天文学.W07-08.天文望远镜

1、上回说到： 时间和历法时间和历法1恒星日和平太阳日，哪个更长？长多少？恒星日和平太阳日，哪个更长？长多少？世界时是哪里的地方平太阳时？我国在哪个时区？世界时是哪里的地方平太阳时？我国在哪个时区？太阴历一年有多少天？有什么缺点？太阴历一年有多少天？有什么缺点？我们现在使用的公历又叫什么历？属于哪种历法？我们现在使用的公历又叫什么历？属于哪种历法？Astronomical TelescopesAstronomical Telescopes0. 古老的天文学 望远镜发明之前，人们只能(肉眼)仰望星空中国古代是以星宿及星官来划分天空，其中较重要的是三垣三垣（yuanyuan）二十八宿（）二十八宿（xi

2、uxiu）三垣是指环绕北极和近头顶天空所分成的三个区域，分别是紫微垣、太微垣和天市垣紫微垣、太微垣和天市垣，在环黄道和天赤道近旁一周分为四象（苍龙、白虎、朱雀、玄武），四象中又将每象细分成七个区域，合称二十八宿二十八宿。唐代抄绘的星图，约绘制于唐中宗时期（公元705-710年）。1907年被斯坦因带到英国 现存苏州博物馆，观测年代在北宋元丰年间（1078至1085），刻制年代在南宋1247年。世界上现存星数最多的古代星图，其星多达1440颗。欧洲直到公元15世纪，著录于星图和星表的星数只有1022颗。南宋制图南宋制图 学家学家 黄裳黄裳 天文图天文图 河南濮阳西水坡，新石器时代的一个祭祀遗址中

3、发 现的，距今6500年。古代中国人的宇宙观盖天说盖天说：“天圆如张盖，地方如棋局 ”浑天说浑天说：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄。” 浑仪中国古代天文仪器中国古代天文仪器最原始的浑仪已无详细记载，估计是赤道换和赤经环组成。 东汉中期，傅安傅安和贾逵贾逵给浑仪增加了黄道环。 唐代初年，李淳风李淳风将浑仪由两重改成三重，增加了三辰仪，由黄道环、白道环和赤道环组成。 宋代的沈括沈括取消了白道环，并调整了一些环的位置，使得它们不会遮挡住观察者的视线。简仪 元代天文学家郭守敬(1231-1316)受沈括启发，进一步简化浑仪，创制了简仪。郭守敬的简仪取消了白道环和黄道环，将地平坐标和赤道坐标分别

4、安装，从而使得除北天极附近之外的天区都可以一览无余，在世界上领先300多年。 郭守敬还与王恂于1280年制定了授时历，测得回归年长途为365.2425天，与现在公历的年长完全相同，与实际回归年长度仅差26秒，领先西方天文学家300多年。中国古代天文的特点中国古代天文的特点皇家对天文的垄断皇家对天文的垄断 只有皇家才能研究，太史、司天监或钦天监，任务是“观像衍历”。民间禁习天文术数，私习天文罪同谋反，将受死刑。长处：精于天象记录长处：精于天象记录 中国的古代天象记录是当时世界上最丰富，最有系统的。春秋鲁文公十四年（前613年），出现哈雷彗星的记载，是中国最早的记录；到清代宣统二年（1910年），

5、史书对哈雷彗星出现的记载多达31次。但中国人并未了解彗星的本质，也不知道这31次记录的是同一颗彗星。不足：缺乏对天象的客观解释，难以逃脱占星学的窠臼不足：缺乏对天象的客观解释，难以逃脱占星学的窠臼 在中国人心中，天是神秘莫测的存在，天象与人间社会、国家兴衰息息相关。中国人研究宇宙多是占卜、编历等实用目的，并未如西方人那样，纯粹从理解宇宙、探寻宇宙规律的科学角度来研究宇宙。因而对天地的理解长期停滞不前，未能提出数学化的、几何化的宇宙模型，更未有如地心说、日心说般严密的理论体系。 占星学（astrology）占星学占星学是用天体的相对位置和相对运动（尤其是行星的位置）来解释或预言人的命运和行为的系

6、统。它试图利用人的出生地、出生时间和天体的位置来解释人的性格和命运。世界上各个文化有非常不同的占星学体系和理论。大多数占星学从实际上的天文现象出发，但回答的问题不是宇宙客观到底是怎样的、天体按什么规律运行、在恒星的内部到底发生些什么。在占星学中，天文现象的任何特定影响只局限于地球上的一个特定的地点和时间，在其它地点和时间的影响是不同的。中国占星术的论命与推运皆以二十八宿为准。占星在中国被称为七政四余，主要是用以昭示国家及君主的祸福，治理与否。与普通老百姓关系不大。民间主要盛行子平八字、易卦占卜等命术，在某程度上，满足了人们决疑解惑的需求，替补了占星学的社会功能。星座属性 象征特质人生阶段人体部

7、位性格特征白羊座阳性 火主导婴儿头勇气、斗志、好胜金牛座阴性 土固定幼儿颈、喉咙谨慎、温和、务实双子座阳性 气变动儿童手、臂、肩、肺机智、善变、好奇心旺盛巨蟹座阴性 水主导少年胸、胃敏感、情绪化、外刚内柔狮子座阳性 火固定青年脊椎、心脏慷慨、霸气、自尊心强处女座阴性 土变动青年肠、神经系统细心、唠叨、完美主义天秤座阳性 气主导成年下背、臀、肾脏 优柔寡断、追求公平天蝎座阴性 水固定成年生殖器官神秘、爱憎分明、占有欲强射手座阳性 火变动壮年大腿博学、乐观、爱冒险摩羯座阴性 土主导老年骨头、关节、膝盖意志坚强、专注力高、勇敢水瓶座阳性 气固定重生小腿睿智、独立、叛逆双鱼座阴性 水变动灵魂足踝、脚掌

8、浪漫、富同情心、不切实际占星学不是科学，是人类在缺乏对宇宙的深刻认识时而产生的天文现象与人类活动的主观联想。在望远镜发明以后，天文学和占星学彻底分道扬镳了第谷布拉赫(Tycho Brahe)(1546-1601)丹麦天文学家，望远镜发明之前最伟大的观测者。1572年发现第谷新星（实为超新星）。1576年第谷获丹麦国王赏赐一个小岛-汶岛，在岛上修建观测基地-天堡。第谷设计制造了多种大型天文仪器，积累了大量太阳、月亮、行星和恒星的观测数据。墙式象限仪依附在一面南北向的墙上。主体是半径1.8米的铜制圆弧，上面有精细的刻度。通过东西向墙上的小孔来观测天体，可以测定天体的地平高度、天体过子午圈的时刻等。

9、第谷还测量了700多颗恒星的位置，与现代的测量误差小于4角分。第谷星表现在仍有使用价值。1997年发射的Hipparchus（喜帕恰斯，又译伊巴谷）卫星观测得到的低精度星表就叫第谷星表1600年，第谷在他去世前一年，邀请开普勒做他的助手。望远镜的发明1717世纪初的一天，世纪初的一天，荷兰荷兰小镇的一家眼镜店的主小镇的一家眼镜店的主人人利伯希利伯希（Hans LippersheyHans Lippershey）的学徒，为检）的学徒，为检查磨制出来的透镜质量，把一块凸透镜和一块查磨制出来的透镜质量，把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线，通过透镜看过去，发现远处凹镜排成一条线，通过透镜看过去，发现远处

10、的教堂塔尖好象变大拉近了，于是在无意中发的教堂塔尖好象变大拉近了，于是在无意中发现了望远镜的秘密。现了望远镜的秘密。利伯希利伯希用金属管子把两个镜片固定起来，完成用金属管子把两个镜片固定起来，完成了世界上第一架望远镜。传说荷兰海军得到了了世界上第一架望远镜。传说荷兰海军得到了望远镜，就可以提前发现西班牙侵略者的战船，望远镜，就可以提前发现西班牙侵略者的战船， 从而打赢了海战。从而打赢了海战。一、当代天文望远镜一、当代天文望远镜第一台天文望远镜16091609年，年，4545岁的伽利略访问威岁的伽利略访问威尼斯，听到了荷兰人发明望远尼斯，听到了荷兰人发明望远镜的传说，回家之后开始自制镜的传说，回

11、家之后开始自制望远镜。望远镜。|16091609年，年，伽利略伽利略将自制望将自制望远镜远镜( (口径口径4.4cm)4.4cm)指向天空，指向天空，发现了月球上的环形山，发现了月球上的环形山，木卫木卫1-41-4，金星亮度的变化、，金星亮度的变化、银河系由很多恒星组成等银河系由很多恒星组成等成果。成果。|自那时起，天文观测从肉自那时起，天文观测从肉眼时代进入了望远镜的观眼时代进入了望远镜的观测时代。测时代。|天文望远镜的应用极大地天文望远镜的应用极大地扩展了人们的眼界，提高扩展了人们的眼界，提高了观测的精度，给天文观了观测的精度，给天文观测带来了革命性的变化，测带来了革命性的变化，极大地推动

12、了天文学的发极大地推动了天文学的发展。展。木星卫星示意盘（ 18世纪制）伽利略望远镜光路球差问题折射式望远镜开普勒望远镜光路优点：优点：（1）得到的像是实像，（延长焦距使得）球差大大减小。（2）视场比较大，可以将十字丝安装在物镜成像的地方，方便测量。缺点：缺点：倒像。惠更斯惠更斯 1655年用自制的3.6米长的望远镜，连续观测土星最大的一颗卫星，并命名为泰坦(Titan)。 1659年用自制的“长镜筒”发现 了土星周围有一圈又平又薄的光环。世界上最大的折射式望远镜：叶凯士天文台的1m折射望远镜(1897年制成)。折射式望远镜的缺点：（1）物镜的色差。（2）磨制较大的物镜非常困难。（3）目镜离支

13、点很远，限制了仪器的重量。（4）望远镜容易受干扰，需要多人同时工作。彻底消除了色差。制作比较容易（反射镜不一定要是玻璃），使用更方便观测能力更强大，15cm的反射镜观测效果不亚于2m的折射镜。反射式望远镜很快成为光学望远镜的主流。目前世界上最大型、最优秀的望远镜都是反射式望远镜。口径：122cm焦距：12m赫歇尔反射式口径：6英寸长度：约二米牛顿式反射发现天王星第三代罗斯伯爵制造的望远镜 口径：1.84m5.08米海尔望远镜 用凹面反射镜作物镜的望远镜。反射望远镜的主要优点用凹面反射镜作物镜的望远镜。反射望远镜的主要优点是不存在色差，当物镜采用抛物面时，还可消去球差。但是不存在色差，当物镜采用

14、抛物面时，还可消去球差。但为了减小其它像差的影响，可用的视场较小。反射望远镜为了减小其它像差的影响，可用的视场较小。反射望远镜可以工作在不同的焦点，就有不同形式的望远镜。以下分可以工作在不同的焦点，就有不同形式的望远镜。以下分别为主焦点系统，牛顿系统，卡塞格林系统和折轴系统。别为主焦点系统，牛顿系统，卡塞格林系统和折轴系统。反射望远镜coude room 光学望远镜可按光学部分和机械装置来分类。光学望远镜可按光学部分和机械装置来分类。 光学部分主要的是望远镜的物镜和目镜。物镜光学部分主要的是望远镜的物镜和目镜。物镜是最核心器件，它的光学性能好坏对于天文观测是最核心器件，它的光学性能好坏对于天文

15、观测来讲至关重要。它起着聚集光量的作用，显示着来讲至关重要。它起着聚集光量的作用，显示着探测天体的威力。探测天体的威力。 物镜是透镜的叫物镜是透镜的叫 折射望远镜折射望远镜； 物镜是反射镜的叫物镜是反射镜的叫反射望远镜反射望远镜； 物镜是反射镜，它前面再加一块改正像差的透物镜是反射镜，它前面再加一块改正像差的透镜组成的望远镜叫镜组成的望远镜叫折反射望远镜折反射望远镜。 光学望远镜的类型斯密特折反式望远镜折射式望远镜视场大，每次可以观测较大范围的天区。反射式望远镜清晰度高但视场小。斯密特式马克苏托夫式上回说到： 天文望远镜天文望远镜36我国古代先进的天文仪器？我国古代先进的天文仪器？第一个使用望

16、远镜观测夜空的天文学家？第一个使用望远镜观测夜空的天文学家？第谷第谷布拉赫的大型观测仪器？布拉赫的大型观测仪器？儒略日儒略日(Julian Date)是怎么定义的？是怎么定义的？发明反射式望远镜的是谁？发明反射式望远镜的是谁？ 光学望远镜可按光学部分和机械装置来分类。光学望远镜可按光学部分和机械装置来分类。 光学部分主要的是望远镜的物镜和目镜。物光学部分主要的是望远镜的物镜和目镜。物镜是最核心器件，它的光学性能好坏对于天文镜是最核心器件，它的光学性能好坏对于天文观测来讲至关重要。它起着聚集光量的作用，观测来讲至关重要。它起着聚集光量的作用，显示着探测天体的威力。显示着探测天体的威力。 物镜是透

17、镜的叫物镜是透镜的叫 折射望远镜折射望远镜； 物镜是反射镜的叫物镜是反射镜的叫反射望远镜反射望远镜； 物镜是反射镜，它前面再加一块改正像差的物镜是反射镜，它前面再加一块改正像差的透镜组成的望远镜叫透镜组成的望远镜叫折反射望远镜折反射望远镜。 光学望远镜的类型 用凹面反射镜作物镜的望远镜。反射望远镜的主要优点用凹面反射镜作物镜的望远镜。反射望远镜的主要优点是不存在色差，当物镜采用抛物面时，还可消去球差。但是不存在色差，当物镜采用抛物面时，还可消去球差。但为了减小其它像差的影响，可用的视场较小。反射望远镜为了减小其它像差的影响，可用的视场较小。反射望远镜可以工作在不同的焦点，就有不同形式的望远镜。

18、以下分可以工作在不同的焦点，就有不同形式的望远镜。以下分别为主焦点系统，牛顿系统，卡塞格林系统和折轴系统。别为主焦点系统，牛顿系统，卡塞格林系统和折轴系统。反射望远镜coude room多面镜1932年，霍恩达尔多的多面镜思路。1971年，美国史密松天文台和亚利桑那大学联合研制。于1979年制作了世界上第一台由6块口径1.8m的反射镜组成的多镜面望远镜，效果相当于一台4.5m口径的单镜面望远镜。1984年凯克基金会资助加州理工学院建造了口径10m的望远镜。欧洲南方天文台的甚大望远镜ESOs VLT1962年10月5日，欧南台(ESO)成立（比利时、法国、德国、荷兰、瑞典、丹麦、意大利、瑞士）。

19、1969年3月25日，欧南台在智利拉西亚山建立观测站。1987年12月8日，全体一致通过建造甚大望远镜。四架口径8.2m的望远镜作为干涉仪使用，相当于一架口径16m的望远镜。Very Large Telescope!LBT Large Binocular Telescope(大型双筒望远镜大型双筒望远镜)德州大学德州大学McDonald天文台天文台 (Univ. of Texas at Austin)(望远镜选址望远镜选址)上上海海天天文文台台1.56米光学望远镜 紫金山天文台近地天体望远镜 云南天文台2.4米光学望远镜 我国的光学望远镜国家天文台郭守敬望远镜地球大气只有三个地球大气只有三个“

20、大气窗口大气窗口”：即即光学窗口光学窗口、红外窗口红外窗口和和射电窗口射电窗口，让电磁辐射相应的光学、红，让电磁辐射相应的光学、红外和射电波段辐射通过。外和射电波段辐射通过。 Gemini SouthNASA红外望远镜(IRTF)Gemini North地球大气只有三个地球大气只有三个“大气窗口大气窗口”：即即光学窗口光学窗口、红外窗口红外窗口和和射电窗口射电窗口，让电磁辐射相应的光学、红，让电磁辐射相应的光学、红外和射电波段辐射通过。外和射电波段辐射通过。 空间光学望远镜1946年提出1990年升空1990年4月由发现号送入太空哈勃是个近视眼哈勃是个近视眼!镜面有球差，聚焦不准，镜面有球差，

21、聚焦不准，1993年修复年修复世界望远镜发展现状世界望远镜发展现状2010-20202010-2020年，目前已开始或将要开始观测的当代年，目前已开始或将要开始观测的当代8-108-10米望米望远镜（远镜（VLT, Keck, Gemini, Subaru, LBT, GTC, HET, VLT, Keck, Gemini, Subaru, LBT, GTC, HET, MagellenMagellen) )通过装备有自适应光学的仪器可以观测到衍射极通过装备有自适应光学的仪器可以观测到衍射极限。限。20102010年，年，ALMAALMA在在mm/sub-mmmm/sub-mm研究早期宇宙的星

22、系形成，探索研究早期宇宙的星系形成，探索原恒星，分析恒星和行星形成过程，观测远红外背景等等原恒星，分析恒星和行星形成过程，观测远红外背景等等正在预研的下一代地面正在预研的下一代地面30-10030-100米口径光学米口径光学/ /红外望远镜将打红外望远镜将打开一个全新的宇宙的窗口，将有空前的观测结果产出（分辨开一个全新的宇宙的窗口，将有空前的观测结果产出（分辨率到率到mas, mas, 灵敏度将是百倍甚至千倍于目前的望远镜）灵敏度将是百倍甚至千倍于目前的望远镜）JWST, XEUS, TPF/Darwin JWST, XEUS, TPF/Darwin 空间计划将摆脱大气的扰动、吸空间计划将摆脱

23、大气的扰动、吸收和重力的影响探索宇宙。因有自适应光学，收和重力的影响探索宇宙。因有自适应光学，1010年之内，除年之内，除了了x ray, UV x ray, UV 和远红外，空间和远红外，空间5-105-10的光学的光学/ /红外光学望远镜红外光学望远镜已不能与地面的已不能与地面的30-10030-100米望远镜竞争。米望远镜竞争。 评价一架望远镜的好坏首先要看评价一架望远镜的好坏首先要看望远镜的光学性能，然望远镜的光学性能，然后看它的机械性能的指向精度和跟踪精度是否优良。后看它的机械性能的指向精度和跟踪精度是否优良。 望远镜的光学性能指标，主要有六个参量望远镜的光学性能指标，主要有六个参量

24、: : 望远镜有效口径望远镜有效口径( (通光直径通光直径) ) 相对口径相对口径( (光力光力) ) 视场视场 目视望远镜的放大率目视望远镜的放大率( (照相望远镜为底片比例尺照相望远镜为底片比例尺) ) 贯穿本领贯穿本领( (极限星等极限星等) ) 分辨本领分辨本领天文望远镜的光学性能天文望远镜的光学性能 口径即望远镜的通光直径。口径越大，口径即望远镜的通光直径。口径越大，其接受到的光流量越多，就能收集更多的辐其接受到的光流量越多，就能收集更多的辐射，聚光本领就越大，也就能观测到更暗弱射，聚光本领就越大，也就能观测到更暗弱的天体，因此它反映了望远镜观测天体的能的天体，因此它反映了望远镜观测

25、天体的能力。力。 口径大的望远镜和优良的天文台址是同口径大的望远镜和优良的天文台址是同等重要的。等重要的。 望远镜若有大的光力对观测有一定视面的天体望远镜若有大的光力对观测有一定视面的天体如太阳、月亮、行星、彗星、星系和星云等是有利如太阳、月亮、行星、彗星、星系和星云等是有利的，因为有视面天体像的亮度与的，因为有视面天体像的亮度与A A2 2 成正比。成正比。 相反，对于恒星的研究，望远镜的口径大、光力相反，对于恒星的研究，望远镜的口径大、光力小（加大焦距，减弱背景光的亮度），才能观测到小（加大焦距，减弱背景光的亮度），才能观测到更暗弱的星。更暗弱的星。 一架望远镜的放大率等于物镜的焦距一架望

26、远镜的放大率等于物镜的焦距F1与目镜的焦与目镜的焦距距F2之比，即之比，即M = F1 / F2 一个望远镜物镜可以配好几个目镜，就可以获得不同一个望远镜物镜可以配好几个目镜，就可以获得不同的放大率，显然采用短焦距的目镜就可以获得较大的放的放大率，显然采用短焦距的目镜就可以获得较大的放大率。若目镜的焦距为大率。若目镜的焦距为4毫米毫米, ,用它配在焦距用它配在焦距800 mm 的的物镜后，就可获得物镜后，就可获得200倍的放大率。但小望远镜用过大倍的放大率。但小望远镜用过大的放大率，天体变得很暗，而且由于光的衍射效应，其的放大率，天体变得很暗，而且由于光的衍射效应，其像变得模糊。像变得模糊。

27、若用探测器代替目镜直接成像，则放大率将没有意义，若用探测器代替目镜直接成像，则放大率将没有意义，取而代之的是底片比例尺。取而代之的是底片比例尺。 通过望远镜能看的最暗的星等通过望远镜能看的最暗的星等 ( (极限星等极限星等) )。它反。它反映了望远镜观测天体的能力。映了望远镜观测天体的能力。 对于照相观测或对于照相观测或CCDCCD观测，由于有累积效观测，由于有累积效应，在一定的时间范围内露光时间越长就能应，在一定的时间范围内露光时间越长就能观测到越暗的星，望远镜的贯穿本领也越高。观测到越暗的星，望远镜的贯穿本领也越高。(6) 分辨本领：分辨本领： 是望远镜能分辨天体细节的能力，是望远镜能分辨

28、天体细节的能力，是望远镜很重要的性能指标。望远镜的是望远镜很重要的性能指标。望远镜的分辨本领由望远镜能够分辨天体上的最分辨本领由望远镜能够分辨天体上的最小角度小角度( (分辨角分辨角) )来衡量。来衡量。 分辨角：两天体的像刚刚能被分开时，分辨角：两天体的像刚刚能被分开时，它们所对应的天球上两点的角距离。它们所对应的天球上两点的角距离。 在良好的天文台址条件下在良好的天文台址条件下, ,望远镜的口径越大望远镜的口径越大, ,分辨本领越分辨本领越高高, ,越能分辨天体的更细结构，越能分辨天体的更细结构，则能观测更暗、更多的天体。则能观测更暗、更多的天体。|照相底片照相底片 分辨率高，量子效率低

29、动态范围小，非线性响应，只用于光学。 噪声大，不易保存。|光电倍增管光电倍增管 分辨率低，量子效率一般， 动态范围大，线性响应好，成像性能低， 时间响应好，噪声小，寿命短。|CCD 分辨率高（但不如相片），量子效率高 动态范围大，线性响应好，噪声小，数据处理和保存极方便，视场偏小。地球大气只有三个地球大气只有三个“大气窗口大气窗口”：即即光学窗口光学窗口、红外窗口红外窗口和和射电窗口射电窗口，让电磁辐射相应的光学、红，让电磁辐射相应的光学、红外和射电波段辐射通过。外和射电波段辐射通过。 射电望远镜射电天文学是由无线电通信技术的发展而孕育和诞生的。无线电波是指频率在3kHz到3GHz（波长在105m到0.1mm）范围内的电磁波。只有0.36mm到30m的无线电波可以穿透大气层，称为射电波段。俄罗斯 波波夫意籍英国 马可尼长 波：30-300kHz （103-104m）中 波：0.3-3MHz （ 102-103m ）短 波：3-30MHz