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主题:天文知识

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天文知识  发帖心情 Post By:2007-02-26 23:01:30



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天文知识浅述(高兴文)  发帖心情 Post By:2007-08-11 13:42:41

目 录

........前言
........................(一) 天文学史
........................(二) 天体测量学
........................(三) 天体力学
........................(四) 天体物理学
........................(五) 光学天文学
........................(六) 射电天文学
........................(七) 空间天文学
........................(八) 天体演化学
.......................................1、 太阳
.......................................2、 太阳系
.......................................3、 恒星和星际物质
.......................................4、 银河系
.......................................5、 河外星系
.......................................6、 宇宙学

前言

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  天文学是一门古老而又新兴的科学。
  说它古老,是因为早在五千年前的古埃及文明时期,劳动人民就已经运用太阳星辰的运动规律来指导农耕生产了。说它新兴,是因为即使是在科学技术高度发展的当今,天文学仍然是推动科技理论发展的两大原动力之一。(另一个是粒子物理学)。因此,完全可以说,天文学在整个自然科学体系中的地位并不亚于牛顿三定律在经典物理中的重要作用。
  她既自成体系,又和其它学科,尤其是近现代物理相互融合,形成了她的特点和知识内容。她既博大精深,又细致通俗。这使得爱好并研究天文学的每一位工作者都找到了自已合适的位置,并得到了无穷的乐趣和满足。
  下面的五个问题将成为本浅述的内容重点,其中第五个问题将是它们的核心。
〈一〉天文研究的特点;
〈二〉一些基本名词;
〈三〉天文学的发展;
〈四〉天文学的分类;
〈五〉天文知识概述。
〈一〉天文研究的特点

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  天文研究工作不同于其它学科的研究,具有以下四个特点:
1、被动性
   天文研究的手段主要是观测──被动地观测,它不能像其它学科那样,人为地设计实验,"主动"地去影响或变革所研究的对象,只能"被动"地去观测,根据已经存在的事实来进行分析。天文研究的过程可以用下图来简单地概括
           观测─→积累资料─→分析资料─→理论
        (收集感性素材)
2、粗略性
  由于天文观测的被动性,不可避免地带来了天文观测的粗略性,我们不妨作一个比较。在地球上要证明一个理论是否正确,可以采用不同的方法,可以设计很多不同的方案或实验,达到理论要求的精度,而在宇观世界中,由于观测仪器的分辨度,灵敏度等的限制,以及观测手段的单一性──单靠望远镜,所以,在一定时期内,为了研究一个问题,只能依靠仅有的几种方法,或是仅有的几个不太准确的数据来粗略估计。这与在地球上的实验对比起来,表现出单一性和强烈的粗略性!而且,越是深远的天体,越是前沿的课题其粗略性就越严重,越明显,因此从某种意义上来说,天文学的发展与天文仪器(或更准确地说是观测手段)的发展直接相关。
3、瞬时性
  让我们来比较下面三组数据
a、天体的年龄 几百万岁--百多亿年
b、人类文明 几千年
c、人的一生 几十年--上百年
  从比较中我们不难看出,人类研究天体的演化仅是短短地一瞬间,就像是在人类文明诞生的时候对宇宙拍了一张极高精度的照片,而人类文明发展和延续的过程,就是用不同倍数(越来越大)的放大镜来观察这张照片一样,人类为了征服自然获得自由,而不断研究周围的宇宙。他们观测天体的主要目的,就是想了解各种天体的形成或演化过程,以便以后很好地加以利用。
4、长期性和连续性
  任何理论的形成都建立在大量的数据之上,天文学也不例外,而且对天文观测数据的积累则更是长期的、持续不断的。只有这样的数据才是有用的,才能在此基础上得出相对正确的理论。
  开普勒正是在其老师第谷花费毕生精力留下的行星观测资料中发现了三大定律。第一颗脉冲星的发现正是在距今900多年的历史记载中找到了其形成的证据等等。即使是最平常的天文观测(如:月球、太阳、变星、双星)也需要几天以至于几十年的持续观测,才能有所收获,得出结论。因此,天文工作者必须要具有持之以恒的毅力和认真细致的工作态度,否则就连皮毛都不可能学到!
  综上所述,我们可以给天文学下一个定义,所谓天文学就是在极其"短暂"的千百年的时间里,以基本上"被动"的观测方法面向广阔无边的宇宙空间,探索各类天体在漫长历程中的存在和演变的一门学科。

〈二〉一些基本名词

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  任何一门学科,一个知识体系都是由一些较基本较抽象的新的概念和名词组成的。天文学也一样。下面为了能够初步接触一下天文学,先介绍几个天文学的基本名词,作为入门的第一步。
  它们分别是天球,周日视运动,子午圈,中天,黄道和目视星等。
1、天球
  天球就是以观测者为球心,以无限大为半径所描绘出的假想球面,我们看到的天体(星星、月亮、太阳)是其在这个巨大的圆球的球面上的投影位置。
2、周日视运动
  由于地球自转(自西向东),所以地面上的观测者看到的天体在一天中在天球上自东向西沿着与转轴垂直的平面内的小圆转过一周。
3、子午圈
  过观测者的天顶和南北天极的大圆。
4、中天
  天体经过观测者的子午圈时,叫做中天。由于地球的自转,天体一天要穿过子午圈两次,其中离观测者天顶较近一次(一般是晚上的那一次)叫上中天。另外那一次叫下中天
5、黄道
  简单的说就是太阳在天球中的运行轨迹。由于运动的相对性,所以黄道也就是地球公转轨道与天球的交线。
6、目视星等
  公元前2世纪,希腊天文学家喜帕恰斯(伊巴谷)将恒星按照其亮度分为六等。亮度越大,星等越小。后来发现,一等星比六等星约亮100倍,所以定义"星等"每差一等,亮度差2.512倍。如果比一等星还亮2.512倍为0等,比0等星还要亮2.512倍的为-1等... ...依次类推。
  下面是一些较亮天体的目视星等
  天狼星(大犬座α) -1.45 等
  金星(大距时) -4.4 等
  木星 -2.7 等
  满月 -12.7 等
  太阳 -26.74等
〈三〉天文学的发展

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  天文学的发展分为两个阶段──古代天文学和近现代天文学。
见下表
  两个阶段     观测手段        主要任务
  古代天文学    肉眼          积累天体运动的资料
  近现代天文学   天文仪器        研究天体的形成和演化
  其中近现代天文学又很自然的分成两个阶段──近代和现代。
见下表
  两个阶段     理论基础        解决的问题
  近代天体力学   牛顿力学        天体运动的原因
  现代天体物理   光谱光度学,相对论等  研究天体的本质
  我们通过研究天体的本质,掌握天体形成和演化的具体过程,就可以利用这一规律来指导人类的生产和生活,为战胜自然,改造自然,获得真正的自由提供有力的武器。
〈四〉天文学的分类

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请见下表
                         天文学
                天文学史 ---------┘
                研 天体测量学 ─── ─── 光学天文学 观
                究                   测
                方                   手
                法 天体力学 ──    ── 射电天文学 段
                分                   分
                类                   类
                 天体物理学 ─      ─ 空间天文学
                   ↓             ↓
                  ┌──┬──┬──┬──┬──┐
                  太  太  恒  银  河  宇
                     阳     河  外  宙
                  阳  系  星  系  星  学
                              系
                  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓  ↓
                      天 体 演 化 学
                      研究对象分类
说明:
  上表是按照三种不同的分类方法划分天文学的框架以及各个分类间的关系。
  其中天文学史作为一门独立的学科被划分出来。
  以下的内容(即:第五部分)将以上表为线索,由左到右,由上到下进行简要的介绍。
〈五〉天文知识概述

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(一)天文学史

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  提及历史,中国在世界上的地位自不必说。在众多关于各类天象的记载中,要属公元1054年,关于金牛座超新星爆发的记述最为璀璨。《宋会要》载"至和元年五月,晨出东方,守天关(现在的金牛座内),昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日"。这颗超新星爆发时视亮度超过金星,被誉为中国新星,现在在同一位置所看到的是它900年后的样子,形状像只大螃蟹,因此被称为蟹状星云。1969年在其中找到了爆发后的子星──中子星,从而有力的证明了恒星形成和演化的理论。经过了900多年,它已经从一颗衰老的恒星变成12光年×7光年的一团星云了。除此以外,还需一提的是公元前613年,《左传》中记载的"秋七月,有星孛(意:妖星)入于北斗",这是世界上第一次关于哈雷彗星的确切记录。还有许多重要的记载在此就不一一列举了。 当然,不仅是在记载方面,在理论上,我国也有很多成就。
  在学说方面,我国古代关于宇宙的学说主要有三派──盖天说,浑天说,宣夜说。
  盖天说产生年代早于战国。在初期,其认为天圆地方,后发展为"天象盖笠,地法覆盘"。意思是:天是一个穹形,地也是一个穹形,就象同心球穹,两个穹形的间距是八万里。
  浑天说认为"浑天如鸡子,地如卵中黄",将天地关系喻为鸡蛋壳包裹蛋黄的关系,是比较成功的天球论,而且该学说随着浑仪的产生而发展起来,是我国天文学发展史的主流。
  宣夜说则认为不存在实质的天壳,天是充满气的虚空,众星浮生其中,天地无限。因此,宣夜说是我国古代一种朴素的无限宇宙观念,但因为没有自己的量度天体的方法而不受重视。
  在观测方面,古人把天区划分为三垣四象二十八宿。三垣分别指紫微垣(拱极天区,即指北方天空),太微垣(主要是春夜星空)和天市垣(夏夜星空)。四象分别是东苍龙,西白虎,南朱雀,北玄武。其中每一象又包含七宿(宿,即舍,休息的地方),共二十八宿,各自代表不同的天区。
  世界天文史方面主要是古希腊托勒玫提出的地心说。他写的天文学名著《天文学大成》直到十七世纪的开普勒时代,仍是每一位天文学工作者的必读之书。
(二)天体测量学

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  测量天体就必须知道天体的位置和天体的距离。对天体位置的确定可以通过在天球上建立坐标系的方法来实现。在此仅介绍比较通用的赤道坐标系。
  如下图
北天极
天球
地球
黄道
天赤道
黄道
春分点
南天极
  根据天球的理论,我们将地球的赤道面无限延伸,令其与天球相交的大圆为天赤道。地球自转轴与天球的交点分别为南北天极。过两天极的大圆称为赤经圈或时圈。图中虚线所画为黄道,它与天赤道有两个交点,其中的升交点(即春分点)被定为赤经零度。赤纬的定义方法与地球纬度的定位相同,天赤道以北为正,以南为负。这样,每个天体的位置就可以通过由赤经和赤纬构成的一对数来唯一的表示了。
  关于天体的距离,这里仅介绍三个天文学中常用的单位──光年,天文单位和秒差距。
  光年大家都比较熟悉,就是光一年所走的路程。
  1光年=365×24×3600×30万公里=94605亿公里。
  可见是多么远的一段距离。下面是一些典型的距离
  比邻星(离太阳最近的恒星) 4.22 光年
  银河系直径         8.15 万光年
  宇宙深度(大小)      150 亿光年
  天文单位定义为地球到太阳的平均距离。太阳光到达地球约是8分钟,所以,1天文单位≈8×60×30万公里≈1.5亿公里。天文单位在研究太阳系内部天体时是比较常用的单位。
  在介绍秒差距之前,我们先来了解一下三角视差法测距的一些内容。
   见下图
Base    α S β
  在工程上。为了测量遥远物体S到基线(Base)的距离,可以通过精确测量角α和角β以及基线的长度,就可以用三角关系导出。将此法用于天体距离的测量,其中基线可以选择地球公转轨道的直径。由于一年中地球在轨道上的运动而产生的天体在天球上视位置的微小变化叫做周年视差。如果天体的周年视差为1角秒,那么定义它的距离就是一个秒差距。
  通过计算知: 1秒差距 = 3.2616光年 = 206265天文单位

(三)天体力学

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  天体力学是建立在牛顿万有引力定律基础之上的,主要研究天体在引力作用下的运动状态问题。具体牵涉的是一些复杂的计算,在这里仅介绍两个小内容。
1、地球的岁差和章动
  由于地球的自转,我们可以把地球想象成一个旋转的陀螺。解决陀螺旋转的问题,力学上有专门的理论。地球的旋转满足刚体绕定点转动中的拉格郎日情况。(详见周衍柏编《理论力学》218页)其自转轴将按下图方式运动:
Ω 进动轨迹 章动轨迹
地球将既绕一中心轴Ω进动,又在进动轨迹平均位置附近做微小摆动(章动)。其中的进动就叫做地球的岁差,其周期大约是25800年,章动周期是19年。
  地球的岁差反映在天球上就是天极点的运动。也就是说,随着岁月的流逝,天极点将在天球上画出一个大圆。我们知道,现在的北天极几乎指向北极星,那么,再过1.2万年后,北天极将指向织女星(天琴座α),那时的人们在晚上将定义织女星为正北方了。
2、儒略历,儒略日
  儒略历是公历的前身,它是公元前46年,罗马统治者儒略·凯撒采纳天文学家索西尼的意见而制定的。儒略日(记为JD)则是在此基础上确立的一种不用年和月的长期记日法。它的特点是在计算相隔若干年的两个日期(事件)间的天数方面比较方便。它以公元前47年儒略历1月1日,格林威治午时为起算日期,到目前已有2440000日的数量级。为了使用方便,国际上定义当前儒略日减去2400000.5日为约化儒略日(记为MJD)。 如:1979年10月1日零时的儒略日为2444147.5日
(四)天体物理学

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  天体物理学几乎包括了现代天文学的所有方面,对它的介绍被归入天体演化学部分,请参见之后的天体演化学部分。

(五)光学天文学

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  谈到光学天文学免不了要提及望远镜。从种类上分,望远镜主要有四种
1、伽利略式(折射式)
  由凸透镜物镜和凹透镜目镜组成。由于放大率低,不适于天文观测。
2、开普勒式(折射式)
  目镜和物镜都由凸透镜组成。可以加入十字叉丝,视场较大。
3、牛顿式(反射式)
  物镜是一个凹面镜。特点是镜片易磨制,口径一般较大。
4、施密特式(折反射式)
  由于在物镜前加了一个改正镜,可以做到无球差,视场大,而且也可以制造得很大。目前世界上最大的施密特望远镜位于德国陶登堡史瓦西天文台,改正镜口径为1.34米。
  下面我们再来了解一下绝对星等的概念
  前面讲了目视星等,我们知道天体的视亮度不仅与天体本身的发光强度有关,还和天体离我们的距离有关。为了能够反映天体本身的真实发光强度,我们把天体假想置于距离地球10秒差距处所得到的目视星等就是该天体的绝对星等。
  太阳的目视星等是-26.74等,但如果假想把太阳移到离我们10秒差距处,我们将发现它只不过是一颗非常普通的五等小星。太阳的绝对星等是+4.85等。
(六)射电天文学

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  请见下图
波长(米) 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104
      X射线 射电波 紫外线 红外线 微波 光学窗口 射电窗口
这是一张反映大气窗口的波长分布图。
  由于大气中各种粒子对不同波长电磁辐射的吸收和反射,只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面,按所属范围可分为光学窗口和射电窗口。射电天文学正是通过这个波长从1毫米到30米左右大小的窗口来观测天体的无线电波,从而研究天文现象的一门学科。射电天文学的历史始于1931-1932年,美国无线电工程师央斯基在研究长途电讯干扰时偶然发现来自银河中心方向的宇宙无线电波。此后,尤其是六十年代的四大天文发现(类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射)使射电天文学走向成熟。现在射电天文学已是天文物理学家观测宇宙,验证理论的重要武器之一了。
  射电望远镜的原理与卫星电视天线接收器的原理大同小异,它通过接收来自遥远天体的电磁辐射信号,分析其强度,频谱和偏振来进行研究。其主要有两个基本指标──分辩率和灵敏度。从光学中,我们知道望远镜的分辩率与波长λ成正比,与望远镜的口径D成反比。由于光学望远镜是工作在波长为微微米的数量级上,而射电望远镜工作在毫米数量级上,之间相差10000倍,那么要达到同样的分辩率,射电望远镜的口径(孔径)就要比光学望远镜大一万倍。好在,由于运用了射电干涉仪,可以用相距很远两地的射电望远镜之间的直线距离代替望远镜的真实孔径。这种技术叫做甚长基线干涉。它可以使有效口径大到几千公里甚至更远,从而大大提高了分辩率,使人们有可能看到天体的精细结构。然而有得必有失,灵敏度在分辩率提高的同时却降低了。灵敏度取决于射电望远镜的有效面积,天线造的越大,其灵敏度越高。然而由于射电干涉仪的运用,我们用两地望远镜之间的直线(基线)长度来代替真实孔径,却没有增大与其对应的天线的有效面积,从而使射电望远镜灵敏度成倍下降,这也就决定了射电天文学的研究对象──主要是对高能天体观测以及对射电天文谱线的分析。
(七)空间天文学

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  空间天文学是在高层大气和大气外层空间区域进行天文观测和研究的一门学科。从上一节的介绍我们知道,只有光学窗口和射电窗口波长范围内的电磁辐射可以无阻挡地到达地面。为了得到其他波段辐射的信息,就不得不在地球大气层以外进行接收。随着现代高科技的发展,我们可以通过向太空发射观测卫星,建立空间站来达到目的,这就诞生了空间天文学。由于观测波段不同,可以分为X射线天文学,γ射线天文学,紫外天文学,行星际空间探测,红外天文学等。
(八)天体演化学

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  天体演化学可以说是近现代天体物理的中心。它包罗万象,近到地球,远到宇宙深空,几乎包括了全部观测和研究对象。下面将按由小到大,由低到高的层次顺序逐一简介。
1、太阳

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  请见下图
日冕
色球
光球
对流层
辐射区
核反应区
辐射
湍流
  上图是近代所公认的太阳总体结构图。
  其中光球层、色球层、日冕层统称为太阳大气,光球层之下的对流层、辐射区、核反应区称为太阳内部。从太阳中心至约四分之一太阳半径处,集中了太阳物质质量的一半,称此区域为核反应区。这个区域的温度高达1500万度,压强达2500亿个大气压,使氢核聚变为氦原子核成为可能。太阳所发射能量的99%就是从这产生的。从核反应区至0.8太阳半径处存在着一个辐射区,这个区包含有太阳总物质的10%。再往外就是对流区。由热核反应所释放出的能量以辐射方式通过辐射区向外传输,而在对流区,能量向外传输的主要方式是对流。
  光球是太阳最外面的一层,厚约500公里。由于光子在该层很少被再吸收或散射,因而能通过它上面的色球、日冕传播到周围空间。我们肉眼所直接看到的太阳表面层就是光球层。光球层上还有很多新的结构和现象,比如说米粒组织、黑子、光斑等。
  色球介于光球层和日冕层之间,厚约2000公里。一般只有在日全食时才能看到,通常由于地球大气散射阳光而形成的较亮的背景光掩没了色球所发出的光。在日全食食甚的短暂时间中,日面边缘呈现出的狭窄的玫瑰红色的发光圈层就是色球层。色球层的很多现象都是现在所没有解释清楚的。如:日珥、耀斑、谱斑以及最令人难以置信的从色球层到色球-日冕过渡区的反常升温(温度从低层的4600开上升到层顶的约几万开尔文)。
  日冕层是太阳大气的最外层,由高温、低密度的等离子体组成。日冕层的气体温度继续反常上升,高达几百万开。使引力不足以束缚热电离气体粒子,从而导致其不断向外流出,形成被称为太阳风的粒子流。
  通过以上介绍发现,仅仅是对太阳这颗普通但对人类又是非常重要的恒星,我们还知道的甚少。还有许多未解之谜等待我们去探索,去回答。
2、太阳系

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①:太阳系位置
  大家都知道,太阳系位于银河系内,其星体位置是在离银心10千秒差距,偏银面向北约8秒差距处。
②:太阳、行星、卫星
  了解太阳系,首先需了解太阳系中各类天体名称。
  太阳是一颗很普通的恒星,恒星是由炽热气体组成的能自己发光的球状或类球状天体。在太阳系中只有太阳自身会发光,其它天体都是因为反射太阳光才被我们发现的。
  在椭园轨道上环绕太阳运行的近似球状的天体被称为行星。太阳系目前有九大行星。按从内到外的顺序依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王、海王和冥王星。为了研究问题方便以及按各行星本身特点不同,九大行星又有不同的分类,
见下图:
   ┏━━━类地行星━━━┓     ┏━━━类木行星━━━┓
  水星  金星  地  火 (小行星带) 木  土  天王  海王 冥王
   ┗地内行星┛  ┗━━━━━━━地外行星━━━━━━━━┛
  由于行星质量、大小、密度以及化学组成不同可以把九大行星分为类地行星和类木行星;根据各行星与地球的相对位置,又将它们分成地内行星和地外行星;分布于火星与木星轨道之间,沿椭园轨道绕太阳运行的小天体构成一个小行星带。我国在小行星的发现方面处于世界领先水平。
  在查阅天文年历或每月天象时,常有关于行星相对位置方面的术语,现对其稍作介绍,
  见下图:
轨道




行 地 道 外 轨道 上合 东 地 行星 西 地内 太 阳 东大距 下合 西大距 东方照 地球 西方照 冲
  以地球为中心,地球和行星的连线与地球和太阳连线之间的交角在黄道上的投影称为行星的距角。距角为0°时称为"合",这时行星、太阳、地球基本成一直线,行星被太阳的光辉所淹没。对于地外行星,距角为90°时称"方照",为180°时称为"冲"。对地内行星,当距角最大时称为"大距"。
  卫星是绕行星运行的天体。月亮就是地球的卫星。卫星的研究对太阳系的形成,地外生物存在的可能性等方面都有重大意义。 ③:太阳系其它天体
  A、彗星:在扁长轨道上绕太阳运行的一种质量较小的天体,呈云雾状的独特外貌。彗星的外貌和亮度随着它离太阳远近而显著变化。当它远离太阳时,呈现为朦胧的星状小暗斑,其较亮的中心部分叫作"彗核"。彗核外围的云雾包层称为"彗发"。它是在太阳的辐射作用下由彗核中蒸发出来的气体和微小尘粒组成的。彗核与彗发合称为"彗头"。当彗星走到离太阳相当近的时候,彗发变大,太阳风和太阳的辐射压力把气体和微尘推开生成"彗尾"。由于彗星的这种独特外貌,中国民间又称其为扫帚星。
  B、流星:行星际空间叫做流星体的尘粒和固体块闯入地球大气圈同大气摩擦后燃烧产生的光迹。流星体的体积一般都不比小石子大,但速度很高。据估计每年落到地球上亮度大于10等的流星约2000吨,一般认为后半夜看到的流星比前半夜多。
④:太阳系的起源
  关于太阳系的起源主要有三种学说。
  灾变说:认为行星物质是因某一偶然的巨变事件从太阳中分出的。比如由于另一颗恒星走近或碰到太阳,或者由于太阳爆发,从太阳分出的物质后来形成行星。
  俘获说:认为太阳从恒星际俘获物质。形成原始星云,后来演变成行星。
  共同形成说:认为整个太阳系所有形体都是由同一原始星云形成的,星云中心部分的物质形成太阳,外围部分的物质形成行星等天体。
3、恒星和星际物质

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  我们夜晚观星,所看到的几乎都是恒星。晴朗无月的夜晚,大约可以看到3000多颗。因为它们都离我们非常远,所以很难发现其在天球上的位置变化,因此,古人就把它们叫作恒星。下面将逐一介绍双星,聚星,星团,变星,星云。
①:双星
  两星互相之间因为引力的作用,每颗星绕两星的质量中心作旋转运动,这样的两颗星称为双星。双星系统在银河系中很普遍,约占总数的三分之一。 双星可分为目视双星,分光双星,食双星。
  目视双星是人眼通过望远镜可以直接分辩出的双星,这种双星系统中的两星之间的视角一般较大,从而能从光学上直接分辩出来。
  分光双星是通过观测它们的光谱线的多普勒位移才发现它们的绕转运动的,因此两子星间的角距离较小。多普勒位移是因为光和观测者的相对运动而产生的一种波频率发生变化的效应。现代高技术天文设备已可分辨出遥远恒星相对地球5m/s的速度差别了。
  当双星轨道面的法线与观测者的视线交角接近90°时,会观测到双星的一个子星掩食另一个子星的现象,称这样的双星为食双星或几何变星。
②:聚星
  少至三个多至十多个恒星依靠引力,彼此聚集在一起,这样的恒星集团称为聚星。
③:星团
  星团是由至少十个多至百万颗的恒星组成的集团,它们聚集在一个不大的区域里,有很多共同的物理性质,因此对研究恒星的起源和演化具有重要意义。
  星团一般分为疏散星团和球状星团。
  疏散星团一般形状不规则,结构较松散,全天共约1200多个,其中最出名的要算金牛座的昴星团和毕星团。冬天的夜晚,在南面星空可以看到一颗发红的亮星,那就是金牛座α,它是毕星团中最亮的星,在其西北方向一点,有一团模糊的星,它就是著名的昴星团。眼力好的人可以辨出其中的六颗亮星。
  球状星团:是由很老的几万颗恒星所组成的具有紧凑的球对称外形的恒星集团。其核心部分恒星的密度很大,从照片上看就像是抱成一团的白蚁,最出名也是全天最亮的球状星团是位于武仙座的M13,质量约是300000个太阳质量。
④变星
  变星是一种亮度随时间变化的恒星,它有很多特殊的性质,是天文爱好者观测的热门对象。
  变星按亮度变化的原因可分为食变星和物理变星。
  食变星即是食双星(参见①的介绍)。物理变星又可分为脉动变星和激变变星。
  脉动变星的光度成周期变化,其原因是由于自身的周期性的膨胀和收缩。其中造父变星(脉动变星的一种)在天文学中的地位不亚于射电望远镜,它被誉为"量天尺"。因为对造父变星结构和成因了解的比较透彻,即存在一个简单的周光关系(光变周期越长,光度──绝对星等就越大),所以只需要观测出遥远星系中造父变星的变光周期,就可以推算出星系的距离。
  激变变星包括新星和超新星。亮度突然增大(爆发)的星称为新星。亮度增幅比新星大百倍至数千倍的星称为超新星。超新星爆发时光度增为原来的千万到亿万倍,非常壮观,使其它恒星黯然失色。超新星爆发是恒星死亡的象征,其爆发后剩余的物质由于强大的自身引力而急剧收缩,终于将原子核外的电子压入核内与质子结合成中子。根据泡利不相容原理,各简并态中子之间的简并压力顶住了引力的压缩,从而形成了中子星。1987年。国际上对银河系的伴系大麦哲伦星系中的一颗超新星的研究全面证实了恒星演化的理论。国际上第一颗中子星的光学认证与1054年的超新星爆发直接有关,我国在这方面的全面记载为其作出了不可磨灭的贡献。
⑤星云
  星云即是由一些星际分子、离子和尘埃组成的非恒星状的气体尘埃云。星云有很多分类,在此就不一一赘述了。一般认为星云是恒星爆发瓦解后抛出的气体云,但更有人认为恒星正是由于星云的引力收缩才诞生的。全天最亮的星云是猎户座大星云,其视亮度在4等左右,是每一位天体摄影爱好者渴望拍好的首选对象。
⑥恒星的演化
  恒星的演化理论是天文学中少数几个被公认完美的理论之一。几乎所有的观测都证实其正确性。在介绍其之前,让我们先来了解一下赫罗图。
光谱型 B A F G K M N
绝-4       巨
对-2  主     星
星0    星    序
等2     序
 4      太阳
 6 白矮星序
  上图反映的是恒星光谱型和光度的关系图。它是丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素创制的。他们将光谱型──恒星的颜色由蓝到红分成B,A,F,G,K,M,N几种类型,由对比得知,一定的光谱对应一定的温度。按这种关系,将所观测的恒星标在图上,发现所有的点基本集中在三个区域。一个是从左上角到右下角,称为主星序,右上角的称为巨星序,左下角的称为白矮星序。我们看到大多数恒星落在主星序,这说明恒星在这个阶断的时间最长。太阳正好位于主星序的适中位置,它正处于一生中的壮年时期。
  通过对赫罗图的观察我们发现:在图右上角恒星的表面温度相对较低,但其光度(由绝对星等表示)却很大。这只有一种可能,那就是除非这些恒星很巨大。因此这一区域被称为巨星序。而左下角的情况正好相反。
  通过对赫罗图有了一定的了解之后,我们再来关心一下恒星的一生是怎么在赫罗图上走过的。
  我们以太阳为例。恒星形成理论认为恒星是由星云物质在引力作用下收缩形成的。在收缩过程中,引力势能转化为热能,使其中心的温度和压强不断增加,直至点燃了氢的核聚变反应。强大的辐射压制止了恒星的进一步收缩,并被我们观察到。从此在赫罗图上开始了它漫长的一生。一般认为演化的起点都在主星序星带上,并在其上完成氢聚变成氦的核反应。随着恒星核心区氢燃烧的停止,核心区进一步收缩,直至氦聚变成碳的反应点燃。当氦也被用尽之后,核心区变成了一个富碳的区域,这时核心区之外壳层内的氦又被点燃,从而产生一定程序的爆发,恒星体积迅速膨胀,演变成红巨星。核心区进一步收缩,点燃碳聚变反应……,就这样一直聚变反应到铁元素。铁的聚变是吸热反应,这时没有什么再来抵制巨大的引力了,恒星将在一次急剧塌缩形成的大爆炸中走向衰亡。这就是超新星爆发。根据爆发后恒星质量的不同,它将最终演化成白矮星、中子星或者是黑洞。
4、银河系

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  牛郎和织女的传说故事可能谁都有耳闻。夏夜星空,很容易找到牛郎星(天鹰座α)和织女星(天琴座α)。在两者之间,你就会发现一条由无数颗密密麻麻的小星连成的似云雾的带状体,它就是传说中的那条无情的天河。现在我们知道,它只是银河系的一部分在天球上的投影。太阳系就是存在于银河系这个典型的旋涡状星系中的一条旋臂上。
  银河系的中心在人马座方向。银河系的核球是一个扁球形的致密区,其外边缘离银心约为5千秒差距。核球内有许多恒星、分子和尘埃云,核球的中心有一个半径只有几个秒差距的小区域,称为银核。银核中有银河系中最密集的恒星群、电离气体和尘埃,银核所拥有的质量相当于1000万个太阳质量;银盘是银河系的主体,其形状如扁球圆盘,中间厚而边缘薄,直径约为25千秒差距。银盘主要由恒星组成,多是主序星,另外还有大量的星云等星际物质;包围在银盘外的是银晕,银晕内的恒星密度比银盘内小得多,主要是一些球状星团。
5、河外星系

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  在银河系之外,还存在许多发光天体,被称为河外星系。河外星系的研究始于本世纪20年代。哈勃(一位在天文学领域可与爱因斯坦齐名的天体物理学家)通过仙女座星云(M31)中的造父变星计算得出,M31是属于银河系之外的恒星系统。经过进一步的研究,他还将所观测到的星系按如下的方式分类(即著名的哈勃"音叉图")
旋 涡 星 系 Sa Sb Sc S0
椭 圆 星 系 E0 E7 SB0 SBa SBb SBc
棒 旋 星 系
  根据上图,表现形状从圆到椭圆的星系称为椭圆星系。椭圆星系中央区较密,主要是由重元素含量较少的恒星组成。而且星云、星际尘埃含量很少。
  旋涡星系是指具有旋涡结构的星系。根据形状不同可分为正常旋涡星系和棒旋星系两大类。银河系和仙女座星系都是典型的旋涡星系。它们的中心区都具有圆形隆起的核球,外侧有星系盘。星系主体的外部包裹着近似球状结构的星系晕。
  除了以上两类星系,还有外形不规则且无明显核心和旋臂的不规则星系。最著名的是银河系的两个伴系──大麦哲伦云和小麦哲伦云。
  星系在宇宙中的分布并不是均匀的,而是表现出集结成大小不同的系统的倾向。按包含星系的多少和空间尺度的大小,从小到大依次称为星系群、星系团、超星系团。银河系和大小麦哲伦云构成了本星系群,并与附近的仙女座星系,以及1百万秒差距以内的40多个星系(矮球星系)集聚成本星系团。离本星系团较近的还有室女座大星系团(含2500多星系)和后发座星系团等。以室女座星系团为中心,在20兆秒差距的大尺度范围内的五十多个星系团构成了本超星系团。
  正是由于星系分布的这种极度的不均匀性,使得有关星系起源和演化的理论屡屡受挫。按照现有的种种模型都无法完美的解释宇宙空间物质分布的如此大的不均匀度。这使得这方面的问题与宇宙学一并成为理论研究的热点和难点。
6、宇宙学

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  本世纪二十年代,从哈勃发现河外星系和谱线普遍红移开始,宇宙学理论模型逐渐发展并完善起来。从爱因斯坦的静态宇宙模型到现在公认的大爆炸宇宙模型(已被称作标准宇宙模型);从单纯的应用广义相对论到现代较活跃的量子引力理论,人们正在慢慢地揭开所谓上帝那神秘的面纱,去了解宇宙的产生和演化。
  1929年,美国著名天文学家哈勃通过对当时所能观察到的几十个星系的研究发现,它们所发出的谱线都普遍向红端偏移了,而且,星系离我们越远,红移量就越大。从开普勒位移的有关知识我们知道,这说明:所有的星系都在以一定的速度离我们远去,而且,红移量越大,退行的速度就越大。因此,我们就很自然地想到──宇宙正在膨胀,就像一只正在不断吹大的,上面点满花点的气球。
  既然所有的星系都在彼此远离,而如果这种方式在过去任一时刻又并未改变的话,那就必然得出一个结论:回朔到过去某一时刻,即离现今约150亿年前,宇宙中所有的物质都聚集在一个很小很小的区域(奇点)内。在此区域内,温度极高,密度极大,不存在原子、电子,更没有什么银河系、太阳系;随着宇宙的膨胀,温度降到1000亿亿亿开尔文时,由于强相互作用,形成了夸克和电子等轻子,之后又出现了质子和中子等基本粒子。宇宙处于这一阶段的时间极短,约在宇宙诞生的1分钟之后,温度下降到可进行核聚变反应的程度,宇宙中逐渐形成了氘、氦以及少量的锂;到15分钟左右的时候,由于进一步膨胀,温度下降到不足以点燃核聚变反应。经过计算,那时宇宙中氢约占四分之三,氦约占四分之一,这与现在观测所得的数据完全一致;大约在大爆炸之后1万年,温度降到约为几千开,宇宙中主要是一些气状物质;随后有些气体聚成气云,形成原星系,进而演化为星系;最后伸缩并产生了各种各样的星的体系,成为我们今天所观察到的宇宙的样子。我们的太阳就是这亿万颗恒星中的一员。随着太阳系和地球的继续演化,在一定条件下出现了万物,并最终产生了能够认识宇宙的人类,产生了你我,产生了我们大家。我们在为宇宙的奥秘而惊讶的同时,只有不断探索和学习研究,才能了解到宇宙的真正的和谐,真正的美!
  到此就结束了本浅述的所有内容,由于作者水平有限,其中必然存在不少错误,请多多指教。
  谢谢!
主要参考书目 :《中国大百科全书·天文卷》
        《中国业余天文学家手册》等
                                                 高兴
                                               一九九六年九月
                                               一九九八年一月修改


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留下夜空中旅行着的点点星光——天文摄影的梦想(王宁文)  发帖心情 Post By:2007-08-11 13:44:27

留下夜空中旅行着的点点星光——天文摄影的梦想

王宁 文

前言

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冬季的猎户座

本篇文章献给支持与理解我们的人们!还有一直梦想进入夜空摄影的朋友们!

天文摄影已经有上百年的历史。早期天文摄影的仪器相当昂贵,且专业性很强,对爱好者来说,那是一种奢望。随着大规模工业快速发展,上世纪60年代末照相机技术的提高与相机的普及,许多业余摄影爱好者把镜头对准了天空,现在也有许多优秀的天文照片就出自业余天文爱好者之手。其实,仅仅利用我们手头现有的相机,也能拍出优秀的天文相片,实现自己的一个梦想。这篇文章主要是给从未接触过天文摄影的人们一个基础的天文摄影知识及指导。

〈一〉 拍摄下你的第一张星空

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  夜空是人们最富有遐想的地方,夜晚的繁星犹如一片片晶莹的水晶,许多的天文爱好者开始都是带着如何能留住星空的梦想而最后着迷于天文的,其实天文并没有多深奥,也有许多人因为没有得到指点而错失了一个能与之一生相伴的爱好。天文摄影是摄影中最具有挑战性的一项,它具有许多非既定性的因素在里面,天气、时间、设备包括运气等等,总之在你按下快门之前,一切都是准备好的,然后就是考验你技术与耐心了。由于天文摄影基本上是在手动模式下进行,且曝光时间分钟为计算,所以要对摄影器材以及摄影理论比较熟悉,同时你的摄影水平在这个过程内也会有相当的提高。如果你喜欢就去做,可以给你一个初步的基本常识介绍。

  所需要的器材:一个带有全部手动功能的照相机(包括可以手动调节光圈和快门并且在按下快门后,相机内所有的灯保证全部的关闭)、一只标准镜头或者广角镜头、一根快门线、一个非常坚固的三角架、当然还有胶卷。由于长时间曝光,就一定要到考虑相机的电池是否能支持五分钟甚至更长时间,那么推荐采用全机械的相机。然后到郊外去,在大自然清新的空气中,体验你的第一张星空吧。

  由于月亮的出现,使星星们都暗淡了,所以我们选择一个没有月亮的夜晚,这时的星空是非常美丽的,也不至于底片过度曝光,找一个没有遮挡、比较开阔的地方,架好三角架和相机,还有快门线,准备开始吧。从相机的取景屏里找到你熟悉的一个星座,固定好相机,检查所有的设置,特别是把快门设定在B门上,光圈放到最大,如果是标准镜头,就缩小一档,在按快门线前用手或纸板在镜头前遮挡着(解除快门线也相同),按下快门线后,再移开,等待30秒,解除快门线,这就是你第一张照片的尝试。

〈二〉初步探索天文摄影

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M31 仙女座大星系 在朱迪.福斯特演的科幻片〈〈接触未来〉〉里,那个电波就是从这里发射出来的

  我们在这里初步探讨天文摄影的基本知识,包括基本理论、所用器材、专业仪器、操作与分析,有许多使我们自己感受和理解到的,但是这并不是一本教科书。

  其实最重要的是第一次,所留下的印象也是最深,还有许多的疑问,那么以下所讲述的是利用我们的经历所积累的知识,阐述一个比较全面的天文摄影。器材、方法、技巧是贯穿于天文摄影的重要线索。然而天文摄影要拥有一定的天文知识,特别是对星座的熟悉,这不是个难题,跟有一定经验的人出去观测几次,经常看看星图,是非常必要的。我们也将会在系列文章里会介绍"夜空中的神话-美丽的星座",对本文也是重要的补充。

  月亮和行星是许多人开始的拍摄目标,特别是月亮,我们开始拍摄的月亮总是非常的亮,要么就是很小,如何能看到细节呢?其实拍摄月面并不困难,而是对设备有一定的要求。在天文摄影中,月亮和太阳是最好掌握的,因为它们都很亮,便于寻找。可以这样说,越小越暗得越困难。一般80㎝口径以上的天文望远镜就可以拍摄月亮和太阳了,还有一些较亮的行星,如土星、木星等,同时可以拍摄一些天象,如日全食、日环食以及月全食等,注意我们平时所用的相机镜头并不适合于行星摄影,也不能说它们不能用,它们的最大用处用于天空的摄影,也是星空摄影的利器。

月面

  完整的月面与月面局部的放大的操作难易程度差别很大,行星也是一样,当你想通过其它的设备放大被摄影的天体时,要对仪器和环境等因素综合考虑。

  月亮和行星的拍摄方法不同于星空,而星空的壮丽并非只是我们所看到的繁星,她还有许许多多梦幻般的色彩,那是我们肉眼所看不见的,只有借助照相机以及高感光度的底片才能展示出夜空的多彩华丽。你会为她惊叹、被她折服,你会重新认识你眼中的世界和浩大的宇宙。


手动调节望远镜进行拍照


玫瑰星云 夜空中绽放的玫瑰

  那么我们需要哪些条件呢?

外部环境的条件

1、环境和时间:

  首先是天空条件,行星与月亮摄影对天空的光害要求不是很高,所谓的光害主要指的是城市的夜晚的灯光,以及拍摄地点四周的建筑物和路灯的干扰,就算你离开城市,也要注意"城市之光"的"威力",由于相机在长时间曝光,这些光污染会让你拍摄的星星淹没在光的"海洋"里。当然行星的亮度较高,在城市里也可以拍摄。而星云、星团对天空环境要求苛刻,除了避开光害外,还要考虑到月亮的影响,可以发现越是接近满月,我们所能见到的星星越少,所以要尽量选择峨眉月和新月的日子里。


城市的灯光

  另外,在选择地点时,要注意远离公路,或者背对着公路拍摄,避免过往车辆的灯光使你的成果化为灰烬,夜晚毕竟留给我们的时间不多,还有手电筒、笔记本电脑的光线等,都是要非常注意,拍摄区域与其他的区域有一定的距离,不能交叉干扰。


城市之光 (离城市70多公里的地方,可见城市的灯光)

2、地点和气候:

  最好是远离城市,到山区、郊外、农村,光害越少越好,避免往城市的东面去,因为南面的天空是你主要的拍摄区域,把城市的灯光放在你的东北角,视线开阔,山沟与谷地的天空区域较小,另外气流的干扰会直接影响成像,包括湿气,夏季是天体摄影的最佳时间,冬季虽然寒冷,然而这时的星空非常亮丽。


找到一片这样的天空

3、其它的事项:

  保护措施非常必要,可以让你有许多耐心在户外操作,夏季要注意驱蚊,冬季要注意防潮、保暖,特别是冬季,如果你穿戴得比较淡薄,你肯定在户外支持不了多长时间,别怕多带衣服,关键时你会发现你是如此的幸运,手套和帽子也是必须注意的。笔和纸是你经验积累的重要工具,以后可以对每张照片进行对比,一块夜光手表(能报时最好),一把手电筒,当然在前端要蒙上一块红布,否则会严重影响你好不容易才适应黑暗的眼睛。还有一套四季星图,它是你寻找目标最好的帮手。一个计划的制定是你整个夜晚成败的关键,有些人不注意制定计划,这是相当糟糕的事情,在外出前,先确定你所要拍摄的目标,便于选择器材,利用星图熟悉目标所在位置,现在有许多的天文软件也是制定计划重要辅助手段之一,例如:Starry Night Pro、SkyMap Pro等等它可以模拟当天的真实天空的情况,并且非常便于寻找。仔细检查自己所要携带的设备,保证每一件可以随时随刻的正常使用,有时一个小错误,也会导致全盘失败,最后提前一天了解三天内的天气变化,碰到阴雨天真的非常扫兴。

Starry Night Pro 软件
SkyMap Pro 软件


Starry Night Pro 软件软件界面

  之所以谈到这么多问题,并非想让大家知难而退,毕竟天文摄影要求非常苛刻,养成良好的习惯,最大化的减少问题的出现,获得到更多的机会。既然向往美丽的星空,那么也是必须付出一些时间和精力。

〈三〉天文摄影的器材

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传统时代:

  进入天文摄影,就要理解摄影器材和摄影知识,如果你没有过摄影经验,理解这篇文章就会有许多问题,那么请尽快开始学习摄影,掌握基本原理,熟悉摄影器材,看一些好的理论书籍。同时咨询一些高手们,和他们在一起,对你的理解能有关键的点拨作用,等你掌握了初步的知识,欢迎你再来轻松的看这篇文章,对于有摄影经验的人来说,天文摄影毕竟是一门独立的摄影学科,虽然在部分教材里有介绍,也只是非常简单的稍带而过,专业性太强是挡住许多人的门槛。可是当你耐心地看完,即可领会这门摄影的基本知识了。

  这里所指的摄影器材是照相机、镜头以及其它的照相器材。现在的人们主要用的照相机为普通?quot;傻瓜"相机和不可更换镜头的数码相机,全自动的"傻瓜"照相机不适合用于天文摄影,绝大多数不能调节光圈大小和快门速度,而且没有B门(即长时间曝光功能)。数码相机将会在后面作为单独的部分讲述。天文摄影最基本的需要一部全机械手动相机,可更换镜头,而且好的机械相机适应于各种环境。机械相机最好的一点不需要用电池,有时,在拍摄星空时曝光时间较长,电池就显得"单薄"了,在环境以及其他条件不具备的情况下,机械相机拥有明显的优势。

  对于机械相机的认识不能用"简单"两个字来形容,如果你熟练地掌握了机械相机中光圈、快门之间的关系,你也快可以使用其它的相机,毕竟它们的原理是相同的,从机械相机的操作中可以锻炼个人对光线变化的感觉,同时又理解光圈与快门之间不同的组合,这是初级摄影爱好者想要学好摄影的一个重要手段。

这种自动照相机绝对不适合天文摄影
就用它 这是Nikon FM2手动相机


这是Nikon FM2手动相机拍摄的猎户座M42星云

  对于手动机械相机,不管是国产还是进口,它们对拍摄的片子影响不大,在传统相机上,片子的好坏取决于其它设备。但是许多国产相机在制作工艺与质量上逊色于国外的品牌,经常出现机械故障,市场上经常有二手老式机械相机,只要成色较新,没有大的维修,价格便宜,作为初级和经济不宽裕的爱好者可以考虑购买,这类相机,使用得当,也会拍摄出非常好的片子。一部好的手动相机,只要保护的好,使用年限相当长,特别是有几款经典的手动相机,作为收藏品也是不错的。

  另外,近些年来有一些公司生产的电子单反相机,也可适用,对待这一类的相机要注意的是,在快门打开后,不可有测光灯出现,所有相机内置的灯光全部关闭,否则胶片将会受到感光,在开始摄影时,切记要检查这一项。一般来说,高档的电子单反相机在打开B门的瞬间都会自动关闭灯光(包括闪光灯)。备足电池,如果没有外接电源的话,在野外,能充电的地方并不是很多,在这类相机上主要推荐国外的品牌,这类相机的价格普遍比较贵,但在质量上应该有所保证,操控方便很重要,不会出现手忙脚乱的场面,尼康和宾得是最好的选择,其次是理光这一档次,有些相机在拍摄月亮时可以测光,这非常便利,在平时使用也省心,不光运用在天文摄影,自动对焦、光圈优先、快门优先等设置,使其运用范围较广。

  快门线是天文摄影中必备的,夜晚摄影中,由于曝光时间长,不能用手动控制快门,避免振动,在冬天,如果你的手长时间暴露在外部,非常容易冻伤,一般来说,大多数相机都是用的是机械快门线,也有少部分为电子快门线,如:尼康的自动相机。电子快门线的价格远远高于机械快门线,当然也可以用鼠标制作,可以节省许多钱,而且非常好用。以后会在我们的网站上会有设计图。

尼康F100
尼康F5

  胶卷在天文摄影中起到了举足轻重的作用,感光度的高低直接决定了你的曝光时间,如何选择胶卷,主要根据所拍摄的对象,原则是,越亮的用感光度越低的胶卷,反之,越暗的用感光度越高的胶卷,但是,这不是一个绝对的定式,譬如像拍摄流星雨,即使是一颗很亮的流星,但它的速度非常快,而且出现的时间不确定,曝光的时间相对与拍摄行星比较长,这时就应该用感光度较高的胶卷,甚至使用ISO1600或更高,才能扑捉到。由于月亮本身很亮,所以用ISO100拍摄月面就可以了,行星的亮度较月亮暗,选择时可以升高一至两档。星空和星云、星团,要使用感光度较高的胶片,特别是在拍摄亮度等级很低的目标。

  柯达的胶片发暖色调较多,而富士的胶片更多的倾向冷色调,这也要取决于你想要的效果,反转片的色彩非常鲜艳,在拍摄星云、星空时有着较大的优势,但价格也较贵。这一切都要靠经验的积累,才能逐渐地掌握如何使用胶片。

  在冲洗底片时,一定提醒冲洗店你拍摄的是什么,否则,他们会以为这些是废片,当发现底片上的物体不够明亮,可以要求迫冲至高感光度,可以提高效果,当然,你也可以通过扫描或翻拍再处理,但是效果不是太好。

  相机镜头是关键的部分,光学设计的好与坏,对片子的影响非常大,它不光决定片子色彩,还有曝光时间,成像的品质,镜头的主要作用是拍摄星空、星云以及星团,镜头的种类有很多种,其作用是根据适用于不同对象而定,一般分为:广角镜头、标准镜头、微距镜头、摄远镜头、鱼眼镜头等,还可分为:变焦镜头和定焦镜头,以及自动镜头和手动镜头。夜晚拍摄对摄入光量的要求比较高,除拍摄月面外,天文摄影主要使用广角镜头、标准镜头、定焦镜头,平时的一些相机镜头是不能胜任天文摄影的,例如:变焦镜头,它的光学设计繁琐,镜片组太多,导致曝光时间过长,所以一般是不建议使用,还有一些自动变焦镜头也存在这类原因。在镜片上要了解几个技术指标:球差、慧差、色差和制作材料,光学特征,而在整个像机镜头上要注意它的光圈大小,口径大小以及焦长。不同的拍摄物体适用于不同的摄影镜头,初学者首先学会使用标准镜头和广角镜头,特别是广角镜头非常适合固定拍摄与大范围星空的拍摄。关于如何购买镜头,在这里就不介绍了,可要记住,要买的时候可一定要带个高手。

  标准镜头与广角镜头的拍摄范围较广,可以固定拍摄几分钟而不会出现明显的拉线,对待仪器要求也不严格,而它们的镜片组少,通光量强,所以曝光时间不需要太长就能出现不错的效果,选择它们为天文摄影入门的一组镜头是最恰当的。拍摄的题材有:流星雨、人造卫星、四季星座、周日视等,在拍摄这些时,一般只需要一部三角架和快门线就足够了,这是既简易又轻便的的一套利器。

  光圈较大的标准镜头最好缩小一,两档,例如:f1.4就缩小至f2.0,在此镜头最大光圈拍摄时,成像不理想,星星周围有许多虚光。虽然在深空摄影中提倡大光圈,但这种方法对此类镜头不适用。


左面为广角镜头、右面为标准镜头

  摄远镜头中,首先应该考虑到定焦镜头,当然如果有条件的话,大光圈时必不可少的选择,变焦镜头也可以使用,但是效果很差,变焦镜头的镜片组太多,需要曝光的时间较定焦镜头长许多,成像质量非常一般,镜片最好是ED的镜片,其次是非球面。用摄远镜头的情况下,必须要使用手动或自动的赤道仪(一种天文望远镜上的跟踪仪器),越长的焦距要求拍摄的精度更高,这是天文摄影的高级阶段了,要求你熟悉星空,有一定的天文观测经验,在取景上有很深的功底,夜晚里通过相机找天体是件困难的事情,特别是在越长的长焦距上。

  除了照相机镜头外,还可以利用天文望远镜拍摄,此时的天文望远镜就是一个长焦,并非越长越好,焦距超过800mm的望远镜可以拍摄月亮和部分行星,600mm左右的望远镜可以拍摄深空天体,天文望远镜的光路设计与照相机镜头是截然不同的,它的镜片组少,可价格有时不便宜,一架光学品质优秀的折射望远镜的价格最少在人民币两万元以上,例如:威信ED114SS。(在以后的文章《深空视线的延伸-天文望远镜》中专门介绍天文望远镜)


变焦镜头


定焦镜头


照相机与一组镜头

  照相机镜头学问很深,不是能随随便便可以讲清楚的,这里只讲述作为天文摄影的镜头。

数码时代:

  从2000年开始,数码照相机在国内广泛普及,被人们炒得红红火火,很多人干脆扔掉了手中的传统相机,投到数码的怀抱里,也有人拒绝甚至对立,究竟是对是错,争论此起彼伏,争论是没有结果的,抛开技术上的问题,如果你的照片被大多数人瞩目,用什么设备无所谓,数码相机运用在天文摄影上比较晚,主要是技术上的制约,数码相机的成像原理完全不同于传统相机,它是利用CCD或COMS感光板对光线的积累而形成影像。有人说是对传统的挑战,不如认为是开辟了一种新的摄影方式,也代表了一种观念的转变。数码相机的方便之处还是很多的,曾经在暗房里的许多工作在现在的计算机上就可以操作了,人们不再是按下快门,可以自主的对照片进行调整,数码照相机的发展相当迅猛,从几十万像素到几百万像素只用了短短的几年时间,以前一部可更换镜头的数码单反照相机是几十万元,而现在不到一万元就可以买到一台DSLR。

  数码照相机分为不可更换镜头普通数码相机与可更换镜头的数码单反相机。

  下图是尼康与富士公司的两款普通数码照相机:

尼康4500数码照相机
富士S602数码相机

  下图是Nikon,Fujiflim, Canon公司三款可卸镜头专业数码单反照相机:

尼康D100数码单反照相机
富士S2 Pro数码单反照相机

佳能EOS-1D数码单反照相机

  不可更换镜头普通数码相机同样适合于天文摄影,也可以拍摄星空与星座,但是最大的作用是拍摄行星与月亮,这类数码相机内置变焦,快门时间最长不过十五分钟,大部分只有几十秒,市场上这种数码相机的种类非常多,许多的大公司都有自己的主打产品,尼康、富士、奥林帕斯、佳能,柯达,而尼康和富士在现在的市场上占有率较高,他们的产品是共同开发的,技术含量非常高,如果抛去过多复杂的技术含量,那么像素、感光材质、感光板尺寸、光学工艺、噪点以及色彩还原性,当然还有操控性是选择时重要的经济指标,不要一味的关心像素大小,虽然这一点是相当重要的,但有时广告会用带有差值像素的宣传来蒙蔽消费者。像素的大小直接决定了拍摄画面的大小,可是在拍摄时用过高的像素也占用非常大的储存空间,以及消耗较大的电量。CCD的感光灵敏度高,与普通胶片相比又具有很强的优势,可是由于随着长时间连续曝光,自身的热量会影响感光效果,这就是噪点,一幅噪点太大照片是没有什么价值的,如果要对其进行降噪处理,一般爱好者不容易做到。只用通过降低感光度,大光圈,减少曝光时间争取减至最少。

普通数码相机在拍摄月亮、行星时,与天文望远镜之间设计一个结环,直接连接在望远镜的后端拍摄,可获得清晰的影像。由于普通数码相机不设B门,所以要使用内设的自拍设置。
可更换镜头的数码单反相机一般属于专业级的数码相机,这种相机的像素高,设置全面,可以更换镜头,主要产品代表:尼康、富士、佳能,专业单反数码相机都带有B门,在降噪上作了处理,在微光与夜空摄影上远远超过普通数码相机,其价格相当高,但是按照市场规律,这两年会有大幅度的降价,而且会有许多的新产品出现。

〈四〉天文摄影的辅助器材

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  谈到这里,就开始进入对天文仪器的认识了,特别是要了解跟踪摄影是怎样的过程,这里所讲的设备均属于专业设备。一般天文爱好者摄影分为固定摄影和跟踪摄影,固定摄影所使用的器材比较简单,跟踪摄影对仪器性能要求比较高,跟踪摄影也可分为手动跟踪与自动跟踪。

固定摄影:

  就是指相机架在三角架上拍摄,用快门线控制,固定摄影一般曝光时间不宜太长,拍摄的对象为:星空、星座、周日视、流星雨等,在这里要提到拉线的问题,拉线主要是指的星星运行的轨迹(也就是地球自转所产生的),在固定摄影时要控制拉线的情况,使星星尽量成为一个圆点,而标准镜头与广角镜头比较适合这类摄影,时间控制在20-60秒之间,时间如果过长将看不出星座的整体,除此以外,还要考虑ISO、光圈等设置。


美丽的海豚座 曝光时间:30秒 标准镜头


北天的皇冠北冕座 曝光时间:56秒 标准镜头

  标准镜头的拍摄下,ISO200,海豚座的曝光时间为30秒,星星还是圆点,而北冕座用了56秒,已经出现了轻微的拉线。


松林中的银河 曝光时间:32秒 标准镜头

  广角镜头在固定拍摄的时间上比标准镜头可以稍长一点,甚至可以到一分钟,也不会出现明显的拉线,而且星座的形状非常明显。由于广角镜头的拍摄范围非常广,可以把环境与星空结合拍摄,内涵更加丰富,有些大星座必须得用广角才能取全。


夜空中的仙后座 曝光时间:43秒 19广角镜头


北斗七星与属于我们的星空 曝光时间:51秒 19广角镜头

  许多的朋友总是问那些一圈一圈的星星是如何拍摄的那?其实非常简单,把你的相机镜头中心位置对准北极星,等待半个小时或一个小时后收片,你就会看见你梦想的这张照片。中间的那颗星星就是北极星,那些同心圆就是星星运行的轨迹。中间的那颗星星就是北极星。在固定摄影中,选用非常稳定的三角架,注意风的影响。


VLBI下的周日视 (高兴先生拍摄)

赤道仪:

  我们看到的星星都是从东升起、从西边落下,因为这是地球自西向东自转的结果,而并非是星星自己在转动,星星也并非是固定不变的,由于它们离地球太遥远了,相对于我们的移动非常缓慢,上万年才能观察到这种变化,所以这种位移可以忽略不计。但是我们想拍摄出更多眼睛所看不见的东西,就要使用赤道仪这个东西,理解赤道仪的原理也非常容易,前面在固定摄影中已经提到过拉线的问题,那就是地球自转的影响,长时间的曝光就要用赤道仪始终进行跟踪,才能拍摄出点状的星星,当然还有星云、星团。赤道仪由两根相互垂直的轴,赤纬轴和极轴(经纬轴),极轴平行于地球的自转,而抵消了地球的自转,如果你的跟踪一直保持与地球自转的速度,那么你所拍摄的星星就是一个个圆点。如果你看不明白,可是又很有兴趣,那你可以与网站上的会员们联系,他们会很有耐心的给你解答。

  对极轴是跟踪摄影中一项重要的事情,要经过许多的练习才能掌握规律,对极轴也就是把赤道仪的极轴对准北极星,北极星是不动的(至少在这几万年里的变化很小),对极轴时,不要把三角架放置的太高,尽量把装置降低高度,以减少不必要的振动和干扰,注意选择的场地,避免松软的土地,以及常有人走动的地方,首先调节水平,使仪器整体处于水平的位置,再调节你所在地理位置的纬度与此刻的时间,把极轴对准北极星,经过几次调整,使整个装置处在比较精确的位置,再把相机接到连接位置,并且注意所有设备的配重,是否比较平衡,不断地调节平衡锤,以达到最佳状态,最后就可以进行跟踪拍摄了。你也可以亲自与我们操作几次,你就能很快理解并独立能够完成了。当然还有其他的方法,以后会介绍。

  手动跟踪的精度不是很高,因为要一直控制着微调手轮,以保证跟踪的星星始终在望远镜的视场里,这就是导星。在手动跟踪下镜头不宜超过200MM,跟踪时间也不宜过长,否则很难保证跟踪精度,一般使用标准镜头与100-150的定焦镜头较为合适,焦距越长,跟踪要求的就越高,只有经过长时间的练习,可能才会做到。但是,手动跟踪是一个基础,你理解了手动跟踪并且经历了手动跟踪摄影,你才能在天文摄影中提高自己的水平。国内优秀的高手,也都是从手动跟踪开始,做很多事情应该重视基础学习和训练。

  一般手动跟踪5-10分钟是可以做到的,只要合理地使用镜头和仪器,也能拍摄出许多好的片子,完全强调设备也不正确,毕竟好的照片是出于人的手。


昴星团 手动跟踪 时间:390秒 标准镜头

  许多大的目标,用手动拍摄比较方便,在没有电的情况下,也可以正常工作,有时候仪器简单,反倒不会出现意想不到的情况,手动设备比较轻,携带方便,任何时候,任何地点就可以工作了,所以,备一套手动跟踪设备是非常有必要的,即使是在旅行中,说不定也能拍摄一张出乎意料的好照片。


这是老天文爱好者王传波先生用标准镜头以及手动跟踪拍摄的 1997年的海尔-波普彗星

  自动跟踪比手动跟踪的精度高,而且拍摄者能更容易应付许多事情,自动跟踪设备主要有两个步进电机(当然也有一个步进电机的赤道仪),这两个步进电机主要负责在赤经与赤纬方向的跟踪,在手动跟踪上的微调手轮则换成了线控板,操作非常方便,在线控板上有恒动、微动、慢动、快动之分,根据不同的镜头使用不同的按钮。标准镜头和广角镜头对跟踪精度的要求不是很高,对于长焦的镜头跟踪要求非常严格,质量好的赤道仪电机齿轮间隙小,并且可以负载比较重的设备,自动跟踪设备的调整极轴方法与手动一样。


这是一台带有自动跟踪的天文望远镜

  自动跟踪设备也有它的缺点,首先设备太重,携带非常不方便,安装需要很多时间,要提前做准备,其次需要用电,在没有电源的情况下,也只有傻的份了,由于受到这些条件的制约,你必须了解你拍摄的地点是否符合条件,你也可以用车里的电源,加装一个逆变器就可以了(一定记得发动着车,否则万一没电了,打不着马达,又是在野外……,不敢想象)。


赤道仪的放大图

  如果有可能可以使用天文台的望远镜也是非常美妙的,天文台的望远镜自身的重量很可观,在那里你少操许多心,冬天还可以避风、御寒,天文台的望远镜出厂时就已经调好了所在地的极轴,而且用它可以拍摄月亮和行星。

400mm口径的反射式天文望远镜
150mm口径的折射式天文望远镜

  天文摄影是一个团队合作的事情,一个人想要完成是比较困难的,默契的配合可以提高效率,而且相互照应,相互提高,可以达到事半功倍的效果。


一个团队的精神

摄影分类:

  其实,在前面已经介绍了摄影一些基本方法,但是,根据不同拍摄的对象,还是有很大的差别的,月亮在天文摄影里是最容易拍摄的,其次是行星,最难的就是深空天体了,这也是最有挑战性的拍摄。

  在月面及行星拍摄中,一般不用照相机镜头,毕竟焦比太小,倍率低,首先要选择一台天文望远镜,其物镜的口径在80mm以上,焦距在1m或更长,这样才能得到适当的放大倍率,采用直焦法和投影法,直焦法是把相机机身(去处镜头后)装在去出目镜后望远镜的末端,代替目镜直接拍摄。图月面3就是直焦法拍摄而成的,也可以加装一个增倍镜,图月面1是用加装增倍镜拍摄而成。投影法是指与望远镜的目镜相连拍摄,可以拍摄月面细部,图月面2是用投影法拍摄。在使用不同的方法时,而快门也是不一样的,放大倍率越高,光损失越多,你用的快门速度就要越慢,所以不能过分地放大。月面拍摄时,快门速度一般从1/250秒不断的试验,而且每张拍摄后,新的一张要从新对焦,因为焦距越长,对焦越困难,直焦法拍摄时,快门速度不宜低于1/8秒,否则会曝光过度,失去细节。ISO一般用100就可以了,投影法在月面拍摄时不宜超过2秒,毕竟望远镜里的月亮可是在移动的,如果有风的影响,就不要采用投影法,效果很差。尽量使用亮取景屏相机,磨砂玻璃取景屏妨碍对焦。你也可以拍摄月亮与环境,这也有一种意境。并不是天文摄影就要把一切拍得非常清楚。


梦幻的夜晚

  拍摄行星时,我们的做法与拍摄月亮是一样的,但并不因为它们离我们很远,而曝光时间就更长,有时行星会冲日,它离地球很近,虽然还是比不上月亮,但它的亮度却很高,你如果曝光时间太长就成为一个亮点,还是要控制曝光时间,不断的试验,得到一个最好的曝光时刻。而行星中我们就考虑火星、土星、和木星了,其他的不是离我们太远,我们的望远镜够不着,就是离太阳太近,被光芒所掩盖。

2003年火星大冲时的照片
土星和它美丽的光环
木星及其表面的条纹

  在照太阳时,一定切记做好保护,否则相机是小事,而你的眼睛可搞不好就玩完了,必须要在物镜前加装一块滤镜片,起到保护的作用,拍摄太阳1/500秒就可以了,你可以通过望远镜拍摄到太阳的黑子,或者是水星、金星从太阳表面的穿越,你也可以拍摄到日全食、日偏食,日环食,日饵,虽然这种机率很少,可是这种机会人的一生能有几次呢?你在用全新的方式看世界,但是这种拍摄最好有专业人员指导下进行。太阳拍摄时不一定要用赤道仪,把望远镜加到三角架上也可以。


被啃掉的太阳


水星凌日(是不是太小了)

  如果你还有浓厚的兴趣读下去,说明你已经喜欢上了天文摄影了,进入深空天体的拍摄时,告诫大家你可能会着迷,平时你所看见黑色的夜空,居然拥有许许多多美丽的色彩,记得第一次拍摄到深空的激动与欢呼,曾经看见别人的照片时的惊叹,现在却是自己做到了。


瑰丽的宇宙

  这张马头星云与火焰星云的照片是出自于普通天文摄影爱好者们之手,并非用大型天文台的大型设备拍摄而成的,深空天体指的是银河系以外的星云、星系以及星团,我们现在所看到天空中的星星是我们银河系的星星,在银河系外还有许许多多像我们这样的星系,我们现在所看见的星光是几十万、几百万甚至上千万年前的星光,在没有我们人类的时候,这些星光就开始了伟大的旅行,让我们用手中的相机留下它们的魅影,感受时间的伟大。

  深空摄影必须也用赤道仪跟踪,在焦距较长的情况下必须精确跟踪,以保证精度和控制拉线,如果曝光不够可以在后期调整,但是拉线是没有办法处理的,倍率越大,你的拍摄目标在镜头里移动的越快,同时风的干扰,人的走动都会带来极大的影响,其实只要极轴对的非常好,导星就没有必要了,只要稍做几次调整即可。只有在赤道仪质量有很好保证的情况下,才可以适当的提高焦距,否则任何不稳定的因素都会导致拍摄的失败,而跟踪精度与设备的质量是有着密切的关系。

  这类拍摄的曝光时间较长,一般在30分钟以上,这些来自宇宙的光线,我们的眼睛是看不见的,只能感觉到模模糊糊的一团,但是,底片与CCD可以敏锐的捕捉到。


焦距900,曝光时间:519秒 猎户座大星云

  在深空天体的拍摄中,我们的经验就也是不断积累和向高手们学习,可从未涉足过的朋友,一定要与有经验的爱好者组合在一起,才能了解深空拍摄的方法和技巧。在冲洗底片时可以要求迫冲直至ISO400,甚至更高,这样才可以明显显现出来,反转片的效果较好,颜色鲜艳,对色彩的敏感度较高,但是所花费的费用也很大。

  首先尝试用标准镜头拍摄深空天体,可以选择目标较大的对象,例如猎户座的M42、M43,仙女座的M31,当有一定经验时,可以不断地提高镜头,主要使用定焦镜头,从100到400,如果经济条件容许,再考虑购买600以上的镜头,当然还有高质量的赤道仪,平常去国内的一些专业网站上看看,经常有高手们在里面讨论,对你的提高是有很大的帮助。

  这所有的一切都要建立在你对星空的熟悉,不然你找不见所要拍摄的目标,特别是深空天体,要有一定观测经验的,不要退却,因为你的梦想很快会实现,笔者也只用了一年半的时间,而现在就已经入门了。


200mm镜头 曝光时间:667秒 猎户座大星云M42、M43 火焰星云与马头星云 (这张明显比上两张"小")


遥远的河外星系,那里是不是也有像我们这样的地球和人类

CCD摄影:

  这两年国内也开始了CCD天文摄影的探索,我们也才开始进行,CCD拍摄原理与数码相机相同,它是经过多次的拍摄,再利用后期软件合成以及叠加而形成图片,这种方式在国外早已经开始了,并且技术也已经很成熟,效果也非常棒,网友过马路先生就用普通的CCD拍摄出了许多好的片子,天文专用的CCD价格较高,普通的CCD,例如网络摄像头就可以,但是噪点太大,温度较低的环境下,不能正常工作,相信在近两年内,会有很多人采用CCD拍摄方法,毕竟是一种新的技术和全新的方式,没有必要去否认和怀疑。


这是利用上百张CCD捕捉的视频合成后的火星图片

后期合成及处理:

  在天文摄影中后期的合成和处理是非常重要的一个环节,利用现在的软件可以去处在拍摄中所留下的污点,以及数码相机的噪点,可以亲自调节照片的对比度、色彩等,甚至也要靠叠加,使细节更加丰富,本身天文摄影就是在不利的环境下进行工作的。辅助软件也有很多,例如Photoshop, Neat Image等等,都是后期处理的利器。不能因为使用了软件就否认照片的真实性,天文摄影也有它美学的一面,进行处理也是表现其真实性。


仙女座大星系 M31 这是由网友agong先生用数码单反相机拍摄几张再利用软件叠加而成,极为壮观

结束语

  在这里我们感谢一直抱着耐心看完这篇文章的朋友,本文所采用的图片绝大部分于是我们新疆乐天派自己拍摄的照片,我们一直执著的在追求,我们曾经在拍摄的时候,看见了许许多多大自然美丽的景象,也留下了许许多多美好的回忆,无论怎样,这篇文章是写给从未接触过天文摄影的朋友们的,天空的魅力,星空的灿烂只有你们亲自去体会,才能感受到,我们并没有想去当一名天文学家,也只是把从小的梦想延续下去,许多东西我们天天在接触着,可是大多数人们忙忙碌碌而未曾感受过,只有仰望星空时,才发现自己的渺小,宇宙之大,我们诞生在这里,就应该去了解这个神秘而又未被探索过的世界,用心灵感触,用梦想接近,其实,星空也是浪漫的。



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