天文觀測(cè)方法

1、現(xiàn)代天文學(xué)與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)現(xiàn)代天文學(xué)與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 講授提綱三，天文觀測(cè)方法 1大氣窗口和望遠(yuǎn)鏡 2，射電望遠(yuǎn)鏡 3，射電干涉儀 4，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡 5，賴爾獲1974年諾貝爾獎(jiǎng) 1974年諾爾貝物理學(xué)獎(jiǎng)由英國(guó)劍橋大學(xué)天文學(xué)家賴爾（M.Ryle）和休伊什(A.Hewish)分享。 賴爾獲獎(jiǎng)是因發(fā)明的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡和觀測(cè)研究而獲獎(jiǎng)。 綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)： 非常高的靈敏度 非常高的空間分辨率 成象，可獲得天體的圖象 可與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡媲美1，大氣窗口 地球大氣有兩個(gè)窗口，允許可見光和無線電兩個(gè)波段通行無阻地到達(dá)地面。天文學(xué)家把天體的無線電波段稱為射電波段。 天文學(xué)家只是近幾十年前才利用

2、射電波段這個(gè)窗口。射電天文這種新的觀測(cè)手段一出現(xiàn)，就顯示出極大的優(yōu)越性。地球大氣僅允許可見光個(gè)射電波段到達(dá)地面 紅外、紫外、X射線和伽瑪射線 被大氣層所阻隔 必須把紅外、紫外、X射線和伽 瑪射線探測(cè)設(shè)備放入太空軌道才 能發(fā)揮功用 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡， 是為了克服大氣抖動(dòng)所造成的分 辨率的限制 可見光、紅外線、無線電波等等， 全部屬于電磁波。 所有電磁波在真空中皆以同一速度 傳播 (光速c = 299792450米/秒) 在真空中電磁波的傳播速度(c)、 波長(zhǎng)和頻率，有以下的簡(jiǎn)單關(guān)系： (波 長(zhǎng)) (頻率) = c 光的顏色是由光的頻率所決定 望遠(yuǎn)鏡 肉眼只能看到約6千顆恒星，但光銀河系

3、就有千億顆恒星，成百億的河外星系。它們都暗弱。沒有望遠(yuǎn)鏡，就沒有天文學(xué)的發(fā)展。 天文觀測(cè)要求： 能接收到來自天體的 微弱輻射 即要求有很高的靈敏度 能看清天體的細(xì)節(jié) 即要求有很高的空間 分辨率 2，射電天文望遠(yuǎn)鏡 20世紀(jì)30年代初美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的央斯基發(fā)現(xiàn)銀河系中心發(fā)射來的無線電波。 不久，美國(guó)射電天文學(xué)家雷伯用直徑9.45米拋物面天線射電望遠(yuǎn)鏡證實(shí)。 第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達(dá)和反雷達(dá)以及通訊技術(shù)發(fā)展很快。英國(guó)的海伊對(duì)一起曾使英國(guó)軍用雷達(dá)受到干擾的重大事件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，太陽上發(fā)生的射電爆發(fā)是這一事件的罪魁禍?zhǔn)住?射電望遠(yuǎn)鏡的組成 1，天線（旋轉(zhuǎn)拋物面天線）2，接收器（放大器）3，數(shù)據(jù)采

4、集（計(jì)算機(jī)）4，紀(jì)錄器旋轉(zhuǎn)拋物面對(duì)于與主軸平行的光，經(jīng)反射后會(huì)聚到焦點(diǎn)每道光的路程都相等ABFCDFEGFHKF在焦點(diǎn)處 電波相位相同A拋物面天線的作用之一： 收集能量 有人以為大型望遠(yuǎn)鏡可以把天體放得很大。大望遠(yuǎn)鏡的作用並不是要把天體圖象放得很大，而是要提供一個(gè)較亮和較清晰的影像。（恒星只是一個(gè)亮點(diǎn)） “ 這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以看到多遠(yuǎn)的物體？”這個(gè)問題無法回答。 “ 這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可看見多暗的物體？” 只要一個(gè)物體足夠明亮，無論距離多遠(yuǎn) 都可以看到。 靈敏度的定義 最小可測(cè)流量密度A為天線面積，f是頻寬，t是觀測(cè)時(shí)間T接收系統(tǒng)溫度 流量密度單位：央斯基1026爾格/ 秒赫茲米2 弱射電源：104央斯基

5、fATSsystmin拋物面天線的作用之二： 有很強(qiáng)的方向性 來自與拋物面主軸平行方向上的天體射電波經(jīng)拋物面反射后會(huì)聚到焦點(diǎn)，凡偏離主軸方向較多的射電波都不會(huì)會(huì)聚到焦點(diǎn)處的“ 饋源”上，因此這類射電望遠(yuǎn)鏡只能接收到來自主軸方向附近一個(gè)角度的電磁波，這個(gè)角稱為分辨角。分辨角越小，則分辨率越高。 早期小型射電望遠(yuǎn)鏡 1961年在原蘇聯(lián)克里米亞黑海岸 邊觀測(cè)日食 射電望遠(yuǎn)鏡的拋物面天線口徑3 米，工作波長(zhǎng)3厘米 觀測(cè)黑紙做的假月亮，很敏感。胰腺癌食療 天文望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率 分辨角（）和波長(zhǎng)（）成正比，和望遠(yuǎn)鏡的口徑（D）成反比。分辨角越小，分辨率越高。 光學(xué)波段的波長(zhǎng)遠(yuǎn)比射電波段的短，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的

6、分辨率遠(yuǎn)比射電望遠(yuǎn)鏡高。D22. 1（弧度） 口徑10厘米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)波長(zhǎng)為5500埃（埃108厘米）時(shí)，分辨角為1.4角分，而射電望遠(yuǎn)鏡，在波長(zhǎng)為5.5厘米觀測(cè)波段上的分辨角要達(dá)到1.4角分，則要求射電望遠(yuǎn)鏡天線的口徑達(dá)到10千米，比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的口徑大10萬倍。而且，還要求拋物面天線的表面精度達(dá)到1/20波長(zhǎng)（ 3毫米）。 國(guó)際上大型射電望遠(yuǎn)鏡 美國(guó)Arecibo 305米射電望遠(yuǎn)鏡 德國(guó)Bonn 100米射電望遠(yuǎn)鏡 英國(guó)Jodrell Bank76米射電望遠(yuǎn)鏡 澳大利亞Parkes64米射電望遠(yuǎn)鏡我國(guó)已有的射電望遠(yuǎn)鏡烏魯木齊25米射電望遠(yuǎn)鏡上海25米射電望遠(yuǎn)鏡青海13.7米射電望遠(yuǎn)鏡

7、（毫米波）北京懷柔太陽射電望遠(yuǎn)鏡北京密云綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡 在預(yù)研究中的貴州大型射電望遠(yuǎn)鏡口徑500米，世界上最大反射面能自動(dòng)調(diào)節(jié)為拋物面， 比Arecibo的球面反射面先進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)1平方千米射電望遠(yuǎn)鏡 21世紀(jì)國(guó)際大合作 中國(guó)方案：約30面口徑300500米大天線組成3，射電干涉儀 射電天文學(xué)發(fā)展初期的射電望遠(yuǎn)鏡的口徑都比較小，由于分辨率低下，不能把相鄰的幾個(gè)射電源分辨清楚，不可能得到一個(gè)射電源結(jié)構(gòu)的信息。 建造大型天線以提高分辨率的辦法遇到不可逾越的困難。 射電天文學(xué)的發(fā)展要求另找出路！ 射電天文學(xué)的困難 射電天文面臨的最大困難是射電望遠(yuǎn)鏡分辨率遠(yuǎn)不如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，無法看清天體的細(xì)節(jié)。 無法像光

8、學(xué)望遠(yuǎn)鏡那樣獲得天體的照片。 射電天文學(xué)家要使射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率到達(dá)甚至超過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡并也能成象的“ 夢(mèng)想”能實(shí)現(xiàn)嗎？ 回答是肯定的。賴爾他們先驅(qū)性的研究為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 因戰(zhàn)爭(zhēng)需要發(fā)展起來的雷達(dá)技術(shù)為射電天文的誕生準(zhǔn)備了條件。 戰(zhàn)后，一些雷達(dá)科技人員轉(zhuǎn)向天文學(xué)研究，把雷達(dá)技術(shù)用于射電望遠(yuǎn)鏡的研制，開始天文觀測(cè)研究。賴爾就是其中最杰出的代表 射電源光學(xué)對(duì)應(yīng)體的確認(rèn) 發(fā)現(xiàn)的新射電源是什么？首先就是要尋找它有沒有光學(xué)對(duì)應(yīng)體。 但是，由于當(dāng)時(shí)的射電望遠(yuǎn)鏡的分辨能力太差，分辨角只能達(dá)到幾角分，甚至幾度。在這個(gè)空間范圍內(nèi)包含了許多光學(xué)天體，根本無法確認(rèn)和哪一個(gè)對(duì)應(yīng)。 只有當(dāng)射電望遠(yuǎn)鏡的分

9、辨能力達(dá)到角秒級(jí)時(shí)，這種尋找光學(xué)對(duì)應(yīng)體的工作才能進(jìn)行。干涉儀原理圖 由兩面拋物面天線構(gòu)成 天體電波投到天線，由傳輸線引到接收機(jī)進(jìn)行相加（干涉）干涉的結(jié)果取決于兩路電波到達(dá)會(huì)聚點(diǎn)的相位兩路電波有路程差 BC，而且BC隨天體的周日運(yùn)動(dòng)而變化波的干涉A,B同相相加增強(qiáng)B,C反相相加抵銷C,D不同相 來自射電點(diǎn)源”的單頻信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)兩面天線，要相差一段路程。若這段路程差正好前，分辨角的公式依然是 這里的d已不是單個(gè)天線的直徑，而是兩面天線之間的距離了。分辨角不再由單天線的口徑?jīng)Q定，使得天文學(xué)家有可能利用小口徑的天線獲得高分辨能力。這是一次革命性的變化。d22. 1 賴爾的故事 賴爾1881年9月2

10、7日生于英格蘭，祖父是天文愛好者，有一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，幼年的他就喜愛上天文。中學(xué)時(shí)他對(duì)無線電學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，成為業(yè)余無線電愛好者。 賴爾進(jìn)人牛津大學(xué)攻讀物理，1939年，他一畢業(yè)就到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室從事雷達(dá)天線的研制。 第二次世界大戰(zhàn)期間，賴爾應(yīng)征入伍。他的無線電專長(zhǎng)曾幫助他立下了戰(zhàn)功。曾從事研制機(jī)載雷達(dá)天線系統(tǒng)，研制厘米波雷達(dá)的測(cè)試設(shè)備，還參與研制干擾德國(guó)預(yù)警雷達(dá)的發(fā)射機(jī)等。 二戰(zhàn)結(jié)束后，賴爾回到劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，從事射電天文研究。他面臨巨大的困難，但卻也獲得了絕好的機(jī)遇，他們從事的是一項(xiàng)開創(chuàng)性研究工作，一項(xiàng)開辟新領(lǐng)域的工作。 射電干涉儀提高分辨率 最大可動(dòng)單個(gè)天線直徑100米 最大固

11、定天線305米 干涉儀的基線至少可達(dá)30.5千米， 分辨率比305米天線高100倍，達(dá)到 光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率 在天線口徑相同時(shí)，基線是決定 分辨率的唯一因素 進(jìn)一步增加基線,如幾千千米，在長(zhǎng) 距離傳輸過程中因溫度變化導(dǎo)致電 波相位變化，無法實(shí)現(xiàn)干涉。 甚長(zhǎng)基線干涉儀原理 60年代末，美、加天文學(xué)家試驗(yàn)成功 用兩臺(tái)分處兩地的射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè) 同一個(gè)射電源，把接收到的天體電波分 別紀(jì)錄在磁帶上，然后把兩副磁帶拿到 一起處理。 兩路的電波頻率必須完全一致（原子鐘） 紀(jì)錄上要有十分準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)志（原子 鐘） 一萬千米的基線可提供萬分之幾角秒的 分辨率。4，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡 雙天線干涉儀只有一維分辨

12、率，不能給出天體的圖象。 1948年以后，賴爾把觀測(cè)研究目標(biāo)從太陽轉(zhuǎn)向太陽系外廣闊的空間，期望搜索更多的射電源。他發(fā)現(xiàn)雙天線干涉儀的缺陷或不足。賴爾提出用孔徑綜合技術(shù)來解決射電天文望遠(yuǎn)鏡的高分辨率、高靈敏度和成像能力等一系列難題。把拋物面天線劃分為多個(gè)單元；由多個(gè)單元組成大型綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡化整為零 原理之一：把大天線分解 設(shè)想把拋物面分成許多小單元，小單元的兩兩組合相當(dāng)于許多副干涉儀。在饋源上匯集所有兩兩組合的干涉波。 每副干涉儀取下的數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，借助計(jì)算機(jī)對(duì)全部獨(dú)立數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到和單個(gè)大型拋物面的分辨率效果。原理之二：只需取不同間距的數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理 拋物面分成許多小單

13、元，有很多間距相同的單元對(duì)。只需取不同間距的數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理，可以得到相同的效果。 問題簡(jiǎn)化了。 原理之三：并不需要同時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù) 不僅只需取不同間距的數(shù)據(jù)，而且還可以用不同時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。只用2面天線就可以進(jìn)行孔徑綜合。其中一面固定，以它為中心，畫一個(gè)圓，等效于一個(gè)“ 大天線”，另一面可以移動(dòng)，逐次放到“ 等效大天線”的各個(gè)位置，每放一個(gè)地方進(jìn)行一次射電干涉測(cè)量。也可以由許多天線來實(shí)現(xiàn)，幾面固定，幾面移動(dòng)，甚至全部都固定。不管各種間距取向的干涉儀測(cè)量資料通過傅里葉變換就可以求得天空射電亮度的二維分布。也就是得到了被觀測(cè)天區(qū)的射電天圖。綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是不需要制造口徑特別大的天線

14、，而用兩面或多面小天線進(jìn)行多次觀測(cè)達(dá)到大天線所具有的分辨率和靈敏度。而且，得到的是所觀測(cè)的天區(qū)的射電天圖。 多天線綜合孔徑 也可以由許多天線來實(shí)現(xiàn)，幾面固定，幾面移動(dòng)，甚至全部都固定。各種間距取向的干涉儀測(cè)量資料通過數(shù)學(xué)方法可以求得天空射電亮度的二維分布。得到被觀測(cè)天區(qū)的射電天圖。 原理之四：地球自轉(zhuǎn)的效應(yīng) 的利用 從射電源上看地球上的放在北極附近的雙天線干涉儀的兩個(gè)天線，在地球自轉(zhuǎn)過程中兩個(gè)天線之間也在做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 地球自轉(zhuǎn)一周，其中一個(gè)天線將繞著另一個(gè)天線描繪出一個(gè)圓路徑。地球自轉(zhuǎn)一周相當(dāng)于把可移動(dòng)天線逐次地放到“ 等效大天線”各個(gè)地方。 地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)的利用從射電源上看上圖：天線A和B的運(yùn)

15、動(dòng)下圖天線B在地球自轉(zhuǎn)12小時(shí)中位置的變化 計(jì)算任務(wù)繁重 綜合孔徑原理在1954年已由實(shí)驗(yàn)證實(shí)是正確的，但因要處理異常多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算量特別大，在50年代還沒有儲(chǔ)存容量足夠大、計(jì)算速度足夠高和的計(jì)算機(jī)來完成資料的傅里葉變換。到了60年代隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才有了可能。 密云綜合空間望遠(yuǎn)鏡 只需解決沿東西方向上各個(gè)單元之間不同間距問題。所以大多數(shù)綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡是東西排列。北京天文臺(tái)密云綜合空間望遠(yuǎn)鏡由28面9米天線組成，東西排列，位置固定，最長(zhǎng)的基線為1080米。 實(shí)際上，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性，只需要12小時(shí)的觀測(cè)就能完成一組觀測(cè)。 劍橋大學(xué)1.6千米綜合 孔徑射電望遠(yuǎn)鏡 由

16、3面直徑18米的拋物面天線組成，2面相距0.8千米，是固定的，另1面天線放在0.8千米的鐵軌上，可以移動(dòng)。 得到了4.5角分的分辨率。 劍橋大學(xué)5千米綜合 孔徑望遠(yuǎn)鏡（1971年建成） 8面口徑為13米的拋物面天線， 排列在5千米長(zhǎng)的東西基線上。 4面天線固定，4面可沿鐵軌移動(dòng)。 每觀測(cè)12小時(shí)后，移動(dòng)天線到預(yù)先計(jì)算好的位置上再觀測(cè)12小時(shí)，以獲得各種不同的天線間距，在2厘米波長(zhǎng)上，分辨角為1角分。4，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡 雙天線干涉儀只有一維分辨率，不能給出天體的圖象。 1948年以后，賴爾把觀測(cè)研究目標(biāo)從太陽轉(zhuǎn)向太陽系外廣闊的空間，期望搜索更多的射電源。他發(fā)現(xiàn)雙天線干涉儀的缺陷或不足。賴爾提

17、出用“ 孔徑綜合”技術(shù)來解決射電天文望遠(yuǎn)鏡的高分辨率、高靈敏度和成像能力等一系列難題。也可以由許多天線來實(shí)現(xiàn)，幾面固定，幾面移動(dòng)，甚至全部都固定。不管各種間距取向的干涉儀測(cè)量資料通過傅里葉變換就可以求得天空射電亮度的二維分布。也就是得到了被觀測(cè)天區(qū)的射電天圖。綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是不需要制造口徑特別大的天線，而用兩面或多面小天線進(jìn)行多次觀測(cè)達(dá)到大天線所具有的分辨率和靈敏度。而且，得到的是所觀測(cè)的天區(qū)的射電天圖。 也可以由許多天線來實(shí)現(xiàn)，幾面固定，幾 面移動(dòng)，甚至全部都固定。 各種間距取向的干涉儀測(cè)量資料通過數(shù)學(xué) 方法可以求得天空射電亮度的二維分布。 也就是得到了被觀測(cè)天區(qū)的射電天圖。 綜合

18、孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是不需要 制造口徑特別大的天線，用兩面或多面小 天線進(jìn)行多次觀測(cè)達(dá)到大天線所具有的分 辨率和靈敏度。而且，得到的是所觀測(cè)的 天區(qū)的射電天圖。 綜合孔徑原理在1954年已由實(shí)驗(yàn)證實(shí)是正確的，但因要處理異常多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算量特別大，在50年代還沒有儲(chǔ)存容量足夠大、計(jì)算速度足夠高和的計(jì)算機(jī)來完成資料的傅里葉變換。到了60年代隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展才有了可能。綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡主要貢獻(xiàn) 1，發(fā)現(xiàn)一批比較暗弱、比較遠(yuǎn)的射電源把觀測(cè)范圍從大約10億光年擴(kuò)大到100億200億光年，幾乎達(dá)到宇宙的邊界，或追溯到宇宙的原初時(shí)期。 這些觀測(cè)結(jié)果對(duì)宇宙演化理論很重要。 2，得到一些展源的射電圖，實(shí)現(xiàn)拍射電源的“ 照片”的夢(mèng)想。 3，得到編號(hào)為1C，2C，3C的射電源表，是最早獲得的射電源數(shù)目最多的源表。對(duì)3C源進(jìn)行光學(xué)認(rèn)證的過程中，導(dǎo)致了天文學(xué)上極其重要的，被稱為20世紀(jì)60年代四大發(fā)現(xiàn)之一的類星體的發(fā)現(xiàn)。在得到射電展源的二維圖象方面取得驕人的成果。星系天鵝座強(qiáng)射電星系（射電雙源） 世界最大的綜合口徑望遠(yuǎn)鏡美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的甚大陣（VLA） 27面直徑26米的可移動(dòng)拋物面天線； 沿臂長(zhǎng)為21千米Y形基線放