、传输线和接收机都有其工作的频率范围
• 天线形式：旋转式抛物面天线（赤道式、地平式）；固定式抛物面天线；组合天线系统
巨大的天线是射电望远镜最显著的标志和最重要的部件
射电望远镜的基本指标
灵敏度：可探测的最小流量
分辨角：一般天线的分辨角2q l为工作波长，D为天线直径
射电干涉仪
分辨角
综合孔径射电望远镜
英国射电天文学家M. Ryle发明（1974年诺贝尔物理学奖）
A、B两个小天线，A为固定，B为移动（实际工作中采用多个固定替代）
3、空间天文观测
• 把观测仪器送到离地面几百公里高度以上的宇宙空间进行观测
• 突破了地球大气窗口的限制，可进行全波段观测
　　红外望远镜
　　紫外望远镜
　　太空望远镜
　 　X射线、g射线望远镜
完整的太空天体探测系统：航天器、运载火箭、地面设备
航天器是装载科学仪器和执行探测任务的主要部分
空间探测方法：接近飞行：探测器只能飞过天体附近一次；轨道飞行：在环绕天体的轨道上长时间考察分析；登陆：在天体表明着陆
哈勃太空望远镜
卡塞格林式反射望远镜——口径：2.4m，长：13.3m，重：12.5吨，整个装置呈圆柱形
暗弱天体照相机，暗弱天体光谱仪，高速光度计，高分辨率光谱仪，宽视场行星照相机
1、目视望远镜的分辨力常用最小分辨角来表示，其经验公式为θ=1.22λ/D，人眼最敏感的波长为0.55微米，试计算口径为10毫米的望远镜最小分辨角为多少角秒？（14”）
2、经纬仪采用的机械装置是赤纬式还是地平式？(地平式)
3、衡量光学望远镜性能的指标有哪些？
（口径、分辨角、放大率或底片比例尺、相对口径、视场、贯穿本领）