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在天文学家眼中的星之“观星指南”

2020-09-15 12:52 主页 来源:未知
在天文学家眼中的星之“观星指南”


自从开始做天文研究,就有很多人好奇地来问我,你是怎么看星星的?其实还能咋看,搬个小板凳坐那看呗……
 
为了生动地回答这个问题,接下来就说说天文工作者眼中的星空。
 
怎么看?
 
 
图1.电视剧《人民的名义》画面(图源:网络)
 
提到天文学家看星星,许多人就会想到上面这个场景。但对于专业天文人员来说,上面这个做法早就不用了。
 
自从人类发明了照相底片,照相天文学就取代了肉眼观测;CCD发明之后,很快就彻底取代了照相底片。而且科研级别的主流天文观测也已经摈弃折射式望远镜多年了,现在大部分采用反射式望远镜。
 
名词解释:CCD Charge-coupled Device,中文全名“电荷耦合器件”。这个名字实在不好理解。不过不要紧,大家玩的相机(包括手机的相机),镜头后面的焦点位置上,就是这个东西,或它的兄弟版本CMOS。简单理解成电子胶卷就好。
 
当然了,早期的天文学家还是用人眼去观测并记录的,比如下图中威廉·赫歇尔制造的望远镜。
 
 
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图2:威廉·赫歇尔的望远镜示意图(图源:网络)
 
图3是新疆天文台南山观测站的一米望远镜,是很常见的一台地平式反射望远镜。地平式是说这台望远镜的转动轴的安装方式。图中蓝色支架后面的黑色部分,它的内部是主镜面(这个角度看不到主镜,而且主镜在镜盖的保护之下)。主镜面把星光聚焦到图中左侧支架顶端的主焦点上。然后主焦点的设备(其实也就是CCD)就记录下了星光的信号。
 
 
图3:新疆天文台南山观测站一米望远镜(图源:郑捷)
 
顺便说一句,这张照片中的最左边有根管子,这是正在对望远镜进行维护的场景,不是正常观测中的情形。
 
天文学家在哪看?
 
望远镜被安装在楼上的圆顶里,而我们则在楼下的控制室进行操控,图4就是控制室的样子。看起来好像很多屏幕,其实并没有那么多计算机,因为有些计算机需要多个屏幕共同工作。算起来也就四五台计算机吧。
 
 
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图4:新疆天文台南山观测站一米望远镜观测室内景(图源:郑捷)
 
为什么需要那么多屏幕呢?因为我们在工作的时候需要同时监控很多信息,例如一台计算机控制望远镜的指向,以及望远镜的观测计划,一台计算机控制望远镜数据的采集,还要负责显示采集到的图像数据。此外还有一大堆的杂事,例如监控天气状态,填写观测日志,数据质量监控,数据传输和备份……
 
可能有人说,这么多事情,为啥不做多窗口呢?两个方面的原因,一方面我们不能让每台计算机工作负荷太重,都是实时系统,万一哪台机子太忙碌,整个系统都会出问题的。其次呢,这些信息都是我们必须监控的,甚至窗口都不宜重叠,必须让我们在操作时一眼就能看到,所以就只能这么多了。
 
那么一个人能同时看这么多东西吗?答案是能的。对于新手来说,手忙脚乱是难免的,因为除了看一大堆东西,还要操作一大堆东西,但是熟练了之后其实没那么可怕。因为很多关键信息都知道在哪里,扫一眼就知道是否正常。现在设备的自动化程度都非常高,出现异常都会给出提示,所以没那么恐怖。
 
全波段和多信使天文学
 
事实上前面提到的只是光学望远镜!
 
天文观测从400多年前伽利略把望远镜指向天空开始,进入了望远镜时代,之后波段逐渐扩展到射电望远镜等,再然后飞快地进入了全电磁波段时代。
 
 
图5:中国科学院新疆天文台南山观测站26米射电望远镜,远处为原25米射电望远镜天线。这是反射式射电望远镜,是日常所见典型的“大锅”(图源:郑捷)
 
 
图6:500米口径球面射电望远镜(FAST,又名中国天眼),这是一台举世瞩目的射电望远镜(图源:国家天文台)
 
随着中微子天文学和引力波天文学在近年的出现和发展,天文学已经进入了多信使时代。近年来,随着人类将一台台空间望远镜送入太空,现在的观测设备是空间、地基两开花。
 
虽然不同的观测方式使用的设备差异非常大,但是出于传统习惯,我们仍都称它们为望远镜,尽管早已不是“镜子”了。比如下面这张图,你能猜出这是啥?这是1932年央斯基的“旋转木马”天线,也是人类第一台射电天文望远镜。
 
 
图7:人类第一台射电望远镜(图源:网络)
 
作者简介:郑捷,别名小林,理学博士,中国科学院国家天文台助理研究员,兴隆观测基地驻站天文学家,主要从事多波段恒星测光巡天观测和数据处理,以及天文软件研发工作。