蘇州庫(kù)博士燃?xì)庠罹S修(蘇州煤氣灶修理)

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蘇州庫(kù)博士燃?xì)庠罹S修

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2 3 希望對(duì)你有幫助~

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天文觀(guān)測(cè)其實(shí)分為很多種，我們今天在這里就和大家說(shuō)說(shuō)比較容易理解的光學(xué)天文觀(guān)測(cè)，天文學(xué)家都看到了什么。

究竟看到了啥

光學(xué)波段的觀(guān)測(cè)，目前采用的基本手段就是用望遠(yuǎn)鏡將星光聚焦到焦面上，然后焦面處的探測(cè)器（通常是CCD）對(duì)入射的光子進(jìn)記錄。光學(xué)觀(guān)測(cè)最常見(jiàn)的兩種形式，就是測(cè)光觀(guān)測(cè)和光譜觀(guān)測(cè)。

測(cè)光觀(guān)測(cè)雖然會(huì)有波段的不同，但基本是一樣的。而光譜觀(guān)測(cè)則根據(jù)設(shè)備的不同分了很多種，例如根據(jù)遮光或者采集設(shè)備分為狹縫光譜、光纖光譜、無(wú)縫光譜，積分場(chǎng)單元等，根據(jù)分光（色散）的方式分為一次色散、二次色散等。還有一些其它的觀(guān)測(cè)模式，例如偏振觀(guān)測(cè)等等這里就不多介紹了……

測(cè)光觀(guān)測(cè)

測(cè)光觀(guān)測(cè)，顧名思義，就是測(cè)量天上每個(gè)位置的光子有多少，也就是有多亮。簡(jiǎn)單粗暴地說(shuō)就是和大家日常拍照是一樣的。

但是有一點(diǎn)區(qū)別很大，就是測(cè)光天文觀(guān)測(cè)時(shí)，我們得到的每一幅圖像都是單色的。事實(shí)上大家的彩色相機(jī)，得到的也是三個(gè)顏色的單色圖像，只不過(guò)顯示的時(shí)候組合起來(lái)了而已。天文觀(guān)測(cè)得到的圖像，也可以通過(guò)染色進(jìn)行組合，也就是大家所看到的那些彩色的星空照片（往往是近鄰星系、星云等）。

那么測(cè)光圖像是怎樣的呢，圖1就是一幅典型的測(cè)光圖像的局部，在圖中可以看到多個(gè)亮點(diǎn)，這些就是測(cè)光所謂的“點(diǎn)源”，當(dāng)然它們中的大部分就是恒星。而如同前面展示的仙女星系，可以看到外形和細(xì)節(jié)，就是所謂的“面源”或者“展源”。

圖1.DS9軟件展示的一副典型的測(cè)光觀(guān)測(cè)圖像（圖源：鄭捷、江林巧）

“點(diǎn)源”，從尺度上來(lái)說(shuō)就真是一個(gè)點(diǎn)。不管那顆星有多大，經(jīng)過(guò)這么長(zhǎng)的距離，到地球上也變成了一個(gè)點(diǎn)。圖2是用iraf軟件繪制的上圖中某個(gè)點(diǎn)源的流量曲面圖。

圖2：IRAF的imexam任務(wù)查看的星象（圖源：鄭捷、江林巧）

這個(gè)模式下看星象，可以直觀(guān)地看出有點(diǎn)像二維高斯分布（正態(tài)分布），事實(shí)上還是有很大差異的。而周?chē)谋尘埃褪撬^的天光背景。從背景的網(wǎng)格能看出來(lái)，背景還是有起伏的。

一般來(lái)說(shuō)我們看圖只是目測(cè)檢查，真正要做分析，還是需要依賴(lài)數(shù)據(jù)計(jì)算。

光斑的形成

有三個(gè)主要原因?qū)е铝艘粋€(gè)理論上的“點(diǎn)”變成了一個(gè)光斑。

第一個(gè)原因，是光經(jīng)過(guò)衍射形成的艾里斑。

第二個(gè)原因，就是大氣的擾動(dòng)，大家平時(shí)說(shuō)“星星會(huì)眨眼”。其實(shí)就是因?yàn)榇髿鈹_動(dòng)引起星象的變動(dòng)，累積起來(lái)，就形成了光斑。這實(shí)際上是光斑的主要成因。大家可以自己做個(gè)試驗(yàn)，透過(guò)蠟燭的火苗，或者煤氣灶的火苗，看對(duì)面的物體，會(huì)發(fā)現(xiàn)物體在扭曲飄動(dòng)，這就是大氣的擾動(dòng)引起的。或者在影視作品中，看飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后的遠(yuǎn)處物體，也是這樣的。這在天文觀(guān)測(cè)中叫做視寧度（Seeing），代表了觀(guān)測(cè)站的環(huán)境質(zhì)量好壞，是觀(guān)測(cè)站選址的重要因素。

第三個(gè)原因，來(lái)自于設(shè)備本身。望遠(yuǎn)鏡的鏡面和各種光學(xué)器件，不可能是數(shù)學(xué)上的完美曲面，誤差在所難免。

測(cè)光數(shù)據(jù)中的信息

對(duì)這樣的一幅測(cè)光圖像，我們能得到什么信息呢？?jī)?nèi)行看門(mén)道，我們要從圖中得到的信息很多。

首先就是有哪些源，在什么位置，其次是看有多亮。結(jié)合不同波段的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，我們可以分析恒星的更多參數(shù)。此外還可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)測(cè)，通過(guò)時(shí)序觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，也能得到很多信息。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)系外行星最多的開(kāi)普勒衛(wèi)星，就是利用恒星的光變曲線(xiàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)系外行星的。而目前正在進(jìn)行的TESS衛(wèi)星巡天，也是做這個(gè)。

光學(xué)天文測(cè)光雖然是一個(gè)很古老的天文觀(guān)測(cè)形式，從人類(lèi)抬頭仰望星空開(kāi)始，就是在做測(cè)光天文觀(guān)測(cè)。但是不論天文科學(xué)發(fā)展到什么程度，它會(huì)始終是一個(gè)重要的觀(guān)測(cè)模式。更多的細(xì)節(jié)不再贅述，真要是說(shuō)起來(lái)可以寫(xiě)厚厚一本書(shū)。

光譜觀(guān)測(cè)

那么大家知道測(cè)光可以高效地得到大量的信息。但是信息的精度還不夠。所以這個(gè)時(shí)候就需要光譜觀(guān)測(cè)。

說(shuō)光譜之前，先得說(shuō)一下光的色散。我們?nèi)搜劭吹降乃^白光，實(shí)際上是復(fù)色光。我們可以通過(guò)色散器件對(duì)白光進(jìn)行處理，使得不同波長(zhǎng)的光分散在不同的空間位置上。

最典型的人造色散器件，也就是當(dāng)年牛頓大神據(jù)說(shuō)用過(guò)的三棱鏡。其實(shí)利用的就是不同波長(zhǎng)（頻率）的光在玻璃中的折射率的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然了，除了人造的設(shè)備，還有天然設(shè)備——水滴，彩虹、日暈等等都是這么來(lái)的。

圖3.典型的三棱鏡（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

光譜中蘊(yùn)含的信息

那么為啥要做光譜觀(guān)測(cè)呢？因?yàn)槠渲刑N(yùn)含了天體的更多信息。光譜有時(shí)候也被稱(chēng)為天體的“指紋”，每個(gè)天體的光譜都是不同的。

首先，光譜中有所謂的“譜線(xiàn)”存在。一個(gè)天體的光被色散之后，我們會(huì)看到并不是均勻的，而會(huì)有很多信號(hào)強(qiáng)弱的變化，就是譜線(xiàn)，變強(qiáng)的部分叫做發(fā)射線(xiàn)，而變?nèi)醪糠值慕凶鑫站€(xiàn)。

在光學(xué)波段，譜線(xiàn)的形成主要是因?yàn)樘祗w的原子(包括離子，以下統(tǒng)稱(chēng)原子)外層電子躍遷對(duì)光子的吸收或者發(fā)射。每一種元素都有各自特定的能級(jí)，所以他們所能吸收或放出的光子是特定的波長(zhǎng)的。于是光譜中的譜線(xiàn)就成了標(biāo)定原子的重要指標(biāo)。

圖4就是典型的太陽(yáng)光譜的局部，其中可以看到一系列的暗線(xiàn)（吸收線(xiàn)）。

圖4.太陽(yáng)光譜局部（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

譜線(xiàn)除了能定性知道元素存在信息之外，還能知道更多的細(xì)節(jié)，例如恒星中元素的豐度（含量）、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)速度、溫度、年齡、視向速度等等。

通過(guò)視向速度我們可以知道很多的事情，例如整個(gè)銀河系的運(yùn)動(dòng)，宇宙膨脹等等，都和這個(gè)有關(guān)。2019年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者中的兩位，就是因?yàn)樵?995年通過(guò)視向速度方法證認(rèn)了人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞主序星運(yùn)轉(zhuǎn)的太陽(yáng)系外行星。

光譜觀(guān)測(cè)的做法

在望遠(yuǎn)鏡的終端上，如果裝上了光譜儀，那么往往會(huì)使用光纖或者狹縫去限制一下輸入的星光，只拍攝指定的觀(guān)測(cè)目標(biāo)的光譜。

但是并不是所有的光譜觀(guān)測(cè)都是單目標(biāo)的，典型的例子就是上一期提到的郭守敬望遠(yuǎn)鏡，它進(jìn)行的就是多光纖光譜觀(guān)測(cè)。

再說(shuō)一下專(zhuān)業(yè)天文觀(guān)測(cè)用的光譜儀，大部分望遠(yuǎn)鏡用的可不是圖3中的棱鏡，而是光柵等設(shè)備，通過(guò)光的衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)色散。生活中也有光柵的例子，大家如果手頭有光盤(pán)，可以斜著用它反射陽(yáng)光，會(huì)看到色散后的樣子。

關(guān)于光譜觀(guān)測(cè)，我們先簡(jiǎn)單說(shuō)到這里。最后放一張實(shí)際觀(guān)測(cè)到的光譜，這是來(lái)自我和合作者觀(guān)測(cè)的一顆恒星光譜的局部。圖5中可以看到很明顯的一系列吸收線(xiàn)。不過(guò)這個(gè)只是局部，至于光譜圖像的全部，不同的光譜設(shè)備會(huì)有不同的圖像，就不展示了。

圖5.一條實(shí)際觀(guān)測(cè)得到的恒星光譜局部（圖源：鄭捷、江林巧）

簡(jiǎn)單說(shuō)這么多，天文學(xué)家看到的星，其實(shí)和大眾看的差異很大，更多反映的是天體的物理本質(zhì)。如果有興趣，歡迎來(lái)天文學(xué)專(zhuān)業(yè)就讀，或者來(lái)參觀(guān)訪(fǎng)問(wèn)。

作者簡(jiǎn)介：鄭捷，理學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)助理研究員，興隆觀(guān)測(cè)基地駐站天文學(xué)家，主要從事多波段恒星測(cè)光巡天觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理，以及天文軟件研發(fā)工作。

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