天文觀測 I

1. 天文觀測 I Introduction

2. 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)

3. 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)

4. 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。

5. 天文觀測與物理實驗之相異處

6. 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： • 宇宙背景輻射 • 波煞/脈衝星(pulsar) • 似星體(quasar) • 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，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。

7. 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)

8. 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。

9. 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)

10. 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)

11. 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70-80年代 • 遠紅外：開始於80-90年代

15. 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，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，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。

16. 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。

17. 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……

18. 上帝說有光 便有光

19. 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

20. 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。

21. 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

22. 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

23. 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)

24. 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

25. EM Plane Wave – Polarization

26. EM Plane Wave – Linear Polarization

27. EM Plane Wave – Circular Polarization

28. Circular Polarization

29. EM Plane Wave – Ellipes Polarization

30. 四大訊息—波動說 vs. 光子說

31. 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

32. 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

33. 以觀測者而言…… • 觀測者位置“大致”固定

34. 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

35. 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?

36. 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

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

38. Image Resolved Spectra

39. Time/phase Resolved Images

40. Band Resolved Light Curve

41. Band Resolved Images

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

43. 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?

45. Fermi All Sky Survey

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

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

48. 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

49. 大望遠鏡 • 目前最大的望遠鏡 Arecibo Telescope (Radio, 直徑 305公尺)

50. 大望遠鏡 • 廿年後最大的望遠鏡 FAST (Radio, 直徑 500公尺)