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Springer2012年Observational.Astrophysics.3ed
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Part I Foundations 1 Astrophysical Information.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1 Carriers of Information.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Electromagnetic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Matter: From Electrons and Nuclei to Meteorites. . . . . . . . . 5 1.1.3 Neutrinos .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.4 GravitationalWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.5 In Situ Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Data Acquisition.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 The Main Characteristics of Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Observing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 Reaching a Systematic Description of Observation .. . . . . . 27 1.3 Global Organisation of Astronomy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.1 People . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.3.2 Research Policies and Institutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3.3 Publications .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2 The Earth Atmosphere and Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1 Physical and Chemical Structure of the Atmosphere .. . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.1 Vertical Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.2 Constituents of the Atmosphere.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2 Absorption of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3 Atmospheric Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.1 Fluorescent Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.2 Thermal Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.3.3 Differential Measurement Techniques .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4 Scattering of Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.5 Atmospheric Refraction and Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 ix x Contents 2.6 Turbulence Structure of the Earth Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.6.1 Turbulence in the Lower and Middle Atmosphere .. . . . . . . 63 2.6.2 Ionospheric Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.7 The Atmosphere as Radiation Converter .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.7.1 Ground-Based Gamma-Ray Astronomy.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.7.2 Air Showers and Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.8 Terrestrial Observing Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.8.1 Visible, Infrared, and Millimetre Observations . . . . . . . . . . . 72 2.8.2 Centimetre and Metre Wave Radioastronomy.. . . . . . . . . . . . 74 2.8.3 Very High Energy Gamma-Ray Astronomy.. . . . . . . . . . . . . . 75 2.8.4 Very High Energy Cosmic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.8.5 Man-Made Pollution and Interference .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.8.6 The Antarctic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.9 Observation from Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.9.1 The Advantages of Observation from Space . . . . . . . . . . . . . . 79 2.9.2 Sources of Perturbation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.9.3 Choice of Orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.10 The Moon as an Astronomical Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3 Radiation and Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1 Radiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.2 Aspects of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.1 Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.2 Coherence .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.3 Magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.4 Photometry Through the Atmosphere .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.5 Calibration and Intensity Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.5.1 Radiofrequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.5.2 Submillimetre, Infrared, and Visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.5.3 Ultraviolet and X Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.4 Gamma-Ray Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.5.5 Some Examples of Spectrophotometry .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.6 Calibration of Angular Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4 Space–Time Reference Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1 Spatial Reference Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.1.1 Definitions of Spatial Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.1.2 Astronomical Reference Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.1.3 Change of Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.2 Practical Realisation of Spatial Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.2.1 Celestial Reference Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.2.2 Fundamental Catalogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.2.3 The Extragalactic System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Contents xi 4.2.4 The Hipparcos Frame. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.2.5 The Near Future: The Gaia Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.3 Temporal Reference Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 4.3.1 Time Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 4.3.2 Atomic Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.3.3 Coordinated Universal Time (CUT or UTC) . . . . . . . . . . . . . . 164 4.3.4 GPS Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 4.3.5 Dynamical Time Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.3.6 Dates and Epochs. Dealing with Long Periods. . . . . . . . . . . . 169 Part II Data Collection 5 Telescopes and Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 5.1 Image and Object in Astronomy.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 5.1.1 The Telescope and Geometrical Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 5.1.2 Gravitational Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5.2 Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 5.2.1 Radiotelescopes.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 5.2.2 Ground-Based Optical Telescopes: Visible and Near Infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.2.3 Space Telescopes, from Ultraviolet to Submillimetre . . . . 194 5.2.4 X-Ray Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 5.2.5 Gamma-Ray Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 6 Diffraction and Image Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 6.1 Diffraction by an Arbitrary Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.1.1 The Zernike Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 6.1.2 Coherence Etendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 6.1.3 Diffraction at Infinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 6.1.4 Spatial Filtering by a Pupil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 6.2 The Earth Atmosphere and Coherence Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.2.1 Perturbations of the Wavefront. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 6.2.2 The Perturbed Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.2.3 Effect of the Atmosphere on Interferometry . . . . . . . . . . . . . . 238 6.3 Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 6.3.1 Wavefront Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 6.3.2 Phase Correction Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 6.3.3 The Final Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 6.3.4 Sensitivity and Reference Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 6.3.5 New Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 6.4 Astronomical Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 6.4.1 Obtaining an Interferometer Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 6.4.2 Light Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 6.4.3 Temporal Coherence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 6.4.4 Loss of Spatial Coherence.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 xii Contents 6.4.5 Calibrating the Instrumental MTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 6.4.6 Phase Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 6.5 Astronomical Interferometers.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 6.5.1 Radiotelescope Arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 6.5.2 Ground-Based Optical Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.5.3 Space-Based Optical Interferometry .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 6.6 High Dynamic Range Imaging (HDRI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 6.6.1 Coronagraphy and Apodisation .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 6.6.2 Nulling Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 7 Detectors .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 7.1 General Properties .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 7.1.1 Amplitude Detectors. Quadratic Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . 325 7.1.2 Spatial Structure of Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 7.1.3 Temporal Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 7.1.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 7.1.5 Characterisation of Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 7.2 Fundamental Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 7.2.1 Quantum Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 7.2.2 Thermal Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 7.3 Physical Principles of the Detection of Electromagnetic Radiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 7.3.1 Detection of Quanta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 7.3.2 Detection of the Electromagnetic Field. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 7.4 Astronomical Detectors from X Ray to Submillimetre .. . . . . . . . . . . . 355 7.4.1 Noise Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 7.4.2 Photographic Plates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 7.4.3 Photomultipliers and Classical Cameras: X Ray, UV, and Visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 7.4.4 X-Ray Detection (0.1–10 keV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 7.4.5 Solid-State Imagers .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 7.4.6 Charge Coupled Device (CCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 7.4.7 The Hybrid CMOS Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 7.4.8 Observing Conditions in the Infrared .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 7.4.9 Development of Solid-State Imaging Arrays .. . . . . . . . . . . . . 381 7.4.10 Bolometers .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 7.5 Astronomical Detectors: Radiofrequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 7.5.1 General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 7.5.2 Heterodyne Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 7.5.3 The Diversity of Radioastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 7.6 Observing Systems for Gamma-Ray Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 7.6.1 Spatial Resolution of Gamma-Ray Sources . . . . . . . . . . . . . . . 407 7.6.2 Spectral Analysis of Gamma-Ray Sources .. . . . . . . . . . . . . . . 412 Contents xiii 7.7 Neutrino Observing Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 7.7.1 Radiochemical Detection of Solar Neutrinos . . . . . . . . . . . . . 421 7.7.2 Neutrino Detection by Cherenkov Radiation .. . . . . . . . . . . . . 424 7.7.3 High Energy Neutrino Astronomy .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 7.8 GravitationalWave Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 8 Spectral Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 8.1 Astrophysical Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 8.1.1 Formation of Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 8.1.2 Information in Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 8.2 Spectrometers and Their Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 8.2.1 Quantities Characterising a Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 8.2.2 Spectral Discrimination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 8.2.3 The Modes of a Spectrometer .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 8.3 Interferometric Spectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 8.3.1 General Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 8.3.2 Interference Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 8.3.3 Grating Spectrometers .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 8.3.4 Fourier Transform Spectrometer .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 8.3.5 The Fabry–Perot Spectrometer.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 8.3.6 The Bragg Crystal Spectrometer (X-Ray Region) . . . . . . . . 491 8.4 Radiofrequency Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 8.4.1 Spectral DiscriminationMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 8.4.2 Submillimetre Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 8.5 Resonance Spectrometers .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 Part III Data Analysis 9 The Signal in Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 9.1 The Signal and Its Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 9.1.1 Observing System and Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 9.1.2 Signal and Fluctuations. Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 9.1.3 Elementary Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 9.1.4 A Specific Example of Data Processing .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 9.2 Complete Model of an Observing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 9.3 Overall Performance of an Observing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 9.3.1 Observing with the IRAM Millimetre Interferometer . . . . 533 9.3.2 Observing with NAOS Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536 9.3.3 Observing with the Photometric Satellite COROT. . . . . . . . 538 9.3.4 Observing with a Coded Mask Gamma-Ray Instrument.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 9.4 Removing Instrumental Signatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 9.4.1 Intrinsic Emission from the Instrument.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 9.4.2 Dark Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 xiv Contents 9.4.3 Non-Linearity Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 9.4.4 Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 9.4.5 Light Interference.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 9.4.6 Flat Field Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 9.4.7 Defective Pixels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 9.4.8 Effects of High Energy Particle Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 9.5 The Problem of Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 9.5.1 Samples and Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 9.5.2 Point Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 9.5.3 Elements of Decision Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551 9.5.4 Properties of Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 9.5.5 Fr′echet or Rao–Cram′er Inequality .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 9.5.6 Efficient Estimators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566 9.5.7 Efficiency of an Estimator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568 9.5.8 Biased Estimators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568 9.5.9 Minimum Variance Bound and Fisher Information .. . . . . . 570 9.5.10 Multidimensional Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570 9.5.11 Robust Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 9.5.12 Some Classic Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573 9.6 From Data to Object: the Inverse Problem .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575 9.6.1 Posing the Problem .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 9.6.2 Well-Posed Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 9.6.3 Conventional Inversion Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581 9.6.4 Inversion Methods with Regularisation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 9.6.5 Application to Adaptive Optics Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592 9.6.6 Application to Nulling Interferometry .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597 10 Sky Surveys and Virtual Observatories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605 10.1 Statistical Astrophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605 10.2 Large Sky Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 10.2.1 Sky Surveys at Visible Wavelengths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610 10.2.2 Infrared Sky Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 10.3 A Virtual Observatory .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615 A Fourier Transforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 A.1 Definitions and Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 A.1.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 A.1.2 Some Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620 A.1.3 Important Special Cases in One Dimension .. . . . . . . . . . . . . . 622 A.1.4 Important Special Cases in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . 625 A.1.5 Important Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626 A.2 Physical Quantities and Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631 A.3 Wavelets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 Contents xv B Random Processes and Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 B.1 Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 B.2 Random or Stochastic Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 B.3 Physical Measurements and Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653 B.3.1 An Example of Estimation: The Law of Large Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 B.3.2 Estimating the Moments of a Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655 C Physical and Astronomical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659 D Tables of Space Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661 E Webography .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 E.1 Main Earth-Based Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 E.2 Recent Space Missions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667 E.3 Databases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669 E.4 Journals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672 E.5 Bibliographical Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673 E.6 Image Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673 E.7 Education . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675 E.8 Computing and Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676 E.9 Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677 F Acronyms .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705 |
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