目視觀測入門 首頁篇 夜空的密秘 2-6
我們的夜空夏末秋初,正是觀看夜空星星的好季節.不論小貓們是在觀測或是欣賞星光的當下,會不會總是會有一些疑問? 雖然有些是天馬行空,但總有一種聲音會問,夜空是透明的嗎?到底夜空對於星星的觀測有何多大的影響?為何天文台都要蓋在高山上是距離星星比較近嗎??
初步瞭解這神秘的夜空...我們看這夜空其實是充滿著空氣! 同時空氣是不論何時都是在流動的.雖然它看不到也摸不到...
空氣之所以會流動,是因為夜空中的空氣溫度和密度所致.這些因素加上地球的自轉,變成在不同的空氣高度有不同的運動表現. 在天文觀測上,會影響到夜空星星的部份,影響最嚴重的是距離地面0-100公里這一段流動的空氣層. 其中我們業餘天文觀測小貓最關心的是最接近地面部份,也是所謂
對流層.因為它最接近我們,同時這一層的
空氣密度和氣壓最大最高! 比對流層還高的是平流層,這一層業餘觀測上就較不重視.因為它的對流最為穩定.
至於更高的空氣層是太空望遠鏡的地盤,這高度多在300公里以上的軌道運行! 那邊的環境基本上是可將空氣層的干擾作省略不計的.
職業天文觀測貓們所看到的夜空(大氣吸收的現象)
老貓要說的是,業餘天文觀測小貓或貓們,比較重視的是夜空中的大氣擾動和透明度(這兩部份下節會再雜唸一下),但職業天文觀測貓們,除了這兩個因素外,另一個因素則是天晴率是否理想和夜空對於電磁波中的吸收. 他們關心的是夜空中水氣的情況?,對於專業天文觀測.是應用到各波長(紅外線到毫米波的透明度)頻段,而這些頻段對太空的窗口品質是否透明的影響.
職業的天文觀測貓們,對於夜空中大氣吸收來自星光的幅射和水氣程度吸收各有其不同影響. 這是因為,大氣分子會吸收這些星光的幅射,主要來自電離層的空氣分子因電離子化中,所產生整體夜空大氣對來自星星的電磁波幅射所造成的衰減! 這些衰減就造成觀測遙遠恆星時,其各頻段的觀測值就有或大或小的影響.
例如,地面職業天文觀測貓們正在觀測某顆恆星的光譜,此時夜空對於吸收了這顆恆星的光譜有不同程度的影響.此時,這些職業貓們或許需要一個客觀的大氣對於這些幅射吸收的一個參考全譜帶圖或某段譜帶圖作為修正和比對觀測目標光譜.
另一個是夜空中,散佈的水氣對於紅外線(近紅外線)的吸收,這部份是影響到紅外線到毫米波長的觀測品質.所以這些職業觀測貓們在觀測時,所考慮到的因素就粉多了,例如在選定天文台設立地點時.當地除了晴天率外,夜空大氣中的水氣分佈密度及穩定是否,就是非常重要的參考.當然大氣擾動和相對的透明度(各波長的極限星等)建立數據模式也是相等重要.
業餘天文觀測貓們所看到的夜空(大氣擾動現象)
我們業餘小貓們所看到的大氣觀測品質要求,除了空氣污染和光害外(當然職業貓們也重視),主要來自兩個現象參考...一是大氣擾動(seeing condition),另一個是透明度(transparency)...
粉可惜的是,這兩者是互相對立的.也就是大氣擾動小,透明度就較差.反之則相反.粉簡單地說,在颱風來之前,或是冬天東北季風吹起時,夜空的星星總是特別亮!或是特別清楚!這時小貓們會粉興奮! 認為此時是看星星的好時機!! 但經過望遠鏡一看木星,哇....好亮!! 但為何整個木星是一顆水煮蛋!? 木星邊緣的周圍像水沸騰一樣,木星連主要的輪帶都看不清楚!? 如果小貓們拿的是開放式的牛頓反射望遠鏡,那整個木星和水滾蛋一模一樣....再看看別人家小貓們的折射望遠鏡,疑!?木星穩定多了,也清楚多了ㄝ...(特別是比較人家的APO超低色散折射鏡時....)
小貓們此時面對晴朗的星空,再看看望遠鏡內的木星,失望之餘...會產生我的望遠鏡怎那模"爛"?! 好不容易抱到室外,架好它已是滿身大汗(夏天),卻是失望連連.... 老貓在此要說的是,反射牛頓鏡的大氣擾動會比折射鏡嚴重許多,因為牛頓鏡的擾動來自兩大部份...一是大氣的擾動,二是反射鏡內的擾動！老貓說過,只要有空氣,有溫度...就會產生流動...特別是開放式的牛頓鏡.它是鏡筒內的熱空氣流和鏡筒外的冷空氣產生對流...這樣的對流就已經會粉嚴重地影響到影像的解析品質.
所以看牛頓鏡,一定要將鏡筒水平放置,打開鏡蓋...此時要等個5-10分鐘...讓鏡筒內外的空氣對流,達到熱平衡穩定狀態. 此時消除掉鏡內擾動, 再慢等木星因大氣擾動所影響的晃動... 只是折射鏡不需要這樣"厚功"...只要打開鏡蓋,基本上可以馬上進入觀測模式.除非從粉熱的空間拿出來,要稍放冷一些再觀測.
最後說一下透明度,剛有說到,大氣擾動嚴重時,透明度最佳! 因為風大時,把低層空氣一些懸浮粒子吹散了.高空也是一樣...所以空氣層變乾淨了...使時透明度就會變好了.那模...哪時是最好的大氣擾動狀態? 可能小貓們要失望了...那就是春天的時候,夜空有些薄雲無風的狀態下.此時夜空的擾動就靜止多了,看木星的狀態是最佳時機.只是小貓們要看暗淡的星體就失望了. 在都市觀星如此,但是在高山上看星星,那就是大氣擾動和透明度取得最佳平衡的典範!
在高山上,地面的擾動大幅降低,加上空氣污染,光害減少...透明度和大氣擾動都達到理想的狀態,所以高山上觀星是愉快且有效率的.
在一般夜空中,大氣的擾動主要是天文觀測上,在望遠鏡的性能上會影響到望遠鏡的解析能力.也就是最常說的是雙星的分離解析能力.
說到這裡,大氣擾動嚴重影響到大望遠鏡的解析能力,比如美國的5公尺巴羅馬山望遠鏡,其5公尺的口徑,它擁有0.028角秒的解析力,但它在山上最好大氣擾動穩定下,最佳的解析能力卻只有約1角秒的程度!
最後說說如何看出大氣擾動狀態...
首先將星光晃動程度看成5等份(也有化為10等份),老貓認為初學小貓們在無經驗下,不需要細分到10等份.所以5等份就夠了...方法就是用肉眼觀看星星的晃動程度.
如果星星晃的嚴重,且星星看到4等(一般有光害的都市,在稍有避開光害的公園或操場) .此時為1/5
如果是嚴重,且星星隱約到4等,此時2-3/5
如果是較穩定晃動,且星星隱約到3等,且天空似有薄霧 此時為4/5
如果是穩定晃,但星星只能看到2等左右...有薄雲 此時為4-5/5
透明度:
首先將透明度程度看成5等份(也有化為10等份),老貓認為初學小貓們在無經驗下,不需要細分到10等份.所以5等份就夠了...方法就是用肉眼觀看夜空透明程度.
如果星星晃的嚴重,且星星看到4等(一般有光害的都市,在稍有避開光害的公園或操場) .此時為4-5/5
如果是嚴重,且星星隱約到4等,此時4-3/5
如果是較穩定晃動,且星星隱約到3等,且天空似有薄霧 此時為2-3/5
如果是穩定晃,但星星只能看到2等左右...有薄雲 此時為1/5
大氣擾動的另一個影響...好!這個大氣擾動,老貓說的已經粉多了. 但還有一個我們粉少談到的另一種是星光閃爍.我們稱為scintillation. 這是指天文觀測到星光的閃爍,也就是忽明忽暗的現象.
老貓細說一下這兩個現象的概念,讓小貓們認識一下...大氣擾動所引起的原因是因空氣溫度不平衡所產生流動(對流),而流動下產生的"風" ...風大風小就產生了大氣擾動優或劣化.要注意到的一點是溫度若不同(風大),還會造成一種干擾望遠鏡的現象,那就是對星光色光折射率的影響! 此時會影響到的星光顏色是全色光譜帶範圍.所以星光晃動時會有從紅到藍光的閃爍變化.在大氣擾動劣化時,這樣的閃爍現象就粉明顯.在天文觀測上, 業餘的老貓們會注意到擾動下,星光顏色的變化.
順便一說...
星光是一種波動, 這種波在觀測恆星時,星光進入鏡筒時,會因為波動連漪,在焦平面上會產生一種以中央為高峰,周圍連續降低的連續波曲面分佈.在目鏡觀測恆星時,讓其失焦下,星光會有繞射的星盤出現! 這樣的星盤是中央為亮圓點,旁邊為暗圈,再一圈為亮圈,逐漸外擴且變暗到消失... 這種現象是物理光波動所說的繞射airy disk*.這若是多片主鏡組成的干涉型大型望遠鏡,就會呈現同數量的鏡面繞射星盤. 若將這樣的繞射星盤運用在雙星來測量大氣擾動,就可以測量夜空不同尺度範圍的波動擾動程度.職業天文觀測貓們,在測量大氣擾動最常用的工具,是利用天文望遠鏡觀測一對雙星間的距離(已知)在大氣擾動下的距離變化.這種距離,我們稱為角距(單位為秒距或角秒).通常在建立一個新的天文台時,也就是在選址時,會在候選地建立一個小天文台,專門觀測及計錄天氣變化和大氣擾動,也可增加水氣分光儀做大氣水分子不同尺度的擾動數據...
*.airy disk (繞射星盤):這是應用在在完美的天文望遠鏡,利用此鏡觀測一顆恆星.其理論的星點中心直徑角度= 1.22 * W/D * 206265" (W 為波長 D 為望遠鏡口徑)理論是這是在太空環境下的最高解析! 然而,若在地面上觀測,此星點中心直徑大部份都是大於最佳大氣擾動1秒角的狀況.
*.另一個題外話是...airy disk也常用在天文攝影上的星點直徑變化.一顆鏡頭在不同的光圈下,例如F/1.4和F/11,星光進入不同孔徑的底片或CCD,其airy disk會產生不同的直徑.如F/1.4時, 其Airy 直徑約為1.9到F/11有 14.7 µm的直徑變化! 如果使用數位單眼,如Canon 5D,它的pixel diameter=8.2 µm. 像老貓使用的Canon kiss F是7.5 µm.所以在不同相機的CCD尺寸上,其星點直徑在正確的焦距下也有不同的變化.所以在數位單眼相機補捉星光時,其三原色光在星點直徑約有80%變化量.
*大溪天文台自2010年開始,就不定期觀測前做一項大氣擾動測量和記錄.以下是2011年秋天間所作的觀測記錄(僅供參考)
2011年11月1日-25日 .2012年2月1日-4月1日
中天天頂(90度仰角)大氣擾動 平均約4-5 角秒(最佳記錄 3.5角秒 21日午夜2點40分)
中天仰角(45度仰角)大氣擾動 平均約8-9 角秒
中天仰角(25度仰角)大氣擾動 平均約11-13角秒
高山天文台理想大氣擾動 (參考用)
中天天頂(90度仰角)大氣擾動 平均約1-1.6角秒
中天仰角(45度仰角)大氣擾動 平均約2角秒
中天仰角(25度仰角)大氣擾動 平均約2-2.5角秒
*大溪地區 大氣擾動最差時間是在上半夜7-10點 ,最佳時間是在下半夜3-5點.
*使用10"SCT DIMM 雙星點成像擾動測量 STV seeing monitor 功能
夜空 資料圖片來自 Dan Duriscoe, for the en:U.S. National Park Service. -
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap070508.html2-6 首頁篇 尾
