文|树洞档案

编辑|树洞档案

前言

光学观测监测器可以测量从望远镜到恒星的整个路径上的大气湍流，它显然是研究观测的最重要的工具。

这些仪器通常由一个15-30厘米的望远镜组成，配备一个光电焦平面探测器来测量图像大小。

它们以一种自动的方式运作，最大限度地减少了对人类存在的需求。

光学观察监视器

北极星望远镜是一种坚固地安装在混凝土桥墩上并指向北天极的望远镜，在20世纪60年代被广泛用于4米级望远镜的现场测试，由于他们的固定安装，风的震动被减少，所以跟踪误差被消除。

另一方面，它们不能在南半球使用（没有极星），也不能在低纬度地区使用，因为观测在大的天顶角下过于退化。

另一种方法是“星迹”方法，在这种情况下，使用传统安装的望远镜，但在观测过程中停止跟踪，以消除跟踪误差。

恒星图像在焦平面上留下“轨迹”，焦平面的宽度是观察的测量，这种方法的问题是，风会破坏测量，而且视觉只能在一个方向上测量。

剪切干涉仪也已成功地用于测量波前相干性，它们的优点是，测量结果不受望远镜光学系统的影响，但它们确实存在跟踪误差，而且很难在不利的环境中操作。

这些不同的问题导致了差分图像运动监视器（DIMM）的发展，它现在已经成为现场测试的主要工具。

该方法包括测量通过大气中不同的两条路径看到的不同图像运动，这种图像的微分运动与r0直接相关，r0是一种视觉的测量。

差分测量的优点是它抵消了望远镜的跟踪误差和震动，通过一个小孔看到的恒星图像的瞬时位置是该孔上方波前斜率的函数，但是这个图像的位置也将取决于孔本身的运动。

通过同一掩模中的两个孔收集星光，两幅图像的差分运动只是两个孔上方波前斜率差值的函数，与掩模的运动无关。

根据大气湍流理论，这个斜率差是r0和波长的函数，更准确地说，微分纵向和横向图像运动，σl 2和σt 2：

其中，D为每个孔径的直径，D为它们的分离度，λ为波长。

明亮的恒星是通过望远镜中的孔径掩模中的两个孔收集起来的，两束光束中的一束被一个棱镜偏离，以便分离焦平面上的两幅图像。

为了方便将瞳孔特征与观察条件相匹配，一个更好的解决方案是重新成像瞳孔，并使用分束器来分离两束光束。

通常，直径建在一个30厘米的望远镜周围，位于露天，以避免圆顶看到，至少距离地面5米，以便超过大部分表层。

面具上的孔直径为几厘米，相隔约20厘米，DIMMs操作距离天顶小于30°的V3星，每200 ms测量一次图像中心，并平均产生每分钟观测的统计估计。

测量的精度受到光子噪声的限制，观测精度大于0.2的测量精度约为10%，用DIMMs测量的观测结果与用直径约为2米的的望远镜观测到的观测结果密切相关。

这种现象是由于r0和观察到的观测之间的关系假设了湍流的外部尺度L，它是无限的（或与望远镜的大小相比非常大）。

实际上，L在10米到100米之间变化，平均为25米，这个尺寸与最大望远镜的孔径相当，因此必须进行修正。

一般来说，8-10米级的望远镜在可见光中看到的效果比dimm确定的效果好10%左右，这对红外线的影响更大。

太空轨道和月球

大多数天文卫星都被放置在近赤道近地轨道上，在那里它们享受完美的完美透明性和地球磁场的宇宙射线屏蔽，而不需要最小的发射能力。

这些轨道的范围从可在数小时内到达的地球同步轨道，到大约3个月后的第二个拉格朗日点，但与纯粹的观测考虑同时，轨道的选择与可用的发射系统、它们的成本和性能密切相关。

即使有半个多世纪的火箭技术的进步，目前和可预见的运载火箭对天文台的设计造成了大量的财政和物理限制。

例如，要在高轨道上放置一个有效载荷，就需要大约100倍的燃料、复杂的发动机和分段系统的有效载荷质量。

此外，开发新的发射系统的高成本和风险导致发射和轨道选择的菜单有限，对于大型望远镜，可用的整流罩尺寸也是至关重要的，本质上要求望远镜可以在轨道上展开。

低倾角近地轨道

低倾角低地轨道（LEO）是海拔高度300至1000公里，倾斜度约30◦的轨道，海拔在300公里以下的地方则不是这样的这可能是因为大气中的阻力。

海拔1000公里以上的高度是不可取的，因为被困在范艾伦带里有密集的高能粒子，低倾斜度是有利的，因为地球的自转会增加了发射速度。

轨道的倾角通常是发射场的纬度（NASA从肯尼迪角发射28◦，从法属圭亚那的库鲁发射5◦）因为这最大限度地提高了有效载荷的质量能力，根据开普勒第三定律，轨道的周期等于：

公式中，a为轨道的半长轴，G为引力常数（G = 6.67·10−11Nm2/kg2），M为地球质量（M = 5.98·1024kg），对于海拔600公里（如HST）的圆形轨道上的天文台，其周期约为96 min。

近地轨道的一个特殊特征是该轨道的平面随时间旋转这是由于地球的扁圆形，导致其重心与质心不一致。

远离地球，差异可以忽略不计，但对于低地轨道，这种影响是显著的，例如，以HST为例，轨道平面每天旋转略多于6◦（56天的周期）。

绝大多数的科学卫星被放置在近地轨道上，要么通过专用发射装置或美国太空运输系统(STS，通常被称为“航天飞机”)。

这对地球观测仪器来说是一个明显的选择，但对天文学来说就不那么如此了，近地轨道的主要优点是，可以进入轨道的质量要大得多。

当使用航天飞机时，该设施也可以进行“维护”，即修理或升级，近地轨道的另一个优点是，在被困粒子的范艾伦带内，宇宙射线的水平很低。

另一方面，由于地球频繁地进行目标掩星，观测效率较差，在一个典型的96 min轨道周期内，几乎损失了一半的时间（约40 min）。

长时间的曝光要求在每一次传球时都要“重新获得”目标星和引导星，对于红外望远镜来说，另一个困难是由温暖的地球对望远镜光学的热加热。

来自地球的热量输入非常显著（240 W/m2），可以防止光学器件被动冷却到低温，望远镜必须很好地困惑，以减少来自太阳和明亮地球的杂散光，光学必须主动冷却。

地球对太阳的周期性日食也会产生较大的温度波动，这可能会导致光学失调、图像退化和指向误差，例如，HST的光罩的温度从暗面约−80◦C到轨道的太阳面约+50◦C不等。

因此，即使主反射镜是由低膨胀材料制成的，它也必须被广泛地绝缘和温度控制，以避免图形的变化。

太阳同步轨道

如上所述，近地轨道进动，其影响随着倾角的增加而减小，通过选择一个适当高度的近极轨道，可以使进动率等于每年向东1天，从而保持轨道平面相对于太阳的固定方向。

这样的轨道被称为“太阳同步”，特别是，如果选择了轨道平面为了垂直于太阳（即在地球的终结者平面上），太阳总是保持在从宇宙飞船上看到的天空的同一一半。

如果观测仅限于反太阳区域，来自温暖的地球和太阳的辐射可以被简单的热光和杂散光屏蔽所阻挡。

然后，大型散热器可以安装在航天器的冷侧，允许被动地达到相对较低的温度。

然而，太阳同步轨道对于IRAS等全天候巡天望远镜来说是一个很好的选择，极地轨道需要特定的发射地点，有无人居住的区域（美国加州范登堡空军基地的美国发射），发射速度效率较低，因为它们不能从地球的旋转速度中获益。

地球静止轨道和地球同步轨道

如果一颗卫星在一个圆形、赤道、直接（向西）轨道上，周期完全等于恒星日（23 h 56 min），它从地球上看起来是静止的。

这种所谓的“地球静止地球轨道”（GEO）对通信和气象卫星具有很大的效用，但对天文卫星也很有用，因为它允许与单个地面站连续接触，从而允许实时的、类似地面观测器的操作。

这个轨道的另一个优点是它离地球相对较远（地球只有16◦的角度），所以被地球阻挡的天空部分很小，来自地球的热量输入最小。

缺点是它是在范艾伦带，这增加了探测器背景和电子设备永久损坏的风险，这个轨道的变化是“地球同步”轨道，它与地球的自转具有相同的同步性。

高地球轨道

为了避免范艾伦带的影响，人们必须去更高的高度，这些远地轨道（HEO）可以是圆形的，也可以是高度椭圆的。

这种轨道的缺点是循环化是能量昂贵的，允许的有效载荷质量相应地降低，高度椭圆轨道（例如，1000×200 000公里）要求较低，允许距离地球有数周的观测时间，但卫星在每个近地点穿过辐射带两次。

当卫星离开地球附近时，太阳的引力就不再可以忽略不计，卫星的运动也不能用简单的方式来描述。

这就是所谓的三体问题，轨迹不是像二体问题的椭圆那样的封闭曲线，也不能用表达开普勒定律的简单方程计算出来。

然而，有一种特殊的情况，当第三个物体的质量比其他两个物体的质量可以忽略不计，并且两个大质量中的一个处于圆形轨道上另一个。

在这种情况下，在轨道平面上有五个位置，小质量物体一旦插入该平面，将在一个圆形轨道上移动，相对于其他两个物体“锁定”。

这些点被称为与两个大质量相关的“拉格朗日点”，被称为L1到L5，在这些点上，来自两个主体的引力被轨道离心力所平衡，太阳系中的每一对大质量点都有这样的拉格朗日点，特别是地-月系统和太阳-地系统。

五个拉格朗日点中的两个，L4和L5，是稳定的，其他三个是亚稳态的，这意味着放置在那里的物体如果受到扰动就不会返回到它身上。

当然，扰动总是存在的，即太阳压力和从月球和其他行星的拉力，然而，航天器可以通过定期的空间站操纵保持在这两个亚稳点的轨道上，本质上，航天器绕拉格朗日点运行，而不是绕天体运行，这种轨道称为“晕轨道”。

太阳-地球系统的L2点是天文观测的理想之处，因为太阳、地球和月球总是在望远镜的一边，最大限度地覆盖天空。

这也是一个理想的轨道，可以被动地冷却望远镜，而不完全逃离地球，并需要长距离的通信链路。

总结

一个单一的盾牌可以保护天文台免受太阳的伤害，以最小的观测限制，也可以免受地球和月球的伤害。

此外，与太阳的恒定距离（1 AU）提供了稳定的热环境和连续的太阳能照明，最后，到地球的距离足够小，可以进行宽带无线电通信，而不需要使用非常大的地面天线。

为L2发射或计划的任务的例子包括MAP、NGST，与近地轨道上的轨道碎片相比，这种影响是相对温和的。

参考文献：

【1】Sarazin，M.，未来地面望远镜项目的理想地点，国际天文学联合会可见和无线电范围内天文地点评估研讨会，2000.

【2】Morse， D. 和吉列特，水蒸汽监测工程报告，AURA工程报告73，KPNO，图森AZ，1982.

【3】 Singal，声学遥感，第五届大气和海洋声学遥感年度研讨会论文集，1990.

【4】福布斯，巴克，彼得曼，库达巴克，d博士和莫尔斯， D.高海拔声学探测，SPIE专业，第551卷，第60页，1985.