有自编讲义 ( 胶印 ), 多媒体显示 : 绪论第一节实测天体物理学的内容和科学意义第二节本课程的安排第三节天文学观测的科学

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睿聪狄
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2 有自编讲义 ( 胶印 ), 多媒体显示 : fzhen@ustc.edu.cn 绪论第一节实测天体物理学的内容和科学意义第二节本课程的安排第三节天文学观测的科学

3 第一节实测天体物理学的内容和科学意义

4 一实测天体物理学的内容研究天体物理学中的基本观测技术各种仪器设备的原理和结构, 以及观测实施和结果的处理方法作出新发现, 为理论天体物理提供研究资料, 用观测证实理论推断目前关于天体的大量信息来自天体的电磁辐射 ( 包括射电红外光学紫外 X 射线伽玛射线在内的全部电磁辐射 ) 除了宇宙射线 ( 包括中微子 ) 的粒子探测陨石的实验室分析, 宇宙飞行器对太阳系部分天体的实地采样和分析, 以及不久前取得成功的引力波观测之外

5 天文观测的主要环节

7 主要环节望远镜 : 收集尽可能多的天体的辐射前置系统 : 根据不同的研究目的, 对望远镜所收集的辐射进行必要的处理, 例如分光探测器 : 将天体的辐射能 ( 已经过前置系统处理 ) 转换为可测信号记录设备 : 能精确记录来自探测器的信号的电子仪器数据处理 : 对记录的原始观测数据进行整理和归算, 得到可供理论分析应用的资料

8 二实测天体物理学的科学意义天文学是一门观测科学!

9 实测天体物理学在天体物理学的诞生和发展中起着决定性的作用实测天体物理学近三十年来所取得的一系列重要成就使整个天体物理学甚至物理学面临着新的飞跃宇宙中的各类天体, 是极端条件下的物理实验室, 是地球上任何物理实验室无可比拟的实测天体物理研究推动着观测技术的发展和物理学理论的发展也带动了当今高新技术的发展

10 第二节本课程的安排 48 学时 ( 课堂 ) + 12 学时 ( 实测 )

11 参考书目编著者书名出版社年份刘学富观测天体物理学北师大 1997 黄佑然等实测天体物理学南大 1984 R. C. Smith Pierre Lena C.R. Kitchin G.H. Rieke Observational Astrophysics Observational Astrophysics Astrophysical Techniques Measuring the Universe Cambridge 1995 Springer-Verlag 1986 Institute of Physics Publishing Cambridge University Press

12 考核方式第二周开始参观实习 ; 学完前五章可开始自选题观测实习为多次 : 日面的观测月面的观测行星与亮恒星大气消光太阳的散射光谱月球的反射光谱 ( 全体参加, 由实习指导老师操作为主 ), 自选题观测 ( 自己操作为主 ) 实习指导老师 : 邢蔚然 : , wrxing@ustc.edu.cn

13 本课程的特点 : 1 紧密结合实测的理论知识; 2 多信使天文学的基础知识介绍; 3 CCD 及数据处理训练 ; 4 自由选题的光学观测实习

14 第三节天文学观测的科学

15 一空间尺度 : 从极小到极大最遥远星系银河系邻近恒星太阳地球人类细胞原子质子夸克 m m 10 9 m 10 0 m m m

17 天体空间尺度比较示意图

18 地球

19 太阳系

20 恒星

21 星团

22 星云

23 银河系

24 河外星系

25 星系团

26 年轻星系

27 最遥远的星系

28 二时间跨度 : 从过去到未来

29 宇宙演化的历史

30 三研究方法 : 从观测到理论再到观测天文学研究的基础观测 ( 观察和测量 ) 天文观测是一种被动的试验观测理论观测距离极远时标极长物理条件极端复杂 ( 温度密度压强磁场 )

31 四发展历史 : 观测主导的历史

32 古代天文学天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代远古时代, 人们为了指示方向确定时间和季节, 而对太阳月亮和星星进行观察, 确定它们的位置找出它们变化的规律, 并据此编制历法从这一点上来说, 天文学是最古老的自然科学学科之一天体测量学 : 天体的位置和变化规律

33 最古老的观测仪器肉眼人类为了方便对星空的观测, 专门修建了观星台, 有的甚至建造了巨型的建筑来辅助观测

34 中国古代天文观测设备登封观星台位于河南登封, 建于元朝初年, 是中国现存最早的天文台

35 北京古观象台, 建于 1442 年

36 北京古观象台上的仪器从左到右依次为赤道经纬仪天体仪 ( 公元 1673 年制造 ) 玑衡抚辰仪 ( 公元 1744 年制造 ) 和象限仪

37 浑仪中国古代天文仪器浑仪, 公元 1437 年仿制, 陈列于南京紫金山天文台中国铜铸天文仪器, 主要用于测定天体的赤道坐标, 也能测黄道经度和地平坐标

38 圭表

39 陈列于南京紫金山天文台的中国古代天文仪器简仪元初天文学家郭守敬创制, 将结构繁复的浑仪简化成把地平和赤道两种坐标系统分开, 故称简仪可减少多重环对观测天区的遮蔽公元 1437 年仿制

40 纪限仪

42 中国早期天文观测成就

43 两汉时期的细致和精密 1973 年在湖南长沙三号汉墓出土的帛书中有关于行星的五星占 8,000 字和 29 幅彗星图前者列有金星木星和土星在七十年间的位置, 后者的画法显示了当时已观测到彗头彗核和彗尾, 而彗头和彗尾还有不同的类型汉书五行志记载征和四年 ( 公元前 89 年 ) 的日食, 有太阳的视位置, 有食分, 有初亏和复圆时刻, 有亏复方位, 非常具体 ; 而河平元年 ( 公元前 28 年 ) 三月关于日面黑子的记载, 则是全世界最早的记录汉书天文志说 : 元光元年六月, 客星见于房, 这正是希腊天文学家喜帕恰斯所见到的新星, 但喜帕恰斯没有留下关于时间和方位的记载

44 宋代鼎盛时期

45 1054 年超新星爆发的观测记录

46 著名的蟹状星云蟹状星云是一颗 1054 年爆发的超新星的遗迹, 距地球约 6500 光年

47 世界上现存较早的宋代大型石刻科学星图, 刻于公元 1247 年星图直径 91.5 厘米, 有星 1400 多颗

48 公元 10 世纪的中国古星图它是世界上现存最早的星图之一, 现列于英国不列颠博物馆

49 中国宋朝 ( 公元 12 世纪 ) 的 28 宿古星象图

51 国外古代天文观测设备位于韩国庆州的古观星台, 建于七世纪

52 位于英国索尔兹伯里北面的著名巨石阵巨石阵主轴线指向夏至日出方位, 其中两块巨石的连线指向冬至日落方向从空中俯瞰巨石阵

53 玛雅 ( 玛雅文明的最大分布范围, 基本上就是以中美洲的尤卡坦半岛为中心, 横跨了墨西哥危地马拉伯利兹和洪都拉斯等国的一部分相邻地区, 总面积约为三十万平方公里, 大致上相当于浙江江苏和安徽三省之和 ) 古天文台它是一组建筑群, 从一座金字塔上的观测点望去 : 东东北和东南庙宇分别是春 ( 秋 ) 分夏至和冬至日出方向

54 印度德里古天文台, 建于 1724 年

55 西方古代天文观测的成果星座五千年前, 在美索不达米亚平原居住过着牧羊生活的古巴比伦人, 每天晚间眺望星星, 将人与动物连接起来, 他们创造了三十六个星座, 其中有十二个延用至今星座的发明, 可是说是光学天文学最早的成就之一

56 星座的确立到了公元前二世纪, 亚力山德里亚的杰出天文学家托勒密 ( 约公元 90 年年 )< 克罗狄斯托勒密 (Claudius Ptolemaeus,) 地心说的集大成者, 约公元 90 年生于埃及, 168 年去世一生著述甚多其中天文学大成 (13 卷 ), 是根据喜帕恰斯的研究成果写成的一部西方古典天文学百科全书, 主要论述宇宙的地心体系 > 把之前天文学家所记载的内容及另外增加整理的资料, 整理出四十八个星座, 即为托勒密四十八星座, 一直延用至今随著大航海时代的来临, 人们发现托勒密四十八星座已经不够用了, 于是到了十六世纪, 许多天文学家来到南天, 加进了更多的星座到了一九三年, 当国际天文联合会开大会时, 决定把全天划成八十八个星座, 这便是我们现在所用的划分

喜帕恰斯和星等的确立喜帕恰斯 ( 也译为伊巴谷, 公元前 190-125, 古希腊 ) 被誉为现代天文学之父, 他首先将天上的星星按明暗程度分成了六个等级, 肉眼可见的最亮的星定为一等星, 肉眼可见的最暗的星定为六等星

57 喜帕恰斯和星等的确立喜帕恰斯 ( 也译为伊巴谷, 公元前 , 古希腊 ) 被誉为现代天文学之父, 他首先将天上的星星按明暗程度分成了六个等级, 肉眼可见的最亮的星定为一等星, 肉眼可见的最暗的星定为六等星直到 1850 年, 英国天文学家普森提出一个星等规定为亮度比的倍, 定量的给出了星等的定义除了星等的区分外, 喜帕恰斯也在公元前 134 年绘制了西方第一份星表, 这一份星表帮助哈雷发现恒星的自行运动

肉眼时代最伟大的观测家第谷第谷 (1546-1601, 丹麦 ) 是卓越的天文仪器制造家, 曾制造过许多大型

58 肉眼时代最伟大的观测家第谷第谷 ( , 丹麦 ) 是卓越的天文仪器制造家, 曾制造过许多大型精密的天文仪器借助他所制作的仪器, 第谷把肉眼的观测精度发挥到了极限, 他也因此被称为是肉眼时代最伟大的观测家

59 丹麦汶岛天文台位于哥本哈根附近的汶岛天文台, 由第谷 1576 年建立中心部分为主楼四侧为天文观测的其它仪器

60 墙式象限仪安装在子午面内的墙式象限仪, 是第谷常用的天文仪器之一它有一个半径为 1.8 米精细的铜圆弧, 圆弧上装有一个观测天体的瞄准器, 左侧 ( 南方 ) 墙上有一个观测孔, 瞄准器正是透过这一个观测孔来观测天体的铜圆弧内是一幅巨大的壁画, 壁画中第谷的手正指着观测孔铜圆弧的前方, 第谷的几位助手正进行观测记录

61 结构独特的大浑仪是第谷最喜爱的天文仪器之一安置在北高南低基座之上的大浑仪装置了一根与地球自转轴平行的极轴, 直径近 3 米的大赤经圈装在该极轴上并能绕极轴旋转从赤经中心向外对称地装有两个可沿赤经圈移动的瞄准器先用其中之一瞄准天体, 从赤经圈上读得天体的赤纬值, 然后把赤经圈反转 180 度, 再瞄准同一天体, 也读得其赤纬值, 取两次观测的平均值作为观测的最后结果这种取平均值的方法, 可消除许多测量上的误差, 大大提高测量精度大浑仪

62 六分仪六分仪也是第谷最喜爱的天文仪器之一为量取两天体目视位置的夹角, 第谷设计出此观测仪器瞄准器上端固定, 下端可在刻度精密的 60 度范围内移动, 此观测仪器正因为应用着 60 度是六分之一个圆弧, 所以称之为六分仪

63 第谷的观测贡献第谷的最重要发现是 1572 年 11 月 11 日观测了仙后座的新星爆发前后 16 个月的详细观察和记载, 使得人们意识到, 天空中的恒星并不是一成不变的他对天文学最重要的贡献就是他穷毕生精力所累积的观测资料, 这些资料在他死後由他的学生开普勒继承, 而开普勒也因为第谷的资料而发现了行星运动定律第谷编制过一份精密的星表, 研究过大气折射, 发现黄赤交角的变化和月亮运动中的二均差, 还重新测定岁差常数

64 近代天文学从十六世纪中哥白尼提出日心体系学说开始, 天文学进入近代天文学哥白尼 ( ) 波兰天文学家, 日心说的创始者

66 光学观测的利器光学望远镜

67 伽利略和他的望远镜 1609 年, 意大利人伽利略 ( ) 首先将望远镜应用于天空伽利略的望远镜是利用透镜聚集光, 且将其会聚于一点, 产生放大的影像, 他是应用着光线穿过玻璃时会弯曲 ( 透镜折射 ) 的原理, 所以伽利略的望远镜被称为折射式望远镜

68 伽利略发现所见恒星的数目随着望远镜倍率的增大而增加 ; 月面上有崎岖不平的现象 ; 银河是由无数单个的恒星组成的伽利略的发现

69 他还发现太阳上面黑子, 并且认为黑子是日面上的现象, 由黑子在日面上的位移, 他得出太阳的自转周期为 28 天 ( 实际上是天 ); 伽利略发现木星有四个卫星 ; 土星两边好像还有星体, 金星也有圆缺的变化,

70 伽利略发现的意义伽利略的这一系列的发现轰动了当时的欧洲, 动摇了地心说, 对哥白尼的日心体系给予有力的支持

71 德国著名天文学家开普勒 ( ) 由第谷的观测资料发现了行星运动的三定律

72 发明反射式望远镜的著名物理学家牛顿 ( )

73 牛顿和他的望远镜 1668 年, 英国科学家牛顿发明了以反射面镜取代的望远镜, 他是应用着凹 ( 向内弯曲的 ) 面镜将光反射于一点上, 并产生放大的影像, 且免除了光经过透镜时会产生的色差现象所以牛顿的望远镜被称为反射式望远镜 1687 年, 出版了自然哲学的数学原理, 奠定了天体力学的基础

74 伽利略 : 折射式望远镜牛顿 : 反射式望远镜

75 1781 年, 威廉赫歇耳利用 7 公尺长直径 30 公分的金属反射式望远镜, 首先发现天王星 ;1782 年, 他用此望远镜率先绘制出了首张详细的银河图, 也就是横伸于夜空的闪烁星群所形成的浓厚环带我们现在已经知道银河系是我们自己所在的星系, 其光芒源自其中数十亿的星球与星云

76 天王星的发现者英国天文学家威廉赫歇耳 ( )

78 星系天文学的创始人哈勃 ( , 美国 )

79 目前世界最大的光学望远镜 VLT(Very Large Telescope) 4x8.2m 欧 2001 Keck I and II 2x8.4m 美 1991/6 LBT(large Binocular Telescope) 2x8.4m 意 2004 GTC(Gran Telescopio Canaries) 10.4m 西 2002 HET(Hobby-Eberly Telescope) 9.1m 美德 1997 SALT(Southern African Large Telescope) 9.1m 南非 2003 Subaru Telescope 8.2 m 日 1999 Gemini Telescope 2x8.1m 美 1999/2001

80 我国的光学望远镜 2.16 米望远镜国家天文台 ( 总部 ) 河北兴隆 1.56 米望远镜上海天文台上海佘山 1.26 米望远镜国家天文台 ( 总部 ) 河北兴隆 1.2 米望远镜国家天文台 ( 云南 ) 云南昆明 1.05 米望远镜陕西天文台陕西临潼 1.0 米望远镜国家天文台 ( 云南 ) 云南昆明太阳磁场望远镜国家天文台 ( 总部 ) 北京怀柔 2.4 米望远镜国家天文台 ( 云南 ) 云南昆明 4 米 LAMOST 望远镜国家天文台 ( 总部 ) 河北兴隆

82 总结

84 2015 年, 引力波探测成功, 标志着天体物理学进入了多信使天文学时代

85 习题 : 1 请简述实测天体物理学的内容和科学意义 2 天文观测有哪几个主要环节?

86 在 1930 年代的早期, 美国贝尔电话公司的一位工程师卡尔央斯基在使用巨大的定向天线研究越洋无线电话的声音在短波上受到的静电干扰时, 他注意到以纸带记录器记下的类比讯号, 持续的有着来源不明但会一直重复的讯号由于这个讯号每天有一个峰值, 因此央斯基起初怀疑干扰的来源是太阳持续的分析显示, 来源不随着太阳的出没变化, 而是以 23 小时 56 分的周期重复著, 这个特征显示来源是一个固定在天球上的天体, 与恒星时同步转动通过它的观测和与光学天文的星图比对, 央斯基认为辐射是来自银河中心星座的人马座方向最强他在 1933 年公布了这项发现, 开启射电天文学的先河 1950 年代, 在英国得到深入发展

87 1800 年, 英国著名天文学家 F W 赫歇耳在观测太阳时, 用普通温度计首次发现红外辐射 1869 年, 罗斯用热电偶测量了月球的红外辐射二十世纪二十年代, 美国天文学家柯布伦茨等人对行星和一些恒星进行红外测量二十世纪六十年代, 随着红外探测器的发展, 红外天文学才蓬勃发展起来目前, 地面上只有近红外 (1.2~5 m) 窗口可以观测, 更长的中远红外波段, 只能利用空间设备观测

88 空间天文学包括 : 红外天文学紫外天文学 X- 射线天文学 - 射线天文学它们是借助气球火箭航天飞机搭载观测设备, 或者直接将观测设备制成卫星发射到空间轨道进行观测波段范围向紫外的自然延伸, 紫外天文学在方法和技术上与传统的天文光学也很相似紫外天文学除了与空间天文学一样对火箭卫星等技术有共同的要求外, 还要求有较大的望远镜 ( 除太阳的低分辨率光度测量外 ) 和望远镜终端设备当然就所用设备的材料而言, 与可见光区是不同的成像系统和探测器所用的透射材料有氟化锂氟化镁蓝宝石和熔石英等美国于 1960 年发射了第一颗天文卫星太阳辐射监测卫星 1 号, 对太阳进行紫外线和 X 射线观测

89 1949 年 9 月, 美国海军研究实验室 (NRL) 的研究人员在新墨西哥州的白沙导弹靶场, 使用德国 V-2 火箭搭载的盖革计数器, 首次观测到了太阳日冕发出的 X 射线 [1], 证实了太阳是一个 X 射线源,1956 年, 人们又利用气球上发射的固体火箭观测到了太阳耀斑发出的 X 射线 1962 年 6 月 18 日, 美籍意大利裔天文学家里卡尔多贾科尼等人利用 Aerobee 探空火箭升至 150 公里的高空, 在 X 射线波段开始了全天范围内的扫描火箭上带有三个盖革计数器, 利用 X 射线穿透的窗口厚度不同, 可以记录下光子的能量, 同时利用火箭自身的旋转确定 X 射线源的方向这次试验意外发现了一个很强的 X 射线源, 因为位于天蝎座, 命名为天蝎座 X-1 后来证实为来自银河系中心的 X 射线辐射天蝎座 X-1 是人类发现的除太阳以外的第一个宇宙 X 射线源这次观测被认为是 X 射线天文学的开端贾科尼也因他开创性的贡献获得 2002 年的诺贝尔物理学

90 - 射线天文学与 X- 射线天文学又合称高能天文学他们的波段不再用波长表示, 而是用光子的能量表示 X- 射线波段为 0.1kev~100kev, - 射线波段为 >100kev 观测的设备又需根据不同的能段, 采用不同的聚光方法和不同的探测器, 这些内容将在 9~11 章中介绍

图1 盖亚将对银河系的恒星进行测绘２０１４３天文爱好者２１

图1 盖亚将对银河系的恒星进行测绘２０１４３天文爱好者２１天文视点 2014 跟随盖亚探宇宙文何锐思 Richard de Grijs) / 翻译程思淼何锐思 Richard de Grijs 北京大学科维理天文与天体物理研究所 KIAA 教授国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人２０图1 盖亚将对银河系的恒星进行测绘２０１４３天文爱好者２１新年到, 展望未来新进展! 意料之外新发现撼动天文学的基础? 为什么宇宙是现在这个样子?

有自编讲义 ( 胶印 ), 多媒体显示 : 绪论 第一节实测天体物理学的内容和科学意义 第二节本课程的安排 第三节天文学 观测的科学

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