小型激光天文动力学空间计划概念

小型激光天文动力学空间计划是 :使用在太阳轨道上无拖曳航天器和地面站以激光干涉和脉冲测距的方法 ,精确地探讨天文动力学 ,检测相对论与时空基本定律 ,改进探测引力波的灵敏度以及更准确地测定太阳、行星和小行星的参数。 1 969年开始的月球激光 (反射 )测距 ,对地球物理、参考坐标的选定、相对论的检验均有重要的贡献。 3 0年来 ,激光技术的长足进步 ,使现在正是适合于开始进行研究空间有源 (主动 )测距和光波空间通讯的时候。激光天文动力学的兴起是必然的趋势 ,其精确度将比现在提高 3到 6个数量级 ,将是天文动力学革命性的发展。小型激光天文动力学空间计划可以起到带头作用。它的关键技术有三 ,即 :弱光锁相、极精确无拖曳航天和高衰减日冕仪。弱光锁相已有长足的进步。对高衰减日冕仪的研究 ,也有了初步的方案。LISA空间计划将于 2 0 0 6年 8月发射SMART -2 ,研究测试极精确无拖曳航天。小型激光天文动力学空间计划的关键技术已日趋成熟。在第一届国际激光天文动力学研讨会 ( 2 0 0 1 ,9.1 3 -2 3 )中介绍了各相关学科背景及前沿研究 ,讨论了激光天文动力学空间计划科学目标及相关技术 ,并召开了两次小型激光天文动力学空间计划预研究筹备会 ,建立了和欧洲的合作关系。会后着手进行此项对基础     

激光天文动力学弱光锁相的研究

近年来激光物理与应用的进展促成了激光天文动力学空间任务概念的提出。在激光天文动力学任务概念研究方面，必须对由远程航天器上传回的激光进行讯号的测量与处理。激光经过长距离的传输后，功率大幅下降，因此在空间任务概念的考虑上，弱光锁相是计划中关键性的技术。由航天器射来的激光，经过望远镜聚光后与本地激光进行锁相，由本地激光承载及传达太空激光的相位信息。实验中，我们使用2支半导体激光泵浦非平均环形共振腔钇馏石激光（Diode laser pumped non-planar ring cavity Nd:YAG laser），分别代表远程的弱及光代表本地的强光，建立弱光锁相环路系统（weak-light phase-locked loop system)。以中性光强度滤光器（ND－filter;neutrel density filter)减弱光讯叫来仿真远程激光传来的弱光。在相位探测部分使用均衡探测法，消除激光强度噪声，以提高讯噪比。同时配合适当的环路滤波器，控制激光频率，提高锁相的能力。对2nW的弱光与2mW的强光可长时间锁相，其均方根相位误差为５７mrad。 200Pw的弱光与200μW的强光锁相时间可达2h以上，其相位误差为200mrad。20pW弱光与200μW的强光锁相时间亦可达2h以上，其相位误差为160mrad。最后，我们对2pW的弱光与200μW的强光锁相，锁相后的相位误差为290mrad，锁相时间可维持一分半钟。     

激光天文动力学弱光锁相的研究

近年来激光物理与应用的进展促成了激光天文动力学空间任务概念的提出。在激光天文动力学任务概念研究方面 ,必须对由远程航天器上传回的激光进行讯号的测量与处理。激光经过长距离的传输后 ,功率大幅下降 ,因此在空间任务概念的考虑上 ,弱光锁相是计划中关键性的技术。由航天器射来的激光 ,经过望远镜聚光后与本地激光进行锁相 ,由本地激光承载及传达太空激光的相位信息。实验中 ,我们使用 2支半导体激光泵浦非平面环形共振腔钇镏石激光 (Diodelaserpumpednon -planarringcavityNd :YAGlaser) ,分别代表远程的弱光及代表本地的强光 ,建立弱光锁相环路系统 (weak -lightphase -lockedloopsystem)。以中性光强度滤光器 (ND -filter;neutraldensityfilter)减弱光讯号来仿真远程激光传来的弱光。在相位探测部分使用均衡探测法 ,消除激光强度噪声 ,以提高讯噪比。同时配合适当的环路滤波器 ,控制激光频率 ,提高锁相的能力。对 2nW的弱光与 2mW的强光可长时间锁相 ,其均方根相位误差为 57mrad。 2 0 0pW的弱光与 2 0 0 μW的强光锁相时间可达 2h以上 ,其相位误差为 2 0 0mrad。 2 0pW的弱光与 2 0 0 μW的强光锁相时间亦可达 2h以上 ,其相位误差为 1 60mrad。最后 ,我们对 2pW的弱光与 2 0 0 μW的强光锁相 ,     

ASTROD 1中的望远镜前指量研究

单航天器激光天文动力学空间计划ASTROD1是激光天文动力学ASTROD的第一步,通过发射绕太阳的无拖曳航天器,并且当航天器处于太阳背面附近时,与地面站进行深空激光测距,以执行科学任务。该文计算了ASTROD12015年的轨道、提出了判断轨道精度是否满足任务需要的方法、分析了地球和航天器的位置同望远镜前指量之间的关系并且给出了望远镜前指量的结果。     

天文地球动力学中的相对论效应

天文地球动力学利用空间与地面观测手段，监测和研究地球整体与各圈层的物质运动以及它们间的相互作用，这都离不开广义相对论及的时间与空间。随着空间对地观测精度的，为了充分利用高精度观测提供的信息，在天文地球动力学的研究中必须考虑相对论效应。所涉及的相对论效应包括：（1）相对论参考系的建立，（2）在恰当的参考系中对观测者和被观测对象的相对论运动方程（平动和自转）的描述，（3）观测者和被观测对象间的电磁信号传播，（4）依赖于坐标选择的结果与具有物理意义的可观测量的转换，（5）某些基本概念在定义在广义相对论框架下的重新确认。本文对天文地球动力学中的这些相对论效应作了简要的评述。     

行星际电子及重核对ASTROD Ⅰ测试质量充电过程模拟的研究

在LISA,ASTROD I和ASTROD之类用于探讨引力波天文、天文动力学和相对论测试的深空激光探测计划中,暴露在空间粒子环境中的无拖曳测试质量将会受各种带电粒子的影响而带电,引起库伦力和洛伦兹力干扰,从而影响实验数据的精度.在先前的工作中,已用GEANT4工具包模拟了银河宇宙射线中质子和氦核以及太阳高能粒子事件对测试质量的充电过程.文章里,参数化了行星际电子和主要种类的重核,并模拟了由测试质量块在行星际电子和C,H,O等重核环境中的充电速率.行星际电子源主要是木星和银河,而重核主要来自于银河宇宙射线.经过模拟计算, ASTROD Ⅰ测试质量由行星际电子引起的充电速率大约是行星际质子在太阳活动最小值时的9%,在太阳活动最大值时的28%.行星际重核相对于行星际质子在太阳活动最小值和最大值时的贡献分别约是0.83%和1.64%.     

行星际电子及重核对ASTRODI测试质量充电过程模拟的研究

在LISA,ASTRODI和ASTROD之类用于探讨引力波天文、天文动力学和相对论测试的深空激光探测计划中,暴露在空间粒子环境中的无拖曳测试质量将会受各种带电粒子的影响而带电,引起库伦力和洛伦兹力干扰,从而影响实验数据的精度．在先前的工作中,已用GEANT4工具包模拟了银河宇宙射线中质子和氦核以及太阳高能粒子事件对测试质量的充电过程．文章里,参数化了行星际电子和主要种类的重核,并模拟了由测试质量块在行星际电子和C,H,O等重核环境中的充电速率．行星际电子源主要是木星和银河,而重核主要来自于银河宇宙射线．经过模拟计算,ASTRODI测试质量由行星际电子引起的充电速率大约是行星际质子在太阳活动最小值时的9％,在太阳活动最大值时的28％．行星际重核相对于行星际质子在太阳活动最小值和最大值时的贡献分别约是0．83％和1．64％．     

空间激光干涉引力波探测与早期宇宙结构形成

空间引力波探测是研究宇宙早期恒星演化和星系形成、黑洞和星系的共同成长等天文学和宇宙学重大问题的一条重要可能途径。经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术的可行性与科学的前瞻性,选择以高红移开始的中至大质量双黑洞并合系统、星团等稠密动力学环境中涉及中等质量黑洞的双黑洞引力波波源为主要科学目标,给出了我国毫赫兹至赫兹频段空间引力波探测任务计划的初步设计。以该任务设计建议为依据,简要介绍空间引力波探测及其作为一种新的天文观测手段的科学内涵,以及我国空间引力波探测任务设计的科学目标和探测潜力。     

引力波、引力波源和引力波探测实验

引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一。除了PSR1913＋16引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外，科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在。由于人类目前的技术水平还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波，而宇宙中存在大量大质量，高速运动的天体，有可能产生较强的引力波，天体引力波源自然成为现阶段科学家研究引力波的首选。本文介绍广义相对论框架下预言的引力波性质，引力波探测的理论依据，共振型棒式天线和激光干涉仪两大类探测器的基本原理，引力波探测实验的现状和面临的困难，科学家采取的对策，以及爆发型和连续型两类天体引力波源。最后介绍了正在计划中的几个引力波探测空间实验。     

广义相对论框架中的IAU时间尺度和参考系

简要地回顾和介绍了IAU时间尺度和参考系的历史和进展，其主要内容：（1）牛顿时空观和相对论时空观，（2）IAU各种时间尺度的历史演变和相互关系；（3）IAU的天文参考系，有关的最新决议,相对论框架下度规及其规范问题，四维时空中的空间1PN坐标变换，也介绍了一些有关工作，阐明了与IAU最新决议稍有不同的观点，指出目前IAU有关决议可能仍存在的某种程度上的不完善。     

相对论天体力学

本文综合评述正在建立的一门新学科－相对论天体力学，其中包括基础理论课题（分为相对论质点组动力学和相对论伸体动力学）和具体天体运动理论课题（又分为相对论太阳系动力学和相对论恒星系统动力学）。最后对最新建立的系统理论ＤＳＸ方法作简短介绍。     

引力波、引力波源和引力波探测实验

引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一。除了PSR1 91 3 + 1 6引力辐射阻尼的观测提供了引力波存在的间接证据外 ,科学家至今仍没有在实验室中确证引力波的存在。由于人类目前的技术水平还不可能在实验室中产生强度可供探测的引力波 ,而宇宙中存在大量大质量、高速运动的天体 ,有可能产生较强的引力波 ,天体引力波源自然成为现阶段科学家研究引力波的首选。本文介绍广义相对论框架下预言的引力波性质 ,引力波探测的理论依据 ,共振型棒式天线和激光干涉仪两大类探测器的基本原理 ,引力波探测实验的现状和面临的困难 ,科学家采取的对策 ,以及爆发型和连续型两类天体引力波源。最后介绍了正在计划中的几个引力波探测空间实验     

1.2m地平式望远镜指向模型的研究-测角编码器小周期模型的建立

介绍了1．2m地平式望远镜利用天文观测和图像采集处理的方法，通过建立测角编码器小周期模型，解决了数显部分的细分误差，提高了指向精度，对于空间目标高精度测轨、定轨及激光卫星的盲跟踪测距都是十分重要的。     

纳米计量学的基础技术组件

为了满足ASTROD激光宇航动力学任意概念计划的高精度要求，以及实现新质量标准，我们开始进行次纳米激光测长与纳米定位控制的研究。本文将回顾我们在清华大学与工研院测量中心的研究成果，介绍如何利用外差式激光干涉仪，挠性微动台与压电陶瓷，进行次纳米激光测长与纳米定位控制。此研究成果将做为ASTROD计划中，无拖曳航天技术的研发基础。之后讨论如何将纳米定位控制系统与扫描穿道显微镜进行整合，完成计量型扫描穿隧显微镜，进一步将微结构的测量尺寸直接追溯至长度标准。     

天文小词典(1)

天文学研究天体的位置、分布、运动、形态、结构、化学组成、物理状态和演化的学科。一般分为天体测量学、天体力学、天体物理学等。天体测量学主要包括基本天体测量、照相天体测量、时间服务、纬度服务,以及射电天体测量学和空间天体测量学等;天体力学主要研究天体摄动理论、天体形状和自转理论,以及天文动力学等;天体物理学主要包括太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、星系物理学、宇宙学、光学天文学、射电天文学、红外天文学、紫外天文学、×射线天文学、γ射线天文学、中微子天文学、等离子体天体物理学、相对论天体物理学等。随着科学技术的不断进步,天文学的研究范畴和天文的概念在不断扩大和发展。自古以来天文学和人类生产和生活就有着密切的关系。编历、授时、测定地理坐标、天文导     

功不可没的早期紫外天文卫星

从本期开始,我们将介绍历史上的紫外天文卫星。这里所谓的早期紫外天文,指的是从紫外天文诞生到“国际紫外探测者”（International Ultraviolet Explorer,简称IUE）发射之前的这一段时间。紫外天文学始于对太阳的研究,而对恒星等目标的紫外观测出现的较晚。本系列文章不涉及观测太阳和以日地空间关系为目的望远镜,也不涉及行星际探测器。     

太阳动力学天文台（SDO）

太阳动力学天文台（Solar Dynamic Observatory,SDO）是美国宇航局（NASA）发射的一颗天文卫星,专门用于观测太阳。2010年2月11日,美国东部标准时间上午10点23分,在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。按规划它将在太空中工作5年3个月。此空间观测设备的各个部件经过了严格的检验,依据过去的经验,很可能工作更长时间,为此,它携带的消耗品可维持正常工作10年。这颗天文卫星的主体由美国戈达德空间中心（Goddard Space Flight Center,GSFC）研制,它在太空的运行也由该中心操控,但是,其携带的三组观测设备由其他三个不同单位研制。     

玉山顶上看星星(续)

玉山顶上看星星（续）李启斌新竹“登临”沈君山台湾清华大学设在新竹市。清华大学虽然没设天文系或天文研究所，但该校的天文工作却是第一把手挂帅。校长沈君山先生就是一位天文学家，早年在美国研究相对论天体物理，现今虽然公务繁忙，社会活动频繁，但仍教授广义相对论...     

纳米计量学的基础技术组件

为了满足ASTROD激光宇航动力学任务慨念计划的高精度要求 ,以及实现新质量标准 ,我们开始进行次纳米激光测长与纳米定位控制的研究。本文将回顾我们在清华大学与工研院测量中心的研究成果 ,介绍如何利用外差式激光干涉仪、挠性微动台与压电陶瓷 ,进行次纳米激光测长与纳米定位控制。此研究成果将做为ASTROD计划中 ,无拖曳航天技术的研发基础。之后讨论如何将纳米定位控制系统与扫描穿隧显微镜进行整合 ,完成计量型扫描穿隧显微镜 ,进一步将微结构的测量尺寸直接追溯至长度标准。     

国产氢原子钟是我国高精度时、频用户的最佳选择

高精度的时间和频率不仅在基础研究领域，如地球动力学研究、相对论验证、引力波检测、脉冲星周期观测与研究、人造卫星动力学测地等等，而且更多地在应用研究和国民经济活动中，如能源（电力联网）通讯、交通、计量测试、地震测定等，以及在军事和空间活动中，如习行器的测控、制导、通讯和数据传输、卫星定位、军事测绘、武器试验和国防新技术研究等，都具有广泛的应用。在这些应用中，高匠时上尖标准源，谷称原子钟，毫无疑问是这些时频活动的基础。因此，如何科学地、因地制宜地选择标准源，便是我们需要考虑的问题。在这篇资料中，我们对目前实用的商品原子钟进行了一些调查，列出了它们的一般特点和性能比较，也给出了它们的一些应用例子。通过比较，我们认为，根据我国国情，使用国产氢原子钟无论从性能、价格上考虑，还是从寿命和售后服务上考虑都是合算的。