摘要
望远镜是天文学家用来发现宇宙的基本仪器。随着过去20年的技术进步,现在有可能创建机器人望远镜网络。这些机器人望远镜正开始给科学研究带来革命性的变化,也使学生和教师能够以前所未有的方式接触到它们。
望远镜简史
在中世纪,如果你抬头仰望夜空,你看到的景象会与今天的天空大不相同。部分原因是,除了最偏远的地方,现在的天空因为路灯和其他户外照明而变得更加明亮。这也是因为我们现代对宇宙的理解与古代对宇宙的看法完全不同。
对古人来说,星星是固定的光点,只是被在夜空中缓慢蜿蜒的行星所打断。偶尔会有流星的闪光,一种短命的流星。在天空中可以看到彗星是非常罕见的,而更罕见的是一颗彗星超新星爆炸会突然在天空中明亮地燃烧,持续几个月或几年。
400年前发生了一场革命,西欧开始以一种非常不同的方式思考艺术和科学,类似于古希腊人的思维方式。这一时期被称为文艺复兴时期。在文艺复兴时期,17世纪早期,天文望远镜几乎同时由托马斯·哈里奥特和伽利略·伽利莱“发明”(望远镜是由汉斯·利帕希发明的,但哈里奥特和伽利略是第一个将其用于天文学的人)。
科学永远地改变了。伽利略观测了木星,发现它的卫星围绕着木星本身运行,而不是太阳或地球。他着迷于木星和它的卫星,并开始相信太阳系是类似的,太阳,而不是地球,是它的中心。伽利略因为断言这一点而惹了很多麻烦。这样的观点违背了教会的官方教义,所以这可能是伽利略陷入麻烦的原因,但也可能是因为他在表达自己的观点时有点过于强硬,因此树敌很多。不管怎样,伽利略发现自己被软禁了。
艾萨克·牛顿,以他的万有引力理论和运动定律而闻名,也是透镜和镜子理论和使用的先驱。牛顿发明了一种使用镜面而不是透镜的望远镜,这成为现代光学天文学的基础。有镜子的望远镜可以做得比使用透镜的望远镜大得多,而且镜子也使它们比折射望远镜或基于透镜的望远镜短。
渐渐地,随着人们在夜空中使用更多更好的望远镜,我们对宇宙的了解也在不断扩大。到了一定程度,望远镜不再受到技术的限制,而是受到位置的限制。伽利略、哈里奥特和牛顿的早期望远镜是对肉眼的巨大改进观察但随着技术的发展,望远镜的建造过程得以微调,另一个问题浮出水面。
远程望远镜
地球的大气层对人类的生存至关重要,因为它让我们得以呼吸,抵御太空的寒冷,保护我们免受太阳的有害辐射,以及宇宙射线、小流星和来自太空的其他危险。然而,大气层给天文学家带来了许多问题,因为它会导致星光闪烁。这与热雾霾的影响非常相似,它来自于大气中不断变化的温度和密度。
最大限度地减少大气对望远镜观测的影响,对观测的质量有很大的不同。天文学是一门独特的科学,因为它几乎完全是被动的。人类主要坐在地球上收集光线,因为这几乎是我们了解宇宙的唯一途径。要成为一名天文学家,你必须足智多谋,从太空中的每一个光粒子中提取出每一点数据。直到最近,我们才能够进入太空旅行,与我们用望远镜观测到的物体的距离相比,我们旅行的距离是微乎其微的。我们仍然有很长的路要走,才能访问其他恒星和星系,以发现更多关于它们是如何形成的,或者从近距离测量黑洞。
为了尽量减少来自大气的干扰,并从有限的光线中获取尽可能多的信息,我们需要把望远镜放在陌生的、奇异的地方,比如山顶,甚至是休眠火山的顶峰。这些偏远的位置使闪烁的效果最小化,因为这些地方的大气更稀薄。如果仔细选择一个位置,我们还可以消除室外灯光的眩光,这些光线反射到大气中,给天空带来人工亮度。空气质量对于良好的观测很重要,因为空气中的任何颗粒都会反射光线,并使天空发光。最后,天气对观测质量有重大影响。理想情况下,天文台应该建在尽可能高的云层之上。
考虑到所有这些因素,最好把天文台在一个偏远的地方,远离城市和建成区,海拔几公里(见图1).
一旦望远镜被放置在一个非常高质量的位置,挑战就变成了有效地使用这台仪器进行科学调查。与你可能在家里购买的望远镜不同,很少有天文台在望远镜上安装目镜,更少的专业天文学家通过目镜来记录测量结果。相反,许多观测可见光的望远镜使用电荷耦合器件(ccd)捕捉光线。ccd是所有数码相机中用来检测光粒子的设备。将高质量的数码相机安装到望远镜上,天文学家就有了一种可靠的方法,可以精确测量从天文光源发出的光的量。通过在这些相机上使用彩色滤镜,天文学家可以测量每个天文目标在不同颜色下的样子。结合天体物理学的知识,天文学家可以拼凑出物体是什么,以及在物体的整个生命周期中发生了什么过程。
机器人的望远镜
如果你只有一台望远镜,你就得听天由命了。许多天文台仍然需要天文学家在现场操作,如果天气不好,这可能会非常令人沮丧。
通过精心设计的系统来监测天气,天空状况,望远镜状态,望远镜遥测,控制天文台的所有机械和电气方面,并将天文台连接到互联网,大多数天文台可由机器人遥控操作。这些天文台仍然需要一个人远程控制其操作的各个方面,例如,打开天文台穹顶,移动望远镜,启动相机曝光。然而,关键是这个人可能在世界上任何地方控制着望远镜。1]。
自动化机器人观测
一旦建立了一个远程操作的天文台,那么真正具有挑战性的部分是去掉望远镜操作员,使天文台能够自己“思考”,在有限的方式。这需要复杂的计算机程序,可以根据预先安排的队列来决定天空条件是否良好,以及观察什么。还必须制定备用计划,以防出现问题。如果望远镜卡住了回转(移动到位),天文台的数字大脑必须识别这些迹象,并提醒一个人,这样望远镜就不会损坏,而且可以修复。
使一个天文台远程操作需要大量的努力和成本,但它可以使一个普通的天文台和一个世界级的,高效的天文台之间的区别。
理想情况下,天文台的数字大脑还应该接收来自世界各地天文学家的所有观测请求,并将它们纳入一个有效的日程安排,以减少间隔。这将使更多的人能够观测到更多的天体,大大提高天文台的工作效率。如果天文台有一个在线数据存储库,天文学家可以在几分钟内观测并分析数据[2]。
智能机器人望远镜网络
在恶劣天气或维修时间延长的情况下,只有一台望远镜仍然是一个问题。答案很简单:建造更多的望远镜,并在不同的地点建造。在北半球和南半球都有望远镜,并将它们均匀地分布在地球上,可以观测到整个天空。而且,更好的是,添加互联网连接和一些特殊软件可以创建一个比各部分加起来更强大的望远镜网络。这样的观测站变得全球化,它的数字大脑有更多的资源可以利用。由机器人望远镜组成的网络几乎可以保证,地球上一定会有适合观测重要天文现象的地方。
观察变化的宇宙
许多现代天文学研究都致力于研究以分钟或天为单位的时间尺度变化的事物,而不是千年。大质量恒星的爆炸、经过地球附近的小行星以及太阳系外的新行星都是需要迅速调查的事件。如果这些类型的事件在发现后没有被深入研究,可能就不会再有下一次机会了,并且可能会失去更多了解它们的机会图2).
这些有趣的现象大多是由定期观测整个天空的巨型望远镜发现的。鉴于它们的工作是不断地扫描整个天空,当这些望远镜发现新东西时,它们没有时间仔细观察。这就是机器人望远镜可以发挥独特作用的地方。机器人望远镜一旦发现新发现,就会立即开始观测。快速测量对于理解这些令人兴奋的事件背后的科学通常是至关重要的。这些观测和测量帮助天文学家以一种前所未有的方式了解宇宙。
教育
机器人望远镜在教育中也有独特的作用。学生和老师现在可以使用一些世界上技术最先进和高质量的专业天文台进行自己的调查。有了这些在线机器人天文台,学校的学生可以在不离开教室的情况下进行发现并发表他们的研究成果。
望远镜的能力在不断发展,而且只会随着时间的推移而变得更好。四百年前,伽利略用一只小狗大小的望远镜彻底改变了我们观察宇宙的方式。今天,使用机器人望远镜,专业和业余天文学家,学生和他们的老师都可以通过他们自己的重要发现来改变我们观察宇宙的方式。
作者的贡献
作者确认为本著作的唯一贡献者,并已批准出版。
术语表
超新星:↑大质量恒星在生命结束时的爆炸。
观察:↑将望远镜移动到天空的某一部分,然后拍照的工作。
天文台:↑放置望远镜的建筑物。
电荷耦合器件:↑ccd用于数码相机中,用来记录光线并将其转换成数字图像。
遥测:↑信息从像望远镜这样的传感设备发送到(通常是很远的)控制中心。在机器人望远镜的情况下,这可以是关于望远镜位置的信息或来自天气传感器的测量结果。
杀了:↑望远镜移动到观测目标位置时的运动。
利益冲突声明
作者声明,这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
进一步的阅读
[1]↑天网。网上订购地址:https://skynet.unc.edu/
[2]↑Las Cumbres天文台。网上订购地址:https://lco.global