双城记——星系并合和星系对

在重子世界中,星系是宇宙构成的砖块,但是星系在宇宙中的分布却不是随机的。在大尺度上,星系的分布是网状的;在小尺度上,星系往往也会成对存在,比如本地星系群中的银河系和仙女座大星云。星系对最终会发生并合,而这个并合过程是星系增长的主要途径之一。对星系对进行的观测研究能够帮助人们理解星系的相互作用和增长过程。文章重点介绍了现代星系巡天中对星系对进行的观测,特别是中国的重大科学工程郭守敬望远镜在其中所发挥的作用。     

专题前言

<正>光学设计与制造是一门古老而又新颖的学科。昔日,伽利略用望远镜观察宇宙,列文虎克用显微镜探索微观世界,达盖尔用照相机记录世界,他们一次次地丰富了人类的视野,推动了人类的进步;如今,光学系统正在突破传统结构的限制,将曾被认为不可能的目标一一达成。人类已能够借助现代光学系统探索更深邃的宇宙,观察更细微的生命组织,制造更微小的电子器件。现代光学设计与制造已经深入到人们生活、生产、科研等方方面面,在人类探究未知世界的奥秘中发挥着巨大的作用。     

《相对论、宇宙与时空》连载——人类早期对宇宙的认识

今年是天文望远镜发明400周年．望远镜的发明彻底改变了人类仅凭肉眼观察天象的历史，使人类的视线得以深入宇宙的深处和遥远的过去．由于光信号的传播需要时间，我们看到的天体都是它们过去的样子，越远的天体图像越古老，因此望远镜不仅在看远方，而且在看历史．天文望远镜的出现，极大地加深了人类对宇宙和时空的认识，也极大地促进了天文学和物理学的发展．相对论和现代化时空理论、现代宇宙学的创立和发展，都离不开望远镜的贡献．本刊特以《相对论、宇宙与时空》为题，发表连载文章，以纪念发明天文望远镜这一科学史上的重大历史事件．更多的内容请参见本文作者的专著《物理学与人类文明十六讲》（高等教育出版社，2008年9月出版）．     

《相对论、宇宙与时空》连载①——人类早期对宇宙的认识

编者按:今年是天文望远镜发明400周年.望远镜的发明彻底改变了人类仅凭肉眼观察天象的历史,使人类的视线得以深入宇宙的深处和遥远的过去.由于光信号的传播需要时间,我们看到的天体都是它们过去的样子,越远的天体图像越古老,因此望远镜不仅在看远方,而且在看历史.     

封面说明

宇宙学从整体的角度研究宇宙的起源、结构和演化,近年来有很大的发展.在观测上,这有赖于巨型望远镜、非光学频段望远镜和空间探测器的使用;在理论上,广义相对论和高能物理学为各种宇宙模型提供了理论基石.现在正是宇宙学的黄金时期.     

透镜在生活中的应用

透镜在生产、生活中很常见,从天文观测用的大型望远镜到我们身边的放大镜、眼镜、照相机、显微镜等。透镜大致可以分为凸透镜和凹透镜两种。凸透镜对光线有会聚作用;凹透镜对光线有发散作用。应用这一原理,人们发明了放大镜、眼镜、照相机、望远镜、显微镜、幻灯机、投影仪、放映机等光学仪器。透镜给我们的生活带来了方便。同时还促进了人类对宇宙天体及微观世界的认识,更促进了人类的文明进步和社会发展。     

封面照片说明

当年伽利略用自制的望远镜开启了人类认识宇宙的新纪元,400年后的今天,一架30米的巨型望远镜将造在夏威夷岛上的冒纳凯阿火山上。望远镜的分块式主镜直径接近100英尺(约合30米),建成后将成为世界上最大的光学望远镜。该项目简称"TMT",预计造价10亿美元,计划10年完成。这只巨大的"天眼"将使得天文学家能比过去更清晰地看到暗弱的天体,为人类带来更多有关宇宙的更新、更深层的信息并有望做出重大突破性发现。     

封面故事

<正>国际三十米光学红外望远镜(Thirty Meter Telescope)是由美国加州理工学院、加州大学,以及加拿大、日本、中国和印度国立科研机构联合建造的下一代巨型望远镜。该望远镜30米口径的集光面积是当前主流大望远镜的十倍,空间分辨率则比哈勃空间望远镜提高一个量级。其强大的洞察宇宙的能力必将引发天文学研究的革命性发展,在揭示暗物质和暗能量的本质、探测宇宙第一代天体、理解黑洞的形成与生长、     

“色即是空”的物理学解析

我们人类能够感知到的这个宇宙是有限的,这一点在科学界已经无可置疑,因为宇宙在时间上是有限的,形成已有大约150亿年的时间,那么它在空间上也必然是有限的.2008年2月哈勃望远镜拍摄到距地球130亿光年的最远星系,科学家称这些星系已经很接近宇宙的边缘,宇宙的边缘距离地球约为150亿光年(150亿光年的距离和150亿年的形成时间似乎是一个巧合).     

搜寻高红移类星体

2015年,以中国天文学家为主的国际研究团队宣布发现了目前已知的宇宙早期发光本领最强、中心黑洞质量最大的类星体。这颗类星体SDSS J0100+2802如同一座最明亮的灯塔照亮了人类探索神秘的早期宇宙的道路,它的发现刷新了人类使用2米级望远镜发现高红移类星体的纪录,更对宇宙早期黑洞的成长理论提出了新的挑战。文章将着重介绍:(1)类星体的发现;(2)类星体的本质以及描述其物理性质的参数;(3)研究类星体的重大科学意义;(4)类星体尤其是高红移类星体的搜寻方法;(5)最亮的高红移类星体的发现历程;(6)对今后高红移类星体研究的展望。     

矮新星候选体的自动搜索研究

美国斯隆数字巡天望远镜已经发布了第9期数据。这些海量的天文光谱数据除了可以用来进行大样本的研究,如探寻银河系的结构和进行多波段证认外,还蕴藏着稀少和特殊的天体,其中就包括矮新星。矮新星是激变变星中所占比例最高的一个亚型,发现更多的矮新星样本对于研究密近双星的演化和参数有积极的意义。目前针对激变变星这类稀少天体的发现主要使用测光粗筛选结合后期观测证认的方法,不但准确率低,而且需要耗费较多的人工处理时间,无法满足在海量光谱数据中快速发现矮新星候选体的需要。本文提出一种适用于在海量光谱中自动、快速发现矮新星的方法。该方法针对SDSS的DR9数据,先使用支持向量机约束主分量分析进行降维,确定特征空间的维数,然后再使用训练后得到的最优分类器对海量光谱进行自动识别,寻找矮新星候选体。实验共发现了276个矮新星,其中6个是未被收录的新的源,表明了该方法的有效性,为在海量光谱中快速发现稀少和特殊天体提供了有效途径。实验中发现的新结果补充了现有的矮新星模板光谱库,可以构造更准确的特征空间。本方法也可用于在其他的巡天望远镜如郭守敬望远镜的海量光谱中进行特殊天体的自动搜索。     

一种复合型空间软X射线--极紫外波段望远镜设计

根据空间对日观测的需要,提出了一种复合型宽波段范围的软X射线———极紫外望远镜的设计方案。该望远镜是把小结构尺寸的卡塞格林型极紫外波段正入射望远镜放置在软X射线波段,并由常用的Wolter Ⅰ型掠入射望远镜的中心部分组成。在软X射线和极紫外波段具有相同的焦距和视场角,共同使用同一个探测器,外形尺寸与相同指标的掠入射型望远镜一致,且在极紫外波段具有较高的角分辨率和光谱分辨率,适合于在空间进行对日观测使用。     

SDSS-DR10中WDMS光谱的自动搜索研究

SDSS-DR10是美国SLOAN巡天望远镜发布的最新数据,包含了首批APOGEE光谱。这些海量的天文光谱除了可以用来探寻银河系的结构和进行多波段证认外,还蕴藏着包括白矮主序双星在内的特殊天体。白矮主序双星是一类特殊的双星系统,它由两颗主序星演化而来,包含了中低质量恒星演化的终点—白矮星,以及M矮星。白矮主序双星对于密近双星的演化和参数研究有积极的意义。目前针对这类特殊天体的发现主要使用测光筛选结合后期观测证认的方法,不但准确率低,而且需要耗费较多的人工处理时间,无法满足在海量光谱数据中快速发现目标天体的需要。提出一种适用于在海量天文光谱中自动、快速发现白矮主序双星的方法。该方法针对SDSS的DR10数据,使用改进的遗传算法对海量光谱进行自动识别,寻找白矮主序双星候选体。实验共发现了4, 140个白矮主序双星,通过交叉证认,其中24个是未被收录的新的源。验证了遗传算法在天文数据挖掘和自动搜索方面的有效性,为在海量光谱中快速发现特殊天体提供了另一途径。该方法也可用于在其他巡天望远镜的海量光谱中进行特定天体的自动识别。提供了新发现的白矮主序双星的赤经、赤纬等信息,补充了现有的白矮主序双星光谱库。     

无衍射光经望远镜系统的变换

对于轴锥镜透镜产生的无衍射光，它的中心光斑半径和无衍射距离是固定的，一旦应用中要求新的光束参数，则只能再制造一个新的轴锥镜透镜。本语文提出了种用普通球面透镜望远为改变无衍射光束参数的新方法，该方法是基于无射光和环光源之间的透镜变换关系。无衍射光首先被望远系统的第一块透镜变换为一个环光源，第二块不同焦距的透镜再将该环光源变换为一个不同参数的新无衍射光。新的光束参数由两个透的焦距比值决定 。     

基于AR模型搜索迭代算法的望远镜跟踪误差分析

在大口径光学望远镜观测星体目标时,其跟踪误差主要由风载引起的望远镜跟踪抖动误差和大气湍流引起的跟踪误差组成.建立了望远镜跟踪误差的简化分析模型,提出了一种采用AR模型迭代算法将风载引起的望远镜跟踪抖动误差和大气湍流引起的跟踪误差分离的新方法,并在1.8 m望远镜上进行了实验验证.结果表明,风载引起的望远镜跟踪抖动误差与风向和风速直接相关,实验结果与理论分析比较符合.     

大型望远镜设计与研究

介绍一种４．３ｍ红外望远镜。它与２．１６ｍ望远镜用真空管道联机用于ＣＣＤ照相和光干涉测量，可使集光能力达４．８ｍ口径，分辨率达１０１ｍ口径。     

1 m太阳望远镜光电导行镜无热化分析

作为1 m太阳望远镜（NVST）导行系统的重要组成部分,导行镜的成像稳定性至关重要。环境温度载荷造成的镜体变形会造成热离焦从而影响导行镜的成像质量。采用有限元方法分析NVST导行镜在-5 ℃、20 ℃和35 ℃等不同环境温度状态下的温度分布,并计算了温度变化产生的轴向结构变形,即最大离焦量为6.45 m。计算结果表明:主镜到靶面的距离变化最大值常温下为7.14 m远小于系统焦深（35 m）, 达到了对NVST导行镜无热化结构设计的目的。     

Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST)

Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST) will be the largest radio telescope in the world. The innovative engineering concept and design pave a new road to realizing a huge single dish in the most effective way. Three outstanding features of the telescope are the unique karst depressions as the sites, the active main reflector which corrects spherical aberration on the ground to achieve full polarization and a wide band without involving a complex feed system, and the light focus cabin driven by cables and servomechanism plus a parallel robot as secondary adjustable system to carry the most precise parts of the receivers. Being the most sensitive radio telescope, FAST will enable astronomers to jumpstart many of the science goals, for example, the neutral hydrogen line surveying in distant galaxies out to very large redshifts, looking for the first shining star, detecting thousands of new pulsars, etc. Extremely interesting and exotic objects may yet await discovery by FAST. As a multi-science platform, the telescope will provide treasures to astronomers, as well as bring prosperity to other research, e.g. space weather study, deep space exploration and national security. The construction of FAST itself is expected to promote the development in high technology of relevant fields.     

分光计调整实验中望远镜的调整技巧

在分光计的调整实验中,需要调整望远镜光轴与分光计的中心轴垂直,这一步是最关键、最困难的步骤．对于实验中经常出现的只能观察到一个“十”字叉丝反射像的问题,从光路上进行了详细的分析,提出了一个新的简单有效的调整方法,还给出了调整望远镜的完整流程图．     

大型光学综合口径望远镜的新方案

建议一台４．３ｍ光学红外新技术望远镜，并与北京天文台２．１６ｍ望远镜用真空管道联机集像作ＣＣＤ照相和光干涉测量，提高焦光能力达４．８ｍ口径，分辨率可接近１０余米口径。