天文观测工具和手段

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1、第五章天文观测工具和手段宇宙间天体的相关位置和运行都有一定的规律。从古人对天象的观测和记录到人类认识宇宙的光学望远镜时代、射电望远镜时代以及空间望远镜时代，人类天文测量技术有了很大的发展；现代的天文测量技术主要应用于宇宙太空观测、探测宇宙奥秘等方面。本章简要介绍了获得宇宙信息的渠道、人类探索宇宙的基本方法和工具,以及现代天文观测研究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1．电磁波天文学是观测的科学，主要靠天体辐射到地面的信息中去研究它们的分布、运动、物理化学性质、结构和演化规律。目前，绝大部分

2、是通过认识天体的电磁辐射获取的。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发射来的光辉去研究它们，直到20世纪中期以前，人类的天文知识几乎全部依靠天体发出的可见光辐射所传递的信息获得。几个世纪以来，人们对于光的理论一直进行着争论，一种认为光是波动的，另一种认为光是由粒子组成。现在我们知道，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"。对光的本质的认识，是在19世纪60年代创立了电磁场理论之后。英国科学家麦克斯韦提出，电磁波以波动的形式传播，其传播速度与光速相同，被称为电磁波。从而把当时认为彼此

3、无关的光和电磁波统一起来，即光不过是一定波长范围内的电磁波。到19世纪80年代通过一系列实验，成功地证实了电磁和光具有共同的特性。从此，麦克斯韦的电磁场理论得到普遍承认。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）。宇宙中的天体辐射就是电磁辐射，就波长来说，从108cm～10-12cm。我们眼睛所能感觉到的，只是全部电磁波中很狭窄的一部分，即所谓可见光。其波长范围为0.4μm～0.8μm(1μm=10-4cm)；若用埃表示，则为4000埃～8000埃(1埃=10－8cm)。其它不可见电磁波为紫外线100埃

4、～4000埃，X射线0.01埃～100埃，γ22射线<0.01埃；红外线7000埃～1mm，无线电短波1mm～30m，无线电长波>30m。这些电磁波是否都能在地面被接收到呢?不是的，因为地球大气对天体辐射具有吸收和辐射作用，只有某些波段的辐射才能到达地面，好像大气为它们开的窗口，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收，只有很少部分能在地面观测；③射电窗口，在射电波段有一个较宽的窗口。若要观测天体的全波段辐射，必须摆脱地球大气的屏障，到高空和大气

5、外层进行。在地球轨道处的太阳能量及其穿透地球大气后的衰减（图5-2）。电磁波透过大气时，其衰减强度随波长而异，大气窗口就是指大气对电磁辐射吸收和散射很小的波段，这些波段对遥感非常有利。2．宇宙线 除上述电磁波信息外，还有来自宇宙间的宇宙线，它们是各种高能微观粒子。主要包括质子，α粒子和少量原子核、以及电子、中微子和X射线、γ射线等高能光子。通过对宇宙线的观测，发现了不少重要的高能天体和高能天体物理现象。不过，接受宇宙线，除中微子外，必须用各种粒子探测器到大气外层进行。3．中微子中微子质量极其微小，几乎等于零，而且不带电，与

6、物质的作用非常微弱。是基本粒子中最难探测的一种粒子。根据恒星内部的热核反应理论，应该产生3种类型的中微子：电子中微子，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，可以直接获取恒星内部的信息，但由于中微子的碰撞截面极小，探测中微子是十分困难的。例如在20世纪70～80年代，美国雷蒙德·戴维斯和日本小柴昌俊分别利用各自方法，尝试探测来自太阳的中微子，结果，实验数据与理论预期的不符合。确信方法是可行的，那么问题出在哪里？这就是长达半个世纪的太阳中微子失踪之谜。令人振奋的是：2002

7、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子中微子，而且正好补上了短缺的电子中微子。他们的研究成果揭开了太阳中微子的短缺案，他们这一重大突破不是给他们带来了诺贝尔奖，而是促进了诺贝尔奖授给提出问题的戴维斯和小柴。4．引力子22根据广义相对论，引力如果由引力波传播，则应该存在着相应的载体――引力子。它也是天文信息的间接来源。那么引力波能不能通过观测发现呢？有些科学家们提出测量方案探测引力波，但至今尚未得到公认的肯定结果。不过，进入21世纪，发达国家对引力波的探测又燃起新的兴趣。还有从引力透镜

8、现象中，我们也可以得到宇宙天体的一些信息。5．其它    来自宇宙信息除上述几方面外，还有陨石、宇航取样等。    引力透镜现象：大家知道，透镜是折射式光学望远镜中的重要部件，凸透镜可以使入射的平行光线偏折，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