Что такое астрономия
Астрономия - наука о звездах и планетах, о всех небесных телах и явлениях, которые можно наблюдать на небе.
Людей всегда окружают астрономические явления - восходит Солнце, изменяется вид Луны, сменяются сезоны... И, конечно же, ночной небосвод с тысячами мерцающих звезд, загадочных и прекрасных... Только на первый взгляд звездное небо выглядит однообразным, заинтересованному человеку оно откроет удивительные тайны и захватывающие картины...
Немного истории
Около ста тысяч лет назад на Земле появились первые люди. Они были совсем не похожи на нас, жили в пещерах, добывали себе пищу охотой и собирательством. И только владение огнем и простейшими орудиями труда отличали их от животных. Наверное, уже тогда первобытные люди замечали изменение положениия Солнца и его связь с сезонами года, отмечали изменение вида Луны. Археологи на стоянках древнейших людей находят изображения лунных фаз - это своеобразный праобраз календаря каменного века. Человек очень быстро развивался, возникло земледелие и ремесла. Тогда человеку понадобился точный календарь - ведь нужно было уметь определять хотя бы время посевной. И в этом ему помогли наблюдения за Солнцем и звездами - во многих странах мира находят древнейшие каменные "обсерватории" вроде знаменитого Стоунхенджа. Древние египтяне связывали разлив Нила с первым появлением Сириуса в лучах восходящего Солнца, до нас дошли записи об астрономических наблюдениях, сделанных в Египте, Вавилоне, Китае около 3 тысяч лет назад.
Путешественникам и мореплавателям тоже были нужны наблюдения за небесными светилами - именно они еще до изобретения компаса помогали людям ориентироваться в море и в пустыне. Требования к точности измерения времени и определения своего местоположения постоянно росли, и это вело к быстрому развитию астрономии. Но кроме задач практических, необходимых для сельского хозяйства и мореплавания, ученых всегда интересовали вопросы устойства нашего мира. Пожалуй, первые попытки объяснить наблюдаемые на небе явления люди делали намного раньше, чем всерьез приступили к изучению Земли. И пусть это были поначалу мифы и легенды - с этого начиналась любая наука...
Но впервые обобщить астрономические знания, построить систему мира попытались философы древней Греции - Аристотель, Аристарх, Гиппарх, Птолемей. С тех пор астрономия и философия развивались как единая наука о природе и окружающем нас мире.
...Полторы тысячи лет работы греческих философов были фундаментом всей науки, и лишь в XVI веке Николай Коперник предложил новую модель мира, в центре которого располагалось Солнце, а не Земля. Открытия Галилея, Кеплера и Ньютона впервые связали астрономию и физику, доказали, что и небесные тела подчиняются не "божественной воле", но строгим физическим законам. Сформировавшиеся тогда представления о нашей планетной системе в основном верны и сегодня.
Целую революцию в астрономии вызвало появление телескопа в начале XVII века. Он не только повысил точность измерений, но и впервые позволил рассмотреть поверхность Луны, спутники планет солнечной системы, множество слабых туманностей и звездных скоплений... Это вызвало новые вопросы об устройстве нашего мира и постепенно эти вопросы стали для астрономов главными, ведь в наши дни все практические задачи, которыми занималась астрономия, в основном решены - измерение времени, определение географических координат и даже управление межпланетными станциями стали задачами чисто техническими.
Современная астрономия
Конечно, ученые и сегодня занимаются уточнением орбит планет и Луны, открывают новые астероиды и кометы, уточняют положение звезд и их движение, измеряют расстояния до них. Но сегодня круг задач астрономии намного шире! Ученые изучают, как возникла наша Вселенная и как она развивается, как образовались звезды и галактики, что происходит в их недрах и даже - как зародилась жизнь на Земле и существует ли она на других планетах.
Астрономы наблюдают вещество во Вселенной в таких условиях, которые совершенно недостижимы в земных лабораториях. Сегодня наблюдения за небом ведут не только оптические телескопы - огромные антенны радиотелескопов "слушают" радиоизлучение космоса, а установленные на космических аппаратах приборы позволяют изучать Вселенную в невидимых глазом инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучах.
Ксмонавтика позволила в прямом смысле прикоснуться к другим планетам - люди работали на поверхности Луны, автоматические аппараты исследовали все планеты Солнечной системы, сближались с кометами и астероидами, совершали посадки на Луну, Марс, Венеру и даже на спутник Сатурна Титан.
Открыты сотни планет у других звезд, и пусть пока нам доступны только самые огромные из них - гиганты, превышающие размерами и массой Юпитер - для науки нет ничего невозможного и очень скоро мы сможем изучать далекие планеты, похожие на нашу Землю и, как знать, быть может, среди них окажутся и пригодные для жизни!..
Астрономия - одна из тех наук, в которой всегда большую роль играли любители. Конечно, сейчас им невозможно конкурировать с профессионалами в большинстве напрвлений, но остались и такие разделы астрономии, в которых любители по-прежнему приносят большую пользу науке - это наблюдения метеоров, серебристых облаков, поиск комет и астероидов, исследования переменных звезд. И главное, наблюдения звездного неба доступны каждому, и даже если они не будут иметь научной ценности, то уж наверняка принесут ни с чем не ставнимое чувство соприкосновения с тайнами Вселенной!
Телескоп
Телескопы
Шведский солнечный телескоп с апертурой 1 м.
Телеско́п (от др.-греч. τῆλε — далеко + σκοπέω — смотрю) — прибор, предназначенный для наблюдения небесных тел[1].
В частности, под телескопом понимается оптическая телескопическая система, применяемая не обязательно для астрономических целей.
Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы. Кроме того, детекторы нейтрино часто называют нейтринными телескопами. Также, телескопами могут называть детекторы гравитационных волн.
Оптические телескопические системы используют в астрономии (для наблюдения за небесными светилами[1]), в оптике для различных вспомогательных целей: например, для изменения расходимости лазерного излучения[2]. Также, телескоп может использоваться в качестве зрительной трубы, для решения задач наблюдения за удалёнными объектами[3]. Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа были обнаружены в записях Леонардо Да Винчи. Построил телескоп в 1608 Ханс Липперсхей. Также создание телескопа приписывается его современнику Захарию Янсену.
|
|
История
Годом изобретения телескопа, а вернее зрительной трубы, считают 1608 год, когда голландский очковый мастер Иоанн Липперсгей продемонстрировал своё изобретение в Гааге. Тем не менее в выдаче патента ему было отказано, в силу того что и другие мастера, как Захарий Янсен из Мидделбурга и Якоб Метиус из Алкмара, уже обладали экземплярами подзорных труб, а последний вскоре после Липперсгея подал в Генеральные штаты (голландский парламент) запрос на патент. Позднейшее исследование показало, что, вероятно, подзорные трубы были известны ранее, ещё в 1605 году[4]. В «Дополнениях в Вителлию», опубликованных в 1604 г. Кеплер рассмотрел ход лучей в оптической системе, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа (причем как однолинзового, так и двухлинзового) были обнаружены ещё в записях Леонардо Да Винчи датируемых 1509-м годом. Сохранилась его запись: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»).
Первым, кто направил зрительную трубу в небо, превратив её в телескоп, и получил новые научные данные, стал Галилей. В 1609 году он создал свою первую зрительную трубу с трёхкратным увеличением. В том же году он построил телескоп с восьмикратным увеличением длиной около полуметра. Позже им был создан телескоп, дававший 32-кратное увеличение: длина телескопа была около метра, а диаметр объектива — 4,5 см. Это был очень несовершенный инструмент, обладавший всеми возможными аберрациями, тем не менее, с его помощью Галилей сделал ряд открытий.
Название «телескоп» предложил в 1611 году греческий математик Джованни Демизиани для одного из инструментов Галилея, показанном на банкете в Академии деи Линчеи. Сам Галилей использовал для своих телескопов термин лат. perspicillum[5].
Как
работают телескопы
|
Основное
предназначение телескопа не увеличивать,
как полагают многие, а собирать свет.
Чем больше собирающий элемент телескопа,
независимо от того линза это или
зеркало, тем больше света он собирает.
Важно, что именно количество собранного
света определяет степень детализации
изображения - удаленного ландшафта
или колец Сатурна - видимого через
телескоп. Хотя увеличение тоже
немаловажный фактор, но оно не оказывает
влияния на деталированность видимого
в телескоп. Пример: Два телескопа, один
с диаметром объектива (апертурой) 5 см
и другой с диаметром объектива 10 см,
сфокусированы на планету Юпитер. Оба
телескопа работают с увеличением в
100 раз (обозначается 100Х). В 5 см телескоп
самые широкие облачные пояса Юпитера
будут видны отчетливо, но в 10 см телескоп
эти же пояса видны с большей структурностью
и цветом и становятся видны меньшие
пояса, неразличимые в инструмент
меньшего диаметра. Именно преимущество
больших телескопов в объемах собираемого
света позволяет им давать больше
деталей, больше информации глазу, чем
это возможно с меньшим инструментом,
не взирая на применяемые увеличения.
Типы телескопов
Все
телескопы можно разделить на три
класса:
В
телескопах-рефракторах (а) свет
собирается 2х-линзовым объективом и
фокусируется в точке F. Телескоп-рефлектор
же (b) использует для этой цели вогнутое
зеркало. В зеркально-линзовых, или
катадиоптрических, телескопах (с)
применяется сочетание линз и зеркал,
что позволяет применять более короткие
и портативные трубы. Все телескопы
используют окуляр (расположенный за
точкой фокуса F) для увеличения
изображения, сформированного основной
оптической системой.
Телескопы-рефракторы
- используют линзовый объектив как
основной светособирающий элемент.
Все рефракторы Meade, вне зависимости
от модели и апертуры, используют
ахроматический (2х-элементный) объектив
для того чтобы практически свести на
нет хроматическую аберрацию (эффект
окрашивания изображения), которая
возникает при прохождении света сквозь
линзы.
Пример: Meade NG 60/700.
Телескопы-рефлекторы - используют
вогнутое первичное зеркало, чтобы
собирать свет и формировать изображение.
В рефлекторе Ньютона свет отражается
маленьким плоским вторичным зеркалом
к боковой поверхности оптической
трубы, где можно наблюдать
изображение.
Пример: Meade
DS-2114AT.
Зеркально-линзовые
(катадиоптрические) телескопы -
используют вместе и линзы и зеркала,
что дает оптическую конструкцию
позволяющую добиться отличного
разрешения и качества изображения,
при этом используя сверх-короткие,
ультра-портативные оптические
трубы.
Пример: Meade ETX
Окуляр
Окуляры
с различным фокусным расстоянием
используются для получения разного
увеличения.
Назначение
окуляра (состоящего из двух и более
линз смонтированных в металлической
трубке) - увеличивать изображение,
формируемое основной оптикой телескопа
(объективом, первичным зеркалом или
комбинацией линз и зеркал). Окуляры
производятся в широком диапазоне
оптических конструкций, посадочных
диаметров и фокусных расстояний.
Именно фокусное расстояние окуляра
в сочетании с фокусным расстоянием
телескопа определяет рабочее увеличение.
(см. Как вычислить увеличение) Фокусные
расстояния окуляров обычно лежат в
пределах от 4 мм (сильные увеличения)
до 40 мм (слабые увеличения). Заметьте,
что оптический тип окуляра (MA:
Модифицированный ахроматический; PL:
Plossl: SP: Super Plossl) не влияет на увеличение,
но от него зависят диаметр поля окуляра,
цветовую коррекцию изображения, его
общую резкость.
Линзы
Барлоу
Будучи
помещенной перед окуляром, линза
Барлоу увеличивает фокусное расстояние
телескопа. 2x линза Барлоу увеличивает
фокусное расстояние телескопа в 2
раза, тем самым удваивая увеличение
любого телескопа, используемого с
ней.
Диагональные зеркала,
оборачивающие призмы и искатели
Диагональное
зеркало отражает свет под углом в 90°
для комфортного наблюдения; широкоугольный
искатель облегчает поиск объектов.
В
зависимости от модели телескопа с ним
поставляется широкий ассортимент
аксессуаров либо в качестве стандартного,
либо в качестве дополнительного
оборудования.
Диагональные
зеркала (а также диагональные призмы):
позволяют занять более комфортное
положение при наблюдениях объектов
возле зенита. Диагональное зеркало
отражает свет под прямым углом к
основной трубе телескопа. Все рефракторы
и зеркально-линзовые телескопы Meade
имеют для этой цели диагональное
зеркало или призму. Пример: Model 230 и
Model 203SC/500.
Искатели: большинство
телескопов имеют очень узкое поле
зрения, поэтому нахождение и центрирование
объекта в поле телескопа достаточно
проблематично без использования
искателя. Искатель - это маленький
телескоп с малым увеличением и широким
полем зрения, обычно снабженные
перекрестием для более легкого
наведения на объект. Если искатель
настроен соосно основной трубе
телескопа, то объекты, отцентрированные
в искатель, окажутся внутри поля зрения
телескопа.
Оборачивающие
призмы
45°
оборачивающая призма (показанная
прикрепленной к Meade ETX Astro Telescope) позволяет
получить корректно ориентированное
изображение для наземных
наблюдений).
Оборачивающие
призмы: изображение в телескопе (без
диагонального зеркала) для астрономических
наблюдений повернуто «вверх ногами»
и зеркально отражено. Такая ориентация
изображения не мешает при астрономических
наблюдениях, но при наземных наблюдений
нормальная ориентация изображения
более желательна. 45° оборачивающие
призмы Meade позволяют ориентировать
изображение нормально и к тому же
позволяют вести комфортное наблюдение
под углом 45° к основной трубе
телескопа.
Монтировки
телескопов
Монтировка телескопа
позволяет наблюдателю отслеживать
объекты в поле телескопа.
Монтировки
бывают следующих типов:
Альт-азимутальные
монтировки: простейший тип монтировок.
Позволяет перемещать телескоп
вверх-вниз (по вертикали или высоте)
и слева-направо (по горизонтали или
азимуту). Такие монтировки позволяют
следить за объектом простыми
перемещениями по горизонтали и
вертикали. Система точного
позиционирования, часто управляемая
посредством гибких поводков, дает
наблюдателю возможность выполнять
эти движения более точно. Из за своей
простоты и низкой стоимости этот тип
монтировок широко распространен.
Пример: Meade ETX.
Экваториальные
монтировки: с точки зрения астрономии
задача монтировки - компенсировать
эффект вращения Земли и позволить
наблюдателю вести Луну, планеты и
звезды. Эта задача легче решается с
помощью экваториальной монтировки,
которая применяется в более совершенных
моделях телескопов. Путем совмещения
одной из осей монтировки с осью вращения
Земли (простым процессом, который
заключается в направлении одной из
осей телескопа на Полярную звезду)
наблюдатель получает возможность
вести астрономический объект поворотом
вокруг только одной оси, вместо двух
одновременных перемещений, требуемых
при использовании альт-азимутальной
монтировки. Если к экваториальной
монтировке прикрепить маленький
двигатель, то ведение можно осуществлять
автоматически. Такие системы часового
ведения доступны для большинства
телескопов Meade на экваториальной
монтировке. Пример: Meade LXD.
Компьютер
8" телескопа LX200 способен автоматически
находить более 64000 объектов
Монтировки
с компьютерным управлением: В 1992 году
фирма Meade объявила о создании новой
концепции монтировки, которая вскоре
стала самой продаваемой в мире среди
астрономов-любителей. Система
компьютерного управления телескопа
Meade LX200 позволила поместить телескоп
на альт-азимутальную монтировку, в то
время как двигатели на обеих осях,
управляемые встроенным микропроцессором,
ведут объект исключительно точно.
Более того, система LX200 позволяет
наблюдателю ввести номер объекта из
каталога, или его небесные координаты,
нажать кнопку GO TO и наблюдать как
телескоп автоматически найдет объект
на небе и отцентрирует его в своем
поле зрения.
Разрешение,
разрешающая способность и дифракционные
изображения.
Эти термины являются
базовой частью жаргона, связанного с
оптикой и телескопами, жаргона который
способен понять даже самый неопытный
владелец телескопа.
Разрешение
- это качественное выражение того,
насколько много деталей вы увидите в
данный телескоп.
Телескоп
считается имеющим высокое разрешение,
если он изготовлен по оптическим
стандартам, позволяющим добиться
уровня детализации соответствующего
апертуре и оптической конструкции
инструмента.
Дифракционное
изображение звезды: при больших
увеличениях даже в идеальный телескоп
звезда будет выглядеть диском,
окруженным несколькими световыми
кругами
Звезды (в противоположность
к примеру Луне, планетам или наземным
объектам) являются наиболее сложными
объектами для фокусировки и отображения,
потому что они являются точечными
источниками света. С точки зрения
астрономии звезды - это световое
излучение, удаленное на бесконечное
расстояние или точка. Однако телескоп
отображает звезду не как точку, а как
диск имеющий конкретные размеры.
Другими словами, хотя природа и посылает
точечный световой луч в телескоп,
наблюдатель видит в него не точку, а
маленький диск, называемый кружком
Эйри, окруженный слабыми световыми
кольцами. Такое изображение звезды,
состоящее из диска Эйри и окружающих
его световых колец, называется
дифракционной картиной. Принцип
дифракционного изображения позволяет
оценивать качество оптики
телескопа.
Разрешающая
способность - это способность телескопа
разделять две близко расположенные
звезды
Одной из этих оценок
является способность телескопа четко
разделять две звезды, расположенные
рядом. Чем больше апертура телескопа
(диаметр объектива), тем лучше его
способность показывать две близко
расположенные звезды как разные, а не
одну. Эта способность называется
разрешающей способностью инструмента
и она зависит от диаметра объектива,
а не от увеличения. Если качество
оптики телескопа позволяет достичь
максимальной разрешающей способности
теоретически возможной при данной
апертуре, то качество изображения
телескопа называют дифракционным.Первый телескоп был построен в 1609 году итальянским астрономом Галилео Галилеем. Телескоп имел скромные размеры (длина трубы 1245 мм, диаметр объектива 53 мм, окуляр 25 диоптрий), несовершенную оптическую схему и 30-кратное увеличение. Он позволил сделать целую серию замечательных открытий (фазы Венеры, горы на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути). Очень плохое качество изображения в первых телескопах заставило оптиков искать пути решения этой проблемы. Оказалось, что увеличение фокусного расстояния объектива значительно улучшает качество изображения. Телескоп Гевелия имел длину 50 м и подвешивался системой канатов на столбе. Телескоп Озу имел длину 98 метров. При этом он не имел трубы, объектив располагался на столбе на расстоянии почти 100 метров от окуляра, который наблюдатель держал в руках (так называемый воздушный телескоп). Наблюдать с таким телескопом было очень неудобно. Озу не сделал ни одного открытия. Христиан Гюйгенс, наблюдая в 64-метровый воздушный телескоп, открыл кольцо Сатурна и его спутник – Титан, а также заметил полосы на диске Юпитера. Другой крупный астроном того времени, Жан Кассини, с помощью воздушных телескопов открыл еще четыре спутника Сатурна (Япет, Рея, Диона, Тефия), щель в кольце Сатурна (щель Кассини), «моря» и полярные шапки на Марсе. В 1663 году Грегори создал новую схему телескопа-рефлектора. Грегори первым предложил использовать в телескопе вместо линзы зеркало. Основная аберрация линзовых объективов – хроматическая – полностью отсутствует в зеркальном телескопе. Первый телескоп-рефлектор был построен Исааком Ньютоном в 1668 году. Схема, по которой он был построен, получила название «схема Ньютона». Длина телескопа составляла 15 см. 1672 году Кассегрен предложил схему двухзеркальной системы, вскоре ставшую наиболее популярной. Первое зеркало было параболическим, второе имело форму выпуклого гиперболоида и располагалось перед фокусом первого. В настоящее время практически все телескопы являются зеркальными. Сначала зеркала делали из металлических заготовок. Сейчас их изготавливают из стекла, а затем наносят на поверхность тонкий слой серебра (используется в основном любителями) или алюминия, который напыляется в вакууме. Самый большой в мире зеркальный телескоп им. Кека имеет диаметр 10 м и находится на Гавайских островах. В России на Кавказе работает телескоп БТА размером 6 м.
Первым приемником изображений в телескопе, изобретенным Галилеем в 1609 году, был глаз наблюдателя. С тех пор не только увеличились размеры телескопов, но и принципиально изменились приемники изображения. В начале ХХ века в астрономии стали употребляться фотопластинки, чувствительные в различных областях спектра. Затем были изобретены фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Эволюция параметров оптических телескопов:
Год изготовления |
Диаметр D, мм |
Угловое разрешение δ" |
Приемник излучения |
1610 |
50 |
15 |
Глаз |
1800 |
1200 |
4 |
Глаз |
1920 |
2500 |
1,5 |
Фотопластинка |
1960 |
5000 |
1,0 |
Фотопластинка |
1980 |
6000 |
1,0 |
ПЗС |
2000 |
10000 |
0,02 |
ПЗС |
В современных телескопах в качестве приемников излучения используют ПЗС-матрицы. ПЗС состоит из большого количества (1000×1000 и более) полупроводниковых чувствительных ячеек размером в несколько микрон каждая, в которых кванты излучения освобождают заряды, накапливаемые в определенных местах – элементах изображения. Изображения обрабатываются в цифровом виде при помощи ЭВМ. Матрица должна охлаждаться до температур –130°С. Наблюдения на современных телескопах проводятся из специальных помещений; во время работы телескопов людям в здании желательно не находится, чтобы не создавать лишних вибраций и потоков тепла. Некоторые телескопы могут передавать изображение напрямую пользователям Internet. В современных телескопах-рефлекторах главное зеркало, как правило, имеет параболическую или гиперболическую форму. Они способны получать изображение не только в оптическом, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Имеются механизмы компенсирования дрожания атмосферы – адаптивная оптика и спекл-интерферометрия. На Паломарской обсерватории при помощи зеркально-линзового телескопа системы Шмидта был проведен обзор, состоящий из тысячи карт, запечатлевших в двух цветах объекты неба до 21-й звездной величины. Пятиметровый телескоп Паломарской обсерватории является самым старым из крупнейших телескопов мира. 2,5-метровый телескоп обсерватории Апаче-Пойнт (США), оснащенный гигантской ПЗС-камерой, начал составлять новый обзор, в котором будут объекты в пяти цветах до 25-й звездной величины. На 10-метровом зеркале телескопа «Кек-1» на Гавайских островах при помощи сегментирования получено разрешение 0,02". Там же на высоте 4150 м над уровне моря расположен телескоп «Кек-2». На 6-метровом телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН на Северном Кавказе при применении новой спекл-интерферометрической камеры удалось довести угловое разрешение до 0,02". Телескоп VLT (Very Large Telescope), который находится на севере Чили на вершине горы Паранал в пустыне Атакама на высоте 2635 м над уровнем моря, состоит из четырех идентичных телескопов, размеры каждого из которых 8,2 м. Все четыре телескопа смогут работать в режиме интерферометра со сверхдлинной базой и получать изображения, как на телескопе с 200–метровым зеркалом. В настоящее время производится отладка всей системы в гигантский оптический интерферометр. Телескоп НЕТ (имени Вильяма Хобби и Роберта Эберли), зеркало которого имеет размеры 9,1 м, вступил в строй в 1997 году в Маунт-Фоулкес (штат Техас, США). Он расположен на высоте 2002 м над уровнем моря. Телескоп «Субару», диаметр зеркала которого достигает 8,2 м, вступил в строй в 1999 году на Мауна-Кеа, Гавайские острова, на высоте 4139 м над уровнем моря. Его системы следят за формой главного зеркала с целью уменьшения искажений и борьбы с атмосферным дрожанием. Управляемый компьютером цилиндрический купол телескопа подавляет тепловую турбулентность воздуха. В настоящее время производится наладка этого телескопа, но уже получено разрешение 0,2". Наблюдения на данном телескопе проводятся из специальных помещений, во время работы телескопа люди в здании находиться не могут. Наблюдения могут проводиться и при помощи Internet. Телескоп рассчитан на наблюдения от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра. Телескоп «Джемини» северный (Gemini Telescope north), размеры которого 8,1 м, вступил в строй в 1999 году на Мауна-Кеа, Гавайские острова на высоте 4214 м над уровнем моря. Это первый из телескопов «Джемини», второй расположен в южном полушарии (Серро-Пачон, Чили) и вступит в строй в 2001 году. Планируется, что они будут работать как интерферометры. Телескопы «Магеллан-1» и «Магеллан-2», расположенные в Лас-Кампанасе (Чили) на высоте 2300 м над уровнем моря, частично вступили в строй в 1999 году. Размеры зеркал этих телескопов 6,5 м. Полный ввод в строй этих телескопов, работающих как интерферометры, ожидается в 2002 году. Среди рефракторов крупных телескопов нет. Йеркский рефрактор (США, 1897) имеет объектив 1,02 м, Ликский (Маунт-Гамильтон, США, 1888) – 0,9 м, Медонский (Франция, 1889) – 0,83 см. Построенный на основе технологии, свободной от комы и астигматизма, «Большой Шмидт» (Маунт-Паломар, США, 1948) имеет 48-дюймовое зеркало. Такой же по величине Британский телескоп Шмидта (1973) расположен в Австралии. Особое значение в наш космический век придается орбитальным обсерваториям. Наиболее известная из них – космический телескоп им. Хаббла – запущен в апреле 1990 года и имеет диаметр 2,4 м. После установки в 1993 году корректирующего блока телескоп регистрирует объекты вплоть до 30-й звездной величины, а его угловое увеличение – лучше 0,1" (под таким углом видна горошина с расстояния в несколько десятков километров). С помощью телескопа удалось получить снимки далеких объектов Солнечной системы, наблюдать падение кометы Шумейкеров – Леви на Юпитер и извержение Ио, изучить цефеиды и квазары, получить снимки предельно слабых галактик. Исследования с орбиты проводятся не только в оптическом, но и во всех других диапазонах электромагнитного излучения. Астрономические данные, полученных на различных современных телескопах, накапливаются на специальных компьютерах. Обычно результаты наблюдений в течение года считаются собственностью получившего их ученого. Затем данные переходят в общее пользование. В настоящее время создаются виртуальные обсерватории, в которых будут доступны данные наблюдений с обсерваторий VLT, Космического телескопа им. Хаббла и других.
Телескопы бывают самыми разными – оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи: создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.); собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов. Параллельные лучи света (например, от звезды) падают на объектив. Объектив строит изображение в фокальной плоскости. Лучи света, параллельные главной оптической оси, собираются в фокусе F, лежащем на этой оси. Другие пучки света собираются вблизи фокуса – выше или ниже. Это изображение с помощью окуляра рассматривает наблюдатель. Диаметры входного и выходного пучков сильно различаются (входной имеет диаметр объектива, а выходной – диаметр изображения объектива, построенного окуляром). В правильно настроенном телескопе весь свет, собранный объективом, попадает в зрачок наблюдателя. При этом выигрыш пропорционален квадрату отношения диаметров объектива и зрачка. Для крупных телескопов эта величина составляет десятки тысяч раз. Так решается одна из основных задач телескопа – собрать больше света от наблюдаемых объектов. Если речь идет о фотографическом телескопе – астрографе, то в нем увеличивается освещенность фотопластинки. Вторая задача телескопа – увеличивать угол, под которым наблюдатель видит объект. Способность увеличивать угол характеризуется увеличением телескопа. Оно равно отношению фокусных расстояний объектива F и окуляра f. G=F/f Первый телескоп появился в начале XVII века.
араллактическая
головка и ее строение
Правильнее
будет говорить параллактическая
установка. Термин "головка"
применяется, но реже.
Телескоп
устанавливают на прочном штативе.
Любой из штативов имеет две взаимно
перпендикулярные оси. Вращение вокруг
этих осей позволяет направить телескоп
на любое светило.
Простейшая
установка - азимутальная; одна из осей
в этой установке вертикальная, а другая
горизонтальная. Вращением вокруг
горизонтальной оси мы изменяем наклон
телескопа к плоскости горизонта, а
вращением вокруг вертикальной оси -
азимут.
Гораздо удобнее
параллактическая, или экваториальная
установка. Одна из ее осей устанавливается
параллельно оси мира и называется
полярной осью. Вращая телескоп вокруг
полярной оси, мы заставляем его
следовать за суточной параллелью
светил. При наличии часового механизма
телескоп автоматически следить за
звездой, вращаясь вокруг полярной
оси. Перпендикулярная к ней ось
называется осью склонений. Вращая
трубу вокруг нее, мы перемещаем телескоп
в плоскости круга склонений.
Существуют
два основных типа параллактических
установок - немецкий и английский.
Немецкая установка требует одной
колонны, а английская - двух.
Многие
наблюдения любитель астрономии может
производить и без часового механизма,
но экваториальная установка, хотя бы
примитивная, более чем желательна.
Простейшие установки могут быть
изготовлены даже из водопроводных
труб.
Надо иметь прочную колонну,
для чего может быть использован
вкопанный в землю деревянный
столб.
|
Устройство
параллактического штатива немецкого
типа.
Устройство
параллактического штатива английского
типа.
Верхняя часть колонны
срезается под углом, равным географической
широте места наблюдения. Столб
ориентируется перед его укреплением
таким образом, чтобы плоскость среза
была параллельна оси мира. Па ней
укрепляются два подшипника, в которые
входит полярная ось. Вместо подшипников
может быть установлен корпус
автомобильного мотора. Сквозь отверстие
в подшипниках (или в корпусе мотора)
вставляют полярную ось, предварительно
укрепив на ней толстую полосу в
перпендикулярном направлении. Это
будет опорой для двух подшипников,
сквозь которые пройдет ось склонений.
Вставив затем ось склонений, к которой
прикреплен телескоп, в эти подшипники,
закрепляют ось контршайбой со стопорным
винтом таким образом, чтобы она не
могла выпадать из подшипников. На
одном конце оси склонений находится
телескоп, а на втором противовес,
перемещающийся вдоль оси склонений
чтобы можно было уравновесить телескоп.Приемники излучения и изображения
Какую бы сложную систему из телескопа, светофильтров, интерферометров и спектрографов ни соорудили астрономы, на её выходе неизбежно находится приёмник излучения или изображения. Приёмник изображения регистрирует изображение источника. Приёмник излучения регистрирует только интенсивность излучения, ничего не сообщая о том, каковы форма и размер объекта, который его освещает. Первым приёмником изображения в астрономии был невооружённый человеческий глаз. Вторым стала фотопластинка. Для нужд астрономов были разработаны фотопластинки, чувствительные в самых разных областях спектра, вплоть до инфракрасной и, что самое главное, хорошо работающие при наблюдении слабых объектов. Астрономическая фотопластинка - исключительно ёмкий, дешёвый и долговечный носитель информации; многие снимки хранятся в стеклянных библиотеках обсерваторий более ста лет. Самая большая фотопластинка применяется на одном из телескопов третьего поколения: её размер 53 х 53 см! В начале 30-х гг. ленинградский физик Леонид Кубецкий изобрёл устройство, названное впоследствии фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Свет от слабого источника падает на нанесённый внутри вакуумной колбы светочувствительный слой и выбивает из него электроны, которые ускоряются электрическим полем и попадают на пластинки, умножающие их число. Один электрон выбивает три-пять электронов, которые в свою очередь размножаются на следующей пластинке и т. д. Пластинок таких около десяти, так что усиление получается огромное. Фотоумножители производятся промышленным способом и широко применяются в ядерной физике, химии, биологии и астрономии. Работа по исследованию источников звёздной энергии была выполнена в значительной степени с помощью ФЭУ - этого простого, точного и стабильного прибора. Почти одновременно с фотоумножителем в разных странах изобретатели независимо друг от друга создали электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Он применяется в приборах ночного видения, а специально разработанные высококачественные приборы этого типа эффективно используются в астрономии. ЭОП также состоит из вакуумной колбы, на одном конце которой имеется светочувствительный слой (фотокатод), а на другом - светящийся экран, подобный телевизионному. Выбитый светом электрон ускоряется и фокусируется на светящемся под его действием экране. В современные ЭОП вставляют усиливающую электронное изображение пластинку, составленную из множества микроскопических фотоумножителей. Значительное распространение в астрономии в последние годы получили так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС), уже завоевавшие себе место в передающих телекамерах и переносных видеокамерах. Кванты света здесь освобождают заряды, которые, не покидая специально обработанной пластинки из кристаллического кремния, скапливаются под действием приложенных напряжений в определённых её местах - элементах изображения. Манипулируя этими напряжениями, можно двигать накопленные заряды таким образом, чтобы направить их последовательно по одному в обрабатывающий комплекс. Изображения воспроизводятся и обрабатываются при помощи ЭВМ. Системы ПЗС очень чувствительны и позволяют измерять свет с высокой точностью. Самые большие приборы такого рода не превосходят по размеру почтовую марку, но тем не менее эффективно используются в современной астрономии. Их чувствительность близка к абсолютному пределу, поставленному природой; хорошие ПЗС могут регистрировать "поштучно" большую часть падающих на них квантов света. |
Разработка рефлекторов третьего и четвертого поколения
Работа на рефлекторах второго поколения показала, что 3-метровый телескоп с высококачественной оптикой, установленный в пункте со спокойной атмосферой, может оказаться эффективнее 5-метрового, работающего в более плохих условиях. Это было учтено при разработке рефлекторов третьего поколения. Конструирование нового телескопа отличается от работ по созданию других видов техники. Современный самолёт испытывается много лет в виде опытных образцов и лишь потом идёт в серийное производство. Сейчас крупный телескоп стоит примерно столько же, сколько самолёт, но у астрономов, к сожалению, не бывает денег на опытный образец. Его заменяют тщательное изучение имеющихся инструментов и частые обсуждения проектов. Обычно первыми строятся один-два инструмента серии; накопленный при этом опыт чрезвычайно ценен. Если инструмент очень велик и дорог, всё же строится опытный экземпляр меньшего размера. Основной особенностью телескопов третьего поколения является главное зеркало диаметром 3,5-4 м гиперболической (а не параболической) формы, изготовленное из новых материалов: плавленого кварца или ситаллов - стеклокерамики с практически нулевым тепловым расширением, разработанной в СССР в 60-е гг. Применение в кассегреновской конфигурации главного гиперболического зеркала позволяет значительно расширить поле хороших изображений; расчёт этой системы был выполнен в 20-е гг. Телескопы третьего поколения стремятся устанавливать в местах, специально выбранных по спокойствию атмосферы. Подобных телескопов в настоящее время построено довольно много; считается, что это инструмент университетского класса. 6-метровый телескоп, вошедший в строй в 1975 г., хотя и относится ко второму поколению, но в его конструкцию было внесено одно кардинальное изменение. Телескопы предыдущих поколений устанавливались экваториально. Они сопровождали наблюдаемую звезду, поворачиваясь со скоростью одного оборота в звёздные сутки вокруг оси, направленной на полюс мира. По второй координате объекта - склонению - телескоп устанавливается до начала фотографирования и вокруг этой оси больше не вращается. Ещё до Второй мировой войны отечественный конструктор астрономических приборов Н. Г. Пономарёв обратил внимание на то, что труба телескопа и вся его конструкция будут значительно легче, а значит, и дешевле, если перейти от экваториальной к азимутальной установке, т. е. если телескоп будет вращаться вокруг трёх осей - оси азимута, оси высоты и оптической оси (там можно вращать только кассету с фотопластинкой). Эта идея и была осуществлена в 6-метровом телескопе, получившем название БТА (Большой телескоп азимутальный). Он установлен в астрофизической обсерватории на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской. Азимутальная монтировка используется во всех без исключения телескопах четвёртого поколения. Кроме этого новшества для них характерно исключительно тонкое зеркало, форма которого подстраивается с помощью ЭВМ после автоматического анализа оптической системы по изображению звезды. Строится более десяти инструментов такого типа диаметром более 8 м, и уже работает их модель диаметром 4 м. Трудно даже представить, какие новые открытия они принесут астрономии. |
Рефракторы XIX столетия
Потребовалось около века, чтобы убедиться в ошибочности утверждения Ньютона о том, что создать ахроматический объектив невозможно. В 1729 г. был изготовлен объектив из двух линз разного стекла, позволивший уменьшить хроматическую аберрацию. А в 1747 г. великий математик Леонард Эйлер рассчитал объектив, состоящий из двух стеклянных менисков (оптическое стекло, выпуклое с одной стороны и вогнутое с другой), пространство между которыми заполнено водой - совсем как в "Таинственном острове" Жюля Верна. Он должен был строить изображения, лишённые цветовой каймы. Английский оптик Джон Дол-лонд вместе с сыном Питером предпринял серию опытов с призмами из известного со времён Галилея венецианского стекла (крона) и нового английского сорта стекла - флинтгласа, обладавшего сильным блеском и применявшегося для изготовления украшений и бокалов. Выяснилось, что из этих двух сортов можно составить объектив, не дающий цветовой каймы: из крона следует лжЛ сделать положительную линзу, а из флинтгласа - несколько более слабую отрицательную. Началось массовое производство Доллондовых труб. Ахроматическими телескопами занималась вся Европа. Эйлер, ДАлам-бер, Клеро и Гаусс продолжали их расчёт; несколько лондонских оптиков оспаривали в суде взятый Доллондами патент на ахроматический объектив, но успеха не добились. Питер Доллонд разработал уже трёхлинзовый ахромат, по мнению астрономов, очень хороший; иезуитский профессор Руджер Бошко-вич в Падуе придумал специальный прибор - витрометр (от лат. vitrum - "стекло") для точного определения показателей преломления оптических стёкол. В 1780 г. Доллонды начали серийный выпуск нескольких типов армейского телескопа со складной трубой. Когда Джон Доллонд выдавал свою дочь замуж (разумеется, за оптика), её приданым служила часть патента на ахроматический объектив. Научный метод изготовления линзовых объективов был введён в практику немецким оптиком Йозефом Фраунгофером. Он наладил контроль поверхностей линз по так называемым цветным кольцам Ньютона, разработал механические приборы для контроля линз (сферометры) и проанализировал расчёты Доллонда. Он начал измерять показатели преломления с помощью света натриевой лампы и заодно изучил спектр Солнца, найдя в нём множество тёмных линий, которые до сих пор называют фраунгоферовыми. 24-сантиметровый объектив для Дерптского рефрактора (Дерпт - ранее Юрьев, ныне Тарту, Эстония), изготовленный Фраунгофером, был прекрасно скорректирован по хроматической и сферической аберрациям; этот телескоп долгое время оставался крупнейшим в мире. Монтаж телескопа в Дерпте вёлся под руководством Василия Струве (впоследствии - основателя и директора Пулковской обсерватории). Дерптский рефрактор оказался невероятно удачным прибором. С его помощью Струве измерил расстояние до ярчайшей звезды северного полушария неба - Веги; оно оказалось огромным: около 26 световых лет. Конструкцию этого телескопа повторяли в течение всего XIX в.; небольшие телескопы делают по его образцу и сейчас. |