6.3: 可见光探测器和仪器

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述照相板和电荷耦合器件之间的区别
• 描述与红外观测相关的独特困难及其解决方案
• 描述光谱仪的工作原理

望远镜从天文源收集辐射后，必须对辐射进行探测和测量。 第一个用于天文观测的探测器是人眼，但它无法连接到不完善的记录和检索设备——人脑。 摄影和现代电子探测器通过永久记录来自宇宙的信息，消除了人类记忆中的怪癖。

眼睛的积分时间也很短；在将图像发送到大脑之前，将光能加在一起只需要不到一秒钟。 现代探测器的一个重要优势是，探测器可以在更长的时间内收集来自天文物体的光；这种技术被称为 “长时间曝光”。 要探测宇宙中非常微弱的物体，需要几个小时的曝光。

在光到达探测器之前，当今的天文学家通常使用某种类型的仪器根据波长对光进行分类。 该仪器可以像彩色滤镜一样简单，它可以在指定的波长范围内传输光线。 红色透明塑料是滤镜的日常例子，它只传输红光而阻挡其他颜色。 光线通过滤镜后，它会形成一张图像，然后天文学家可以使用该图像来测量物体的表观亮度和颜色。 在本书后面的章节中，我们将向您展示许多此类图像的示例，并将描述我们可以从中学到什么。

或者，望远镜和探测器之间的仪器可能是将光线分散成彩虹的几种设备之一，以便天文学家可以测量光谱中的单条线。 这样的仪器（你在 “辐射与光谱” 一章中学到的）之所以被称为光谱仪，是因为它允许天文学家测量（测量）辐射源的光谱。 无论是滤光器还是光谱仪，这两种类型的波长分选仪器都必须使用探测器来记录和测量光的特性。

照相和电子探测器

在二十世纪的大部分时间里，无论是拍摄天体物体的光谱还是直接图像，摄影胶片或玻璃板都是主要的天文探测器。 在照相板中，在一块玻璃上涂上光敏化学涂层，这块玻璃在显影后可以提供持久的图像记录。 在世界各地的天文台上，大量照片保存了过去 100 年来天空的样子。 与人眼相比，摄影是一个巨大的进步，但它仍然存在局限性。 摄影胶片效率低下：实际落在胶片上的光中只有大约 1% 会促成图像的化学变化；其余的都被浪费掉了。

如今，天文学家拥有更高效的电子探测器来记录天文图像。 大多数情况下，这些是电荷耦合器件 (CCD)，类似于摄像机或数码相机中使用的探测器（如越来越多的学生在手机上安装的探测器）（图\(\PageIndex{1}\)）。 在 CCD 中，光子击中探测器任何部分的辐射都会产生带电粒子（电子）流，这些粒子在曝光结束时被存储和计数。 每个计数辐射的地方都称为像素（图像元素），现代探测器可以用数百万像素（兆像素或 mPs）来计算光子。

图\(\PageIndex{1}\)：电荷耦合器件 (CCD)。 (a) 这款 CCD 厚度仅为 300 微米（比人发薄），但可容纳超过 2100 万像素。 (b) 这个由42个CCD组成的矩阵用于开普勒望远镜。 （来源 a：美国能源部对工作的修改；来源 b：美国宇航局和 Ball Aerospace 对作品的修改）

由于CCD通常记录所有撞击它们的光子的60-70％，而最好的硅和红外CCD的灵敏度超过90％，因此我们可以探测到更微弱的物体。 其中包括围绕外行星的许多小卫星、冥王星以外的冰冷矮行星以及恒星的矮星系。 与摄影相比，CCD 还可以更精确地测量天文物体的亮度，并且它们的输出是数字形式的，可以直接进入计算机进行分析。

红外观测

在光谱的红外波段观测宇宙还有一些额外的挑战。 红外区域从接近 1 微米 (µm) 的波长（大约是 CCD 和摄影的长波长灵敏度极限）延伸到 100 微米或更长。 回想一下关于辐射和光谱的讨论，红外线是 “热辐射”（在我们人类能够适应的温度下发出）。 天文学家使用红外线的主要挑战是区分恒星和星系到达地球的少量热辐射，以及望远镜本身和我们星球大气层辐射的更大热量。

地球表面的典型温度接近300 K，而进行观测的大气层只是稍微凉一点。 根据维也纳定律（摘自 “辐射与光谱” 一章），望远镜、天文台甚至天空都在辐射峰值波长约为10微米的红外能量。 在红外线眼睛看来，地球上的所有事物都闪耀着明亮的光芒——包括望远镜和照相机（图\(\PageIndex{2}\)）。 面临的挑战是如何在这片红外光的海洋中探测微弱的宇宙源。 另一种看待这个问题的方法是，使用红外线的天文学家必须始终面对可见光观察者在光天化日之下使用望远镜和内衬明亮荧光灯的光学器件所面临的局面。

图\(\PageIndex{2}\)：红外眼。 红外波可以穿透宇宙中阻挡光线的地方，如这张红外图像所示，塑料袋阻挡可见光但不阻挡红外线。

为了解决这个问题，天文学家必须保护红外探测器免受附近的辐射，就像保护照相胶片免受明亮日光照射一样。 由于任何温暖的东西都会辐射红外能量，因此必须将探测器隔离在非常寒冷的环境中；通常，通过将其浸入液氦中，探测器保持在绝对零（1 到 3 K）附近。 第二步是减少望远镜结构和光学器件发出的辐射，并阻止这种热量到达红外探测器。

看看红外线动物园，了解红外辐射下熟悉的物体是什么样子。 滑动滑块以更改图片的辐射波长，然后单击箭头查看其他动物。

光谱学

光谱学是天文学家最强大的工具之一，它提供有关天体构成、温度、运动和其他特征的信息。 在大多数大型望远镜上花费的时间中，有一半以上用于光谱学。

光中存在的许多不同波长可以通过光谱仪分离出来，形成光谱。 简单光谱仪的设计如图所示\(\PageIndex{3}\)。 来自光源的光（实际上是望远镜产生的光源的图像）通过一个小孔或狭窄的缝隙进入仪器，然后由镜头准直（形成一束平行光线）。 然后，光线穿过棱镜，产生光谱：不同的波长使棱镜朝不同的方向离开，因为每个波长在进入和离开棱镜时会弯曲不同的量。 放置在棱镜后面的第二个透镜将缝隙或入口孔的许多不同图像聚焦到 CCD 或其他探测设备上。 这些图像集（按颜色分布）是天文学家稍后可以分析的光谱。 随着光谱学将光分散到越来越多的收集箱中，进入每个箱子的光子越来越少，因此要么需要更大的望远镜，要么必须大大增加积分时间，通常两者兼而有之。

图：\(\PageIndex{3}\)棱镜光谱仪。 望远镜发出的光聚焦在狭缝上。 棱镜（或光栅）将光分散到光谱中，然后以电子方式拍摄或记录光谱。

实际上，当今的天文学家更有可能使用另一种称为光栅的设备来分散光谱。 光栅是一种表面有数千个凹槽的材料。 尽管其功能完全不同，但光栅（如棱镜）也会将光线分散到光谱中。

摘要

可见光探测器包括人眼、照相胶片和电荷耦合器件 (CCD)。 对红外辐射敏感的探测器必须冷却到非常低的温度，因为望远镜内和附近的所有东西都会发出红外波。 光谱仪将光分散到光谱中，进行记录以进行详细分析。

词汇表

电荷耦合器件 (CCD)

高灵敏度电磁辐射电子探测器阵列，在望远镜（或相机镜头）的焦点处用于记录图像或频谱