Современные телескопы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

По мере развития астрономической техники появилась возможность изучать объекты во всем электромагнитном спектре, для чего были разработаны специальные системы телескопов и дополнительных детекторов, позволяющие работать в различных диапазонах волн. Термин "телескоп", первоначально означавший оптический инструмент, получил более широкое значение. Однако в телескопах, работающих в видимом, радио- и рентгеновском диапазонах, используются системы и методы, сильно различающиеся между собой.

Инструмент, который собирает электромагнитное излучение удаленного объекта и направляет его в фокус, где образуется увеличенное изображение объекта или формируется усиленный сигнал называется телескопом.

Само слово телескоп, имеет греческое происхождение, что в дословном переводе означает "далеко видеть".

Телескоп, позволяющий астрономам видеть далекие миры, был и остается их главным инструментом. Без его помощи совсем немногое узнали бы мы о тайнах Вселенной. Существуют два основных типа телескопов.

Для многих тысяч людей астрономия является большим увлечением. Каждому любителю под силу увидеть много интересного, если запастись картой звездного неба, фонариком с красным фильтром (чтобы не слепило глаза) и теплой одеждой. Наблюдать небо можно невооруженным глазом, с помощью бинокля или в телескоп. Следите за изменяющимся видом планет или блеском переменных звезд. Как знать, может, вам однажды посчастливится открыть неизвестную комету или новую звезду.

Астрономы-профессионалы мало, если вообще когда-либо смотрят в телескоп. Человеческий глаз уступил место сложным приборам. Ученые наблюдают то, что видит телескоп, на телевизионных экранах, а управляют им и анализируют полученную информацию с помощью компьютеров.

Современный телескоп - это компьютерные телескопы оснащенные необходимыми программами.

Первоначально задачи астрономии в основном сводились лишь к наблюдению положений небесных светил и определению местоположения наблюдателя на поверхности Земли. Лишь со времен Галилея, с изобретением телескопа, астрономы приступили к изучению физической природы небесных тел.

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.

Первая задача сводится к следующему:

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.

Вторая задача телескопа - увеличивать угол, под которым наблюдатель видит объект.

Первый телескоп появился в начале XVII века. Официальной датой рождения телескопа принято считать 1609 год. Именно в этом году Галилео Галилей, экспериментируя с линзами для создания очков, нашел комбинацию, которая обеспечивала многократное приближение. Построенная же ученым первая зрительная труба стала прародительницей современных рефракторов и впоследствии получила название телескопа.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕЛЕСКОПА

Коренной переворот в методах астрономических наблюдений произошел в 1609 г., когда итальянский ученый Г. Галилей применил для обозрения неба зрительную трубу и сделал первые телескопические наблюдения. Поэтому, начало телескопической астрономии обычно связывают с именем Галилео Галилея, который с помощью изготовленной им самим зрительной трубы (зрительная труба была изобретена незадолго перед этим в Голландии) сделал выдающиеся открытия и дал им правильное научное объяснение. В совершенствовании конструкций телескопов-рефракторов, имеющих линзовые объективы, большие заслуги принадлежат И. Кеплеру.

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.

Первые телескопы были еще крайне несовершенны, давали нечеткое изображение, окрашенное радужным ореолом. Избавиться от недостатков пытались, увеличивая длину телескопов. Так появились огромные инструменты, вроде того, который в 1664 г. был построен во Франции А. Озу.

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.

УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТЕЛЕСКОПОВ

Телескоп (от др.-греч -- далеко и смотрю) -- прибор, предназначенный для наблюдения небесных тел.

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.

Оптический телескоп - один из наиболее почтенных научных инструментов, в течение веков использовался астрономами для исследования звезд и планет. Последние годы телескопы оснащают современными детекторами и системами компьютерной обработки изображения. Наблюдая удаленные объекты, свет от которых идет миллиарды лет, астрономы получат возможность заглянуть в давно прошедшие времена. Полагают, что возраст Вселенной составляет около 13,7 млрд лет. Зародыши возникающих Галактик, свет от которых идет так долго и находящиеся так далеко, пока разглядеть не удается. Решение этой проблемы - принципиальная задача науки.

Более чем три столетия астрономическим наблюдениям мешало влияние земной атмосферы. Этот слой газов ухудшает различимость объектов, которые они могли бы видеть в телескоп. Атмосферные искажения для большинства мест на Земле приводят к тому, что телескопы не могут достичь теоретического предела разрешения. В попытках обойти влияние атмосферы астрономы строят обсерватории высоко в горах, чтобы находиться как можно выше ее турбулентностей.

После ускорителей частиц и токамаков большие телескопы - наиболее дорогостоящие научные установки. Крупнейшие телескопы находятся на Гавайях и в горах Анд, где установлены телескопы с зеркалами до 10 м в диаметре. Американское космическое агентство запустило космический телескоп Хаббл с 2-х метровым зеркалом.

Почему продолжают строить наземные большие телескопы? По трем соображениям: во-первых, большие телескопы могут собрать больше света, следовательно, они позволяют увидеть слабо светящиеся объекты; во- вторых, это дешевле, чем запускать телескоп в космос; в-третьих, адаптивная оптика обещает скомпенсировать атмосферную турбулентность и реализовать на больших телескопах их полное разрешение. В новых 8 и 10 метровых телескопах, которые к настоящему времени сооружены, предусматривают возможность использования адаптивной оптики, компенсирующей атмосферные неоднородности.

Оптические телескопические системы используют в астрономии (для наблюдения за небесными светилами), в оптике для различных вспомогательных целей: например, для изменения расходимости лазерного излучения.

Телескоп любого типа имеет объектив и окуляр.

Линза, обращенная к объекту наблюдения, называется Объективом, а линза , к которой прикладывает свой глаз наблюдатель - Окуляр.

Может быть дополнительная лупа, которая позволяет приблизить глаз к фокальной плоскости и рассматривать изображение с меньшего расстояния, т. е. под большим углом зрения.

Таким образом, телескоп можно изготовить, расположив на одной оси одна за другой две линзы - объектив и окуляр. Для наблюдений близких земных предметов суммарное расстояние фокусов должно быть увеличено. Меняя окуляры, можно получить различные увеличения при одном и том же объективе.

Если линза толще посередине, чем на краях, она называется Собирающей или Положительной, в противном случае - Рассеивающей или Отрицательной.

Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется Оптической осью линзы. Если на такую линзу попадают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой Фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до её фокуса называют фокусным расстоянием. Чем больше кривизна поверхностей собирающей линзы, тем меньше фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.

Tелескоп принято характеризовать угловым увеличением. В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя.

Основное предназначение телескопа - собирать свет. Чем больше диаметр собирающего элемента, тем больше света сможет собрать телескоп. Чем больше света соберет телескоп, тем более качественное изображение получится.

В зависимости от конструкции оптической схемы телескопы делят на:

линзовые системы - рефракторы,

зеркальные системы - рефлекторы,

зеркально-линзовые телескопы.

Возможности телескопов каждой группы несколько отличаются, поэтому, чтобы выбрать оптимальный для своих нужд оптический инструмент, начинающий астроном-любитель должен иметь некоторое представление о его устройстве.

Телескоп-рефрактор. В телескопе-рефракторе в качестве светособирающего элемента используется линза или система линз. Диаметр линзы в таких телескопах варьируется от 50мм до 150мм. Этот тип телескопов довольно прост в обслуживании и эксплуатации. К недостаткам можно отнести значительною длину, довольно высокую цену, искажения изображения. Телескоп-рефлектор. Телескоп-рефлектор собирает свет с помощью вогнутого зеркального объектива. Телескопы другой большой группы собирают световой пучок при помощи зеркала, поэтому называются зеркальными телескопами, рефлекторами. Самая популярная конструкция зеркального телескопа называется по имени своего изобретателя, телескопом системы Ньютона. Фокусируемый пучок света отражается дополнительным плоским зеркалом в окуляр. По сравнению с рефракторами рефлекторы имеют большие объективы, а значит, собирают большее количество света. Изготовление зеркала проще и дешевле чем изготовление линзы того же размера, поэтому рефлектор обойдется дешевле рефрактора с той же апертурой. Особенностью телескопов этого типа является то, что они дают перевернутое изображение, так что для наземных наблюдений этот телескоп не подойдет.

Зеркально-линзовый телескоп. В зеркально-линзовых телескопах изображение получается с помощью сложного объектива, состоящего из системы зеркал и линз. За счет этого удается значительно снизить искажения телескопа по сравнению с зеркальными или линзовыми системами. К преимуществам телескопов этого типа можно отнести небольшой размер трубы и меньшие искажения.

Эту группу современных телескопов составляют своеобразные гибриды - катадиоптрические телескопы, оптические системы которых комбинируют линзы и зеркала. Здесь представлены катадиоптрические телескопы системы Ньютона, телескопы Шмидта-Кассегрена и Максутова-Кассегрена.

НАЗНАЧЕНИЕ ТЕЛЕСКОПА

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 .

Телескоп - это оптическая система, которая, «выхватывая» из пространства небольшую область, зрительно приближая расположенные в ней объекты. Телескоп улавливает параллельные своей оптической оси лучи светового потока, собирает их в одну точку (фокус) и увеличивает при помощи линзы или, чаще, системы линз (окуляра), которая одновременно снова преобразует расходящиеся лучи света в параллельные. В результате этого мы можем с хорошими подробностями рассмотреть объекты, удаленные на значительное расстояние. При этом диаметр наблюдаемого пространства зависит от поля зрения окуляра.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Современный телескоп - это компьютерные телескопы, оснащенные необходимыми программами. Совсем недавно новое поколение современного телескопа - компьютерный телескоп, быстро, прочно, уверенно и надежно вошел в жизнь как профессиональных астрономов так еще больше в жизнь астрономов любителей. Да и кто же из астрономов или просто любителей восхитительных красот космоса и высот внеземной жизни, теперь станет тратить свое драгоценное время на возню с настройками и расчетами, при наблюдениях со старыми не современным телескопом, от которого если хоть на секунду оторвешься, то того и гляди, что пропустишь комету или новую звезду. С появлением компьютеров, естественно, что все фирмы, производители и торговые марки, стараясь идти в ногу со временем и спросом, основное внимание уделяют телескопам с компьютерным оснащением и беспрерывно работают над созданием все более новых и усовершенствованных программ для телескопов. Такие ведущие в производстве современных телескопов фирмы как Сelestron, Mead, Sky Watcher и многие другие уже давно стали на путь создания нового поколения телескопов с программным управлением, программной настройкой, наблюдением и так далее. Современный телескоп, обладая отличной оптикой, компактностью, оптическими характеристиками, четкостью, яркостью, контрастностью и так далее оснащается рядом современных программ. Телескоп уже становится не только астрономическим прибором для наблюдения за звездами, а также может обучить астрономии, провести увлекательную экскурсию по звездному небу, содержит банк данных с каталогами звезд и даже в ваше отсутствие проведет необходимые наблюдения.

Самым большим телескопом, работающим на околоземной орбите, является на сегодня космический телескоп «Хаббл», запущенный в 1990 году.

Космический телескоп «Хаббл» имеет диаметр главного зеркала 2,4 м. Он находится на орбите высотой 650 км, что исключает влияние земной атмосферы. После запуска телескопа в 1990 году неожиданно обнаружился дефект формы его главного зеркала, который был скорректирован средствами оптики, доставленными на орбиту экипажем космического челнока в 1993 году. Благодаря особой чувствительности этого телескопа ученые теперь могут различать детали в десять раз более мелкие и тусклые, чем те, что доступны наземным телескопам.

Для исследования космических объектов в радиодиапазоне применяют радиотелескопы. Основными элементами радиотелескопов являются принимающая антенна и радиометр -- чувствительный радиоприемник, перестраиваемый по частоте, и принимающая аппаратура. Поскольку радиодиапазон гораздо шире оптического, для регистрации радиоизлучения используют различные конструкции радиотелескопов, в зависимости от диапазона. В длинноволновой области (метровый диапазон; десятки и сотни мегагерц) используют телескопы составленные из большого числа (десятков, сотен или, даже, тысяч) элементарных приемников, обычно диполей. Для более коротких волн (дециметровый и сантиметровый диапазон; десятки гигагерц) используют полу- или полноповоротные параболические антенны. Кроме того, для увеличения разрешающей способности телескопов, их объединяют в интерферометры. При объединении нескольких одиночных телескопов, расположенных в разных частях земного шара, в единую сеть, говорят о радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Примером такой сети может служить американская система VLBA (англ. Very Long Baseline Array). С 1997 по 2003 год функционировал японский орбитальный радиотелескоп HALCA (англ. Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy), включенный в сеть телескопов VLBA, что позволило существенно улучшить разрешающую способность всей сети. Российский орбитальный радиотелескоп Радиоастрон также планируется использовать в качестве одного из элементов гигантского интерферометра.

Земная атмосфера хорошо пропускает излучение в оптическом (0,3-0,6 мкм), ближнем инфракрасном (0,6 -- 2 мкм) и радиодиапазонах (1 мм -- 30 м). Уже в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с уменьшением длины волны прозрачность атмосферы сильно ухудшается, вследствие чего наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах становятся возможными только из космоса. Исключением является регистрация гамма-излучения сверхвысоких энергий, для которого подходят методы астрофизики космических лучей: высокоэнергичные гамма-фотоны в атмосфере порождают вторичные электроны, которые регистрируются наземными установками по черенковскому свечению. Примером такой системы может служить телескоп C.A.C.T.U.S..

В инфракрасном диапазоне также сильно поглощение в атмосфере, однако, в области 2-8 мкм имеется некоторое количество окон прозрачности (как и в миллиметровом диапазоне), в которых можно проводить наблюдения. Кроме того, поскольку большая часть линий поглощения в инфракрасном диапазоне принадлежит молекулам воды, инфракрасные наблюдения можно проводить в сухих районах Земли (разумеется, на тех длинах волн, где образуются окна прозрачности в связи с отсутствием воды). Примером такого размещения телескопа может служить англ. South Pole Telescope, установленный на южном географическом полюсе, работающий в субмиллиметровом диапазоне.

В оптическом диапазоне атмосфера прозрачна, однако из-за Рэлеевского рассеяния она по-разному пропускает свет разной частоты, что приводит к искажению спектра светил (спектр сдвигается в сторону красного). Кроме того, атмосфера всегда неоднородна, в ней постоянно существуют течения (ветры), что приводит к искажению изображения. Поэтому разрешение земных телескопов ограничено значением приблизительно в 1 угловую секунду, независимо от апертуры телескопа. Эту проблему можно частично решить применением адаптивной оптики, позволяющей сильно снизить влияние атмосферы на качество изображения, и поднятием телескопа на большую высоту, где атмосфера более разряженная -- в горы, или в воздух на самолетах или стратосферных баллонах. Но наибольшие результаты достигаются с выносом телескопов в космос. В отсутствии атмосферы, искажения полностью отсутствуют, поэтому максимальное теоретическое разрешение телескопа определяется только дифракционным пределом: ?=?/D (угловое разрешение в радианах равно отношению длины волны к диаметру апертуры). Например, теоретическая разрешающая способность космического телескопа с зеркалом диаметром 2.4 метра (как у телескопа Хаббл) на длине волны 555 нм составляет 0.05 угловой секунды (реальное разрешение Хаббла в два раза хуже -- 0.1 секунды, но все равно на порядок выше, чем у земных телескопов).

телескоп оптический астрономия компьютерный

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современный телескоп - это компьютерные телескопы оснащенные необходимыми программами. Совсем недавно новое поколение современного телескопа - компьютерный телескоп, быстро, прочно, уверенно и надежно вошел в жизнь как профессиональных астрономов так еще больше в жизнь астрономов любителей. Да и кто же из астрономов или просто любителей восхитительных красот космоса и высот внеземной жизни, теперь станет тратить свое драгоценное время на возню с настройками и расчетами, при наблюдениях со старыми не современным телескопом, от которого если хоть на секунду оторвешься, то того и гляди, что пропустишь комету или новую звезду. С появлением компьютеров, естественно, что все фирмы, производители и торговые марки, стараясь идти в ногу со временем и спросом, основное внимание уделяют телескопам с компьютерным оснащением и беспрерывно работают над созданием все более новых и усовершенствованных программ для телескопов.

Оптические телескопы бывают двух основных типов (рефракторы и рефлекторы), отличающиеся выбором главного собирающего свет элемента (линза или зеркало соответственно). У телескопа-рефрактора на передней стороне трубы имеется объектив, а в задней части, где формируется изображение, - окуляр или фотографическое оборудование. В отражательном телескопе в качестве объектива использовано вогнутое зеркало, располагающееся в задней части трубы.

Объектив телескопа-рефрактора обычно представляет собой составную линзу из двух или нескольких элементов с относительно большим фокусным расстоянием. Использование составных линз уменьшает хроматическую аберрацию (такие линзы называют ахроматическими дублетами и триплетами). Минимизировать как хроматическую, так и сферическую аберрацию можно, если использовать большое фокусное расстояние, но это приводит к тому, что рефракторы получаются длинными и громоздкими. В прошлом для уменьшения погрешностей строились только рефракторы больших размеров.

При создании и установке больших стеклянных линз возникает ряд трудностей; кроме того, толстые линзы поглощают слишком много света.

Все большие астрономические телескопы представляют собой рефлекторы. Рефлекторные телескопы популярны и у любителей, поскольку они не так дороги, как рефракторы, и их легче изготовить самостоятельно. В рефлекторе свет собирается в точке перед первичным зеркалом, называемой первичным фокусом. Собранный пучок света обычно направляется (посредством вторичного зеркала) к более удобному для работы месту. В очень больших телескопах наблюдатель имеет возможность работать непосредственно в первичном фокусе в специальной кабине, установленной в главной трубе. На практике как вторичное зеркало, так и кабина в первичном фокусе не оказывают существенного влияния на работу телескопа. Большие многоцелевые профессиональные телескопы обычно строят так, что наблюдатель получает возможность выбора фокуса. Ньютоновский фокус используется только в любительских оптических телескопах.

Первичные зеркала в отражательных телескопах обычно изготавливают из стекла или керамики, которая не расширяется (и не сжимается) при изменении температуры. Поверхность зеркала тщательно обрабатывается до получения требуемой формы, обычно сферической или параболической, с точностью до долей длины волны света. Для получения отражательных свойств на поверхность стекла наносится тонкий слой алюминия. В ранних отражательных телескопах, первичное зеркало было изготовлено из полированного металлического сплава (68% меди и 32% олова). По латыни термин "зеркальный" предается как "speculum"; по этой причине для обозначения отражательного телескопа до сих пор иногда используют сокращение "spec". Самые ранние стеклянные зеркала покрывали серебром, но это оказалось неудобным из-за того, что на воздухе серебро темнеет. В наиболее современных больших телескопах применяются методы активной оптики, которые позволяют использовать более тонкие и легкие зеркала, необходимая форма которых сохраняется поддерживающей системой, управляемой компьютером. Это позволяет использовать как зеркала с очень большими диаметрами, так и зеркала, составленные из отдельных элементов. и т.д.

Размещено на Allbest.ru