天文觀測 I Introduction 2015/6/111

天文是甚麼 ? 根據劍橋天文學辭典解釋 – The Study of the universe and its contents beyond the boundary of atmosphere – 研究在大氣層以上之宇宙及其組成成份 “ 宇宙及其組成成份 ” ：絕大部分科學的目的 “ 大氣層以上 ”: 這意味這 ” 很遠 “ – “ 距離 ” 成為研究天文學上之特色 距離遠但看的到，表示其輻射 ( 自發或反射 ) 很強 – 輻射強  表面積大  體積大  質量大 ……..( 天文數字 ) 2015/6/112

天文與太空的模糊地帶 太空科學 – 從上層大氣到太陽系。 – 絕大部分是儀器或主動電波 ( 由地面上發射 ) 可 及之處。 太空科學與天文之交集：太陽系之研究 – 我們用各種方方法研究太陽系，很難分何者為 太空科學，何者為天文 地面 / 太空觀測 (SOHO) 派太空船近距離觀測 (Cassini) 人工 / 機械採集樣本 ( 隼 Hayabusa) 2015/6/113

天文觀測 本課程天文觀測，將著重於 “ 觀測 ” 部分 – 觀測：被動接收訊息加以分析 – 天文觀測：被動接收自宇宙來的訊息加以分析 天文研究二大支柱：觀測與理論 – 理論：天文物理 ( 化學、生物 …….) 天文物理：根據劍橋天文學辭典解釋 – The physical theory of astronomical objects and phenomena – 天體與其現象之物理學 – 通常用我們已知之物理學來解釋天象，但往往引發物理上新 的進展 ( 如牛頓萬有引力定律 ) 與議題 ( 如暗物質、暗能量 ) 觀測可驗證理論或給與理論新的啟發。 – 類似於物理實驗對於物理理論之影響。 2015/6/114

天文觀測與物理實驗之相異處 物理實驗天文觀測 研究主體之環 境控制 可達成或必須達成無法達成 進行之手段 主動達成目的被動接收訊息 進行方法之多 元性 較多元化較為貧乏 ( 望遠鏡觀測 ) 成果預期 意外情況較少意外情況較多 2015/6/115

意外何其多 在天文發展史中有趣的現象 : 重要的 發現都意 外，如： –宇–宇宙背景輻射 –波–波煞 / 脈衝星 (pulsar) –似–似星體 (quasar) –X–X 光天文學 ( 太陽系外之 X 光源 ) 但這是否意味著天文觀測只要守株待兔就好 ? –不–不，觀測仍要有科學目的，並要詳細規劃觀測計畫， 漫無目的的觀測只是浪費時間。 2015/6/116

天上之訊息如何傳遞 ? 由於天體距離遙遠，觀測成唯唯一獲得訊 息之手段。 來自天上的訊息如何通過極大的空間傳至 地球 ? – 帶電粒子 – 微中子 – 重力波 – 電磁波 ( 光子 ) 2015/6/117

帶電粒子 地球時時刻刻有帶電粒子進入，主要來源： – 太陽風 因此可推論一般恆星亦會發出恆星風 – 宇宙射線 可能與超新星爆炸有關 帶電粒子很容易偵測，但由於 – 星際間有磁場，雖然很小 (μG) 但 – 天體距地球相當遙遠 – 帶電粒子抵達地球之行進方向已與原天體之方向大 不相同 ( 極度扭曲 ) ，無法知道它是從哪一個天體而 來。 2015/6/118

微中子 微中子是天文觀測之極有利之工具，因為它一旦產 生，就極難被吸收。 – 天文中只要碰到核反應，大部分都有為中子產生，如 恆星內部之核融合 超新星爆發 – 因此用微中子能看到恆星內部情形 這一點電磁波辦不到，它只能告訴你恆星大氣之資訊 但其優點也是其缺點，很難吸收，就很難被偵測到。 雖然在實際上應用不便，但已開始發展 – 2002 年諾貝爾物理獎 ¼ 美國雷蒙戴維斯 : 偵測到太陽為中子 ¼ 日本小柴昌俊：偵測到 SN1987A 之超新星爆炸所發出的微中 子 (7 個 ) 2015/6/119

重力波 愛因斯坦廣義相對論所預測 重力是天體間最重要的作用力 天體運動往往引發重力波輻射 ( 如雙星運動 ) 但是 – 重力波不是太過微弱，就是波長太長，很難偵 測。 – 目前尚無人直接偵測到重力波，僅有間接證據 中子星雙星軌道變化 – 目前已有數個地面觀測站進行偵測，未來將在 太空放置重力波天線 (LIZA) 2015/6/1110

電磁波 電磁波是目前觀測的主力。 目前的觀測已幾乎涵蓋全波段 ( 無線電波至 γ-ray) – 可見光：發展最早，自遠古時代人類就以肉眼 觀測，自伽利略開始使用望遠鏡觀測。 – 無線電波：開始於 50 年代。 – X-ray ：開始於 60 年代 – γ-ray ：開始於 70 年代 – 遠紫外：開始於 年代 – 遠紅外：開始於 年代 2015/6/1111

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關於天文觀測的迷思 天文觀測就是拿著望遠鏡拍星星，所以只能研究 看的到的東西 ( 就是可見光波段 ) –錯–錯，由上所知人類的觀測已進入全波段。 天文觀測就是拿著望遠鏡拍星星，拍出影向來看 圖說故事 –錯–錯，影像只是天文觀測得一部分，事實上，天文學家 將盡所可能的分析所收集到的光線所含的資訊。 –天–天文學自伽利略後已成為科學得一部分，所觀測到的 東西，如同其他科學一般，要盡可能的量化。 2015/6/1115

關於天文觀測的迷思 天文觀測的結果好像誤差都很大，因此天文學是 不嚴謹的科學。 –天–天文學是自然科學的一部分，在能做的精確時就要做 到精確。 有些天文物理量可以量到非常精確，如毫秒脈衝星的周期可量 到 14 位有效數字。 –不–不可否認，天文學大部份的數字誤差都滿大，而且時 常修正，這是由於天文學的特性及人類的能力有限 ( 我 們只能接收分析所得到的光 ) 。 例如最簡單的物理量：距離，在天文學上量測就是一大問題， 方法有數十種，適用於不同的尺度，但其精確度仍有限制，可 是一旦距離能量到精確，許多天文物理問題就迎刃而解。 2015/6/1116

資訊來源：光 天體的資訊藉由光 ( 電磁波 ) 傳遞到地球，因 此要先了解光的特性，才能知道如何分析 去解開這些訊息。 至於能否解析出訊息，有賴望遠鏡、儀器 及後端分析能理 ( 人與分析工具 ) 因此，我們要先了解光 …… 2015/6/1117

上帝說有光 便有光 2015/6/1118

基本知識 – 光的本質 粒子說 – 牛頓 波動說 – 惠更斯 – 證據 : 光的干涉與繞射 – 光為電磁波的一種 Maxwell equations 量子論 – 普朗克等 – 波動 - 粒子二元說 – 光波  光子 – 證據 : 黑體輻射、光電效應

波動乎 ? 粒子乎 ? 長波長 – 光子能量低 – 波動性強 ( 如無線電波 ) 短波長 – 光子能量高 – 粒子性強 ( 如 X-ray/γ-ray) 事實上，光即像粒子也像波，即不像粒子也不像 波。 – 波動說與粒子 ( 光子 ) 說都是極端的模型，光的特性基本 上介於二者之間，只是哪一些特性較為突顯。 – 依量子力學 光波 ( 電磁波 ) 為光子之 “ 物質波 ”( 機率波 ) 光子為電磁場量子化 ( 量子場 ) 之結果 – 因此用電磁波或光子研究光應有相通結果。 2015/6/1120

光所攜帶的信息 — 電磁波觀點 真空中的 Maxwell 方程式 波動方程式 2015/6/1121

光所攜帶的信息 — 電磁波觀點 波動方程式的平面波單頻解 ( 我們觀測到的為其實數部分 ) 所含訊息 四大訊息 : 方向、強度、波長與偏極 2015/6/1122

光所攜帶的信息 — 偏極 ( 電磁波觀點 ) 將上述解帶回真空中的 Maxwell 方程式 – 電場 ( 磁場 ) 與光行進方向相互垂直，所以，電場的三個自由度變成 二個 – 二個獨立偏振方向，與行進方向垂直 ( 橫波 ) 縱波 : 振動方向與進行方向平行 ( 如聲波 ) 2015/6/1123

光所攜帶的信息 — 偏極 ( 電磁波觀點 ) 假設波進行的方向為 +z 方向 2015/6/1124

EM Plane Wave – Polarization

EM Plane Wave – Linear Polarization

EM Plane Wave – Circular Polarization

Circular Polarization

EM Plane Wave – Ellipes Polarization

四大訊息 — 波動說 vs. 光子說 2015/6/1130 訊息波動說光子說 光進行方 向 電磁波進行方向光子進行方向 強度 Photon flux 單位時間單位面積通過之光子數 波長 光子能量 偏極方向電場 ( 磁場 ) 方向變 化 光子自旋 ( 圓偏極 )

實際的光波 — 電磁波觀點 上述僅為一 “ 單純化 ” 之光波，實際上的光波 …… – 振幅可能 “ 很平緩的 ” 與時空有關 振幅變化空間尺度 >> 波長 振幅變化時間尺度 >> 頻率倒數 – 許多不同波長的光混雜在一起 – 光可能從不同方向進來 – 混雜著各種不同的偏振 可能某一種形式的偏振特強，也許沒有任何一種偏振形式特強 2015/6/1131

實際的光波 — 光子觀點 上述僅為一 “ 單純化 ” 之光波，實際上的光波 …… – Photon flux 可能 “ 很平緩的 ” 與時空有關 Flux 變化空間尺度 >> 波長 變化時間尺度 >> 頻率倒數 – 許多不同能量的光子混雜在一起 – 光子可能從不同方向進來 – 混雜著各種不同的自旋 可能某一種形式的自旋特強，也許沒有任何一種自旋形式特強 2015/6/1132

以觀測者而言 …… 觀測者位置 “ 大致 ” 固定 2015/6/1133 特性波動說光子說 光進行方 向 電磁波進行 方向 光子進行方向 強度對時 間的變化 單位時間 ( 單位面積 ) 通過之光 子數與時間之變化 或 光子抵達 ( 偵測器 ) 時間 強度對波 長的分部 光子數 ( 密度 ) 對光子能量 之分佈 偏極方向電場 ( 磁場 ) 方向變化 光子自旋 ( 圓偏極 ) 資料 影像 光變曲線 光譜 偏極化

Image, Light Curve and Spectrum Image – Photon distribution on detector  sky image Light curve – Time vs. flux Optical : time vs. magnitude X-ray: time vs. count rate Spectrum – Energy/wavelength/frequency vs. flux X-ray: energy Optical: wavelength Radio: frequency

天文觀測四大基本資料 因此，由光的四個基本特性事實上只能傳遞四種 基本資料，那就是 – 影像 ( 光行進方向 ) – 光變曲線 ( 強度對時間變化 ) – 光譜 ( 強度對波長分佈 ) – 偏極化 因此天文觀測原則上就是收集從天體來的 四種基本資料而已 – 那不是太簡單了嗎 ? 2015/6/1135

運用之妙 存乎一心 雖然光只能給我們四種訊息，但經過各種不同的 組合，能告訴我們更多的訊息 – 影像上不同部分的光譜 – 不同波段的光變曲線 波段 : 較粗略的分割光譜，如可見光中的 UVBRI 波段。由於特定 波長之光強度太弱，不易分析，因此已一段波長範圍內的強度 來分析，如恆星的色指數 (color index B-V) – 不同時間的影像 – ……. – 以及其所衍生之資料 如速度分佈等 2015/6/1136

Image, Light Curve and Spectrum Image Light Curve Spectrum Time resolved images Image resolved light curves Image resolved spectra Band resolved Images Time/phase resolved spectra Band resolved light curve Hardness ratio/color

Image Resolved Spectra

Time/phase Resolved Images

Band Resolved Light Curve

Band Resolved Images

Crab Nebula – a Close Look Chandra (X-ray)HST (Optical)

好資料的取得 天文學家能從光帶來的四種基本資料解析出我們 看到的宇宙，因此我們要 “ 好 ” 的資料。 好資料的取得 – 你看得到嗎 ?(detection) 微弱光源與微弱訊號 (sensitivity) 時間性現象 ( 如 transient event 像 supernova) – 看的到，但解析的出嗎 ? 有沒有好得角分辨率得到清晰的影像 ? (resolution) 有沒有好的時間解析度可解析快速光變 ? (resolution) 有沒有好的光譜儀能解出光譜精細結構 ? (resolution) 有沒有足夠的光足以做上述分析 ? 2015/6/1143

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2015/6/1145 Fermi All Sky Survey

Photon Information and Binning (X,Y) (Arrival time) (Energy) Binning the event position Binning the event arrival time Binning the event energy Image Light Curve Spectrum A Event = A detected signal

2015/6/1147 Fermi All Sky Survey Some source here? Not Seen here Due to too fine bin? (0 or 1 cts/bin) Better angular resolution Worse sensitivity ? Need more photon To improve detection

我們需要 大望遠鏡 – 越大越好，多收集光子 (EM wave) – 增進靈敏度與 detection 好的光學系統與分析系統 ( 如光譜儀 ) – 增加解析度 好的偵測器 – 增加靈敏度、 detection 與解析度 好的後端分析儲存設備 – 數位化，增加靈敏度、 detection 與解析度 好的分析技巧 – 訓練專業天文學家 2015/6/1148

大望遠鏡 目前最大的望遠鏡 Arecibo Telescope (Radio, 直徑 305 公尺 ) 2015/6/1149

大望遠鏡 廿年後最大的望遠鏡 FAST (Radio, 直徑 500 公尺 ) 2015/6/1150

大望遠鏡 目前最大的可見光望遠鏡 Keck ( 直徑 10 公尺 ) 2015/6/1151

大望遠鏡 廿年後最大的可見光望遠鏡 (?)TMT ( 直徑 30 公尺 ) 2015/6/1152

靈敏的儀器 除了收集到大量的光以外，天文觀測有賴於好的 儀器 好的影像 – 光學系統與影像偵測系統 ( 如 CCD) 好的時間解析度 – 快速資料處理系統 好的光譜解析度 – 精密光譜儀 以上配合大量收集到的光，就得到好的天文觀測 。 2015/6/1153

後端處理與儲存系統 由於儀器日新月異，天文資料量也越來越大 – 以 Pan-STARRS 為例 CCD:14 億像素 2bytes/pixel => 2.76 Gbytes/frame 30 秒曝光一次，每天觀測 8 小時 再加處理過程的影像 …… 太空望遠鏡還有另一個問題：資料如何傳輸 ? 2015/6/1154

窮人不能玩天文 ? 小望遠鏡 + 便宜的儀器就不能做天文研究嗎 ? 做大望遠鏡做不到的 : 爭取時間 – 瞬變現象之發現與早期後續觀測 超新星、 GRB – 長時期累積資料 (ASVSO) – 結合其他小望遠鏡，形成全球聯測網，已達成 “ 無中斷 ” 之資料 (WET, Backyard Astronomers) 避開白天不能觀測 避開因天候影響不能觀測 2015/6/1155

小結 我 ” 在天文觀測的第一本書 ” 之序寫道 : 天文 –可–可以很近，也可以很遠 –可–可以很古老，也可以很現代 –可–可以很浪漫，也可以很理性 –可–可以很神秘，也可以很科學 –可–可以很簡單，也可以很複雜 –可–可以很便宜，也可以很昂貴 本課程的目的，是要將各位從上述句子的 ” 左邊 ” ，慢慢移向 ” 右邊 ” 。 2015/6/1156