2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——天體觀測設備的發(fā)展與應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述望遠鏡的集光本領及其與哪些參數有關。與折射式望遠鏡相比，反射式望遠鏡有哪些主要優(yōu)缺點？二、解釋什么是衍射極限。對于地面上某臺焦距為8米、口徑為2米的光學望遠鏡，其理論分辨極限（使用可見光波長550納米）大致是多少弧秒？如果大氣限制使得實際分辨率僅為理論值的5倍，那么實際能分辨的最小角距離是多少？三、分別說明光電倍增管（PMT）和電荷耦合器件（CCD）作為天文觀測探測器的工作原理。它們各自有哪些主要優(yōu)缺點？在哪些觀測場景下更傾向于使用CCD？四、簡述自適應光學（AdaptiveOptics,AO）技術的基本原理及其主要作用。它主要解決什么問題？目前應用中還存在哪些主要的挑戰(zhàn)？五、射電望遠鏡與光學望遠鏡在基本工作原理、接收的電磁波性質、典型應用以及對大氣的影響等方面有哪些主要區(qū)別？六、空間望遠鏡（如哈勃空間望遠鏡HST）相比于地面大型光學望遠鏡，其主要優(yōu)勢和劣勢分別是什么？舉例說明空間望遠鏡可以進行哪些地面望遠鏡難以或無法完成的觀測。七、光譜儀是天體物理研究中的關鍵設備。請簡述棱鏡式光譜儀和光柵式光譜儀的基本工作原理，并比較它們的優(yōu)缺點。八、甚長基線干涉測量（VLBI）技術能夠達到極高的角分辨率。請簡述其基本原理，并說明它相比于單臺望遠鏡在獲取空間分辨率方面的主要優(yōu)勢。VLBI主要用于哪些方面的研究？九、回顧望遠鏡發(fā)展史，列舉三個重要的里程碑事件，并簡述每次事件對天文學觀測帶來的革命性變化。十、當前建造更大口徑地面望遠鏡（如三十米級望遠鏡）面臨的主要技術挑戰(zhàn)有哪些？為了克服這些挑戰(zhàn)，天文學家們正在采取哪些應對措施？試卷答案一、集光本領是指望遠鏡匯聚光線的能力，通常用其集光面積（即主鏡或物鏡的截面積）來衡量。對于給定焦距的望遠鏡，集光本領與其口徑（直徑）的平方成正比。反射式望遠鏡的主要優(yōu)點是：沒有色差（因為使用單一反射面）；可以做得非常大（沒有材料限制）；鏡面易于修正。主要缺點是：需要精密的鏡面鍍膜；通常需要復雜的支撐結構；底部鏡面不易接近和維護。二、衍射極限描述了光學系統（如望遠鏡物鏡）受到波動性影響而無法分辨比其物理尺寸更小的物體時的理論分辨率極限。其表達式為θ≈1.22*λ/D，其中θ為角分辨率（弧度），λ為波長，D為望遠鏡口徑。代入數據：θ≈1.22*550e-9m/2m≈3.35e-7弧度。轉換為弧秒：θ≈3.35e-7rad*(180/π)*(3600/s)≈0.66弧秒。實際分辨率是理論值的5倍，因此實際最小角距離約為0.66弧秒*5=3.3弧秒。三、光電倍增管（PMT）的工作原理是外光電效應：光子照射到光電陰極上使其發(fā)射電子，這些電子被電場加速并撞擊后續(xù)的倍增極，引發(fā)級聯電子倍增，最終在陽極產生可測量的電流信號。CCD的工作原理是基于內光電效應：光子照射到半導體感光元件（像素）上產生電子-空穴對，在電場作用下，電荷被收集并在像素節(jié)點間轉移，最終形成電荷包，通過讀出電路轉換為數字信號。PMT優(yōu)點是探測效率高（尤其對紫外和X射線）、響應速度快、動態(tài)范圍大；缺點是相對笨重、易碎、需要高壓供電、成本較高、噪聲可能較大。CCD優(yōu)點是堅固、體積小、功耗低、可集成化、噪聲性能好、數字化輸出便于處理；缺點是探測紫外效率低、響應速度相對較慢、存在暗電流和讀出噪聲。PMT更適用于需要高靈敏度、快速響應或探測紫外/X射線的場合，如光polarization測量、閃爍星觀測、某些光譜接收端等。CCD是目前絕大多數天文成像和光譜觀測的主流探測器。四、自適應光學（AO）的基本原理是實時測量大氣湍流造成的波前畸變，并利用快速變形鏡（DeformableMirror,DM）產生一個補償波前，與畸變波前相減，從而恢復成像質量。它主要解決大氣湍流導致的地面望遠鏡成像模糊（視寧度效應）的問題，顯著提高圖像的分辨率，接近衍射極限。主要挑戰(zhàn)包括：大氣層不穩(wěn)定性（導致補償延遲）、需要極高帶寬和精度的控制系統、對場地條件要求苛刻、成本高昂、系統復雜、效率受限于大氣視寧度等。五、射電望遠鏡與光學望遠鏡的主要區(qū)別在于：工作原理——射電望遠鏡接收天體發(fā)出的無線電波（電磁波），通常通過天線陣列或單天線聚焦；光學望遠鏡接收可見光。接收電磁波性質——射電望遠鏡接收波長從毫米級到米級的長波，穿透力強，可全天候觀測；光學望遠鏡接收可見光，易受大氣和光污染影響。典型應用——射電望遠鏡用于研究宇宙微波背景輻射、射電星、脈沖星、星系核、分子云等；光學望遠鏡用于觀測恒星、行星、星系、星云、光譜等。大氣影響——射電望遠鏡對大部分頻率的無線電波透明（除射電干擾）；光學望遠鏡受大氣湍流（視寧度）、大氣吸收、水汽等顯著影響。六、空間望遠鏡的主要優(yōu)勢是：完全擺脫大氣層的限制，可以進行無干擾的、高分辨率的光學、紫外和近紅外觀測；沒有大氣散射和吸收的影響，背景極其暗弱，適合觀測暗弱天體和進行微弱信號探測；可以觀測任何天區(qū)（無需考慮日落、月食）；可以觀測被地球大氣吸收的特定波段（如紅外、部分紫外）。主要劣勢是：成本極高；發(fā)射和運行維護費用巨大；觀測對象受限于航天器視野；數據傳輸和存儲受限；無法進行空間維度的實時測量（如快速變化的天體）；故障后維修困難甚至不可能?？臻g望遠鏡可以進行高分辨率成像（如哈勃深場）、光譜分光（對暗天體）、進行空間天體測量、觀測大氣窗口外的電磁波段等。七、棱鏡式光譜儀的工作原理是基于不同波長的光在棱鏡介質中具有不同的折射率（色散效應），通過棱鏡將入射光束按波長色散成光譜，不同顏色的光被折射到不同的方向。光柵式光譜儀的工作原理是基于光柵衍射效應，當光線照射到具有大量平行刻槽的衍射光柵上時，不同波長的光會以不同的角度衍射，從而實現色散。棱鏡光譜儀優(yōu)點是色散率隨波長變化較?。ㄏ鄬鶆颍?，對光譜線形狀影響較??；缺點是材料色散，導致不同波段通量不均，且對短波端限制較嚴，體積通常較大。光柵光譜儀優(yōu)點是色散率高，可覆蓋寬波段，不同波段通量相對均勻，易于制造大視場和寬波段光譜儀，且可做得更輕便；缺點是刻槽質量影響性能，可能存在鬼線，色散率隨波長變化較大。八、甚長基線干涉測量（VLBI）的基本原理是將分布在不同地理位置的兩臺或多臺射電望遠鏡的信號進行精確的相干疊加（干涉），通過測量干涉條紋的相位差隨時間的變化來模擬一個等效的、基線長度等于兩望遠鏡之間距離的巨大望遠鏡。其相比于單臺望遠鏡在獲取空間分辨率方面的主要優(yōu)勢是：分辨率與基線長度成正比，基線越長，分辨率越高，可以達到毫角秒甚至微角秒量級。VLBI主要用于對射電脈沖星進行高精度測距和地球自轉參數測量、進行高分辨率天體物理成像（如活動星系核、星系核、類星體等）、研究宇宙的噴流現象、進行甚長基線干涉測量天體測量（VLBIAstrometry）等。九、望遠鏡發(fā)展的三個重要里程碑事件及其革命性變化：1.1608年，荷蘭人漢斯·李波爾希發(fā)明了第一臺折射式望遠鏡，用于軍事觀測，開啟了人類用儀器擴展視覺能力的時代，使人類首次看到了月球表面細節(jié)和木星的衛(wèi)星，極大地擴展了人類的活動空間。2.1668年，英國人伊薩克·牛頓發(fā)明了第一臺反射式望遠鏡，利用鏡面聚焦光線，克服了折射望遠鏡口徑的限制，并為建造更大望遠鏡奠定了基礎，推動了光學理論和技術的發(fā)展。3.20世紀中葉，射電望遠鏡的發(fā)明和發(fā)展，使人類能夠“聽”到來自宇宙的聲音，探測到宇宙微波背景輻射、射電星、脈沖星等新天體，揭示了宇宙中電磁波的新窗口，并將天文學帶入了多波段觀測的時代。十、當前建造更大口徑地面望遠鏡（如三十米級望遠鏡）面臨的主要技術挑戰(zhàn)包括：①大氣影響：如何有效克服大氣湍流造成的視寧度模糊，實現接近衍射極限的高分辨率成像（需要更先進的自適應光學系統）；②鏡面制造與檢測：如何制造出直徑數十米、面形精度達到納米級的反射鏡面，并精確檢測其形貌；③鏡面支撐與變形：如何設計支撐結構使大口徑鏡面在重力下保持穩(wěn)定，并能快速響應AO系統進行形變補償；④光學設計：如何優(yōu)化光學系統，處理巨大通量帶來的光暈、散射等問題，實現高對比度成像；⑤場地選址：需要尋找大氣穩(wěn)定、干燥、Seeing好、遠離光污染和射電干擾的理想地點；⑥成本與集成：項目成本極其高昂，涉及眾多復雜子系統的集成與協