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南方科技大学公共卫生及应急管理学院2026级博士研究生招生报考通知（长期有效）

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[资源] Springer2012年Observational.Astrophysics.3ed

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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2015-01-30 00:59:45, 10.16 M