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普考申論題 105年 [天文] 天文觀測概要

第 一 題

📖 題組:
可見光觀測和電波觀測: (一)對水星和金星的可見光地面觀測而言,只能在何種時間和什麼方向看得到?(4 分) (二)這是因為什麼原因?(4 分) (三)但是固定在波多黎各山谷中的阿雷西波(Arecibo)大型電波望遠鏡,觀察方向只能朝上,卻可以仔細描繪水星和金星的表面地形,請問這是什麼原因?(4 分) (四)美國新墨西哥沙漠中的「極大天線陣」(Very Large Array),包含有 20 餘座電波天線,同步觀察一個天體,請問這是應用何種物理原理來進行觀測的?這種觀測方式最大的優點為何?(4 分) (五)世界上近年落成的最大電波天線陣位在何處?名稱為何?大約包含多少個天線?(4 分)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

對水星和金星的可見光地面觀測而言,只能在何種時間和什麼方向看得到?(4 分)

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考生看到此題應先聯想到水星與金星屬於「內側行星」(軌道在地球與太陽之間)。利用太陽、地球與內行星的相對幾何空間位置,推導出內行星在天球上與太陽的角距離(距角)存在極限,進而得出觀測的特定時間與方位。

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【破題】 水星與金星為太陽系中的「內側行星」(Inferior planets),其軌道介於地球與太陽之間,此幾何限制決定了其可見光地面觀測的時間與方向。 【論述】

小題 (二)

這是因為什麼原因?(4 分)

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本題承接前一子題,應從天體運行的幾何空間關係切入。考生需指出水星與金星皆為「內行星」,並運用「最大距角」的概念,解釋為何它們在天球上的位置永遠無法遠離太陽,從而推導出觀測時間與方向的物理限制。

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【破題】水星與金星為「內行星」,因軌道幾何位置限制,其在天球上與太陽的角距離(距角)受到最大極限的限制。 【論述】 一、軌道幾何限制:水星與金星的公轉軌道位於地球軌道內側,從地球觀測時,它們永遠在太陽附近運行,與太陽的夾角(即最大距角)有限。水星的最大距角約為 28 度,金星的最大距角約為 47 度。

小題 (三)

但是固定在波多黎各山谷中的阿雷西波(Arecibo)大型電波望遠鏡,觀察方向只能朝上,卻可以仔細描繪水星和金星的表面地形,請問這是什麼原因?(4 分)

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看到此題,應先聯想「電波觀測」與「可見光」的物理特性差異,特別是電波能穿透金星濃厚雲層的特性。其次,需點出阿雷西波望遠鏡具備「主動雷達探測(Planetary Radar)」的特殊功能,並結合地球自轉帶來的天體位移與望遠鏡焦點可動設計來解釋其觀測機制。

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【破題】阿雷西波望遠鏡能描繪內側行星地形,關鍵在於其具備「主動雷達探測技術」,且電波波段能穿透大氣雲層。 【論述】 一、主動雷達探測技術(Planetary Radar):阿雷西波望遠鏡不僅是被動接收器,更配備強大的雷達發射器。它能主動向水星或金星發射無線電波,並接收其表面反射的回波。透過分析電波往返的時間延遲與自轉造成的都卜勒頻移(Delay-Doppler imaging),即可高解析度地測繪行星的三維表面地形。

小題 (四)

美國新墨西哥沙漠中的「極大天線陣」(Very Large Array),包含有 20 餘座電波天線,同步觀察一個天體,請問這是應用何種物理原理來進行觀測的?這種觀測方式最大的優點為何?(4 分)

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考生看到多個天線同步觀測,應立即聯想到「干涉測量(Interferometry)」與「孔徑合成」技術。解題時須點出物理原理為「電磁波的干涉」,並結合繞射極限公式(解析度與口徑成反比)推導出其最大優點:藉由拉長天線間距(等效口徑)來大幅提升「角解析度」。

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【破題】本題所描述之觀測設備系統應用了「電波干涉測量技術(Radio Interferometry)」與「孔徑合成(Aperture Synthesis)」技術。 【論述】 一、物理原理:

小題 (五)

世界上近年落成的最大電波天線陣位在何處?名稱為何?大約包含多少個天線?(4 分)

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本題考查對當代重大天文觀測設施的認知。看到「最大電波天線陣」,應立即聯想到國際合作的「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)」,並精確答出其為了避開大氣水氣干擾而選定的地理位置與陣列規模。

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【破題】本題測驗考生對當代最具代表性的大型跨國電波天文觀測設施的認識。 【論述】 一、位在何處:位於智利北部的阿塔卡瑪沙漠(Atacama Desert),建於海拔約 5,000 公尺的查南托高原(Chajnantor Plateau)。該地極度乾燥且大氣稀薄,能將水氣對毫米波及次毫米波的吸收干擾降至最低。

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