FAST及其科学目标

<正>1引言射电(1)波段是除光学外另一个对大气透明的波段,为人类了解宇宙提供了重要的观测窗口。自20世纪30年代央斯基(K.Jansky)第一次接收到来自地球之外天体的射电辐射以来,射电天文技术取得了长足进步。20世纪60年代的四大天文发现——脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子都与射电天文学紧密相关。已于2016年9月25日落成的我国自主建设的世界上最大的单天线射电望远镜——500 m口径球面射电望远镜(FAST)是射电天文技术发展史上又一里程碑。FAST覆盖70 MHz~3000 MHz频段,配备脉冲星、谱线和甚长基线干涉(VLBI)数字终端,可以开展脉冲     

波谱学发展近况

一、引 言 广义来说,物质与电磁波相互作用,产生各种频率的吸收线、散射线或发射线,称为物质的谱线,研究谱线的特征及其与物质结构和运动状态关系的科学称为波谱学.图1列出物质与电磁波相互作用的一般特征[1]. 从图中看出,波谱学涉及到电磁波各个波段,联系到物质各个层次和运动状态,范围相当广泛.但历史上波谱研究是从可见光开始的,习惯上人们把光频段的称为光谱学,涉及微波及射频波段的称为波谱学.然而近代科学技术的发展已经把光频段和微波射频段的波谱现象结合起来研究(光学—微波、射频双共振),特别是激光出现以后,射频波谱的一些概念,…     

等离子体宇宙

几千年来,人们对宇宙的认识都是建立在可见光观测的基础上,而实际上可见光仅仅是电磁波谱中很窄的一段(0.4-0.8μm).近半个世纪以来,人们的视野开始扩展到红外和射电波段.最近十几年来迅速发展的空间技术,使天文学进入了全波段(即包括可见光、全部红外、紫外、x射线和γ射线的整个电磁波谱)观测.观测手段的进步使天体物理学家获得了以前从未有过的丰富信息,使人类对宇宙的认识在实质上发生了飞跃. x射线和γ射线的观测有着特别重要的意义.啊实上,从x射线和γ射线的观测,人们发现了许多出平意料的和有趣的现象.这些x射线和γ射线大部分是由能…     

近代空间天文学的进展

一、概 况 以人造卫星为标志的太空研究已经经历了十五年以上的历史.如果从探空火箭算起,太空研究的历史还可以追朔到本世纪四十年代.空间科学技术的迅速发展,给空间天文事业开辟了十分广阔的前景.空间天文当今作为天文学中一个独特领域,已经发展成为一门相当齐全的综合性学科.1.外空天文观测的优越性 首先,它能够在不同程度上越过地球大气这个屏障,开拓了天文观测波段,取得由外层空间进入地球的整个电磁谱的可能性.各类天体发射着波长从103厘米到1012厘米范围内的辐射.但是地面天文观测主要地局限在可见光区域内.由于大气中臭氧、氧、氮等…     

太阳耀斑环——射电微波及相关波段的研究

与大多以光学波段为主的耀斑研究不同的是,作者拟以射电微波(厘米波段)的频谱和成像观测为主及相应的辐射机制研究太阳活动的基本单元——耀斑环及其物理参数的空间分布和时间演化规律。特别是中国研制的具有国际最高的时间、空间和频率分辨率的射电日像仪(MUSER)已投入运行,文章将为推动该设备即将开展的科学研究提供重要的参考工具。此外,文中也加入了与射电微波辐射密切相关的X射线、紫外和光学波段的研究,符合太阳物理乃至整个天体物理多波段研究的大趋势。文章集中介绍作者最具特色的研究,由于篇幅所限只能给出基本物理思想和概念、主要结论和代表性插图,对相应的理论推导、观测数据处理等细节,读者可根据需要参阅对应的参考文献。     

月球背面——低频射电天文观测的圣地

 宇宙辐射电磁波谱的任何一个波段背后，都有天体的物理现象和机理，只要能感知到，就可以寻找它们的规律。20世纪30年代，美国贝尔实验室工程师卡尔央斯基在短波高频波段偶然收到来自地球之外的天体辐射，开启了射电天文的大门。自此，电磁波成为了天文学家观测天体辐射的核心手段之一。由于地球空间存在的比较浓密的电离层，能够反射短波和中波波段的人造电磁波，使得电磁波无法逃出地球范围。但与此同时，来自地球以外低于10兆赫兹的电磁辐射，也无法透过地球电离层到达地面。可以说，这个波段的天文观测窗口被地球电离层“屏蔽”了。与地球相比，月球的电离层非常稀薄，在其表面的射频观测下限可以达到500 kHz，在夜间还会更低。利用月球背面“干净”电磁环境开展低频射电探测，是全世界天文学家梦寐以求的事情，将填补低频射电观测的空白。因此，嫦娥四号月球着陆探测为科学家提供了在月球背面和月球空间开展低频射电天文研究的绝佳起步机会。     

X射线在天体物理学的应用

正天体物理学是天文学与物理学的交叉学科,是20世纪自然科学发展的一个极其重要的分支。现代天体物理学的重要探测手段之一是借助射电技术设备接收并研究宇宙天体的辐射。这些辐射按波长可分为若干波段,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。按观测的电磁波段可分为光学天文学、射电天文学和空间天文学等。传统的观测是在     

世纪之交的天体物理与原子分子物理

20世纪的后叶 ,原子与分子的射电谱线揭示了光学不可见的冷宇宙 ,银河系最大天体 -巨分子云和恒星形成过程的一个普遍存在的重要的相 -双极外流。近十年发射的红外天文卫星ISO,通过对原子与分子的红外谱线的观测 ,在研究动能温度数百度以上的富碳、富氧演化星包层 ,行星状星云、年轻星和恒星形成区复合体的物理与动力学性质方面取得重要的结果 ,并向原子与分子物理学家提出许多问题和要求。原子与分子物理与天体物理在急剧的发展中将互相激发 ,碰撞出更绚丽的火花。     

打开宇宙电磁频谱的新窗口——超长波

 1800年2月11日，英国天文学家威廉·赫谢尔在观测太阳光谱热效应时意外发现了肉眼不可见的红外辐射。此后，随着麦克斯韦电磁理论的建立，人们开始意识到，在可见光之外，还存在着其他波段的电磁波，它们的差别只在于频率或者说波长。现代的天文研究综合了这些不同波段的观测以获取信息。但是，地球大气对于观测不同频段的天体辐射却有很大影响。图1为地球大气对不同波段电磁辐射的吸收。我们看到，这其中有两个几乎完全透明的窗口，分别位于可见光波段和无线电波段（米波至厘米波）。我们的眼睛之所以对可见光敏感大概是长期进化的产物。现在，地面的天文观测也是以可见光和射电（无线电）天文观测为主，而其他波段特别是X射线、伽玛射线等高能天文观测，以及红外和毫米波观测，则往往依赖航天器的空间观测或火箭、气球等近邻空间观测手段，或者至少是利用高海拔观测站以尽量减少大气吸收。仅X射线波段，空间望远镜和实验就已有几十个。这些空间观测，打开了高能天文的观测窗口。     

X射线在天体物理学中的应用

 天体物理学是天文学与物理学的交叉学科,是20世纪自然科学发展的一个极其重要的分支。现代天体物理学的重要探测手段之一是借助射电技术设备接收并研究宇宙天体的辐射。这些辐射按波长可分为若干波段,如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。按观测的电磁波段可分为光学天文学、射电天文学和空间天文学等。     

迅速发展的红外天文学

 1609年意大利天文学家伽利略发明了第一架天文望远镜,300多年来,人们一直用光学望远镜在可见光波段观测天体,认识宇宙,本世纪30年代,美国无线电工程师K.央斯基偶然发现了来自银河中心的宇宙射电波,开辟了大气的另一扇“窗口”,即射电窗口,迅速发展的射电天文学与光学天文学交相辉映,使古老的天文学大放异彩。60年代,天文学家又打开了可见光与无线电波之间的波长在0.7-1000微米的红外窗口,进一步拓宽了天文学的观测领域,推动了天文学的更快发展。     

可见光与红外一体化光学系统设计EI北大核心CSCD

空间遥感相机的空间分辨率、时间分辨率以及光谱分辨率不断提高,相机的观测谱段也得到了拓展,实现了多谱段观测.针对多谱段观测需求,通过计算以及光学设计软件设计研究了可见光与红外一体化光学系统.可见光部分系统焦距为6000mm,F数为11.8,波段为400~900nm.红外部分系统焦距为1280mm,F数为2.5,波段为3000~5000nm,两个系统视场均为1.4°×0.6°.可见光波段系统与红外波段系统共用前四片反射镜,五镜为二向分色镜,将可见光反射至五镜上方的时间延迟积分CCD中,红外波段透过五镜至后方校正镜组.整个系统无色差,结构较为紧凑,可见光与红外部分成像质量均达到要求.     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

三轴稳定GEO卫星漫反射光变特性

利用天文测光方法研究了地球同步轨道卫星可见光波段的反射光变特性.以三轴稳定地球同步轨道通讯卫星为研究样本,进行了可见光波段的光学非高分辨成像观测,并使用天文标准星进行定标.基于相位角序列的测光观测数据表明:在大相位角区域卫星光变曲线分布与漫反射光照数学模型计算结果有很好的一致性,以卫星主体和太阳能电池板的漫反射效应为主;而在小相位角区域与漫反射模型计算结果有明显的差异,为卫星的太阳帆板镜面反射效应影响所致.     

可见光与红外一体化光学系统设计

空间遥感相机的空间分辨率、时间分辨率以及光谱分辨率不断提高,相机的观测谱段也得到了拓展,实现了多谱段观测.针对多谱段观测需求,通过计算以及光学设计软件设计研究了可见光与红外一体化光学系统.可见光部分系统焦距为6000mm,F数为11.8,波段为400~900nm.红外部分系统焦距为1280mm,F数为2.5,波段为3000~5000nm,两个系统视场均为1.4°×0.6°.可见光波段系统与红外波段系统共用前四片反射镜,五镜为二向分色镜,将可见光反射至五镜上方的时间延迟积分CCD中,红外波段透过五镜至后方校正镜组.整个系统无色差,结构较为紧凑,可见光与红外部分成像质量均达到要求.     

微波波谱法研究分子间相互作用

微波波谱是一种微波频段的波谱学方法,近年来在研究分子系统结构及分子间弱相互作用上发展迅速,是一种高分辨率和高灵敏度的分析工具. 本文介绍了它的原理及应用,尤其是对脉冲喷射傅里叶变换微波谱仪研究范德华力配合物、氢键配合物、弱氢键配合物、卤键配合物等弱相互作用体系的微波转动谱也作了简要的综述.      

认识和探测宇宙的基本方法介绍

人类对宇宙最早的认识和观测始于可见光,之后由于有1865年麦克斯韦对电磁波的预言,1887年赫兹的证实,以及1933年杨斯基发现银河系的射电辐射,可见光观测自此扩展到电磁波多波段观测,出现了多波段天文学。1912年,赫斯发现宇宙线,使得天文观测在电磁波观测之外多了一种手段,拉开了多信使天文学的序幕。1987年,戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号,这也是人类首次探测到了来自宇宙的中微子,至此又多了一种认识和观测宇宙的信使。此后,2016年美国激光干涉引力波观测站LIGO探测到引力波,在补齐对于验证爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图的同时,也使得引力波成为多信使天文学中最新引入的一种信使。本文介绍了电磁波、宇宙线、中微子、引力波这四种信使的基本概念、发现历史以及探测宇宙的基本原理,对其代表性的实验进行了收集整理,并就其中的一个典型实验进行了简要介绍。期望能够就多波段多信使天文学的发展历程给出一个比较完整的描摹。     

磷烷1 950～2 480和3 280～3 580 cm-1波段FTIR吸收光谱强度研究

磷烷分子的基频和低泛频吸收谱线强度在对该分子定量检测应用以及天文观测中是基本的参考数据。文章探讨了高分辨傅里叶变换光谱方法研究气体样品吸收线型的基本原理,并通过实验测量以及程序拟合谱线线型,得到了磷烷分子在1950~2480cm-1波段的5个吸收带以及3280~3580cm-1波段的4个吸收带中的1760条谱线线强度,经分析其结果误差在±6%左右。     

月球背面——低频射电天文观测的圣地

<正>一、引言宇宙辐射电磁波谱的任何一个波段背后,都有天体的物理现象和机理,只要能感知到,就可以寻找它们的规律。20世纪30年代,美国贝尔实验室工程师卡尔央斯基在短波高频波段偶然收到来自地球之外的天体辐射,开启了射电天文的大门。自此,电磁波成为了天文学家观测天体辐射的核心手段之一。由于地球空间存在的比较浓密的电离层,能够反射短波和中波波段的人造电磁波,使得电磁     

基于聚合经验模态分解方法的OJ 287 射电流量变化周期分析

BL Lac 天体OJ 287 是一个重要的Blazar天体, 光变具有准周期特点. 本文从密歇根大学射电天文台数据库收集了OJ 287射电波段4.8, 8.0和 14.5 GHz超过30年时间的观测数据. 由于天文观测资料的复杂性, 一些传统寻找周期的方法不是太理想. 近几年迅速发展起来的聚合经验模态分解(EEMD) 特别适合于具有非线性和非平稳动态变化特性的Blazar天体光变规律的研究. 运用EEMD方法对OJ 287 的3个射电波段流量分别进行多时间尺度分解, 各获得6个代表不同时间尺度局部特征信息的本征模态函数分量和一个趋势项. 研究结果表明: 4.8 GHz射电流量变化的主要周期是18.9, 11.9, 5.7 和2.4年; 8.0 GHz 的主要周期是12.2, 5.2和2.4 年; 14.5 GHz的主要周期是21.8, 12.0, 4.3和 2.4 年. 尽管3个波段流量变化主要周期大小有一定的差别, 但是存在着近似相同的变化周期12.0 和2.4年, 说明这3个波段可能来源于相同的辐射机制, 也证实了OJ 287 射电波段和光学波段具有相同的长光变周期12.0 年. 这些结论表明: EEMD 作为一种全新的非线性、非平稳信号处理方法, 可以更精确地提取Blazar天体中不同光变周期的分量. 关键词： OJ 287 光变周期 聚合经验模态分解