2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述開普勒望遠(yuǎn)鏡和伽利略望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并指出它們各自的主要優(yōu)缺點(diǎn)。二、牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡是如何克服早期折射望遠(yuǎn)鏡存在的主要問題的？請(qǐng)闡述其基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。三、什么是望遠(yuǎn)鏡的分辨率？簡(jiǎn)述影響望遠(yuǎn)鏡分辨率的物理因素。為什么大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在地面觀測(cè)時(shí)受到大氣湍流的影響，而射電望遠(yuǎn)鏡受影響較?。克?、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠顯著提高地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的性能。請(qǐng)解釋自適應(yīng)光學(xué)的基本工作流程，并說明它主要解決了什么問題？五、大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列（如VLBA）是如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡分辨率的？請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本原理。六、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的成功運(yùn)行對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。請(qǐng)列舉哈勃空間望遠(yuǎn)鏡相較于地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)勢(shì)，并說明這些優(yōu)勢(shì)是如何體現(xiàn)的。七、詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）在設(shè)計(jì)和功能上與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡有何顯著不同？這些不同之處主要針對(duì)哪些波段的觀測(cè)，并為什么？八、列舉四種不同類型的天文望遠(yuǎn)鏡（至少涵蓋兩種不同波段的觀測(cè)），并分別說明其主要觀測(cè)的電磁波譜區(qū)域。九、望遠(yuǎn)鏡口徑的增大對(duì)于天文觀測(cè)具有極其重要的意義。請(qǐng)從提高分辨率和集光能力兩個(gè)方面，分別論述增大望遠(yuǎn)鏡口徑帶來的優(yōu)勢(shì)。十、天文學(xué)的發(fā)展史在某種程度上就是望遠(yuǎn)鏡技術(shù)不斷進(jìn)步的歷史。請(qǐng)選擇一個(gè)具體的、由望遠(yuǎn)鏡技術(shù)進(jìn)步所驅(qū)動(dòng)的重大天文發(fā)現(xiàn)或理論突破（例如宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)、暗物質(zhì)的存在證據(jù)等），簡(jiǎn)述其背景、相關(guān)的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)進(jìn)步以及該發(fā)現(xiàn)或突破的意義。十一、當(dāng)前天文觀測(cè)面臨許多挑戰(zhàn)，例如暗能量的本質(zhì)、系外行星的詳細(xì)characterization等。請(qǐng)結(jié)合當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的主要特點(diǎn)，探討未來望遠(yuǎn)鏡技術(shù)（或概念）需要朝著哪些方向發(fā)展才能更好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)？試卷答案一、答案：開普勒望遠(yuǎn)鏡使用凸透鏡作為物鏡，凹透鏡作為目鏡，成正立、放大的虛像，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但像差較大，且視野較小，通常用于觀測(cè)行星和月亮。伽利略望遠(yuǎn)鏡使用凸透鏡作為物鏡，凹透鏡作為目鏡，成倒立、放大的實(shí)像，需要倒像觀測(cè)，但可以產(chǎn)生較大的視場(chǎng)，更便于觀測(cè)。主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：開普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成像清晰（相對(duì)當(dāng)時(shí)技術(shù)）、視野適中，但放大倍數(shù)有限且像正立；伽利略望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)大、視場(chǎng)較寬，但成倒立像、物鏡易變形、像差較大。解析思路：考察對(duì)兩種早期望遠(yuǎn)鏡基本結(jié)構(gòu)的掌握。需明確各自由哪些透鏡組成，以及它們形成的像的性質(zhì)（倒立/正立、放大/縮小、實(shí)像/虛像）。同時(shí)，要能比較它們各自的優(yōu)勢(shì)（如開普勒的清晰度、伽利略的放大倍數(shù)）和劣勢(shì)（如開普勒的正立像和有限放大倍數(shù)、伽利略的倒立像和像差）。二、答案：早期折射望遠(yuǎn)鏡的主要問題是色差，即不同顏色的光通過透鏡折射后聚焦在不同的點(diǎn)，導(dǎo)致圖像模糊。牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡使用主反射鏡（凹面鏡）將光線反射聚焦，副反射鏡將焦點(diǎn)移到可放置探測(cè)器或目鏡的位置。這樣，光線不經(jīng)過透鏡，從根本上避免了色差問題。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括使用球面或非球面反射鏡、通常需要配合次級(jí)反射鏡改變光路以方便觀測(cè)。解析思路：考察牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡的核心優(yōu)勢(shì)及其原理。關(guān)鍵在于理解折射望遠(yuǎn)鏡的“色差”問題根源（不同色光折射率不同），并掌握牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡如何通過“反射”而非“折射”來解決這個(gè)問題。同時(shí)，要能描述其基本結(jié)構(gòu)組成（主鏡、次鏡）。三、答案：分辨率是指望遠(yuǎn)鏡區(qū)分開兩個(gè)靠近光源的能力，通常用角分辨率表示，其極限由衍射理論決定，與望遠(yuǎn)鏡的孔徑（直徑）成反比（Δθ∝1/D）。影響分辨率的物理因素主要是望遠(yuǎn)鏡的孔徑大小和觀測(cè)光的波長(zhǎng)（λ），分辨率極限公式為Δθ≈1.22λ/D。地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡受大氣湍流（大氣視寧度效應(yīng)）影響，導(dǎo)致圖像模糊抖動(dòng)，有效分辨率遠(yuǎn)低于理論衍射極限。射電望遠(yuǎn)鏡工作在更長(zhǎng)波長(zhǎng)（厘米/米級(jí)）范圍，而大氣對(duì)射電波的影響遠(yuǎn)小于對(duì)可見光的影響，且射電望遠(yuǎn)鏡常采用相干合成技術(shù)進(jìn)一步增大等效孔徑，因此受大氣影響相對(duì)較小，更容易接近衍射極限分辨率。解析思路：考察對(duì)分辨率基本概念和影響因素的理解。首先要定義分辨率。然后要能列出影響極限分辨率的主要因素（孔徑D、波長(zhǎng)λ），并給出相關(guān)的衍射極限公式。最后要解釋地面觀測(cè)特有的限制（大氣視寧度）及其對(duì)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分辨率的影響，并比較射電望遠(yuǎn)鏡受大氣影響小的原因（波長(zhǎng)長(zhǎng)、大氣影響小、合成孔徑技術(shù)）。四、答案：自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的基本工作流程是：首先，使用一個(gè)快速響應(yīng)的變形鏡來修正光學(xué)系統(tǒng)。其次，通過一個(gè)波前傳感器（如激光星調(diào)器產(chǎn)生的點(diǎn)光源）實(shí)時(shí)測(cè)量穿過大氣湍流后的波前畸變。然后，計(jì)算校正量，并將該信息反饋給變形鏡驅(qū)動(dòng)器。最后，變形鏡迅速改變其表面形狀，補(bǔ)償大氣引起的波前畸變，從而在探測(cè)器端得到一個(gè)相對(duì)清晰的圖像。它主要解決了地面大氣湍流造成的成像模糊（視寧度效應(yīng)），顯著提高了地面望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，使其接近衍射極限。解析思路：考察對(duì)自適應(yīng)光學(xué)工作原理的掌握。需要理解其核心目標(biāo)是“補(bǔ)償大氣畸變”。流程上要能說出涉及的關(guān)鍵部件及其作用：波前傳感器（測(cè)量畸變）、變形鏡（執(zhí)行校正）、波前控制器/計(jì)算單元（計(jì)算校正量并驅(qū)動(dòng)變形鏡）。最后要明確其解決的核心問題和達(dá)到的效果（克服大氣影響，提高分辨率）。五、答案：大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列（如VLBA）通過空間干涉測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的分辨率。其基本原理是將多臺(tái)相距遙遠(yuǎn)（通常數(shù)百至數(shù)千公里）的射電望遠(yuǎn)鏡作為一個(gè)巨大的虛擬望遠(yuǎn)鏡來使用。通過同時(shí)接收來自同一遙遠(yuǎn)射電源的信號(hào)，并將這些信號(hào)進(jìn)行相干疊加（干涉）。如果兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間的基線（距離）足夠長(zhǎng)，那么對(duì)于來自射電源的光波而言，這兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡相對(duì)于光源的角度張角就非常小，其產(chǎn)生的干涉條紋對(duì)應(yīng)的角度分辨率就極高。等效孔徑的大小與望遠(yuǎn)鏡數(shù)量和望遠(yuǎn)鏡間的最大基線長(zhǎng)度有關(guān)。解析思路：考察對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡陣列（干涉測(cè)量）原理的理解。關(guān)鍵在于掌握“干涉測(cè)量”的基本思想：將多個(gè)單元的信號(hào)疊加，利用相干性來探測(cè)空間結(jié)構(gòu)。要能解釋為什么需要“遠(yuǎn)距離基線”來實(shí)現(xiàn)高分辨率（基線越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)角度分辨率越低）。并理解其等效孔徑的概念。六、答案：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡相較于地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)勢(shì)包括：1）完全避開地球大氣層，沒有大氣散射、吸收和視寧度模糊，觀測(cè)信噪比高，圖像清晰度極高；2）可以在任意時(shí)間、不受天氣影響進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間連續(xù)且可精確控制；3）可以觀測(cè)到地面上被大氣吸收的紫外和部分紅外波段。這些優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在它能夠獲得極高分辨率的深空?qǐng)D像（如哈勃深場(chǎng)）、精確測(cè)量天體距離（如哈勃常數(shù)）、發(fā)現(xiàn)大量系外行星、探測(cè)早期宇宙等，極大地推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。解析思路：考察對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡相對(duì)于地面望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢(shì)的理解。需要明確大氣對(duì)觀測(cè)的主要負(fù)面影響（散射、視寧度、吸收），并指出哈勃如何克服這些限制（在空間）。然后列舉這些優(yōu)勢(shì)帶來的具體好處，并可以聯(lián)系一些著名的科學(xué)發(fā)現(xiàn)來說明其重要性。七、答案：JWST與哈勃的主要不同在于：1）觀測(cè)波段：JWST是紅外望遠(yuǎn)鏡，主要觀測(cè)中紅外和遠(yuǎn)紅外波段，而哈勃是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，主要觀測(cè)可見光和近紫外波段。2）光學(xué)系統(tǒng)：JWST采用卡塞格林式多鏡面系統(tǒng)，主鏡是巨大的18塊蜂窩狀鏡片拼接而成，且采用了主動(dòng)光學(xué)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)來校正像差。3）探測(cè)器：JWST使用基于鍺和硫化鎘等材料的新型探測(cè)器，對(duì)紅外輻射極其敏感，且像素更大、信噪比更高。4）軌道位置：JWST位于拉格朗日L2點(diǎn)，遠(yuǎn)離地球熱源和光污染，溫度極低，有利于紅外觀測(cè)。這些不同使其能夠觀測(cè)到宇宙早期形成的致密、冷源（如原恒星、星系形成區(qū)、早期行星系統(tǒng)），探測(cè)被星際塵埃遮擋的天體，以及研究暗物質(zhì)和暗能量相關(guān)的宇宙學(xué)問題。解析思路：考察對(duì)JWST與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡差異的掌握。需要從觀測(cè)波段、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探測(cè)器類型和軌道位置這幾個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行比較。并理解這些差異為何存在（如紅外需低溫和特殊探測(cè)器，L2點(diǎn)優(yōu)勢(shì)），以及它們分別如何服務(wù)于不同的科學(xué)目標(biāo)（紅外天文學(xué)）。八、答案：1）光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（如哈勃、望遠(yuǎn)鏡陣列）：主要觀測(cè)可見光波段（約400-700納米）。2）射電望遠(yuǎn)鏡（如VLA、APEX）：主要觀測(cè)無線電波波段（頻率范圍從幾MHz到幾百GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)從米到厘米級(jí)）。3）紅外望遠(yuǎn)鏡（如JWST、斯皮策）：主要觀測(cè)紅外波段（波長(zhǎng)從幾微米到毫米級(jí)）。4）紫外望遠(yuǎn)鏡（如HST的WFC3/UVIS，CHIRP）：主要觀測(cè)紫外波段（約10-400納米）。5）X射線望遠(yuǎn)鏡（如Chandra、NuSTAR）：主要觀測(cè)X射線波段（波長(zhǎng)約0.01-10納米）。（選擇其中四種即可，需說明波段范圍或名稱）解析思路：考察對(duì)不同類型望遠(yuǎn)鏡及其主要觀測(cè)波段范圍的掌握。要求學(xué)生能列舉至少四種不同類型的望遠(yuǎn)鏡，并準(zhǔn)確說出它們各自的核心觀測(cè)區(qū)域。可以按電磁波譜的順序或按波段范圍來組織回答。九、答案：增大望遠(yuǎn)鏡口徑帶來的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）提高分辨率：根據(jù)衍射極限公式，望遠(yuǎn)鏡的角分辨率與其孔徑D成反比。增大口徑D，可以顯著提高望遠(yuǎn)鏡分辨細(xì)節(jié)的能力，能夠分辨更靠近的兩個(gè)天體，觀測(cè)到更精細(xì)的天體結(jié)構(gòu)。2）提高集光能力：望遠(yuǎn)鏡的集光能力（即收集光線的能力）與其孔徑的平方（D2）成正比。增大口徑，可以收集更多的光線，使得觀測(cè)到來自暗弱天體的光信號(hào)更強(qiáng)，從而提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，能夠探測(cè)到更遙遠(yuǎn)、更暗的天體。這兩點(diǎn)使得更大口徑的望遠(yuǎn)鏡在探測(cè)宇宙奧秘方面具有決定性的優(yōu)勢(shì)。解析思路：考察對(duì)望遠(yuǎn)鏡口徑重要性的深入理解。需要分別闡述口徑對(duì)“分辨率”和“集光能力/靈敏度”的影響，并給出相應(yīng)的物理依據(jù)或公式（如Δθ∝1/D，集光本領(lǐng)∝D2）。要清晰地區(qū)分這兩個(gè)概念及其物理意義。十、答案：選擇案例：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)（宇宙膨脹的視差測(cè)量和宇宙距離尺的建立）。背景：20世紀(jì)初，勒梅特定律指出宇宙在膨脹，但缺乏精確測(cè)量遙遠(yuǎn)星系距離的手段來驗(yàn)證哈勃常數(shù)。技術(shù)進(jìn)步：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡克服了地面觀測(cè)的大氣限制，能夠進(jìn)行極高精度的視差測(cè)量（利用干涉測(cè)量技術(shù)或高分辨率成像比較近星團(tuán)內(nèi)恒星相對(duì)于遠(yuǎn)背景星的視位置變化）。意義：哈勃通過精確測(cè)量大量星系的視差，成功繪制了宇宙距離尺，并直接測(cè)定了哈勃常數(shù)，為宇宙學(xué)提供了關(guān)鍵的觀測(cè)證據(jù)，鞏固了大爆炸理論，并成為衡量宇宙年齡和演化的基本標(biāo)尺。解析思路：考察將望遠(yuǎn)鏡技術(shù)進(jìn)步與重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)聯(lián)系起來的能力。需要選擇一個(gè)合適的案例（如哈勃望遠(yuǎn)鏡的宇宙學(xué)貢獻(xiàn)是經(jīng)典且緊密相關(guān)的）?；卮饝?yīng)包含：1）選擇案例的背景（科學(xué)問題）；2）該案例中望遠(yuǎn)鏡技術(shù)起到了什么關(guān)鍵作用（如何幫助解決科學(xué)問題）；3）該發(fā)現(xiàn)或理論突破的重大意義。邏輯要清晰，論證要充分。十一、答案：面對(duì)暗能量、系外行星characterization等挑戰(zhàn)，未來望遠(yuǎn)鏡技術(shù)可能需要朝以下方向發(fā)展：1）實(shí)現(xiàn)前所未有的高角分辨率：通過更先進(jìn)的自適應(yīng)光學(xué)、空間望遠(yuǎn)鏡或甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，突破衍射極限和大氣限制，以分辨系外行星的光譜、盤結(jié)構(gòu)，或探測(cè)暗能量的直接信號(hào)（如通過引力波或宇宙微波背景輻射的精細(xì)結(jié)構(gòu)）。2）極大地提高探測(cè)靈敏度和深度：開發(fā)更靈敏的探測(cè)器，建造更大孔徑的望遠(yuǎn)鏡（地面的E-ELT/TMT，空間的下一代空間望遠(yuǎn)鏡），以觀測(cè)更暗弱、更遙遠(yuǎn)的宇宙，尋找暗能量線索或觀測(cè)早期宇宙的信號(hào)。3）實(shí)現(xiàn)全波段、多信使的天文觀測(cè)：發(fā)展能夠同時(shí)或快速切換觀測(cè)不同波段（從射電到X射線