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實測天體物理學

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利用實驗物理學的技術和方法來觀測和研究天體的物理本質的學科。

1 實測天體物理學 -簡介

利用實驗物理學的技術和方法來觀測和研究天體的物理本質的學科。

2 實測天體物理學 -誕生

十九世紀中葉,分光學、光度學和照相術廣泛應用於天體的觀測研究,產生了實測天體物理學。①分光學:1666年,牛頓用三稜鏡得到太陽光譜,發現太陽光是複合光。1802年,沃拉斯頓在稜鏡前加上一個狹縫后,發現太陽光譜中的吸收線。1814年,夫琅和費製成了分光鏡。1859年,基爾霍夫說明了吸收線產生的原因。他們的工作為天體分光學打下了基礎。②光度學:喜帕恰斯和托勒密先後在編製星表時,把肉眼能看到的星按亮度分為6等。但星等的準確定義,一直到十九世紀中葉才定下來。1856年,普森建議把相鄰兩個星等的亮度比值定為勄,即2.512,他的建議被普遍採納。以後光劈光度計製造成功,使天體光度測量的結果更加準確。照相術應用於天體的觀測以後,照相測光幾乎代替了目視測光。光電技術應用於天體光度測量則是二十世紀的事。③照相術:1727年,舒爾策發現銀鹽見光變黑現象;到1839年,達蓋爾才利用這個性質發明了照相術。1845年,費佐等人拍攝到第一張太陽照片,發現上面有幾個黑子。1851年,布施在日全食時,拍攝到日冕的照片。1859年,W.C.邦德首先利用照相方法進行恆星的光度測量。以後,照相術廣泛應用於天體的觀測,並包括恆星光譜分類工作。直到今天,照相術仍然是天文學研究中的一種重要手段。

3 實測天體物理學 -理論和技術的配合

從二十世紀開始,物理學的迅速發展,尤其是原子物理學、原子核物理學、量子力學和相對論的建立和發展,為天體物理學提供了分析觀測資料的重要理論基礎。理論物理學應用於天體研究,形成了一個新的分支學科──理論天體物理學。它與實測天體物理學相互配合,推動了天體物理學的發展。從此新天象和新理論不斷出現:對太陽進行光譜觀測,證認太陽大氣里含有幾十種元素;觀測太陽表面的特徵結構,並發現黑子磁場;五大行星表面溫度的實測結果與理論推算相符合;通過實測初步證認了幾個行星大氣的組成並發現彗星的彗頭光譜和彗尾光譜的差異和它們的化學組成。通過恆星的測光和分光研究,確定了大量恆星的各種物理量──光度、質量、大小、表面溫度、表面壓力、自轉速度等,確定了河外星雲都是龐大的恆星系統。此外,還從理論上研究了恆星的內部結構、能量來源以及天體上的不穩定過程的本質。

天體物理學的發展,要求不斷擴大天文望遠鏡的口徑,配備更精密的附屬設備,改進觀測技術。本世紀初,已經有了幾座口徑1.5米以上的反射望遠鏡,1918年,美國威爾遜山天文台建成口徑2.54米的反射望遠鏡。1948年,帕洛馬山天文台建成口徑5.08米的反射望遠鏡。各種新技術(自動化技術、光電像轉換技術、電子計算機技術)的應用,不斷給實測天體物理學增加新的武器。

4 實測天體物理學 -全波天文學概述

天體的電磁輻射包括射電波(1毫米~30米)、紅外線(7000埃~1毫米)、可見光(4000~7000埃)、紫外線(100~4000埃)、X射線(0.01~100埃)和γ射線(<0.01埃)。①射電天文:紫外線、紅外線容易被地球大氣分子吸收,而波長1毫米~30米的無線電波,則不易被吸收。1931~1932年,央斯基在研究長途電訊干擾時,發現了來自銀心方向的宇宙無線電波即宇宙射電。二十世紀四十年代,英國一部軍用雷達接收到一種異常干擾,又發現了太陽發出的強烈的無線電輻射,即太陽射電。以後,人們愈來愈廣泛地使用無線電方法研究天體和宇宙的射電輻射,射電天文學便誕生了。六十年代的四大天文發現──類星體、脈衝星、星際分子、微波背景輻射,都是通過射電天文手段取得的。②空間天文:1946年,美國開始利用V-2型火箭在離地面30~100公里不同高度處拍攝紫外光譜,獲得不少太陽光譜新知識。1949年,伯奈特利用V-2型火箭在 90公里高度處用塗鈹底片發現了太陽的X射線。1953年,利用光子計數器代替底片作為太陽輻射的探測器。觀測表明,由色球發出的紫外線和由日冕發出的 X射線強度變化很大。只有持續觀測,才能取得太陽爆發過程的系統資料,僅靠火箭觀測顯然是不夠的。1957年,蘇聯發射人造地球衛星以後,美國、西歐、日本也相繼發射了天文衛星和空間飛行器(如軌道天文台、軌道太陽觀測台、高能天文台等等),在其中安裝了各種類型的探測器(利用高能物理、核物理、原子物理的探測技術),探測天體的各種輻射,促使紫外天文學、X射線天文學、γ射線天文學迅速發展。十九世紀四十年代出現的紅外天文學,在二十世紀六十年代獲得了新的生命力。從此進入了全波天文學時代。

5 實測天體物理學 -新技術的應用

隨著工業技術的飛速發展,幾乎所有的各種新技術都被應用於天文觀測。①天文望遠鏡:電磁輻射的收集和定位是由望遠鏡來實現的。例如,1962年美國國立天文台在基特峰安裝了定日鏡口徑為2.08米的太陽望遠鏡,配備有多通道太陽磁像儀和真空攝譜儀。1963年,美國阿雷西博天文台在波多黎各裝備了最大的單天線的固定球面射電望遠鏡,球面口徑305米。1970年前後,有十來個射電天文台採用干涉技術,如美國探空跟蹤站的兩個分站:戈德斯通站和拉貢站(澳大利亞)。1967年用距離10,589公里的甚長基線干涉儀觀測射電源,工作波長13厘米,解析度達0奬0008。②行星際探測:美國發射的「阿波羅號」宇宙飛船於1969年7月起,多次登月,宇航員收集和轉遞了大量月球資料,並在月面上安置各種測量儀器。美國、蘇聯等國發射一系列空間飛行器,探測月球、行星和行星際空間。天文學在傳統上是靠「觀測」獲得資料,由於空間科學的發展,已開始用「實驗」方法來研究天體。除了火箭技術外,還應用遙感技術、通訊技術、遙控技術和自動化技術。③地面觀測:地面觀測仍有非常重要的作用。大型光學望遠鏡和射電望遠鏡繼續在工作。望遠鏡的終端設備日益精良(如光電像增強器、二極體陣等等),分析測量儀器不斷改善(如快速自動顯微光度計PDS),大大提高了工作效率。1975年,蘇聯在高加索安裝了口徑 6米的地平式反射望遠鏡,用電子計算機控制來跟蹤天體。地面的光學觀測和射電觀測仍然是天體物理數據資料的重要來源。

6 實測天體物理學 -參考書目

大沢清煇:《天體の物理観測》,恆星社,東京,1965。

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