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实测天体物理学

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  利用实验物理学的技术和方法来观测和研究天体的物理本质的学科。
  诞生 
 十九世纪中叶,分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究,产生了实测天体物理学。①分光学:1666年,牛顿用三棱镜得到太阳光谱,发现太阳光是复合光。1802年,沃拉斯顿在棱镜前加上一个狭缝后,发现太阳光谱中的吸收线。1814年,夫琅和费制成了分光镜。1859年,基尔霍夫说明了吸收线产生的原因。他们的工作为天体分光学打下了基础。②光度学:喜帕恰斯托勒密先后在编制星表时,把肉眼能看到的星按亮度分为6等。但星等的准确定义,一直到十九世纪中叶才定下来。1856年,普森建议把相邻两个星等的亮度比值定为勄,即2.512,他的建议被普遍采纳。以后光劈光度计制造成功,使天体光度测量的结果更加准确。照相术应用于天体的观测以后,照相测光几乎代替了目视测光。光电技术应用于天体光度测量则是二十世纪的事。③照相术:1727年,舒尔策发现银盐见光变黑现象;到1839年,达盖尔才利用这个性质发明了照相术。1845年,费佐等人拍摄到第一张太阳照片,发现上面有几个黑子。1851年,布施在日全食时,拍摄到日冕的照片。1859年,W.C.邦德首先利用照相方法进行恒星的光度测量。以后,照相术广泛应用于天体的观测,并包括恒星光谱分类工作。直到今天,照相术仍然是天文学研究中的一种重要手段。
  理论和技术的配合  从二十世纪开始,物理学的迅速发展,尤其是原子物理学、原子核物理学、量子力学和相对论的建立和发展,为天体物理学提供了分析观测资料的重要理论基础。理论物理学应用于天体研究,形成了一个新的分支学科──理论天体物理学。它与实测天体物理学相互配合,推动了天体物理学的发展。从此新天象和新理论不断出现:对太阳进行光谱观测,证认太阳大气里含有几十种元素;观测太阳表面的特征结构,并发现黑子磁场;五大行星表面温度的实测结果与理论推算相符合;通过实测初步证认了几个行星大气的组成并发现彗星的彗头光谱和彗尾光谱的差异和它们的化学组成。通过恒星的测光和分光研究,确定了大量恒星的各种物理量──光度、质量、大小、表面温度、表面压力、自转速度等,确定了河外星云都是庞大的恒星系统。此外,还从理论上研究了恒星的内部结构、能量来源以及天体上的不稳定过程的本质。
  天体物理学的发展,要求不断扩大天文望远镜的口径,配备更精密的附属设备,改进观测技术。本世纪初,已经有了几座口径1.5米以上的反射望远镜,1918年,美国威尔逊山天文台建成口径2.54米的反射望远镜。1948年,帕洛马山天文台建成口径5.08米的反射望远镜。各种新技术(自动化技术、光电像转换技术、电子计算机技术)的应用,不断给实测天体物理学增加新的武器。
  全波天文学概述  天体的电磁辐射包括射电波(1毫米~30米)、红外线(7000埃~1毫米)、可见光(4000~7000埃)、紫外线(100~4000埃)、X射线(0.01~100埃)和γ射线(<0.01埃)。①射电天文:紫外线、红外线容易被地球大气分子吸收,而波长1毫米~30米的无线电波,则不易被吸收。1931~1932年,央斯基在研究长途电讯干扰时,发现了来自银心方向的宇宙无线电波即宇宙射电。二十世纪四十年代,英国一部军用雷达接收到一种异常干扰,又发现了太阳发出的强烈的无线电辐射,即太阳射电。以后,人们愈来愈广泛地使用无线电方法研究天体和宇宙的射电辐射,射电天文学便诞生了。六十年代的四大天文发现──类星体脉冲星星际分子微波背景辐射,都是通过射电天文手段取得的。②空间天文:1946年,美国开始利用V-2型火箭在离地面30~100公里不同高度处拍摄紫外光谱,获得不少太阳光谱新知识。1949年,伯奈特利用V-2型火箭在 90公里高度处用涂铍底片发现了太阳的X射线。1953年,利用光子计数器代替底片作为太阳辐射的探测器。观测表明,由色球发出的紫外线和由日冕发出的 X射线强度变化很大。只有持续观测,才能取得太阳爆发过程的系统资料,仅靠火箭观测显然是不够的。1957年,苏联发射人造地球卫星以后,美国、西欧、日本也相继发射了天文卫星和空间飞行器(如轨道天文台轨道太阳观测台高能天文台等等),在其中安装了各种类型的探测器(利用高能物理、核物理、原子物理的探测技术),探测天体的各种辐射,促使紫外天文学X射线天文学γ射线天文学迅速发展。十九世纪四十年代出现的红外天文学,在二十世纪六十年代获得了新的生命力。从此进入了全波天文学时代。
  新技术的应用  随着工业技术的飞速发展,几乎所有的各种新技术都被应用于天文观测。①天文望远镜:电磁辐射的收集和定位是由望远镜来实现的。例如,1962年美国国立天文台在基特峰安装了定日镜口径为2.08米的太阳望远镜,配备有多通道太阳磁像仪和真空摄谱仪。1963年,美国阿雷西博天文台在波多黎各装备了最大的单天线的固定球面射电望远镜,球面口径305米。1970年前后,有十来个射电天文台采用干涉技术,如美国探空跟踪站的两个分站:戈德斯通站和拉贡站(澳大利亚)。1967年用距离10,589公里的甚长基线干涉仪观测射电源,工作波长13厘米,分辨率达0奬0008。②行星际探测:美国发射的“阿波罗号”宇宙飞船于1969年7月起,多次登月,宇航员收集和转递了大量月球资料,并在月面上安置各种测量仪器。美国、苏联等国发射一系列空间飞行器,探测月球、行星和行星际空间。天文学在传统上是靠“观测”获得资料,由于空间科学的发展,已开始用“实验”方法来研究天体。除了火箭技术外,还应用遥感技术、通讯技术、遥控技术和自动化技术。③地面观测:地面观测仍有非常重要的作用。大型光学望远镜和射电望远镜继续在工作。望远镜的终端设备日益精良(如光电像增强器、二极管阵等等),分析测量仪器不断改善(如快速自动显微光度计PDS),大大提高了工作效率。1975年,苏联在高加索安装了口径 6米的地平式反射望远镜,用电子计算机控制来跟踪天体。地面的光学观测和射电观测仍然是天体物理数据资料的重要来源。
  参考书目
 大沢清煇:《天体の物理観測》,恒星社,東京,1965。

 

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