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天文观测

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天文学是一门古老而常新的自然科学,研究对象是宇宙的规律。它是以观察及解释天体的物质状况及事件为主的学科。主要研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化。天文学与其他自然科学不同之处在于,天文学的主要实验方法是观测,通过观测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究,是天文学家努力研究的一个方向。不断改进和拓宽天文观测的方法是天文学家和天文爱好者永无止境的追求和使命,也是推动天文学发展的动力和源泉。


目录

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历史起源编辑本段回目录

天文观测仪器天文观测仪器

1608年,荷兰眼镜商李波尔赛偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物,受此启发,制造了人类历史第一架望远镜。1609年,天文学家伽利略制作了一架口径4.2厘米,长约1.2米的折射式望远镜。这架望远镜将天文学带入了望远镜时代。

随后在1611年,德国天文学家开普勒又将天文望远镜作了改进,提高了放大倍数。直到今天人们使用的折射式望远镜还是这两种。天文望远镜采用的是开普勒式。折射望远镜的优点是焦距长,底片比例尺大,对镜筒弯曲不敏感,比较适合于做天体测量方面的工作。但是它也有一定的缺陷,巨大的光学玻璃浇制也十分困难,到1897年折射望远镜的发展达到顶点,技术上的限制使得此后的一百多年中再也没有更大的折射望远镜出现。

1668年诞生了第一架反射式望远镜。经过多次磨制非球面的透镜失败后,牛顿另辟思路发明了反射望远镜。用反射镜代替折射镜是一个巨大的成功。它有许多优点,而且相对于折射望远镜比较容易制作,虽然它也存在固有的不足。

折反射式望远镜最早出现于1814年。到了1931年,德国光学家施密特将一块近于平行板的非球面薄透镜与球面反射镜相配合,制成了一架折反射望远镜。这种望远镜光力强、视场大、象差小,适合于拍摄大面积的天区照片,尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。这类望远镜已经成了天文观测的重要工具。它兼顾折射和反射两种望远镜的优点,非常适合业余的天文观测和摄影。

三百多年来,光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。1932年,央斯基(Jansky. K. G)用无线电天线探测到来自银河系中心(人马座方向)的射电辐射,标志着人类打开了在传统光学波段之外进行观测的第一个窗口。二次大战后,射电天文学脱颖而出。射电望远镜为射电天文学的发展起了关键的作用。六十年代天文学的四大发现:类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射,都是用射电望远镜观测得到的。

场地选择 编辑本段回目录

要进行天文观测,没有一个好的场地是绝对不行的。观测场地周围的环境直接影响着观测效果:如果障碍物过多,很难见到观测目标,就更甭提观测了;如果气流变化过大,会造成图象的抖动和变形,使望远镜的分辨率降低;如果天空被灯光照得很亮,极限星等(肉眼可见最暗恒星的星等)就会降低,换句话说,也就是看到的恒星数就会减少,对观测和摄影都会造成很大的影响,甚至根本无法进行……为了使观测活动达到预期效果,选择一个合适的场地是必须的,选择时要注意以下几点:

一.选择一个开阔的场地,如运动场,使能看到的天区增到最大。如果住在高楼林立的居民区内,在楼下随便找个地方是绝对不能观测的。可想而知,在几栋楼之间要想看到天顶以外的部分是件非常困难的事情。在运动场之类的地方就可以避免这些麻烦事了。

二.其次,要注意气流的影响。若在建筑物附近观测,应特别注意要避开开着的窗户,因为在开着的窗口附近,很容易产生复杂的气流,以至于影响观测效果。此外,还应该注意尽量避免直接在水泥地面上观测,因为水泥的比热容(降低同样温度放出热量的多少)很小,所以在夜间温度会很快下降,也会造成气流变化。土地就比水泥地面好得多,如果有条件的话,最好选择在草地上观测,因为草地含有大量水分,水的比热容又大,所以不易引起气流的剧烈变化。当前,许多天文台都建设在海边或海岛上,主要也是因为这个原因。

三.再次,灯光也是一个不可忽视的问题。随着经济的发展,城市的灯光越来越多,天空被照得越来越亮,而且许多灯都是彻夜不关的,正如上面所说,这对天文观测造成了极为严重的影响。虽然你不能为了进行观测而不让城市发展,但是我们可以主动的去避开灯光。在美国,天文爱好者们为了躲避灯光的影响,自己驾车几十,甚至几百公里来到野外进行观测的事情已是屡见不鲜了——我们也只能学他们,找一块自己认为足够黑暗的地方——当然,应该是自己熟悉的地方,千万不要到自己毫不知情的荒郊野外,以免发生危险。

观测地点编辑本段回目录

如果没有山,在城市里没有什么地方适合做深空天体的天文观测,因为大气污染和光污染太严重了。在城市里估计只能观测太阳、月亮和木星土星。观测火星都比较勉强。

探测手段编辑本段回目录

凯若卡天文观测塔凯若卡天文观测塔

除了射电观测,非可见光天文观测还包括红外观测紫外观测X射线观测和γ射线观测等。由于这几种天文观测受地球大气的影响更大,人们往往将望远镜安装在飞机上,或用热气球载上高空。此后又用火箭航天飞机卫星等空间技术将望远镜送到地球大气层外。

空间观测设备与地面观测设备相比,有极大的优势。光学空间望远镜可以比在地面接收到宽得多的波段。由于没有大气抖动,分辨率也得到了极大的提高。空间没有重力,仪器也不会因自重而变形。

以天文学家哈勃的名字命名的哈勃空间望远镜(HST)是由美国宇航局主持建造的四座巨型空间天文台中的第一座,也是所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受公众注目的一项。它筹建于1978年,设计历时7年,1989年完成,并于1990年4月25日由航天飞机运载升空,耗资30亿美元。但是由于人为原因造成的主镜光学系统的球差,不得不在1993年12月2日进行了规模浩大的修复工作。成功的修复使哈勃望远镜的性能达到甚至超过了原先设计的目标。观测结果表明它的分辨率比地面的大型望远镜高出几十倍。它对国际天文学界的发展有非常重要的影响。

发展历程编辑本段回目录

丽江高美古天文观测站丽江高美古天文观测站

空间天文观测航天器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天文观测的航天工具。空间天文观测﹐又称为大气外观测。虽然人们在卫星上天以前﹐已开始利用飞机﹑气球﹑火箭进行探测。但是它们有很大的局限性。飞机飞行的高度约10~25公里﹐使红外观测得到改善﹐但要接收高能的短波辐射仍无能为力。气球的飞行高度虽比飞机高﹐但气球上面的大气对天文观测仍有影响。火箭又有观测时间短暂的弱点。利用航天器进行天文观测﹐兼有高度高和观测时间长的优点。航天器的高度一般都在几百公里以上﹐从而可以避开地球大气和地磁场的影响。航天器的工作寿命一般为几个月至几年。利用航天器进行空间天文观测﹐不但可以观测太阳系天体所有波长的电磁辐射﹐而且还可观测到不同能量的粒子辐射。对于恒星﹐其观测波长仅受星际气体吸收的限制﹔而对于月球﹑行星和行星际空间﹐则可作直接采样或逼近观测。

一个完整的空间天文探测系统包括航天器﹑运载火箭和地面支援设备三大部分。航天器是装载科学仪器﹑执行探测任务的主要部分。进行空间天文观测的航天器必须具有控制自身姿态变化的能力﹐具有精确的定向精度﹐以完成证认天体﹑确定辐射空间分布和辐射源位置的任务。为了进行复杂的科学考察﹐航天器还必须具备大规模数据贮存和快速传输的能力。近年来世界各国相继发射了大量航天器。为了执行各种特定的使命﹐还发射了一系列考察卫星﹑行星和行星际的航天器﹐构成不同的观测系列。

天文观测卫星系列:目前﹐使用得最多的空间天文观测器是天文卫星。根据观测对象和任务的不同﹐天文卫星可分为太阳观测卫星和非太阳探测天文卫星。有些卫星兼有太阳观测和非太阳探测的性能。

太阳观测卫星:从空间观测太阳,主要是利用地球轨道太阳观测卫星﹑某些深空探测器和天空实验室上的阿波罗望远镜装置。此外﹐许多地球物理探测卫星﹐例如﹐轨道地球物理台(OGO)系列﹐也有太阳观测实验项目。二十世纪六十年代初期﹐美国相继开始发射两个持续整个太阳活动周的太阳观测卫星系列──太阳辐射监测卫星(SOLRaD)轨道太阳观测台 (OSO)系列。苏联的太阳观测卫星﹐除“宇宙号”系列中的某些卫星以及苏联和东欧国家合作的“国际宇宙”系列中的一些卫星外﹐主要包括在“预报号”系列中。“预报号”和行星际监测站 (IMP)系列分别为苏联和美国用来作为研究日地关系﹐考察太阳风﹑行星际磁场﹑地球磁层以及行星际物质等特性的行星际监测站。此外﹐欧洲空间局先后发射了研究太阳和辐射的国际辐射研究(IRIS)卫星﹐以非太阳探测为主﹑太阳观测为辅的“特德”-1A(TD-1A)卫星﹐并与美国合作发射了“国际日地关系探险者”(ISEE)。西德与美国合作发射了“太阳神”(Helios)卫星。“太阳神号”到达离太阳约 0.3天文单位处﹐进入日心轨道﹐是目前最接近太阳的深空太阳观测器。天空实验室是多用途的实验性载人轨道空间站﹐它携带的阿波罗毒狄钥杉猢p紫外和 X射线等波段对太阳进行高分辨率的电视和照相观测。

非太阳探测天文卫星:非太阳探测天文卫星﹐分别以某一波段或某几个波段巡视天空辐射源﹐测定其方向﹑强度和辐射谱特徵﹐观测银河系和河外天体。美国的非太阳探测卫星主要有轨道天文台 (OAO)﹑射电天文探险者(RAE)﹑小型天文卫星(SAS)和高能天文台(HEAO)。其他国家和组织也已发射一些非太阳的天文卫星﹐其中较主要的有﹐欧洲空间局的“特德”-1A(TD-1A)卫星﹑宇宙线观测卫星-B(COS-B)﹐荷兰和美国联合发射的荷兰天文卫星(ANS)﹐英国的“羚羊”5号(Ariel-5)卫星﹐法国的紫外天体分析卫星(AURA)﹐法苏合作的“信号” 3号(Signe-3)卫星﹐苏联的“宇宙”215号卫星等。

月球﹑行星和行星际的探测器系列 航天器飞出地球后就可成为对月球﹑行星和太阳系其他天体以及行星际空间进行直接采样或逼近观测的探测器。

佘山天文观测台佘山天文观测台

月球探测器:自1959年苏联发射飞向月球的第一枚月球火箭──“月球”1号以来﹐一些国家已发射了各种月球探测器以不同方式(逼近飞行或硬著陆﹑轨道环行﹑软著陆﹑取回样品﹑载人登月飞行等)﹐通过拍照﹐自动测量﹑采样分析﹑实地考察﹐对月球及其附近空间进行了详细考察。美国先后发射了“徘徊者”﹑“月球轨道环行器”﹑“月球勘测者”和“阿波罗”等四种月球探测系列。“徘徊者”7~9号较为成功地完成了任务。五枚月球轨道环行器3﹑5﹑6号分别在月球上实现软著陆。阿波罗月球探测是美国最庞大的月球探测计画。苏联的月球探测计画主要是“月球号”系列。“月球”1~3号为初级阶段﹐目的是飞向月球﹐实现硬著陆﹔“月球”4~14 号为中级阶段﹐试验在月球软著陆技术﹐绕月飞行考察月球空间﹐并研究月球土壤﹔“月球”15号以后为高级阶段﹐发展成月球自动科学站。“月球”16号实现不载人的自动挖取月球岩石样品并返回地球。“月球”17号和“月球”21号各携带一辆月行车﹐软著陆后﹐月行车由地面站操纵﹐在月面上自动行驶考察。

行星和行星际的探测器:已发射的行星和行星际的探测器系列有美国的“先驱者”﹑“水手”﹑“海盗”﹑“旅行者”和苏联的“金星号”﹑“火星号”和“探测器”。

它们分别飞向金星﹑火星﹑水星﹑木星和土星﹐以逼近飞行或在行星表面软著陆方式﹐通过拍照和自动测量﹐研究行星表面﹑行星大气以及地球到这些行星之间的行星际物质。此外﹐行星际监测站和“预报号”系列测量了地球周围的行星际空间。向更遥远的外行星的飞行﹐由于飞行时间长和飞船离太阳越来越远﹐无法利用太阳能供电﹐必须设计特殊的航天器。

载人轨道空间站:随著空间技术的发展﹐现已发射实验性的载人轨道空间站──天空实验室。它可进行广泛的科学实验和应用研究﹐除生物医学﹑地球资源勘测和综合性实验外﹐也担负空间天文观测的任务。未来的轨道空间站﹐将利用航天飞机承担把人员和仪器设备运送到空间站去并在空间站进行维修的任务。

选购指南编辑本段回目录

双子座天文观测站双子座天文观测站

天文观测用望远镜选购指南:很多天文爱好者都希望拥有一架理想的天文望远镜,目前市场上几百至一二千元的国产简易单筒天文望远镜的生产厂家和品种很多,其结构基本都是相同的:采用一片消色差物镜片和几组目镜片,镜身为塑料或薄金属,配有一只简易三角架,口径在50-60mm不等,倍数从几十倍时成像还算可以,但倍数再高时成像迅速变差;影像反差降低、模糊不清、抖动严重,尤其是在几百倍时基本无法观测,同时由于受工艺水平限制和节省成本,这些简易天文望远镜大都采用一片反光镜进行简单的半转像,所观测到景物是左右相反的,操作十分不方便。望远镜属于精密器材,从设计、选材、浇注、毛坯、磨制、胶合、镀膜、装配、检校等均有着较高的要求,一般的小厂很难全面做到,质量也更难以保证。因此在选购上最好还是选正规大型光学厂、军工厂的产品。

对于天文观测来说,由于天体光线暗弱,口径(物镜片直径)大小是最重要的。口径越大、通光量就越大,成本、体积就越大。世界上对于天文望远镜的命名,也都是以口径称呼的,如:120厘米级、2.16米级(我国最大)、6米级(前苏联和世界最大)。所以如果经济条件许可,天文观测用望远镜首先应尽量选择大口径的。

倍数=物镜焦距/目镜焦距,所以在磨制镜片时只要增加物镜焦距或者减少目镜焦距既可得到更高的倍率,如果愿意,倍数可以轻易地做到几百几千倍以上,但实际上一架望远镜合理的使用倍数是受物镜口径、观测环境限制的:口径大的倍数可以高些,但这也是有限度的,即使用天文台使用的大型天文望远镜:其最高倍数一般也只是几百倍,这是因为观测环境对望远镜的影响更大,随着陪数的增高,大气中的灰尘、气流也会被同时放大。同时倍数越高,观测视场就越小、越暗、导致分辨力下降,反而使观测效果降低,这也是为什么要耗巨资在太空中安置哈勃望远镜的原因。另外高倍率对望远镜的稳定性要求也极高,在几十倍时,很小的碰动也会使望远镜的景物发生抖动,几百倍时既使很轻的微风也会导致景物抖动不停,难以政党观测。高倍所导致视场变小的另一大不足是寻找目标极为困难,用过天文望远镜的朋友都有这种体会:想要用高倍望远镜寻找一个目标是很麻烦的,好容易找到所要观测的目标后,又会因地球的自转而使目标很快离开视场,又得重新寻找。因此说盲目追求高倍是不实际的。根据光学规律和长期的经验表明,一架望远镜的最大实用倍率为D值左右(D=物镜口径,毫米),如一架望远镜口径为50mm,其最大实用倍率不应超过50倍。

在天文观测中,除了月球、太阳、几大行星、星团、星云、星系等天体由于距地球相对近些或大些,可以观测到视面,对于其它所有的恒星来讲,由于距地球实在太遥远,即使是太空中的哈勃望远镜进化论多少倍看到的也只是一个亮点。但口径越大看到的恒星亮点也就越多,所以对于天文望远镜来讲同双筒望远镜一样,口径比倍率更重要,由于天文观测都是固定在三角架上,因此体积大些无关紧要。

天文观测
天文观测

俄罗斯比较常见的适合天文观测的单筒望远镜有20x50海盗式、20-30x50小台式、30-60x70大台式、55x105反射式、111x116反射式等,这些单筒望远镜都俄罗斯军工厂出口,无论是外观工艺,还是光学素质都非常好,倍数设计也非常合理,都在D值之内,而且全部采用全转像装置,从镜中看到的景物与实际景物方向一致,不仅适合天文观测,也适合地面观测。一般天文爱好者选20x50海盗式就可以了,这是一台传统的经典型望远镜,内部采用了多达9组11片的精密结构,成像尖锐。条件好的也可以选30-60x70大台式,其特有的转塔式变倍方式源于大型军用双筒望远镜,十分方便,并且配有一只可折叠的金属三角架。如果喜欢天文摄影,也可选55x105、111x116两种反射式,不过天文摄影难度很大。

中国的天文爱好者一般都购买单筒天文望远镜,进行天文观测,其实国外大多数天文爱好者者普遍使用大口径的双筒天文望远镜,这是很有道理的:双筒望远镜最大的的优势在于双眼同时观测,不但视场宽广、更为舒适、不易疲劳、立体感强,尤其是充分地利用了人眼有效瞳径,使观测灵敏度大大提高,其实际观测效果远远高于同口径的单筒望远镜,如一架口径50mm的双筒望远镜其实际通光亮大约相当于一架口径70mm的单筒望远镜,可以看出使用双筒望远镜进行天文观测更为经济、实用。国外很多业余天文爱好者就是用大口径双筒望远镜做出了很多天文发现,例如:著名的百武慧星就是日本天文爱好者百武裕司用一架富士25x150大口径双筒望远镜首先发现的,当然国外天文爱好者大多都有经济实力,如他们用量最大的富士25x150大口径双筒望远镜合人民币约六七万元。另外,我国98厂生产的专供部队哨所远距离观测用的25-40x100大型双筒望远镜对于天文观测极为出色,价格相对也不算贵,对有经济能力的读者可以考虑选购。

月球观测 编辑本段回目录

对广大天文爱好者和天文普及教育工作者来说,掌握月球的光学观测,实为一技之本。 由于月球的视面大,表面清晰可辨,可观测的项目多,而且通过认真的观测,比较容易获得观测成果,因此,月球观测是进行天文普及教育的最生动最真实的活动。

月面整体结构的观测 月球正面结构千姿百态,有十九个月海可见。每个月海都各具特色。绵延着十五个著名的山脉,它们巨峰突起,怪崖峥嵘。环形山更是比比皆是。

月相变化的观测 从月牙到皓月,一直倍受天文爱好者们的青睐。对月面明暗交界线区域的观测是挠有情趣的。在一年中,月面上每个区域要被明暗界线扫过25次,也就是要产生25次不同角度的阳光照射。

月面局部区域的特殊观测 比如对雨海环境的观测,对科希峭壁的观测,对哥白尼环形山、第谷环形山、阿里斯塔克环形山,以及它们的辐射纹的观测等等,奇情异景,跃然入镜。

月球天平动的观测 由于月球天平动的影响,月球在南北方向上(即上下方向)有±6。.7的变化,就象是在抬头和点头。在东西方向上(即左右方向)有±7。.6的变化,又象是在跳摇摆舞。因此,我们从地球上看到整个月面的59%。长期的目视观测你会亲有所感,长期的照相观测,你可以获得月面这种奇妙的留影。

月球视直径变化的观测 由于月球轨道是椭圆的。它和地球的距离总在变化之中,从地球上看到月球视直径也是在29'22-一33'26-之间变化的。凭肉眼绝对感觉不出,但是,从月球过近地点和远地点的照片对比中,可以明显地反映出来。如果你的天文望远镜物镜焦距是1000毫米,那么,月球像的直径是在8.4-9.6毫米之间变化。

注意事项 编辑本段回目录

天文观测的效果受外部因素影响较大,因此在观测过程中有许多需要注意的地方,现总结如下。

一.灯光

当你好不容易避开城市灯光的干扰,找到一个足够理想的观测场地时,心里一定是很兴奋的。但要记住以下几点,以免招来不必要的麻烦。

要知道,正常人在黑暗中至少要经过半个小时才能完全适应黑暗,使瞳孔张到最大,增大人眼的通光量,达到最佳状态。如果在适应过程中有意或无意望向明亮的物体(如灯、火甚至是月亮),都会使瞳孔猛然缩小,使刚才的适应过程前功尽弃,你不得不再花半个小时来适应黑暗,浪费了宝贵的观测时间。因此,在适应过程中和观测时都要绝对避免强光对眼睛的刺激。

1.照明

平时使用的白炽灯和节能灯等较亮的灯具是决不可以在观测中使用的。在黑暗中,红光对人眼的刺激最小,因此,可以用一块适当厚度的红布或者是红色塑料布罩在功率较小的手电筒上,来进行短时间的照明。

2.闪光灯

在观测和适应过程中,万万不可使用闪光灯。闪光灯的亮度是极强的,虽然发光时间只是短短的几十分之一秒,但它也足可使你半个多小时的适应白费,并且影响到观测。如果周围有人进行天文摄影,你的闪光灯也许会使别人一晚上的心血前功尽弃。如果必须拍照,那么应在所有观测进行完毕,并且周围几十米没有任何观测者时进行。

二.取暖

在冬天观测天气往往很冷。如果需要取暖,一定不可以生火,尤其是在望远镜附近。燃烧放出的热量会使空气剧烈的抖动,造成天体模糊不清,而且影响的范围很大。并且,明亮的火光对人眼也有很大的刺激。同样原理,大功率的电暖气也不可使用,不但效果不佳,还会浪费大量的电能。最好的方法还是多穿衣服,可以带上毯子。如果实在太冷,还是尽早回家为好。毕竟,身体是最重要的。

三.防蚊虫

夏天郊外夜晚的蚊虫是极多的。稍不注意,不出半小时,身上就会被蛰得痛痒难忍。野外和家里毕竟不一样,有些在家中很管用的方法在野外便失去了作用。比如点蚊香,由于户外空气流速较快,燃烧蚊香放出的有驱蚊作用的物质会很快的扩散,达不到应有的效果。最管用、最方便的方法还是穿长衣、长裤,虽然可能会热些,但总比被蚊虫蛰后的滋味好受些。另外,应在脸上和手上喷洒适量花露水等一类药品,以确保蚊虫没有可乘之机。

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作者:(英)安东?范普鲁|译者:刘勇

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出版日期:2008-11-1 0:00:00

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