6.E: Астрономічні інструменти (вправи)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78155

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Для подальшої розвідки

Статті

Блейз, J.C. «Закріплення Хаббла в останній раз». Небо і Телескоп (жовтень 2008): 26. Про останню місію служби трансферу і те, що тоді був здатний зробити Хаббл.
Браун, А. «Як Гайя буде відображати мільярд зірок». Астрономія (грудень 2014 року): 32. Приємний огляд місії зробити фотометрію і спектроскопію всіх зірок вище певної яскравості.
Іріон, Р. «Прайм-тайм». Астрономія (лютий 2001): 46. Про те, як відводиться час на основні дослідницькі телескопи.
Єдіке, Пітер і Роберт. «Майбутні гігантські небесні патрулі». Небо і телескоп (вересень 2008): 30. Близько гігантських телескопів для огляду неба безперервно.
Лаціо, Джозеф та ін. «Налаштування на Всесвіт: Радіоастрономія 21-го століття». Небо і Телескоп (липень 2008): 21. Про ALMA та Масив квадратних кілометрів.
Лоу, Джонатан. «Дзеркало, дзеркало». Небо і Телескоп (грудень 2007): 22. На Великому бінокулярному телескопі в Арізоні.
Лоу, Джонатан. «Наступне світло: телескопи монстрів завтрашнього дня». Небо і Телескоп (квітень 2008): 20. Про плани надзвичайно великих телескопів на землі.
Мейсон, Тодд і Робін. «Велике око Паломара». Небо і Телескоп (грудень 2008): 36. На 200-дюймовому телескопі Хейла.
Субінський, Раймонд. «Хто насправді винайшов Телескоп». Астрономія (серпень 2008): 84. Короткий історичний вступ, орієнтований на Ганса Ліпперші.

Веб-сайти

Веб-сайти для великих телескопів наведені в [link], [link], [link] та [link].

Відео

Астрономія зі стратосфери: СОФІЯ: https://www.youtube.com/watch?v=NV98BcBBA9c. Розмова доктора Дани Бакман (1:15:32)
Галактики, розглянуті в повному спектрі світла: https://www.youtube.com/watch?v=368K0iQv8nE. Вчені з обсерваторії Спітцера показують, як галактика виглядає по-різному на різних довжині хвиль (6:22)
Підняття космічної завіси: основні моменти десятиліття космічного телескопа Спітцера: https://www.youtube.com/watch?v=nkrNQcwkY78. Виступ доктора Майкла Бікая (1:42:44)

Спільна групова діяльність

Більшість великих телескопів отримують набагато більше пропозицій щодо спостереження за проектами, ніж є час нічного спостереження, доступного протягом року. Припустимо, ваша група є комітетом з розподілу часу телескопа, який звітує директору обсерваторії. Які критерії ви б використовували при вирішенні питання про те, як видавати час на телескоп? Які кроки ви могли б зробити, щоб переконатися, що всі ваші колеги вважали процес справедливим, і люди все одно будуть говорити з вами на майбутніх астрономічних зустрічах?
Ваша група - це комітет нервових астрономів, який збирається зробити пропозицію урядовим міністрам вашої маленької європейської країни, щоб зв'язатися з іншими країнами, щоб побудувати найбільший у світі телескоп у високій сухій пустелі чилійських гір Анд. Ви очікуєте, що урядові міністри будуть дуже скептично ставитися до підтримки цього проекту. Які аргументи ви б зробили, щоб переконати їх взяти участь?
Ті ж урядові міністри, з якими ми зустрічалися в попередній діяльності, просять вас скласти список плюсів і мінусів наявності найбільшого в світі телескопа в горах Чилі (замість гори в Європі). Який би список груп у кожному стовпці?
Ваша група повинна обговорити та скласти список усіх способів, якими сеанс спостереження у великому телескопі видимого світла та великому радіотелескопі може відрізнятися. (Підказка: Майте на увазі, що оскільки Сонце не особливо яскраве на багатьох довжині радіохвиль, спостереження за допомогою радіотелескопів часто можна проводити протягом дня.)
Ще одна «екологічна загроза» для астрономії (крім світлового забруднення) походить від розливу наземних комунікацій у «канали» - довжини хвиль і частоти - раніше зарезервовані для радіоастрономії. Наприклад, попит на стільникові телефони означає, що для цієї мети буде використовуватися все більше радіоканалів. Слабкі сигнали від космічних радіоджерел могли бути втоплені в морі земної розмови (перекладені і відправлені як радіохвилі). Припустімо, що ваша група - це комітет конгресу, який лобіюють як радіоастрономи, які хочуть зберегти деякі чіткі канали для проведення астрономії, так і компанії, які хочуть заробити багато грошей від розширення використання стільникових телефонів. Які аргументи розгойдують вас на кожну сторону?
Коли було присвячено місце для нового Тридцятиметрового телескопа на Гаваях Мауна-Кеа, група корінних гавайців оголосила про протидію проекту, оскільки астрономи будували занадто багато телескопів на горі, яку корінні гаваї вважають священним місцем. Ви можете прочитати більше про цю суперечку на http://www.nytimes.com/2015/12/04/sc...cope.html? _r=0 та за адресою http://www.nature.com/news/the-mount...escope-1.18446. Як тільки ваша група має факти, обговоріть претензії кожної сторони в суперечці. Як ви вважаєте, це повинно бути вирішено?
Якби ви могли запропонувати використовувати великий сучасний телескоп, що б ви хотіли дізнатися? Який телескоп ви б використовували і чому?
Світлове забруднення (пролите світло в нічному небі, що ускладнює перегляд планет і зірок) раніше було проблемою, яка стосувалася здебільшого астрономів. Зараз пролите світло вночі також викликає занепокоєння екологів та тих, хто турбується про глобальне потепління. Чи може ваша група придумати деякі неастрономічні причини, щоб протистояти світловому забрудненню?

Переглянути питання

Які три основні складові сучасного астрономічного приладу? Опишіть кожне в одному-двох реченнях.
Назвіть два спектральних вікна, через які електромагнітне випромінювання легко досягає поверхні Землі, і опишіть найбільший апертурний телескоп, який зараз використовується для кожного вікна.
Перерахуйте найбільший апертурний одиночний телескоп, який в даний час використовується в кожній з наступних смуг електромагнітного спектра: радіо, рентген, гамма-промінь.
Коли астрономи обговорюють діафрагми своїх телескопів, вони кажуть, що більше, тим краще. Поясніть чому.
Телескоп Хукера в обсерваторії Паломар має діаметр 5 м, а телескоп Кека I має діаметр 10 м Скільки світла може зібрати телескоп Кека, ніж телескоп Хукера за ту ж кількість часу?
Що мається на увазі під «відбиваючими» і «заломлюючими» телескопами?
Чому найбільші телескопи видимого світла у світі зроблені з дзеркалами, а не лінзами?
Порівняйте око, фотоплівку та ПЗС як детектори світла. Які переваги і недоліки кожного?
Що таке пристрій із зарядним зв'язком (ПЗС), і як воно використовується в астрономії?
Чому важко спостерігати на інфрачервоних довжині хвиль? Що роблять астрономи, щоб вирішити цю складність?
Радіо та радіолокаційні спостереження часто проводяться з однією антеною, але в іншому вони дуже різні методи. Порівняйте та порівняйте радіо- та радіолокаційну астрономію з точки зору необхідного обладнання, використовуваних методів та виду отриманих результатів.
Озирніться назад на\(6.4.2\) фігуру Лебедя А і прочитайте її підпис ще раз. Матеріал у гігантських частках по краях зображення повинен був бути викинутий з центру принаймні скільки років тому?
Чому астрономи розміщують телескопи на орбіті Землі? Які переваги для різних областей спектра?
У чому полягала проблема з космічним телескопом «Хаббл» і як вона вирішувалася?
Опишіть методи радіоастрономи, які використовують для отримання роздільної здатності, порівнянної з тим, що можуть досягти астрономи, що працюють з видимим світлом.
Які телескопи видимого світла та інфрачервоного випромінювання на землі планують астрономи на майбутнє? Чому вони будують їх на землі, а не в космосі?
Опишіть один видимий світло або інфрачервоний телескоп, який астрономи планують запустити в космос в майбутньому.

Питання думки

Що відбувається із зображенням, виробленим лінзою, якщо об'єктив «зупиняється» (діафрагма зменшується, тим самим зменшуючи кількість світла, що проходить через лінзу) діафрагмою райдужної оболонки - пристроєм, який покриває її периферію?
Якими були б властивості ідеального астрономічного детектора? Наскільки точно реальні властивості ПЗС наближаються до цього ідеалу?
Багато десятиліть тому астрономи в штаті обсерваторій Маунт-Вілсон і Паломар отримували близько 60 ночей на рік за свої програми спостережень. Сьогодні астроному пощастило отримувати 10 ночей на рік на великому телескопі. Чи можете ви запропонувати деякі причини цієї зміни?
Найбільший обсерваторний комплекс у світі знаходиться на Мауна-Кеа, найвищій горі на Землі. Які деякі фактори враховують астрономи при виборі місця обсерваторії? Не забувайте про практичні. Якщо астрономи, наприклад, розглянути питання про будівництво обсерваторії на Деналі (гора МакКінлі) або горі Еверест?
Припустимо, ви шукаєте місця для обсерваторії видимого світла, інфрачервоної обсерваторії та радіообсерваторії. Які основні критерії досконалості для кожного? Які сайти насправді вважаються кращими на сьогоднішній день?
Радіоастрономія включає довжини хвиль набагато довші, ніж у видимого світла, і багато орбітальних обсерваторій досліджують Всесвіт на випромінювання дуже коротких довжин хвиль. Які об'єкти та фізичні умови ви очікуєте, щоб бути пов'язані з випромінюванням випромінювання на дуже довгих і дуже коротких довжині хвиль?
Декан університету, розташованого поблизу океану (який не був науковою спеціальністю в коледжі) пропонує побудувати інфрачервоний телескоп прямо на території кампусу та керувати ним у приємному нагрітому куполі, щоб астрономам було комфортно в холодні зимові ночі. Критикуйте цю пропозицію, даючи свої міркування.

Подумавши для себе

Яка площа, в квадратних метрах, 10-метрового телескопа?
Приблизно 9000 зірок видно неозброєним оком на всьому небі (уявіть, що ви могли бачити по всій земній кулі і як північній, так і південній півкуль), а на небі близько 41 200 квадратних градусів. Скільки зірок видно на квадратний градус? За квадратну дугову секунду?
Теоретично (тобто, якщо бачення не було проблемою), роздільна здатність телескопа обернено пропорційна його діаметру. Наскільки краще роздільна здатність ALMA при роботі на найдовшій базовій лінії, ніж роздільна здатність телескопа Arecibo?
При білому денному світлі розмір вашого зіниці зазвичай становить 3 мм. У темних ситуаціях він розширюється приблизно до 7 мм. Скільки більше світла він може зібрати?
Наскільки більше світла може бути зібрано телескопом діаметром 8 м, ніж вашим повністю адаптованим темним оком на 7 мм?
Наскільки більше світла може зібрати телескоп Кека (з дзеркальним діаметром 10 м), ніж аматорський телескоп, дзеркало якого становить 25 см (0,25 м) в поперечнику?
Люди часто турбуються, коли виявляють, що відображають телескопи мають друге дзеркало посередині, щоб вивести світло до доступного фокусу, де можна встановити великі інструменти. «Хіба ти не втрачаєш світло?» люди запитують. Ну так, ви робите, але кращої альтернативи немає. Можна оцінити, скільки світла втрачається при такому розташуванні. Первинне дзеркало (те, що внизу на малюнку\(6.1.5\)) телескопа Gemini North має діаметр 8 м. Вторинне дзеркало вгорі близько 1 м в діаметрі. Скористайтеся формулою площі кола, щоб оцінити, яка частка світла заблокована вторинним дзеркалом.
Телескопами тепер можна керувати віддалено з теплого приміщення, але приблизно 25 років тому астрономи працювали над телескопом, щоб направляти його так, щоб він залишався спрямованим точно в потрібному місці. У великому телескопі, подібному до 200-дюймового телескопа Palomar, астрономи сиділи в клітці у верхній частині телескопа, де розташоване вторинне дзеркало, як показано на малюнку\(6.1.5\). Припустимо для цілей вашого розрахунку, що діаметр цієї клітки склав 40 дюймів. Яка частка світла заблокована?
HST коштувала близько 1,7 мільярда доларів на будівництво та 300 мільйонів доларів на запуск човника, а експлуатація коштує 250 мільйонів доларів на рік. Якщо телескоп триває 20 років, яка загальна вартість за рік? За день? Якщо телескоп можна використовувати лише 30% часу для фактичних спостережень, то яка вартість за годину і хвилину для часу спостереження астронома на цьому приладі? Яка вартість на людину в США? Чи варті ваші інвестиції в космічний телескоп «Хаббл»?
Наскільки більше світла може зібрати космічний телескоп Джеймса Вебба (з дзеркалом діаметром 6 м), ніж космічний телескоп Хаббла (діаметром 2,4 м)?
5-м дзеркало телескопа Palomar важить 14,5 тонн. Якби 10-метрове дзеркало було побудовано тієї ж товщини, що і Паломар (тільки більше), скільки б воно важило?