§ 4.1、天文望远镜

基 础 天 文 第 二 章 天 文 观 测 基 础 知 识

天 文 望 远 镜

1 人 们 获 得 天 体 信 息 的 渠 道 多 信 使 天 文 学 电 磁 波 宇 宙 线 引 力 波 中 微 子 电 磁 辐 射 是 其 中 最 为 重 要 的 一 种

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

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 超 级 神 岗

Icecube Homestake 金 矿 中 微 子 实 验 室

引 力 波 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

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 10 10 cm s -1

根 据 波 长 由 长 到 短, 电 磁 辐 射 可 以 分 为 射 电 红 外 光 学 紫 外 X 射 线 和 γ 射 线 等 波 段, 可 见 光 又 可 分 解 为 七 色 光

大 气 窗 口 地 球 被 一 层 厚 厚 的 大 气 层 包 围, 为 我 们 提 供 了 充 足 的 氧 气 适 宜 的 温 度, 保 护 人 类 免 受 来 自 太 空 的 不 速 之 客, 如 流 星 粒 子 辐 射 等 等 的 袭 击 但 同 时 这 层 面 纱 吸 收 了 大 部 分 波 段 的 电 磁 波, 宇 宙 中 的 各 类 天 体 发 射 着 从 波 长 10 6 米 -10-14 米 范 围 内 的 电 磁 辐 射, 地 面 上 只 能 通 过 两 个 窗 口 光 学 和 射 电 去 观 察 星 象 50 年 代 人 造 卫 星 的 上 天, 使 得 天 文 学 从 地 面 观 测 跃 进 到 空 间 观 测, 从 狭 窄 的 光 学 波 段 射 电 波 段 扩 展 到 整 个 电 磁 波 谱

不 透 明 度

不 同 辐 射 波 段 的 太 阳 光 学 紫 外 X 射 线 射 电

不 同 辐 射 波 段 的 银 河 系

光 学 红 外 最 佳 选 址

加 州 理 工 学 院 的 次 毫 米 望 远 镜 (CSO) 加 法 夏 望 远 镜 (CFHT) 双 子 北 望 远 镜 轻 便 红 外 线 望 远 镜 (IRTF) James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) 昴 望 远 镜 (Subaru) 主 镜 直 径 为 8.2 米, 焦 距 15 米 次 毫 米 波 阵 列 望 远 镜 (SMA) 英 国 红 外 线 望 远 镜 (UKIRT) 夏 威 夷 88 英 吋 望 远 镜 (UH88) 夏 威 夷 24 英 吋 望 远 镜 (UH24) 超 长 基 线 阵 列 (VLBA) 凯 克 望 远 镜 (Keck) 口 径 10 米 夏 威 夷 莫 纳 克 亚 山 (12 座 天 文 台 )

日 本 8.2m 夏 威 夷 大 学 2.2m 夏 威 夷 大 学 0.6m NASA 红 外 北 双 子 加 - 法 - 夏

Keck 望 远 镜 (10 米 口 径 )

智 利 拉 斯 坎 帕 纳 斯 天 文 台 ALMA 欧 南 台 4 台 8.2 米 望 远 镜 智 利 拉 西 拉 天 文 台 ( 欧 南 台 )

下 一 代 地 面 光 学 望 远 镜 TMT GMT E-ELT

2 天 文 光 学 望 远 镜 系 统 构 成 : 望 远 镜 辐 射 分 析 器 ( 摄 谱 仪 视 频 仪 干 涉 仪 和 滤 光 片 ) 探 测 器 ( 照 相 底 片 光 电 倍 增 管 CCD) 记 录 器

光 学 望 远 镜 的 分 类 光 学 部 分 主 要 包 括 物 镜 和 目 镜 物 镜 是 核 心 部 件, 起 聚 光 作 用 按 物 镜 分 类 : 1 折 射 望 远 镜 : 利 用 光 线 通 过 凸 透 镜 的 折 射 聚 光 形 成 光 路 2 反 射 望 远 镜 : 利 用 曲 面 反 射 镜 聚 光 形 成 光 路 3 折 反 射 望 远 镜 : 用 球 面 反 射 镜 为 聚 光 主 镜, 在 主 镜 前 加 一 特 殊 形 状 的 改 正 透 镜, 用 来 改 进 球 面 镜 的 成 象 条 件

折 射 望 远 镜 1) 伽 利 略 式 : 正 像, 视 场 小, 不 能 安 装 叉 丝 2) 开 普 勒 式 : 视 场 大, 便 于 安 叉 丝, 反 像 物 镜 目 镜 由 不 同 折 射 率 的 光 学 玻 璃 复 合 成 的

1570 年 前 后, 荷 兰 的 眼 镜 商 Hans Lippershey 偶 然 制 成 了 第 一 架 望 远 镜 1608 年 申 请 专 利 1609 年 前 后, 伽 利 略 制 成 了 多 台 望 远 镜, 最 大 可 以 放 大 33 倍 望 远 镜 具 有 增 加 聚 光 本 领 和 放 大 视 角 的 作 用 意 大 利 物 理 学 家 伽 利 略 (1564( 1564-1642)

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, 很 快 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

开 普 勒 (1571( 1571-1630) 德 国 的 开 普 勒 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

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 此 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, 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 1673 年, 波 兰 的 赫 维 留 (1611-1687) 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

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 氧 化 铅 含 量 划 分 为 冕 牌 玻 璃 和 火 石 玻 璃, 低 于 3% 的 为 冕 牌 玻 璃, 高 于 3% 的 为 火 石 玻 璃 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

40 英 尺 口 径 折 射 式 叶 凯 士 望 远 镜 (Yerkes Observatory) 迄 今 世 界 上 最 大 的 折 射 望 远 镜 哈 勃 早 期 的 观 测 工 作 开 始 于 此

反 射 望 远 镜 1) 主 焦 点 式 : 反 射 镜 为 抛 物 面 2) 牛 顿 式 : 反 射 镜 为 球 面 镜, 加 上 平 面 镜 3) 卡 赛 格 林 式 : 主 镜 为 抛 物 面 镜, 副 镜 为 凸 的 双 曲 面 镜 4)R C 系 统 : 凹 双 曲 + 凸 双 曲 ( 改 进 型 ) 5) 折 轴 式 : 加 入 几 块 平 面 镜 使 光 束 从 极 轴 方 向 射 出

反 射 望 远 镜 的 主 焦 点 式 反 射 镜 为 抛 物 面 牛 顿 式 反 射 镜 为 球 面 镜 卡 塞 格 林 式 抛 物 面 凸 的 双 曲 面 镜 折 轴 式

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

赫 歇 尔 的 望 远 镜 1781 年 3 月 13 日, 英 国 天 文 学 家 威 廉. 赫 歇 尔 (1738-1822) 用 他 自 制 的 口 径 15 厘 米 的 反 射 镜 发 现 了 天 王 星, 把 太 阳 系 的 尺 度 扩 大 了 一 倍 通 过 观 测 认 为 银 河 系 结 构 是 扁 平 圆 盘 状 发 现 了 天 王 星 后, 赫 歇 尔 磨 制 的 望 远 镜 口 径 越 来 越 大, 他 是 使 反 射 镜 大 型 化 的 始 祖

1789 年 赫 歇 尔 制 成 当 时 世 界 上 最 大 的 望 远 镜 口 径 1.22 米, 焦 距 12.2 米

1867 年 巴 黎 世 博 会 望 远 镜 1851 年 伦 敦 世 博 会 罗 斯 望 远 镜 欧 洲 1900 年 巴 黎 世 博 会 望 远 镜 望 远 镜 的 研 制 已 经 成 为 科 学 和 技 术 发 展 水 平 的 集 中 体 现 美 国 胡 克 望 远 镜 哈 勃 成 就 与 此 海 尔 望 远 镜

折 反 望 远 镜 1) 施 密 特 式 : 球 面 反 射 镜 + 复 杂 的 折 射 改 正 透 镜 2) 马 克 苏 托 夫 式 : 球 面 反 射 镜 + 弯 月 形 折 射 改 正 透 镜 为 了 使 视 场 边 缘 的 星 象 没 有 渐 晕, 一 般 反 射 镜 为 改 正 镜 口 径 的 1.5 倍

施 密 特 望 远 镜 是 折 反 射 系 统, 系 统 中 的 主 镜 为 一 个 球 面 反 射 镜, 在 球 心 处, 物 镜 的 前 面 还 配 置 了 一 个 改 正 透 镜, 用 以 改 正 反 射 镜 的 像 差 这 种 系 统 是 一 个 可 以 得 到 大 视 场 的 优 质 成 像 系 统 一 般 施 密 特 望 远 镜 有 效 视 场 可 达 5 度 适 于 巡 天 摄 影 和 观 测 星 云 彗 星 流 星 等 天 体 小 型 目 视 望 远 镜 若 采 用 折 反 射 卡 塞 格 林 系 统, 镜 筒 可 非 常 短 小 世 界 上 几 乎 所 有 的 全 天 照 像 星 图 都 是 施 密 特 望 远 镜 完 成 的 世 界 上 最 大 的 施 密 特 望 远 镜 是 卡 尔 施 瓦 茨 希 尔 德 天 文 台 1340/2000 望 远 镜

施 密 特 望 远 镜

帕 洛 马 天 文 台 1.22 米 施 密 特 望 远 镜 50 年 代 对 北 天 进 行 了 照 像 巡 天, 对 亮 于 21 m 的 天 体 全 部 拍 了 照 片, 每 张 照 片 是 6. 6 6. 6, 这 就 是 著 名 的 帕 洛 马 天 图, 它 对 天 体 物 理 和 天 体 测 量 工 作 都 有 极 大 的 推 动 作 用

望 远 镜 的 性 能 天 文 光 学 望 远 镜 的 性 能 指 标 评 价 一 架 望 远 镜 的 好 坏 首 先 要 看 望 远 镜 的 光 学 性 能, 然 后 看 它 的 机 械 性 能 的 指 向 精 度 和 跟 踪 精 度 是 否 优 良 望 远 镜 的 光 学 性 能 指 标, 主 要 有 六 个 参 量 : 有 效 口 径 放 大 率 分 辨 本 领 相 对 口 径 ( 光 力 ) 贯 穿 本 领 ( 极 限 星 等 ) 视 场

1) 口 径 D I πd 2 物 镜 起 集 光 作 用 的 直 径, 口 径 越 大 收 集 的 辐 射 越 多 越 能 观 测 到 暗 弱 的 天 体 口 径 愈 大 能 收 集 的 光 量 愈 多, 即 聚 光 本 领 就 愈 强, 口 径 愈 大 愈 能 观 测 到 更 暗 弱 的 天 体 因 而, 大 口 径 显 示 着 探 测 暗 弱 天 体 的 威 力 大, 这 是 因 为 望 远 镜 接 收 到 天 体 的 光 流 量 与 物 镜 的 有 效 面 积 (πr 2 ) 成 正 比

径 大 两 倍 但 下 面 的 照 片 所 用 望 远 镜 的 口 此 两 幅 照 片 曝 光 时 间 相 同,

2) 相 对 口 径 A A = D/F 望 远 镜 的 光 力 也 叫 相 对 口 径, 即 口 径 D 和 焦 距 F 之 比,A=D/F 光 力 A 的 倒 数 叫 焦 比 (1/A= F/D) 望 远 镜 光 力 越 大, 观 测 有 视 面 天 体 ( 太 阳 星 系 和 星 云 等 等 ) 越 有 利 望 远 镜 的 光 力 大, 观 测 有 视 面 天 体 ( 如 太 阳 月 亮 行 星 彗 星 星 系 和 星 云 等 ) 越 有 利, 因 为 观 测 到 天 体 的 亮 度 与 光 力 A 2 成 正 比 例 如, 天 文 学 家 为 了 研 究 太 阳 的 精 细 结 构 和 细 致 的 活 动 情 况, 需 要 通 过 望 远 镜 呈 现 出 一 个 大 而 明 亮 的 太 阳 像, 这 需 要 口 径 大, 焦 距 长 的 望 远 镜 来 观 测 又 如 彗 星 观 测, 要 研 究 它 的 形 状, 彗 头 彗 尾 等 结 构 也 需 要 用 光 力 大 的 望 远 镜 相 反, 对 于 恒 星 的 研 究, 望 远 镜 的 口 径 大 光 力 小, 才 能 观 测 到 更 暗 弱 的 星

3) 分 辨 角 δ 分 辨 角 : 两 天 体 的 像 刚 刚 能 被 分 开 时, 它 们 所 对 应 的 是 天 球 上 两 点 的 角 距 离 根 据 光 的 衍 射 原 理, 分 辨 角 为 : δ( 弧 度 ) = 1.22λ/D 式 中 D 为 望 远 镜 的 口 径 ;λ 为 入 射 光 的 波 长 若 分 辨 角 δ 用 角 秒 为 单 位 (1 弧 度 =206265 ) 波 长 用 目 视 观 测 最 敏 感 的 λ=555nm 代 入, 则 有 :δ= 140 /D(mm) 波 长 用 照 相 观 测 最 敏 感 的 λ=440nm 代 入, 则 有 :δ= 110 /D(mm)

对 M31 的 观 测, 分 辨 角 分 别 为 (a) 10', to (b) 1', (c) 5", and (d) 1".

4) 放 大 率 G 目 视 望 远 镜 的 放 大 率 等 于 物 镜 的 焦 距 F 1 与 目 镜 的 焦 距 F 2 之 比, 即 G= F 1 /F 2 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

5) 视 场 ω 望 远 镜 的 成 像 良 好 区 域 所 对 应 的 天 空 角 直 径 的 范 围 叫 望 远 镜 的 视 场, 用 角 度 (ω ) 表 示, 与 放 大 率 G 成 反 比 tanω = tanω / G ( 目 镜 望 远 镜 ) ω 为 目 镜 对 应 的 角 直 径, 称 为 目 镜 视 场, G 为 放 大 率 望 远 镜 若 存 在 大 的 像 差, 视 场 边 上 的 像 很 差, 成 像 的 良 好 区 小, 自 然 视 场 就 小 对 于 星 系 或 特 殊 天 体 的 巡 天 观 测 必 须 要 有 大 视 场 的 望 远 镜, 这 样, 一 次 观 测 就 可 以 覆 盖 比 较 大 的 天 区 施 米 特 望 远 镜 的 焦 距 比 较 短, 更 主 要 的 是 它 的 光 学 系 统 的 像 差 消 得 比 较 好, 故 它 的 视 场 ω 可 达 十 几 度 一 般 反 射 望 远 镜 的 视 场 ω 小 于 1 度

6) 极 限 星 等 ( 贯 穿 本 领 )m 理 想 条 件 下, 通 过 望 远 镜 能 看 的 最 暗 的 星 等 为 望 远 镜 的 贯 穿 本 领 ( 极 限 星 等 ) 它 反 映 了 望 远 镜 观 测 天 体 的 能 力 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

衡 量 望 远 镜 性 能 的 重 要 参 量 使 用 望 远 镜 的 主 要 目 的 : 1 聚 光 本 领 : I πd 2 2 分 辨 本 领 : θ=1.22λ/d 衡 量 望 远 镜 的 重 要 参 量 是 口 径

3 射 电 望 远 镜 20 世 纪 30 年 代, 央 斯 基 首 先 发 现 了 来 自 天 体 的 无 线 电 波 1937 年, 雷 伯 架 设 了 一 台 直 径 9.6m 的 金 属 抛 物 面 天 线, 收 到 了 来 自 银 河 系 的 无 线 电 波, 证 实 了 央 斯 基 的 发 现 随 着 二 战 爆 发, 雷 达 技 术 获 得 了 巨 大 进 展, 也 推 进 了 战 后 射 电 望 远 镜 的 发 展 央 斯 基 1937 年 雷 伯 建 造 的 射 电 望 远 镜 复 制 的 1931 年 射 电 望 远 镜

射 电 望 远 镜 系 统 组 成 经 典 射 电 望 远 镜 包 括 : 天 线 系 统 接 收 系 统 和 记 录 系 统 经 典 天 线 系 统 是 旋 转 抛 物 线 面 天 线, 他 的 优 点 是 有 汇 集 射 电 波 的 接 收 面, 频 带 较 宽, 比 较 易 于 进 行 机 械 跟 踪 和 扫 描 接 收 系 统 主 要 是 将 微 弱 的 射 电 信 号 放 大 记 录 系 统 指 使 用 记 录 仪 或 电 表 将 接 收 机 放 大 的 信 号 显 示 出 来, 并 进 行 记 录

当 代 射 电 望 远 镜 英 国 洛 弗 尔 射 电 望 远 镜 澳 大 利 亚 帕 克 斯 射 电 望 远 镜 美 国 阿 雷 西 博 射 电 望 远 镜 美 国 格 林 班 克 射 电 望 远 镜

当 代 射 电 望 远 镜 剑 桥 大 学 赖 尔 综 合 孔 径 射 电 望 远 镜 ALMA SKA 美 国 新 墨 西 哥 州 甚 大 阵 综 合 孔 径 射 电 望 远 镜

4 空 间 望 远 镜 和 空 间 探 测 器 哈 勃 太 空 望 远 镜 (1990 年 发 射 ) 依 巴 谷 卫 星 (High Precision Parallax Collecting Satellite, 缩 写 为 Hipparcos) 欧 洲 与 1989 年 发 射, 主 要 用 于 观 测 恒 星 其 他 波 段 : (1) 紫 外 和 红 外 (2)X 射 线 (3)γ 射 线

X 射 线 卫 星 望 远 镜 X 射 线 光 子 很 难 被 反 射 掠 射 望 远 镜

ROSAT 与 Chandra 卫 星 对 蟹 状 星 云 的 观 测