Contents
Part I
The Basics
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Setting the Scene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Astronomy as an Observational Science . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 The Electromagnetic Spectrum: The Low-Energy Side . . . .
1.3 Intergalactic and Interstellar Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 The Atmosphere: Absorption, Scattering, and Emission . . .
1.5 Observational Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Backgrounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Pointing the Telescope: Astronomical Coordinates
and Sky Catalogs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1 Astronomical Coordinate Systems . . . . . . . . . .
2.2 The Measure of Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Astrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Nomenclature and Catalogs . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Internet Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Part II
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Optical Astronomy
Optical Astronomy: Telescopes . . . . . . . . . . . .
3.1 Telescope Mounts . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Refracting Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Geometrical Optics: Optical Aberrations . .
3.4 Single-Mirror Telescopes . . . . . . . . . . . . .
3.5 Two-Mirror Telescopes . . . . . . . . . . . . . . .
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x
Contents
3.6 Three-Mirror Telescopes and Beyond . . . .
3.7 Advanced Telescope Systems . . . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Telescopes: Ground Based or in Space? . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1 Physical Optics: Diffraction Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 The Point Spread Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 The Airy Pattern and Diffraction Limited Telescopes . . . . .
4.4 The Effect of the Atmosphere: Seeing . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Adaptive Optics Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6 Technical Issues for Ground- and Space-Based Telescopes
4.7 Ground- and Space-Based Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8 Large Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Optical Astronomy: Detectors . . . . . . . . .
5.1 Detectors: The Basics . . . . . . . . . . . .
5.2 Photographic Plates. . . . . . . . . . . . . .
5.3 Photomultiplier Tubes . . . . . . . . . . . .
5.4 Photoconductors . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Superconducting Tunnel Junctions . .
5.7 Charge-Coupled Devices (CCDs) . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6
Optical Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1 Astrophysical Optical Sources: Fluxes . . . . . . .
6.2 Photometric Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Photographic and Photoelectric Photometry . . .
6.4 Photometry with CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Atmospheric Extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6 Transformation to a Standard System . . . . . . . .
6.7 Astrometry with CCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Optical Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1 Astrophysical Optical Sources: Spectra . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Dispersive Optical Elements: Prisms, Gratings, Grisms,
and Echelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 Slitless Spectrographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Slit Spectrographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5 Advanced Spectrographs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Contents
xi
7.6 Spectroscopy with CCDs . . . . .
7.7 Non-dispersive Spectroscopy . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Infrared Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1 Astrophysical Infrared Sources: Fluxes and Spectra .
8.2 Infrared Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3 Infrared Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4 Infrared Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5 Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6 Ground-Based and Space-Based Facilities . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Radio and Submillimeter Astronomy: Radio Telescopes . . . . .
9.1 Astrophysical Radio Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2 Radio and Submillimeter Receivers: Superheterodyne
Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3 Antennas for Radioastronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4 Telescopes for Submillimeter Astronomy . . . . . . . . . . . . . .
9.5 Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6 Mixers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7 Detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Part III
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The Low Energy Side of Classical Astronomy
10 Radio and Submillimeter Astronomy:
Receivers and Spectrometers . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Total Power Radiometers . . . . . . . . . . . . .
10.2 Dicke Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Correlation Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Radio Spectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.1 Autocorrelation Spectrometers . . .
10.4.2 Acousto-Optical Spectrometers . .
10.5 Large Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6 CMB Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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xii
Part IV
Contents
Instruments Acting Together: Interferometry
11 Interferometry and Aperture Synthesis . .
11.1 Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 The van Cittert–Zernike Theorem . . .
11.3 Michelson Stellar Interferometer . . . .
11.4 Aperture Synthesis . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Image Reconstruction . . . . . . . . . . . .
11.6 Intensity Interferometry. . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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142
143
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12 Interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1 Optical and Infrared Interferometers .
12.2 Radio Interferometers . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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155
155
155
Part V
Observing
13 Observations: Preparation and Execution . . . . . . . . . . . .
13.1 Target Selection: Coordinates and Finding Charts . .
13.2 Observations: Site and Epoch Selection . . . . . . . . . .
13.3 Signal-to-Noise Ratio in Photometric Observations
with CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4 Signal-to-Noise Ratio in Spectroscopic Observations
with CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.5 At the Observatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.6 Radio Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.7 Interferometric Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.8 Observing Proposals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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14 After Observation: Data Analysis . . . . . . . . . .
14.1 A Primer in Astronomical Statistics . . . . .
14.2 Time Series Analysis . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3 Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4 Reduction of Photometric Observations . .
14.5 Reduction of Spectroscopic Observations .
14.6 Reduction of Infrared Data . . . . . . . . . . . .
14.7 Reduction of Radio Data . . . . . . . . . . . . .
14.8 Reduction of Interferometric Data . . . . . . .
14.9 Astronomical Software . . . . . . . . . . . . . . .
Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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http://www.springer.com/978-3-319-44731-5