实测天体物理

Observational Astrophysics

• 分光学、光度学、照相术

天体的信息

• 天体信息5种载体：电磁辐射、物质采样、宇宙射线、中微子和引力波

地球大气影响和天文台选址

• 视宁度 (Seeing)：天顶方向的像斑的半峰全宽 (FWHM)，单位是角秒 (arcsec)

天文光学望远镜

• 完整的现代天文光学观测仪器系统：

  望远镜 + 辐射分析仪 + 辐射探测器 + 计算机

望远镜光学性能物理参量

1. 口径 ( $D$ )：

   光通量 $\propto D^2$

2. 相对口径/光力 ( $A$ )：

   $A=D/F$ 是焦比的倒数

   • 大光力（快焦）观测视面天体

     小光力（慢焦）观测恒星

参量

流量密度增益 ( $G$ )

$$G=\frac{\eta D^2}{(\delta F{)}^2}$$

其中 $\eta$ 为通光（反射，透射）效率， $D$ 为口径， $F$ 为物镜焦距， $\delta$ 为视宁度 (Seeing) 直径

3. 放大率与底片（焦面）比例尺：

   • 放大率 $M=F_o/F_e$

   • 底片比例尺 $\alpha =\omega /l=1/F(/mm)=206265/F{(}^{″}/mm)$

4. 视场 ( $\omega$ )：

   • 目视望远镜 $\omega ={\omega }^{\prime }/M$ ，${\omega }^{\prime }$ 为目镜对应角直径（目镜视场）
   • 照相望远镜视场就是物镜视场

5. 极限星等：

   $m=2.1+5\log D(mm)$

6. 分辨本领：

   $\delta =1.22\lambda /D$

7. 光能集中度：

   通常用 $80\mathrm{\%}$ 或 $90\mathrm{\%}$ 的光能集中在直径多少毫秒来衡量

性能总评价

品质因子 $Q$

$$Q=G{\omega }^2\mathrm{\Delta }\lambda$$

实际光学系统的像差

1. 球差
2. 彗差 (COMA)
3. 像散 (Astigmatism)
4. 场曲 (Field curvature)
5. 畸变 (Image distortio)
6. 色（像）差：位置色差、倍率色差

光学望远镜类别

• 反射望远镜的焦点系统：

  1. 主焦点系统
  2. 牛顿焦点系统
  3. 卡塞格林焦点系统
  4. R-C 系统
  5. 耐氏 (Nasmyth) 焦点系统
  6. 折轴 (Coude) 焦点系统

主动光学和自适应光学

• 主动光学 (Active Optics) ：矫正望远镜光学系统变化
• 自适应光学 (Adaptive Optics) ：补偿大气影响

天文光度测量和成像观测

• 天体天顶距计算：

  地方恒星时 $S=S_0+(T-8)(1+\mu )+\lambda$ ( $S_0$ 是世界时零时的恒星时， $T$ 为北京时间， $\mu =1/365.2422$ ，$\lambda$ 为当地地理经度)

  天体时角 $t=S-\alpha$ ( $\alpha$ 是天体赤经)

  天顶距 $\cos z=\sin \mathrm{\Phi }\sin \delta +\cos \mathrm{\Phi }\cos \delta \cos t$ ( $\mathrm{\Phi }$ 为当地地理纬度， $\delta$ 为天体赤纬)

• 热星等系统：

  热星等 $m_b=-2.5\lg E+c$

  天体总光度 $L=4\pi R^2\sigma T_{eff}^4$

  绝对热星等 $M_b=m_b+5-5\lg \pi -A_b(r)$

  热改正 $\text{BC}=m_b-m_v=M_b-M_v$

天体的光谱观测

• 一般光栅方程式$$m\lambda =d(\sin \alpha +\sin \beta )$$

• 闪耀波长：把衍射光极大方向与反射方向一致

  利特罗 (Littrow) 条件下一级闪耀波长 ${\lambda }_0=2d\sin \theta$

  一般条件下 $m$ 级闪耀波长

  $$\begin{array}{rl}{\lambda }_b& =\frac{d(\sin \alpha +\sin \beta )}{m}=\frac{2d}{m}\sin \frac{\alpha +\beta }{2}\cos \frac{\alpha -\beta }{2}\\ & =\frac{2d}{m}\sin \theta \cos \frac{\alpha -\beta }{2}=\frac{{\lambda }_0}{m}\cos \frac{\alpha -\beta }{2}=\frac{{\lambda }_0}{m}\cos (\alpha -\theta )\end{array}$$

• 交叉色散法（阶梯光栅）