銀河及星團(tuán)、星云的觀測(cè)

1、七 銀河及星團(tuán)、星云的觀測(cè)雙星分“光學(xué)雙星”和“物理雙星”兩大類。兩顆星從地球上觀測(cè)，方向差得不多，在天球上的投影看上去相距很近，其實(shí)它們之間相距很遠(yuǎn)，彼此沒(méi)有物理聯(lián)系，這種雙星稱為光學(xué)雙星。比如摩羯座中文名牛宿二就是一顆光學(xué)雙星，它的兩顆子星摩羯座和摩羯座的視星等分別是4.24等和3.57等，肉眼就可以看到，兩星相距僅377.7,但是它們?cè)谟钪嬷械膶?shí)際距離卻很遠(yuǎn)，相互間并無(wú)物理聯(lián)系（摩羯座和各自分別是由四顆星組成的四合星）。光學(xué)雙星的研究?jī)r(jià)值不大。 由于彼此的引力作用，繞著它們共同的質(zhì)量中心運(yùn)行的雙星叫做物理雙星。利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)，人眼直接能看出是兩顆星的物理雙星稱為“目視雙星”。有些目視雙

2、星，其中較暗的子星甚至無(wú)法看見(jiàn)，而精確測(cè)量較亮子星卻可以發(fā)現(xiàn)它，相當(dāng)于背景恒星移動(dòng)的路徑呈現(xiàn)波浪式的曲線，于是可以判斷有一顆看不見(jiàn)的伴星存在，人們常常把它們叫做天體測(cè)量雙星，天狼星就是這方面的一個(gè)典型例子：在望遠(yuǎn)鏡分辨出它的伴星之前，就已經(jīng)斷定它是一顆雙星了。人眼通過(guò)望遠(yuǎn)鏡不能分開，用分光的方法才能分開的物理雙星稱為“分光雙星”。分光雙星的兩個(gè)子星相互繞轉(zhuǎn)時(shí)，它們光譜的譜線由于多普勒效應(yīng)便發(fā)生有規(guī)律的位移，拍下它們?cè)诶@轉(zhuǎn)不同時(shí)段的光譜，可以發(fā)現(xiàn)它們的光譜線周期性地時(shí)而成雙線，時(shí)而成單線，這樣的分光雙星稱為“雙譜分光雙星”，又稱“雙線分光雙星”。分光雙星兩個(gè)子星的光譜不都是能同時(shí)拍攝到的，對(duì)于主

3、星光度超過(guò)伴星光度三倍的雙星，就只能拍攝到主星的光譜，如果增加曝光時(shí)間希望拍下伴星的光譜，那么主星光譜就會(huì)曝光過(guò)度而和伴星光譜相混合，整個(gè)光譜將模糊不清。這時(shí)研究主星的光譜，可以發(fā)現(xiàn)它的光譜線單線也作周期性的移動(dòng)，這樣的分光雙星稱為“單譜分光雙星，又稱“單線分光雙星”。有些雙星雖然觀測(cè)不到它們譜線的多普勒位移，但是兩子星的光譜分屬差異很大的兩個(gè)光譜型，明顯屬于兩個(gè)不同的恒星，這樣的雙星稱為“光譜雙星”。當(dāng)雙星相互繞轉(zhuǎn)的軌道面與我們視線的交角接近0°時(shí)，兩子星就會(huì)發(fā)生交食現(xiàn)象，雙星亮度呈現(xiàn)周期性的變化，這樣的物理雙星稱為“食雙星”，又稱為“食變星”。銀河系中大約一半以上的恒星是雙星系統(tǒng)

4、的成員。雙星是天文學(xué)家重要的觀測(cè)對(duì)象，當(dāng)然也是天文愛(ài)好者重要的觀測(cè)對(duì)象。一般愛(ài)好者并不擁有大型專業(yè)設(shè)備，對(duì)雙星的觀測(cè)研究會(huì)受到不少限制，而適合于天文愛(ài)好者開展的雙星觀測(cè)工作主要是對(duì)目視雙星的觀測(cè)。目視雙星觀測(cè)項(xiàng)目之一是測(cè)定兩子星間的相對(duì)位置，以進(jìn)一步確定雙星的軌道見(jiàn)右圖。兩子星間的相對(duì)位置以子星間的角距離和位置角來(lái)表征。角距離是天球上兩子星間大圓弧的度數(shù)，以弧秒角秒為單位；位置角是兩子星的連線與南北方向的夾角，以主星即較亮子星為角的頂點(diǎn)從這個(gè)意義上說(shuō)，所謂“位置角”是指伴星相對(duì)于主星 室女座雙星軌道圖，軌道周期168.88年 的位置，自北沿逆時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，0°360°。選擇

5、口徑盡可能大（如15厘米以上），焦比1/151/20的望遠(yuǎn)鏡，再配備一只動(dòng)絲測(cè)微目鏡來(lái)測(cè)定和。右圖是動(dòng)絲測(cè)微目鏡的示意圖，在目鏡的視場(chǎng)里可以看到固定的十字絲也稱靜絲和，為動(dòng)絲，E為測(cè)微器螺旋螺距為1毫米。旋動(dòng)E，可使相對(duì)于移動(dòng)，位移量可從測(cè)微目鏡上的標(biāo)尺讀出。利用測(cè)微目鏡測(cè)量時(shí)，需要事先確定螺旋值和零點(diǎn)。螺旋值定義為E轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，即動(dòng)絲前進(jìn)或后退1毫米對(duì)應(yīng)于天球上多大的角距：角秒毫米 動(dòng)絲測(cè)微目鏡示意圖式中F為望遠(yuǎn)鏡焦距，以毫米為單位。零點(diǎn)是指讓動(dòng)絲從左邊或右邊向靜絲移動(dòng)，與重合時(shí)為測(cè)微目鏡標(biāo)尺的讀數(shù)。從測(cè)微目鏡中觀測(cè)雙星，可以利用其中一顆子星的視動(dòng)方向來(lái)調(diào)整靜絲，使與東西方向平行。使一顆子星A

6、比如主星位于十字絲的中央其實(shí)A只要在上即可，調(diào)整動(dòng)絲到橫貫另一子星B的位置，記下標(biāo)尺讀數(shù)；然后使子星B位于十字絲的中央此時(shí)B也是只要在上即可，調(diào)整動(dòng)絲到橫貫子星A的位置，再記下標(biāo)尺讀數(shù)，求出兩 目視雙星兩子星的相對(duì)位置 次讀數(shù)之差。重復(fù)幾次上述的測(cè)定，求出的平均值，即為兩子星的角距在南北方向的投影。動(dòng)絲測(cè)微目鏡具有可繞光軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤，盤上的刻度可準(zhǔn)到0.1°，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤使測(cè)微目鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)靜絲與東西方向平行。以后進(jìn)行與測(cè)定時(shí)類似的操作，算出的平均值， 即角距在東西方向的投影圖3。于是，項(xiàng)原則 。 用目視方法觀測(cè)雙星，應(yīng)當(dāng)選擇大氣情況良好的夜晚進(jìn)行。愛(ài)好者初次觀測(cè)雙

7、星，可以選擇較亮的、角距離較大的目視雙星參看附錄33進(jìn)行觀測(cè)練習(xí)，待取得一定的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)后再選擇較暗的雙星進(jìn)行觀測(cè)。為了盡量把兩個(gè)子星分開以便更清楚地觀測(cè)它們，觀測(cè)時(shí)一般選用望遠(yuǎn)鏡和視寧度所能允許的最高放大率。雙星軌道周期大多較長(zhǎng)，有的在幾十年左右，不少在百年、千年以上，甚至還有萬(wàn)年以上的。它們沿軌道運(yùn)動(dòng)得很慢，所以不必每夜觀測(cè)，只要選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，比如每隔15天甚至更長(zhǎng)的時(shí)間間隔觀測(cè)一次即可。人們將雙星的軌道按所取得的觀測(cè)資料分為五級(jí)：一級(jí)軌道，具有完整的二圈以上的觀測(cè)資料；二級(jí)軌道，具有一圈以上的觀測(cè)資料；三級(jí)軌道，具有大半圈的觀測(cè)資料；四級(jí)軌道，得到小半圈的觀測(cè)資料；五級(jí)軌道，只得到占

8、軌道的一小弧段或者是處于軌道的平直部分的資料。目前所建立的雙星軌道，大部分為三級(jí)、四級(jí)或五級(jí)的，二級(jí)的不多，只占百分之幾，一級(jí)就更少了。雙星的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定了雙星觀測(cè)是一項(xiàng)歷時(shí)彌久的觀測(cè)項(xiàng)目，一旦開始就應(yīng)當(dāng)作長(zhǎng)期幾年、十幾年甚至數(shù)十年的連續(xù)不斷的觀測(cè)，只有這樣才能掌握觀測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律而可能有所發(fā)現(xiàn)。角距在15之間的明亮雙星，已經(jīng)有很多人進(jìn)行過(guò)仔細(xì)的研究，愛(ài)好者可以利用它們進(jìn)行觀測(cè)練習(xí)。那些亮于9.5等的目視雙星，人們已經(jīng)反復(fù)測(cè)定過(guò)它們的和；而暗于9.5等的目視雙星的、值卻并不完整。愛(ài)好者手邊的望遠(yuǎn)鏡，如果極限星等大于12等，倒是值得去做一些連續(xù)、系統(tǒng)的觀測(cè)工作的。觀測(cè)結(jié)果記入下面的表中雙星名稱

9、觀測(cè)時(shí)間雙星位置天氣狀況愛(ài)好者還可以對(duì)目視雙星中的遠(yuǎn)距雙星做照相觀測(cè)。特別是具備高質(zhì)量長(zhǎng)焦距望遠(yuǎn)鏡和高跟蹤精度赤道儀的愛(ài)好者，在望遠(yuǎn)鏡終端安裝CCD照相機(jī)或數(shù)碼相機(jī)，拍下雙星的照片后，就可以在照片上測(cè)定和的值。照相方法受主觀因素影響較小，比目視方法客觀，照片還可以長(zhǎng)久保存，便于隨時(shí)復(fù)查。由角距離和位置角的觀測(cè)值計(jì)算目視雙星軌道要素的方法不止一種，感興趣的讀者可自行查考有關(guān)材料。星空中角距小于2的兩顆星，肉眼不能把它們分辨開而被看成了一顆星。通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)雖然可以大幅度地提高人眼的分辨能力，但是由于受到衍射的限制，也不能分辨角距過(guò)小的兩顆星。對(duì)于光學(xué)上完全沒(méi)有缺點(diǎn)的望遠(yuǎn)鏡，根據(jù)瑞利判據(jù)可以寫出它

10、的最小分辨角為，式中D是望遠(yuǎn)鏡的口徑，以毫米為單位，最小分辨角的單位是角秒。望遠(yuǎn)鏡性能的一個(gè)重要指標(biāo)是它的最小分辨角，從表達(dá)式可以看出，望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，越小，就能分辨越小的雙星。這也是對(duì)用來(lái)觀測(cè)雙星的望遠(yuǎn)鏡要求高質(zhì)量、大口徑、長(zhǎng)焦距的原因。從衍射限制角度出發(fā)，只要能看清星像的衍射環(huán)，就算發(fā)揮了望遠(yuǎn)鏡的最大潛能，繼續(xù)增大放大率也就沒(méi)有什么意義。如果眼睛剛能分辨衍射環(huán)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的放大率為，則，所以D。如果望遠(yuǎn)鏡光學(xué)質(zhì)量很好，為了充分挖掘望遠(yuǎn)鏡的潛力，可以把最高放大率取為2D。當(dāng)以角秒為單位的雙星角距數(shù)是s時(shí)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能被人眼分開所需的放大率，最高放大率取為。按照這一關(guān)系，一顆角距2的雙星，放

11、大率應(yīng)為120倍；而角距分別為1和0.5的雙星所取放大率分別為240倍和480倍。人們常用雙星來(lái)檢驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡的分辨角和光學(xué)質(zhì)量，這應(yīng)當(dāng)是一種可信度很高的檢驗(yàn)手段。對(duì)于=的雙星，兩子星的星等相差不大才能被分辨開來(lái)。亮度相差一個(gè)星等就會(huì)使測(cè)量比 由星表中查出。恒星星像衍射環(huán)最完整為一級(jí)，最差為五級(jí)。較困難；亮度差得更多時(shí)，望遠(yuǎn)鏡分辨雙星就會(huì)更加困難。比如天狼星兩子星的亮度相差大約10星等，也就是說(shuō)天狼A比天狼B要亮大約10000倍。1844年德國(guó)天文學(xué)家貝塞爾根據(jù)天狼星自行的波浪式起伏，曾預(yù)言天狼星有暗伴星存在。1862年，美國(guó)的阿爾萬(wàn)·G·克拉克在測(cè)試他和父親老克拉克磨制的口徑

12、18.5吋47厘米的物鏡時(shí)，將透鏡指向了天狼星，他發(fā)現(xiàn)在明亮的天狼星附近居然有一顆在任何星圖上都找不到的暗弱、微小的光點(diǎn)天狼B。這一發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了貝塞爾預(yù)言的正確性，還說(shuō)明透鏡的質(zhì)量是極佳的。有國(guó)外的愛(ài)好者報(bào)告，用口徑10厘米、f15 的小望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到天狼星的伴星。報(bào)告中說(shuō)，當(dāng)時(shí)“天空視寧度出奇的地優(yōu)良”，使用的放大率為250倍，已經(jīng)超出最高放大率（200倍）。尤其是觀測(cè)當(dāng)晚正值我國(guó)農(nóng)歷十五，一輪滿月當(dāng)空，說(shuō)明“這種觀測(cè)不需要黑暗的天空”。另外，這位愛(ài)好者使用的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)質(zhì)量一定是上乘的。還有愛(ài)好者用自己的望遠(yuǎn)鏡拍下了天狼星及其伴星的清晰照片見(jiàn)下圖。天狼雙星軌道周期為49.9年，兩子星間的角距

13、從2左右到 10左右變動(dòng)著，目前它們的角距正在變大，并將在2025年達(dá)到極大。我國(guó)愛(ài)好者手邊如果有高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡，可以開展對(duì)天狼星雙星的觀測(cè)。國(guó)外天文愛(ài)好者拍攝的天狼星星像，放大388倍我們看到，通過(guò)雙星的觀測(cè)還可以估測(cè)夜天空的視寧度。前面曾給出雙星觀測(cè)的記錄表格，在該表的表注中提到：“恒星星像衍射環(huán)最完整為一級(jí)，最差為五級(jí)”，就是對(duì)視寧度的具體描述，可供大家參考。對(duì)食雙星的觀測(cè)可以歸并到對(duì)變星的觀測(cè)中去介紹，讀者可以參見(jiàn)下一節(jié)中關(guān)于變星觀測(cè)的內(nèi)容。比較有名的雙星表是R.G.Aitken編制的雙星新總表，雙星總表及目視雙星索引星表，此外我國(guó)及國(guó)外的專業(yè)天文工作者還編制了雙星星歷表，均可供大家觀測(cè)雙星時(shí)查考使用。觀測(cè)雙星最重大的意義在于可以據(jù)此計(jì)算出恒星的半徑通過(guò)對(duì)食雙星的觀測(cè)來(lái)測(cè)定和質(zhì)量。單個(gè)恒星的大小和質(zhì)量的測(cè)定非常困難，即使測(cè)出