改了双光透镜远光还用改吗透镜为什么会闪?

(图多预警~~~)(14日晚上已经200赞同了好感动T_T。这是我知乎上的首个破百赞同的答案,感谢大家~~~不过作为理科男我的福利就只能是答案最后对行星部分的更新了.....而且好像写的更geek了捂脸)这事得从折射定律开始说起。当光穿过密度不一样的介质的时候会发生偏折,偏离原来的传播方向,就像这样:而空气,不是铁板一块的。随时随地都会产生湍流。对的,就是坐飞机的时候空姐经常说的“颠簸”的原因。飞机飞过之后的空气、风扇吹出来的风都可以算是湍流。(所以对小飞机来说,跟在大飞机后面马上起飞可是会翻车,哦不,翻机的哦~)以上的是大的湍流,空气里还有小的湍流,可能因为空气上下温度不均、或者有冷暖锋要过境了而形成的。即使在晴空万里,看起来空气非常宁静的正午,空气中也还是有很多小湍流的,就像烧水的时候透过水壶口看后面的墙壁会有一点变形一样,因为地面(水壶口)不断在产热,下面的空气向上跑。空气最宁静的时候一般是晚上,空气基本上都冷却下沉到地面,与上层的空气交换变少(所以搞天文的才要熬夜?)。而这些或大或小的湍流,使空气的密度变得不均匀。本来恒星的光是平行光,两个透镜就可以使光会聚,在焦平面上看到一个清晰的像:当然完全成为一个点是不可能的,因为还有衍射在,艾里斑。现在不均匀的空气就使星光发生偏折,相当于加上了很多奇怪的透镜,就变成了这样:湍流元的速度一般是10米/秒,所以如果站在一个地方不动,亮区和暗区就会轮流扫过观测者,看到星星时明时暗。这种现象在望远镜里用肉眼观察尤其明显,特别是对准地平线附近的恒星的时候,会抖得很厉害。而在拍摄中,因为相机可以曝光比较长的时间,就会看到很多个恒星像在不同的地方:这会使我们比较难分辨出恒星。那怎么解决这个问题呢?机智的天文学家们(到目前为止)想出了三个解决办法。第一是把望远镜扔到天上去:太空中没有大气,当然就没有湍流啦,一了百了。但是这个方法贵啊,不是每个国家都有能力扔一个十来吨重的东西上天啊。所以我们就在地面上下手:自适应光学既然空气会将星光偏折。也就是把光的波前搞的歪歪扭扭:那么我就把望远镜也搞得歪歪扭扭:就搞定了。一般镜面的形变大小不大(几微米左右),但是空气变化很快,这就要求望远镜在0.5到1毫秒之内完成形变,然后准备下一次的形变。那我们怎么知道空气是怎样形变的呢?答案是人工造一颗“星”出来。这是欧南台的VLT在用大功率激光器造出一颗“星”来获取空气抖动的情况。当然这种激光器因为功率太大会造成危险,所以在附近有飞机的时候会暂时关闭。最后一种就直接破罐子破摔了,空气要抖就让它抖去吧~这种技术叫做幸运成像,一张照片照出来是这个样子的:然后我们重复5000次,把5000张照片叠在一起,这样最亮的地方基本上就是恒星所在的地方:之后再把每张照片最亮的地方移到一起,看起来就不是一坨亮光了:再挑出最好的500张照片(标准我不是很清楚)叠加,效果拔群:明显看到有三个天体了吧?所以星星一闪一闪这事,一般人看起来可能听好玩,但是对于搞天文的来说还是挺大的问题...(2015.03.14更新)有评论指出没有解释为什么肉眼能看到的行星不闪。嗯的确是我当时的疏漏,补上~行星的光跟恒星的一样,都会收到湍流的影响;但是他们闪烁的程度不一样,这是因为恒星与行星的大小不一样:行星大, 恒星(除太阳以外的)小。行星距离我们比较近,所以一般视直径在几角秒到几十角秒之间:水星:5.6",金星:12.7",火星:4.1",木星:43.4",土星:17.3"
(用的是Stellarium今天的数据)当然不同时间视直径会有一些差别。恒星虽然实际直径比行星大好多,但是架不住距离远。离我们最近的比邻星(4.3光年)如果按2000个太阳直径(维基百科巨大恆星列表里面最大的再四舍五入)来算的话也只有7"。所以实际上恒星的视直径远比这个小(实际的比邻星直径只有0.15个太阳半径,对应0.00053"),至少可以认为比行星的视直径小一个量级(除以一个10)。而不管天体的大小怎么改变,湍流元的大小是不变的。天体的大小变大了说明它可以包含更多的湍流元。然后我们来做(kai)近(nao)似(dong)~~假设一个湍流元可以在单位时间内使湍流元所在的区域变暗,变暗的程度服从一个高斯分布:D \sim U(0,1)这个区域的亮度就是原来的亮度乘上变暗的程度:I=I_0D这样在不同的时刻看来这片区域就有不同的亮度,也就是在闪烁了。我们假定对一个像素在某段时间测量得到的亮度的标准差(弥散程度)为\sigma_I ,根据统计学的公式,可以知道如果在这段时间内有N个像素,我们对它们同时进行测量的话,这N个像素的亮度平均值\bar{I}= \sum_{i=1}^{N}I_i的标准差为:\sigma_{\bar{I}} =\frac{\sigma_{I}}{\sqrt{N}}显然湍流元的数量越多,平均亮度的标准差(弥散程度)越小。我们假设恒星占了a个像素,而行星占了b个像素;显然a<b,有\frac{\sigma_{Star}}{\sigma_{Planet}} =\frac{\sqrt{b} \sigma_{I}}{\sqrt{a} \sigma_{I}}=\sqrt {\frac{b}{a}} >1所以行星的平均亮度随时间变换的浮动程度更小,也就是闪烁程度更不明显。而行星虽然大,但是也只有十来个角秒,人眼仍然分辨不出它是个面源,所以拿行星的总亮度来估计实际亮度是可以的。光有理论不是很直观,我们还可以纸(bian)上(ge)谈(cheng)兵(xu)一下。假设这是一颗恒星,它的直径是7个格子,面积大约是39个格子;假设有一颗行星,直径是14个格子,那么面积就大约是154个格子。每个格子的亮度遵从上面说的分布,那么它们的标准差的比就应该是0.5032。拿MATLAB各做5000次模拟。(哦你问为什么不拿70当行星直径?因为MATLAB跑得慢......)恒星的结果:浮动比较大,标准差是0.0457。行星的结果:浮动比较小,标准差是0.0232。0.0232/0.0457=0.5077Bingo.不过这样的脑洞肯定跟实际情况有出入,毕竟这里假设了每个格子的亮度都均匀,但是实际上恒星的亮度分布是点扩散函数;而且亮度的随机性也不是简单地服从高斯分布。这样的假设只能定性的说明行星闪烁程度更低罢了(摊手~)。最后建议大家拿望远镜看看大气湍流下的行星和月亮,观察一下它们是怎么被我们呼吸着的大气扭曲的吧~~参考资料:湍流、艾里斑、甚大望远镜、自适应光学、幸运成像、比邻星}

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