作为一名天文爱好者,昨天被热播剧《人民的名义》刷了个屏,因为第22集中对剧中人物孙连城有这样一段描述(以下截图不涉及重大剧透,应该可以放心观看)。

  哲学家康德说过这样一句话:世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵,一件是我们心中崇高的道德准则,另一件是我们头顶上灿烂的星空。仅仅是抬头看看那深蓝色镶满宝石的穹庐,已足能让我们的心灵深感震撼,并让我们开始对人生进行思考。

中国科学院国家天文台10月10日在北京宣布500米口径球面射电望远镜取得首批成果:找到6颗新的脉冲星,实现中国科学家用中国望远镜发现脉冲星“零的突破”。记者截取三个关键词进行解读。

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  时间也是一个大问题,忙碌的现代人没有很多时间看星星,没有完全减负的学生们晚上也还有许多功课。但如果你偶然在夜间外出,一定不要忘了抬头看那灿烂的星空,体会一下那让哲学家所感到的震撼,对人之为人做一些思考。 

望远镜:开启寻星的激越时代

剧中孙区长的这套爱好天文的装备,在真正的天文爱好者看来,还真是有些“简陋”了。我当时就吐了句槽:

  说到这里,我要插上一段关于天蝎和猎户的神话传说。

中国自主研制的FAST坐落于贵州省喀斯特洼地之中,其接收面积相当于30多个足球场大小,是目前世界上最灵敏的单口径射电望远镜。

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  据说有一位狂妄的猎人名字叫奥赖温。他总吹嘘自己天下无敌,能战胜一切动物。宙斯的妻子听说后,就派一只毒蝎去与猎人决斗。结果夸下海口的猎人被毒蝎蜇死了。他死后升上天空变成了猎户星座,毒蝎变成了天蝎星座。为了防止这对仇敌再起争斗,宙斯将他们安置在天球的两边,一个升起时,另一个便落下,永世不得相见。事实上,天蝎座出现在夏夜的星空,而猎户座出现在冬夜。  

它有多灵敏?经横向比较,FAST发现第一颗新脉冲星仅用了52.4秒观测,得到的信号噪声比值是澳大利亚64米口径望远镜Parkes验证时所用2100秒观测的3倍。

后来补看了内容,发现之前说他没有寻星镜是不对的。其实是有的,只是那张截屏中刚好被镜筒挡住。就是这么个东西:

  这是我喜欢的一个神话传说,因为敌对所以永不相见,就像日月,就像昼夜,就像水火。因为矛盾所以生动,因为矛盾所以独立,也是因为矛盾所以各成体系。

人类已寻找到2500多颗脉冲星,有一半源于拥有先进技术和优越地理位置的Parkes。有分析称,FAST未来有望找到4000余颗脉冲星。

www.yzc579.com 3不过,加上这个寻星镜也涨不了多少价值。

  冬季,是一年中星空最热闹的季节,众星座争相辉映。  

中国科学院国家天文台研究员、FAST工程副总工程师李菂当日介绍了FAST脉冲星搜索规划,接下来将“尝试计时观测,开启中国望远镜发现中子星的激越时代。”

正好借这个机会,简单讲讲天文望远镜的结构,主要有两个问题:

  在88个星座中,拥有亮星最多的是猎户座。它有两颗1等星——参宿四和参宿七,此外还有五颗2等星,三颗3等星和十五颗4等星,这些闪闪发光的星星使猎户座成为最为明亮的星座,被称为“星座之王”。雄伟壮丽的猎户座以其位于中央的呈一字排开的三颗亮星而自古文明,它们就是著名的“参宿三星”,在猎户座这一名称还未出现以前就已显示了它们的存在。无论古今中外,人们都赞美和重视猎户座,把它作为胜利和光荣的象征。由于“参宿三星”,非常醒目,过眼不望,所以辨认猎户座十分容易。

寻找脉冲星仅是FAST所列科学目标之一。李菂对中新社记者说,FAST也在巡视宇宙的中性氢、获取银河系结构、探索太空生命起源等方面进行调试。

  1. 天文望远镜的寻星镜、赤道仪,这些听起来好复杂的东东,都是干什么用的?

  2. 配齐了这些装备就能很开心地观测天文了吗?

  天文望远镜

脉冲星:聆听宇宙的稳定心跳

寻星镜和赤道仪干啥用?

要讲清楚这个问题,得先搞明白望远镜是干嘛用的。是望远用的吗?越好的望远镜看得越远?——不是这样的哦!

比如月球,距离地球38万千米;太阳距离地球1.5亿千米;夜空里最亮的恒星天狼星,距离地球81万亿千米(8.6光年)——这些我们都可以用肉眼直接看见,不需要望远镜。

望远镜的主要作用之一,在于能看清远方物体的细节。讲得稍微专业一点,就是放大远处物体的张角。

www.yzc579.com 4不是这个张角……

所谓张角,可以理解为,为了看清远处物体的两端,视线所需要张开的角度(也称为视角):

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远处物体射来的光,经过望远镜之后,张角被放大,人或设备就能看清物体的细节了。

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​比如像这样:)

www.yzc579.com 7日本Orion望远镜的创意搞笑海报

如果张角太小,望远镜无法把它放大,就会糊成一团,看不清细节。所以,望远镜所能分辨的最小张角,是评估望远镜的重要指标之一。望远镜的口径越大,能分辨的张角就越小。

去年中国搞了个大新闻,在贵州落成启用了一台500米口径球面射电望远镜,简称FAST,号称世界最大单口径射电望远镜。做得这么大,分辨率那就别提有多高了!(当然,这是相对于其他射电望远镜而言的——由于观测波段不同,射电望远镜的分辨率远远达不到相同口径光学望远镜的水平。)

www.yzc579.com 8当年仍在建设之中的FAST。图片源自网络。

除了FAST这样的“单口径”望远镜,把多台望远镜联合起来,也可以虚拟出一台超大口径的望远镜。

清明节的时候有这样一条消息:科学家把分布于全球不同地区的8台射电望远镜阵列联合起来,要给银河系中心的黑洞拍张照。

www.yzc579.com 9电影《星际穿越》中的超级黑洞“卡冈图雅”。

​这些望远镜的分布跨越了地球直径的两端,通过干涉技术可以搞出口径相当于一万千米的虚拟望远镜,可以用它观测到2.6万光年以外黑洞的微小张角。这个干涉技术是拿过炸药奖的,真是霸气十足。

www.yzc579.com 10如果在月球上也架一口锅,联合起来是不是就能搞出口径达到38万千米的望远镜了呢?

聊的有点远了,把话题拽回来。望远镜的作用是把小的张角放大,它本身也就看不了很大的区域。

www.yzc579.com 11肉眼看到的天区范围是这样的。图片来源:Stellarium模拟

www.yzc579.com 12望远镜看到的范围,就只有这么一点。图片来源:Stellarium模拟

观测范围这么小,要找到一个想看的目标,该怎么操控望远镜瞄准它呢?这就得用到寻星镜了。寻星镜也是个望远镜,不过它的分辨率低一些,所看到的区域范围可以大一些,便于找到目标。

使用前,让主镜瞄准一个目标,使之置于视野中心,然后调整寻星镜的指向,使这个物体也位于寻星镜视野中心的十字叉上。

​这样调试好之后,再用寻星镜瞄准某个目标,调整到视野中心时,观测目标就会出现在主镜的视野中心了。

www.yzc579.com 13使用的时候就像孙连城这样,先通过寻星镜寻找目标。

www.yzc579.com 14不过,孙连城随手拧松了寻星镜的做法,容易造成寻星镜找到的目标不在主镜里,使用时要注意规避。

正因为望远镜只能观测很小的区域,所以当需要观测大天区面积的时候,就不适合使用望远镜了。比如:

  • 看银河全貌,这种跨越整个天宇的目标显然直接用眼睛看;

  • 看星座,几千年前的古人就是用肉眼划分出星座体系的;

  • 看流星,它会呲溜一下快速地从这个星座划到另一个星座,用望远镜根本来不及操作瞄准;

  • 还有观测黄道光、ISS国际空间站过境、铱星闪光等,都适合肉眼观测。

以上,寻星镜就讲完了,接下来是赤道仪。

地球在不停自转,于是星星们看起来就会呈现东升西落的运动模式。

我们肉眼的观看范围很大,星星的运动短时间内不会有什么显著变化。但是刚才说了,望远镜的视野范围小,星星稍微运动一点儿就会跑出视场看不着了。怎么办?这时候就该用赤道仪了。

赤道仪用一根轴对准北极点,做到和地球自转轴平行。观测时,地球转动多少角度,只要调整旋钮让赤道仪返回多少角度,就又回到了原来的指向,非常方便。

www.yzc579.com 15红圈部分为赤道仪,使用时要将极轴调整到与地球自转同轴。

高级一点的话,也可以用电动赤道仪,时时与地球自转保持等速反向旋转,能够对目标进行持续跟踪。

有的赤道仪还带有自动寻星功能,使用时选好要看哪颗星,就可以自己转动,将望远镜对准目标并保持跟踪,这就更方便了。

  口径:物镜的直径,口径大小决定望远镜的集光力与解像力,口径愈大愈亮,解像力愈高.

脉冲星是一种特殊的中子星,在银河系中主要分布于银盘和球状星团中。它的辐射束周期性快速扫过地球,地球人由此捕捉到一个个周期脉冲。这种极端天体在1967年被约瑟琳·贝尔意外发现,人们将首颗脉冲星编号为CP1919——FAST在2016年首次试观测,对准的也是这个目标。

这些装备就能让人开心地观测天文吗?

其实,对于刚入门的天文爱好者来说,望远镜有可能达不到原先的期望。请看知名科普公号
Easynight 绘制的介绍:

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是不是有点懵?

前面提到,望远镜的口径能提高分辨率,其实口径还有另一个重要作用,就是增加集光能力。

人眼在黑暗环境中,瞳孔一般能扩张到 7 毫米,它接收光线的面积就是直径 7
毫米的圆。

现在,如果用口径 70
毫米的望远镜做观测,相当于把100倍于瞳孔面积的光集中起来送进眼睛,看星星就会更亮,也能看到原来很暗而看不到的星星。当然,一定要注意绝对不能用望远镜直接观测太阳,否则真的会发生连氪金狗眼都被烧瞎的杯具。

但即便如此,很多天体的光亮实在是太暗了。除了大口径望远镜,还得用赤道仪架着相机长时间跟踪曝光,把所能收集到的光线一点一滴集合起来,并进行后期加工处理等,才能呈现出来。

所以业余爱好者到底用望远镜能看啥?还是来看EN菌的手绘:

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上面这幅漫画中的最后3张图片用到了16英寸口径的望远镜,集光能力是眼睛瞳孔的3000多倍。用孙连城手边这台只有60毫米口径的望远镜,肯定是没戏的。(剧中他只用来看月偏食,那倒是足够用了……)

我前面吐槽剧组找的望远镜很low,是因为这台望远镜的支架根本不是什么赤道仪,镜筒应该也好不到哪里去。后来有朋友考证,整套望远镜的某宝定价才¥180,我之前估计的300大洋还真是高看了它。孙区长贪污不贪污另说,但剧组看来是真没钱……

质量差的玩具型望远镜不推荐购买,因为看物体有各种相差,且操作繁琐,不利于观测。但是这不怪60mm口径的问题,同口径下也有牛逼的望远镜,加个ED玻璃、用上个什么复消色差系统之类的,价格也能上千,甚至上万都有可能。

其实,初学者并不一定需要望远镜才能进行天文观测。前面提了很多肉眼就可以观测的目标,再加上对天文理论的学习,搞清楚自己想观测的目标是什么、需要怎样的装备,再入手也不迟。(编辑:Steed)

感谢EN菌(公众号easynightcomic)授权使用他们的天文手绘漫画,本文授权转载自作者马褂的个人公众号:myAstro,欢迎关注。

  焦距:从物镜到焦点距离,一般以”f”表示,单位为mm.如f=600mm表示焦距600mm.

更通俗地说,脉冲星是巨大的恒星们死亡后留下的致密遗骸,“比太阳还要重,却只有北京市五环那么大。”它们旋转飞快,通常几秒就能自转一周,快的甚至1秒内自转数百圈。

  焦比:口径(mm)=焦比.相当于镜头的光圈,以”F”;表示;F值越低,亮度越高.

中国科学院国家天文台当日公布了由FAST发现的两颗脉冲星。其中一颗据估算距地球4100光年,自转周期0.59秒,李菂将观测信号比喻为“孩子的心跳”。

  倍率:物镜焦距(mm)÷目镜焦距(mm),物镜焦距越长,或更换越短焦的目镜,倍率越大.

发现脉冲星有什么用?科学家们回答,一方面在于它具有地面实验室无法实现的极端物理性质,研究它有望得到重大物理学问题的答案;另一方面在于它是深空导航等重大科学及技术应用的理想工具。

  光轴:望远镜中光路的轴心,若光轴偏斜,望远镜便不能发挥最佳性能,严重时可能无法成像.

比如通过长期监测快速旋转的射电脉冲星,选取一定数目的脉冲星组成计时阵列,可以探测来自超大质量双黑洞等天体发出的低频引力波。

  镀膜:在镜片表面镀上一层特殊的金属化合物,目的是减少反光,增加光线透射率.

新发现:国之重器的承上启下

  寻星镜:是一支低倍的小望远镜同架在主镜上,利用其视野较广的特性,方便搜索天体.

FAST还处于调试阶段,望远镜的指向调节尚不灵活,因此科学家们采用“漂移扫描”方式进行观测。所谓漂移扫描类似于“守株待兔”,即望远镜固定指向天顶,等待天体“运动”到望远镜的视野里。

  赤道仪:赤道仪的功能除了承载望远镜之外,最重要的是藉由步进马达带动赤经本体,使望远镜能跟随星体移动,常见的有德式与叉式两种,其中又以德式最普遍,以下就以德式赤道仪做简单介绍.

FAST的调试难度不亚于建设难度,FAST调试组组长姜鹏说,调试工作涉及测量、控制、力学、电子学、天文等多学科领域,在500米尺度上实现毫米级测量及控制精度,“没有成熟经验可供参考”。

  极轴望远镜:天球北极与南极的连线称为极轴,极轴望远镜的功能就是校正赤道仪赤经轴,使其与极轴平行,一般都是内藏在赤经本体之中.

姜鹏及他的团队正在围绕调试及运行阶段的一些关键技术展开研究,并取得重要进展,例如基于陶瓷电容技术研制的高压滤波器,对新疆110米口径、云南120米口径的望远镜也有重要借鉴意义。

  赤经轴:赤道仪中与极轴平行的旋转轴称为赤经轴.

中国科学院国家天文台台长严俊透露说,经过一年紧张调试,FAST调试进展超过预期及国际同类大型设备的惯例。此外,FAST积累了700个小时的试观测时长,提前超额完成了本年度的试观测任务。

  赤纬轴:赤道仪中与极轴垂直的旋转轴称为赤纬轴.

严俊说,FAST将在未来两年继续调试以达到设计指标、通过国家验收,早日面向国内外学者开放。

  重锤:安装在赤纬轴底部,可上下调整,用来平衡望远镜的重量,平衡的步骤在德式赤道仪中是非常重要的,关系到赤道仪的寿命.

  马达:带动赤经轴旋转使赤道仪转速与地球自转同步,需要配合控制器使用.

  刻度盘:赤经轴与赤纬轴上都有刻度盘,受限于精度,刻度盘都仅供参考用.

  自动导入:某些高阶赤道仪中内藏小型电脑,并储存许多天体位置资料,只要由控制面板输入天体名称,赤道仪就会自动搜寻天体,并导入望远镜视野中.

  附录:

  常见的光学名词

  
:意指主镜片之直径.而口径是越大,成像品质越佳,,分解能越高,因为集光力越强.

  
:意指光线经由主镜片至成像焦点的距离.

  
:就如相机的光圈值同意.数字越小,亮度越亮,为短焦;数字越大,亮度越暗,为长焦.焦比的计算方式:焦距÷主镜口径=F(焦比).F小于5的适合用于直焦摄影;F大于9以上的较适合做观测或扩大摄影.另介于5和9之间的,则是可摄影,观测及扩大摄影用.

  
:倍率的计算方式:物镜焦距÷目镜焦距.但望远镜在提升倍率时也有一定的限度,不能过分的提高倍率,否则所见的影像会变得模糊,黑暗,并且视野变的狭窄而看不清影像.适当的高倍应为主镜口径的十倍,最高以十五倍为限.譬如口径六公分的望远镜,以六十倍为适当的倍率,最高不得超过九十倍.

  集光力:依肉眼瞳孔在夜间开到最大(瞳孔最大时为6mm
7mm)时所集到的光亮为1.在望远镜来说,与主镜的口径大小有关,口径越大,相对的集光力就越佳.而集光力越佳,其成像品质也就越好.

  分解能:简单的说就是将两个相当接近的物体,能将其解测出最小的角度(角距离);而角度最小是以秒(")为表示单位.主镜的有效口径越大,其分解能就越好,看到的影像就越细致;但这数值必须依视野状态及镜片品质好坏,也有着很大的差异.

  
:即在影像的周边出现如彩虹般的色彩,通常为蓝色,红色或紫色等.这是因为光线在透过镜片时,因镜片的材质的关系,而光线的光波有不同的频率,也会有着不同的折射率.在过去的望远镜是由一片凸透镜所构成,但色差的情形是非常的严重,于是后来加了一片凹透镜来达成消除色差,但这也只消除了红色的色差,于是就在镜片的材质上做了研究.目前可完全消除色差的材质为『萤石』,但其成本较高,所以也另有其它的材质研发出来,如市面上所常听见的ED,SD等.

  
:一般普通的望远镜在观赏物体时,或许是视野中央的部份很清楚,很清晰,但在视野的周围会模糊或是影像歪曲,变形,这种性质就是像差.几乎所有的望远镜都有像差,而像差的大小会影响到望远镜的价值.

  
:指所见到范围大小,以角度表示其大小.而肉眼的视野大小约上下六十度,左右九十度的程度.但透过望远镜观看时,因倍率提升,视野相对会变窄.而在低倍率时的视野,一定会比高倍率的视野为大.现在已有广角视野的目镜上市,最大视野已提升到八十四度,让在观看时,舒适度提升了不少.

  极限星等:当在无云,无月光及其它人工光害的夜晚,使用望远镜所能看见的最暗星等.肉眼直接所能见的最暗星等约为六等星,但因望远镜能有集光的效果,所以能看见肉眼所直接看不到的为暗光线.相对在望远镜的主镜口径大小,也决定了所能看见的极限星等.
  

  物镜,它可以把远方目标发出的光会聚到焦点上(在焦点上呈像);目
镜,它把物镜焦点上的像放大,使之在您的视网膜上呈像。这和放大镜的原理一样,它把小的物体放大后在您的视网膜上呈像,这样小的物体看起来就变大了。

  北斗七星是大熊星座的一部分。

 

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