天体物理天文台

城市环境下的天空观测

当观测者仰望天空时，即使是在高高的山峰上的观测站，人们也不会看到地平线附近的天体，因为这些天体的光线必须穿过大量的大气，因此可见的物体是扭曲的。事实上，观察太阳系天体的理想角度是在地平线以上45度，即使在山上也是如此！离地平线越高越好。在我们这个地区，当物体在地平线以上30度左右时，我们的观测效果最好，而且最好远离东北地平线（纽约市的灯光就朝这个方向散射）。考虑到这一点，我们调整了天文台的方向，以优化观测的可能性。因此，CSI天文台几乎与主要天文台拥有相同百分比的天空可见。

当然，你可能担心纽约市区的校园区域有“光污染”（过度或误导的光），你是对的。为了改善校园内的天文“视野”，天文台位于校园最黑暗的地方。的确，用肉眼你不会看到像校园里的山脉或沙漠地区那样美丽的天空，但是用我们的望远镜，它可以收集400到1600倍的光，我们可以很容易地看到天空的许多奇观。为了研究目的，天文台的望远镜将配备CCD（电荷耦合器件）数码相机，用于捕获图像并将其输入计算机。这些CCD相机有效地将我们的望远镜面积增加了十倍（实际上我们的16英寸望远镜变成了51英寸望远镜）。所有现代天文台都采用这种最先进的方法进行天文观测。一个装有CCD相机的小型望远镜可以在满月期间从曼哈顿的天空中提取出一个微弱的星系的图像！由于使用这些系统拍摄的最终图像是在我们使用的计算机中，因此可以使用“图像处理”软件来消除不必要的光线并提高图像质量。

天文台有一个圆顶，可以阻挡一些外界的光线，还有一个“红光”系统。这些预防措施都是为了给观察者最大限度的“夜视”。人类有很好的夜视能力。为了获得夜视，光线必须通过瞳孔并由视网膜中的受体细胞传导。从视网膜发送到大脑和脊髓的信息开始反射，从而调节瞳孔的直径。完全放大的瞳孔只比完全缩小的瞳孔多出大约16倍的光线——几乎不足以解释视觉灵敏度的近百万倍范围。大部分的调节是由受体完成的。在适应黑暗的情况下，这项任务主要落在视杆细胞上（每只眼睛中大约有1.2亿个视杆细胞，从中心到外围的浓度增加）。视杆细胞中的光色素在暴露于光下会分解，这反过来又开始发出可能最终导致看到光的信号。一旦被分解，色素必须重新制造并储存在杆状细胞中（维生素A在这里起作用）。这种重新合成需要大约30分钟才能获得完整的夜视能力。视杆细胞也解释了红灯不影响夜视的事实，因为它们对极端波长完全不敏感（我们用视锥细胞看到这些波长）。

你可能在白天进入电影院时经历过这种所谓的“夜视”效应。你一开始是看不见的，但很快你就可以从你的座位上挑出细节，因为你的眼睛适应了低水平的光线。大约需要20到30分钟才能达到完全的夜视能力。城市和郊区的居民很少有夜视能力，因为汽车灯和路灯使我们无法达到最大的灵敏度。他们很少注意到天空的奇观。从天文台人们重新发现我们的天空是什么样子。事实上，在我们这个地区学习星座的模式更容易，因为我们可以清楚地看到形成这些模式的所有主要恒星。如上所述，天文台的红光不影响夜视，允许我们看到我们在做什么，类似于摄影师的暗室。

当我们从CSI天文台的望远镜中看到各种物体的图像时，我们可以使用特殊的滤光片来去除城市灯的主要光线，这些灯主要是钠和汞灯。对于太阳、月亮和大行星来说，除了非常精细的工作外，上面的预防措施很少是必要的，因为它们是非常明亮的物体。许多人都有这样的误解，如果他们参观了主要的天文台，他们会看到这些物体比在CSI更好。这不是真的！理论上，望远镜能够看到精细细节的能力（称为分辨力）取决于望远镜的口径（主反射镜或透镜大小）。我们的主望远镜在CSI有一个直径16英寸的口径。由于地球的大气层，太阳、月球和行星的细节在CSI上与大型天文台望远镜一样好！大型望远镜实际上是用来观察最微弱的遥远物体（星系等）的，因为它们比小型望远镜聚集更多的光（更大的开口）。

良好的观测条件不仅仅是万里无云的天空。大气中没有水分和灰尘的特性被称为透明度，这是我们在这一领域遇到的最大问题。大气不受湍流的影响被称为“看见”，这在世界各地都造成了问题。根据不同类型的天文观测需要良好的透明度或可视性。昏暗的物体需要良好的透明度，因此，大型望远镜建在将这种影响最小化的地方。要看得详细，就得看得清楚。月球、行星和明亮的星云和恒星不需要很高的透明度，因为我们处理的是明亮的物体。它们是如此明亮，以至于有时我们不得不使用滤光片来减少接收到的光线，以便看到校园的细节。

一般来说，在无云的夜晚，我们的“视力”相当好，特别是从9月到5月，我们将做大部分的研究工作。多年来，我们注意到我们确实有特殊的日子，这些日子给了我们最好的视野，我们的太阳系和更远的地方。所有的“坏的”大气影响都是最小的，望远镜越靠近天顶（我们头顶上的点），这将是主要研究项目的情况。我们校园里有一些“坏”的灯，影响了我们可以穿透的空间的深度。这些干扰光中的一些已经被纠正了，但相当多的需要进一步的改变，希望这将发生，以便天文台能够达到观测昏暗物体的理论潜力。

天文台的结构

天文台的尺寸是24英尺。24英尺。穹顶直径16英尺。主要的光学仪器是计算机控制的16" f/10施密特卡塞格林望远镜，如下所述。天文台通过以太网连接到一个设备齐全的天体物理实验室（在5N楼），被称为“温暖的房间”。暖室/观测站的设置是因为观测站没有暖气（或空调），并且设计为全年保持其设备的环境温度。在一年中最冷的日子里，从温暖的房间里远程操作天文台是为了人类的舒适。在过去的一年里，没有出现足够寒冷的天气来使用这个遥远的设施，穿着厚重的天文学家们喝着大量的热巧克力在天文台工作。

我们安装了一个传统的观测台圆顶，它是机动的，由主要的望远镜操作员控制。圆顶是天文学工作的普遍象征，为新校园增添了科学氛围。新的12英尺的无线电天线应该会增加这一形象。人们可以看到，主望远镜连接在一个定制的重型金属桥墩上，这个桥墩坐落在一个大质量（称为惯性基础）上，而这个质量没有连接到建筑物上。这样的安排意味着我们可以非常稳定地进行高倍率的观测工作，从而可以看到太阳、月球和行星的壮观景象，同时也可以进行有意义的研究。

你可以从图中看到，如果你想从主望远镜直接看到天空，你必须登上观景台。从照片上的门上有一个弯曲的螺旋混凝土楼梯井，可以把人带到甲板上（图中没有看到）。我们在楼梯边的轨道上安装了一个特殊的电动电梯，让坐轮椅的人可以到达观景台。据作者所知，这种残疾人通道的安排在天文世界中是独一无二的。

主光学望远镜

左边显示的16英寸米德·施密特-卡塞格伦天文望远镜是我们的主要观测设备。一个16英寸的反射镜是位于望远镜内的主要聚焦装置。该望远镜完全由计算机控制，内存中有超过64,000个天体。计算机给了我们巨大的力量。它允许非常精确的排列，以及快速发现天体。这种计算机化的定位能力使我们能够看到城市天空中的物体，这在上一代望远镜中是非常困难的，如果不是不可能的话。

这种快速获取物体的技术消除了许多人在安装和操作天文望远镜时所经历的大量耗时的机械苦差事。即使是新手也可以简单地控制电脑控制台来查看屏幕上的天空地图，用鼠标快速找到他们感兴趣的东西。一个简单的“点击”，望远镜就会指向感兴趣的目标。为了使这成为可能，望远镜必须以非常高的精度与天空对齐。上图中所示的定制钢墩将使这项任务非常容易实现。当很多人想要通过望远镜观看时，节省时间就成了一种溢价。通过快速查找对象，极大地增强了该系统的教育能力。

所选的米德16英寸望远镜是同类大学研究项目中最好的商业批量生产的望远镜。对于计划的实验室和研究工作，一些修改是必须的。我们从“加利福尼亚望远镜公司”获得了望远镜，并进行了以下修改，以确保天文台目标的成功。

1. 如前所述，天文台是围绕望远镜所在的定制永久性钢墩进行规划的。码头除了质量大之外，还与纬度和望远镜有关。

2. 为望远镜的本地计算机控制提供了专用软件。

CCD相机：成像系统和光度测量最近电子技术的突破使得小型天文台可以使用以前只有大型天文台才能使用的设备，这些大型天文台可以负担得起非常昂贵的设备。如上所述，CCD成像系统以电子方式捕获图像，并将图像存储在计算机中，以便对其进行增强。一旦我们在电脑中储存了显示我们正在做什么的图像，我们就可以自由地将它们显示在高分辨率的显示器上。我们还储存了NASA和喷气推进实验室拍摄的大部分图像。（游客如果在白天或原定的阴天或下雨的夜晚前来参观，仍然可以欣赏到太阳系和宇宙的壮丽景色。）CCD图像比照相底片效率高许多倍，从而显著缩短了曝光时间。例如，用于拍摄土星的快速胶卷可能需要十分钟，但使用CCD我们在十“秒”内完成同样的工作！我们图像中的大部分光污染现在都可以被消除。即使是失焦的图像也可以使用图像处理技术来改变。图像中微弱的细节可以通过使用各种着色技术与我们的图像处理软件内置的数学方法相结合而呈现出来。位置和亮度数据可以通过软件获得。换句话说，这个系统是天文台的一个极其智能的“相机”。天文台将进行的一个主要天文测量领域是“光度测量”，它需要获得天体的亮度，称为其星等。我们拥有的CCD相机系统，以及专用的光度相机被设计用于开展这项工作。我们计划中的许多研究项目都需要测量天体亮度。从本质上讲，观测者将感兴趣的物体集中到连接在望远镜上的光度计仪器中，并获得物体亮度的读数。然后将获得的数据发送到计算机进行数据简化，从而从原始实验数据中产生已知的标准有意义的结果。

便携式天文台系统

为了使天文台成为一个扩展的天文学实验室，我们通过拨款购买了额外的望远镜、CCD相机、笔记本电脑和定制的电池组。已经组装了四个完整的便携式系统（前面在一般成像部分提到）。我们的学生使用它们取得了巨大的成功。这是基于米德计算机化的8“和10”施密特卡塞格伦望远镜和米德Pictor CCD相机。这些系统将被用作我们的研究生的训练系统和普通天文学课程，以及用于观测项目和实验室练习的特殊观测课程。

下面列出了使用便携式系统进行的21种具有代表性的练习（如果需要的话），并在某些情况下与CSI天体物理天文台一起进行。

 

• 天文望远镜的校准和使用
• 望远镜的视场（可观测宽度）和“聚光”能力（最微弱的恒星可见）。包括放大倍数对图像对比度和暗星观察的影响。
• 构造星图
• 寻星和天体导航
• 对太阳、月球、金星、火星、木星和土星的基本望远镜观测。
• 农历功能;山脉，山谷，玛丽亚和陨石坑。即总体外观。
• 月球地形。测量长度，直径，高度和估计月球特征的年龄。
• 月球掩星时间。（月亮经过恒星或行星时的结果）。
• 彗星观测和星等（亮度）
• 木星伽利略卫星的观测。
• 恒星颜色观测、光谱研究和恒星分类。
• 太阳表面的特征是太阳黑子的结构和数量、光斑（明亮的区域）、日珥和粒状（太阳外层大气的对流效应）。这里使用特殊的护眼设备，以及单波长检测系统。
• 星团（具有共同距离和运动的恒星群）研究和H-R图（对恒星类型和演化的关键理解）。
• 确定造父变星Delta的周期和振幅。一个著名的案例！
• 双星的观测（可能围绕对方旋转，也可能不围绕对方旋转的近距离恒星）。
• 银河星云（恒星的诞生地）的观测。为例。猎户座星云。
• 球状星团的观测（球状恒星的古老组合）
• 行星状星云的观测（一些恒星周围有一圈气体，这是其老化过程的一部分）。
• 星系外系统的观测（捕捉仙女座星系和其他星系的图像）。
• 天体摄影
• 本征变星及食双星系统的光度观测。使用我们的光度计，学生们观察不稳定的恒星（变量），以及围绕双星运行的恒星（两颗），并相互遮挡，类似于月亮在太阳前面（日食）。详细的曲线显示光的变化，以及这些物体的性质将被探索。

Some Long Run Plans



Environmental Projects: The observatory is in a unique position to examine the solar spectrum at sunset and with proper spectroscopes one can determine the types and concentrations of air pollutants in the New Jersey/New York atmosphere.



Attracting Physics Majors: The potential to do astronomical research will attract active young faculty to our institution. In addition, the observatory will be a catalysis to attract Physics majors. Since the school is a CUNY one, we expect more minority representation and participation in this area.



Teacher preparation:The observatory can function as an exciting catalysis for courses in space-science for primary school teachers and the establishment of an Astronomy/Physics minor for secondary teachers.



Research Projects



The general research projects listed below will give you an idea of the scope of the capabilities of the Observatory. Many of these projects have already been started.

I. General image processing



The Main 16" telescope, as well as, small self contained astronomical systems (consisting of a portable computerized telescope, CCD camera and notebook computer-all battery powered) obtained by a recent NSF ILE-IG grant awarded the author permits a variety of image processing projects. Furthermore, the observatories Weather satellite receiving hardware and software (geostationary and polar) equipment extends projects to images obtained by students from satellites.



The observatories professional scientific image processing software (MIRA and Imagine 32 -Pro for the 486 computers and various packages for the SUN workstation) make image processing projects more feasible for students.



The diverse CCD cameras available ( We have seven cameras ranging from basic to professional sizes) attached to the Main telescope or the portable telescopes can capture images of lunar features, planets, variable stars, clusters, and galaxies. The image data in addition to be taken at the observatory can be obtained at remote sites with the use of the portable systems. The final astronomical images and associated image files can be brought back to the astrophysical laboratory computers for exhibiting, processing and analysis.



Because of it's advantages over photography the CCD camera has been adopted by all major observatories. The high quantum efficiency, dynamic linear responses and broad sensitivity to light of these cameras will permit us to undertake the experiments listed below in relatively light polluted skies1,2,3.

In the last two years, a number of CCD devices have become commercially available4,5,6. These latest low-cost CCD cameras have made it possible for college observatories and amateur astronomers to perform tasks that until recently only major observatories carried out.



Committed research students can easily learn all the necessary concepts for obtaining and analyzing data and setting up and using the telescope, CCD camera.



It is our experience that it takes about a year for a student to be very proficient in the use of these systems.

II Photometry of Stars



The professional level image processing and analysis packages have photometric capabilities, as well as, image processing tools. The scientific grade astronomical filters( BVRI) and filter wheel holders to be used with the CCD camera will permit us to undertake a number of photometric projects.



The initial learning process will involve picking as targets well known short period variable stars or binaries (RR Lyrae stars, W Uma binaries) and obtain differential magnitudes, the resulting light curve results in ascertaining the period( variability time) of these stars. The software permits one to relatively easily obtain very good differential magnitudes. It is even common for researchers to publish differential data. This initial process will be extended to the standard photometric system for comparison of results with other observers, 8, 9.



Among the research targets will be Long Period Variables. The director has learned there are professional astronomers who are not getting enough time at major observatories and who need good data on stars of interest 10, 11.



Small college observatories fit the needs of those who want more time data for their research . After the initial learning process a student will be ready to handle our 16" telescope and its associated equipment and thus be able to contribute to the research community valuable data on the long period variables.

III Photometry of the Solar System



A great deal of work is needed on the Planets, their satellites, as well as, asteroids and comets. Recently, monitoring of IO during the Galileo Mission was called for 12,13,14. The solar system objects are bright and easily visible targets. There are numerous opportunities. Variations of targeted objects can monitor reflectivity, chemical composition and solar activity. An Asteroid Rotation project has recently been started by an engineering student as part of a fellowship(CUNY Pipeline) program.



IV Asteroid Parallaxes



Determining parallaxes of asteroids and the resulting distances has recently become another area of research opportunity for college observatories. It is actually less demanding than photometric projects. Small telescopes equipped with a CCD camera are now powerful enough to detect hundreds to thousands of asteroids. The CSI observatory in conjunction with other observatories can coordinate asteroid observations to obtain accurate parallaxes. Several recent publications deal with this topic in detail 15,16.



V Asteroid Hunting and Discovery



We can use this CCD equipment in the search for asteroids (chunks of matter) that cross the earth's path in space. The rapid acquisition of pictures will permit us to see the paths of these rapidly moving objects (a matter of hours or days). Recently a number of asteroids were accurately tracked and their positions were measured to high precision. The results of the latter work were published by the International Astronomical Union headquartered at the Harvard- Smithsonian observatory in their Minor Planet Circular journal. We expect to extend the hunting to discovering new near-earth asteroids that could possible pose a threat.



VI Comet and Supernova Discovery



The same techniques used for Asteroid work above can be applied to discovering new comets that enter our solar system. Supernova can be found by CCD imaging and monitoring of galaxies.



VII Radio Astronomy

A number of years ago Nobel Laureate Roger Penrose gave the department a number of items for a branch of Astronomy Known as Radio Astronomy. In addition to the gifts, students designed and built a special antenna to collect radio data from the sun and Jupiter. This past year we revised this aspect of undergraduate research. We current have in operation a 6 foot dish to pick up Geo-stationary Satellite relayed information. We have a small "Yagi" antenna to track and obtain images of American, Russian and Chinese polar satellites. We currently are installing a 12 foot computer controlled dish designed by one of our engineering students as part of a design project. The 12 foot dish system will be used in a cooperative program with the Planetary Societies SETI league. Students who use the Radio Equipment can learn Satellite communications, Monitor radio sources from space like the SUN, Jupiter, strong source of radio energy like Centaurus-A-A and maybe get a message from "ET".



The Weather satellite receiving hardware and software (geostationary and polar) equipment at the observatory will permit the study of the atmosphere, ocean currents and general meteorology. Recently, students tracked hurricanes with this equipment.





Dissemination

The director intends to disseminate the results of the astronomical research by the publication of articles in journals such as, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Communications of the International Amateur-Professional Photoelectric Photometry, The Journal of the American Association of Variable Star Observers. Minor Planet Circular of the International Astronomical Union, Lunar and Planetary Observers Journal