Тот, кто изобрел телескоп, несомненно, заслуживает уважения и огромной благодарности со стороны всех современных астрономов. Это одно из величайших открытий в истории. Телескоп позволил изучить ближний космос и узнать много нового о строении вселенной.
С чего все началось
Первые попытки создать телескоп приписываются великому Леонардо да Винчи. Патентов и упоминаний о рабочей модели нет, но ученые нашли остатки чертежей и описаний стекол для разглядывания луны. Возможно, это еще один миф об этом уникальном человеке.
Устройство телескопа пришло на ум Томасу Диггесу, который и пытался его создать. Он использовал выпуклое стекло и вогнутое зеркало. Само по себе изобретение могло работать, и, как покажет история, подобное устройство будет создано вновь. Но технически еще не было средств для воплощения этого замысла, создать рабочую модель ему так и не удалось. Наработки остались в тот период невостребованными, а Диггес вошел в историю астрономии за описание
Тернистый путь
В каком году изобрели телескоп, вопрос по-прежнему остается спорным. В 1609-м голландский ученый Ханс Липперсгей представил патентному бюро свое увеличительное изобретение. Назвал он его Но патент был отклонен в силу чрезмерной простоты, хотя сама подзорная труба плотно вошла в обиход. Особенную популярность она приобрела у мореходов, а для астрономических нужд оказалась слабовата. Шаг вперед был уже сделан.
В том же году попала в руки Томаса Хариота, изобретение ему пришлось по нраву, но нуждалось в значительной доработке первоначального образца. Благодаря его работе астрономы впервые смогли увидеть, что луна имеет свой рельеф.
Галилео Галилей
Узнав о попытке создания специального прибора для увеличения звезд, Галилей по-настоящему загорелся этой идеей. Итальянец решил создать для своих исследований подобную конструкцию. Математические знания помогли ему с расчетами. Устройство состояло из трубки и вставленных в нее линз, изготовленных для людей с плохим зрением. По сути, это и был первый телескоп.
Сегодня этот вид телескопов называют рефракторными. Благодаря усовершенствованной конструкции Галилео сделал немало открытий. Он сумел доказать, что луна имеет форму сферы, разглядел на ней кратеры и горы. 20-кратное увеличение позволило рассмотреть 4 наличие колец у Сатурна и много чего еще. На тот момент устройство оказалось самым совершенным прибором, но он имел свои недостатки. Узкая трубка значительно сокращала круг обзора, а искажения, полученные за счет большого числа линз, делали картинку размытой.
Эпоха рефракторных телескопов
Четко ответить на вопрос, кто первым изобрел телескоп, не получится, ведь Галилей только усовершенствовал уже существующую трубу для созерцания неба. Без идеи Липперсгея ему могла и не прийти в голову эта мысль. В последующие годы шло постепенное совершенствование прибора. Развитие значительно тормозила невозможность создания больших линз.
Толчком дальнейшего развития стало изобретение штатива. Трубу теперь не надо было держать в руках продолжительное время. Благодаря этому стало возможным удлинение трубки. Христиан Гюйгенс в 1656 году представил аппарат с увеличением в 100 раз, достигнуть этого удалось за счет увеличения расстояния между линзами, которые помещались в трубку длиной 7 метров. Спустя 4 года был создан телескоп длиной 45 метров.
Помехой для исследований мог стать даже небольшой ветер. Уменьшения искажения картинки пытались добиться путем дальнейшего увеличения расстояние между линзами. Развитие телескопов пошло в сторону удлинения. Самый длинный из них достигал 70 метров. Такое положение вещей сильно затрудняло работу, да и саму сборку устройства.
Новый принцип
Развитие космической оптики зашло в тупик, но долго так продолжаться не могло. Кто изобрел телескоп принципиально нового образца? Это был один из величайших ученых всех времен - Исаак Ньютон. Вместо линзы для фокусировки стало использоваться вогнутое зеркало, что позволило избавиться от хроматических искажений. Рефракторные телескопы ушли в прошлое, по праву уступив место рефлекторным.
Открытие телескопа, работающего по принципу рефлектора, перевернуло астрономическую науку. Зеркало, использованное в изобретении, Ньютону пришлось делать самостоятельно. Для его изготовления был использован сплав олова, меди и мышьяка. Первая рабочая модель продолжает храниться, по сей день, ее пристанищем стал Лондонский музей астрономии. Но оставалась небольшая проблема. Те, кто изобрел телескоп, еще долгое время не могли создать зеркало идеальной формы.
Прорыв
1720 год стал знаменательной датой для всей астрономической науки. Именно в этом году оптикам удалось создать рефлекторное зеркало диаметром 15 см. к слову сказать, зеркало ньютона имело диаметр всего 4 см. Это был настоящий прорыв, проникнуть в тайны вселенной стало гораздо проще. Миниатюрные телескопы по сравнению с 40-метровыми гигантами были всего 2 метра длиной. Наблюдение за космосом стало доступно большему кругу людей.
Компактные и удобные телескопы могли бы надолго войти в моду, если бы не одно "но". Сплав металла быстро тускнел и тем самым терял свои отражательные свойства. Вскоре зеркальная конструкция была усовершенствована и приобрела новые черты.
Два зеркала
Очередным усовершенствованием устройство телескопа обязано французу Кассегрену. Он придумал использовать 2 стеклянных зеркала вместо одного, сделанного из металлического сплава. Его чертежи оказались рабочими, но самому ему не удалось в этом убедиться, техническое оснащение не позволило воплотить мечту.
Телескопы Ньютона и Кассегрена можно уже считать первыми современными моделями. На их основе продолжается сейчас развитие телескопостроения. По принципу Кассегрена построен современный космический телескоп "Хаббл", который уже принес множество информации человечеству.
Возвращение к основам
Рефлекторы не смогли окончательно одержать победу. Рефракторы триумфально вернулись на пьедестал с изобретением двух новых сортов стекла: крон - более легкого, и флинт - тяжелого. Такая комбинация пришлась в помощь тому, кто изобрел телескоп без ахроматических погрешностей. Это оказался талантливый ученый Дж. Доллонд, в честь него и был назван новый вид объектива - доллондовый.
В 19-м веке рефракторный телескоп пережил свое второе рождение. С развитием технической мысли стало возможным изготавливать линзы идеальной формы и все большего размера. В 1824 году диаметр объектива составлял 24 см, к 1966 году он вырос в два реза, а в 1885 году составил уже 76 сантиметров. Условно говоря, диаметр объектива рос примерно на 1 см в год. О зеркальных устройствах почти забыли, в то время как линзовые теперь росли не в длину, а в сторону увеличения диаметра. Это позволяло улучшить угол обзора и одновременно увеличить картинку.
Великие энтузиасты
Возродили рефлекторные установки астрономы-любители. Одним из них был Уильям Гершель, несмотря на то что основной род его деятельности - это музыка, он сделал немало открытий. Самое первое его открытие - это планета Уран. Небывалый успех окрылил его на создание телескопа большего диаметра. Создав в домашней лаборатории зеркало диаметром 122 см, он сумел рассмотреть 2 неизвестных ранее.
Успехи любителей подталкивали к новым экспериментам. Основную проблему металлических зеркал - быстрое помутнение - так и не удалось преодолеть. Это натолкнуло французского физика Леона Фуко на мысль вставить в телескоп другое зеркало. В 1856 году он изготовил для увеличительного устройства стеклянное зеркало с серебряным напылением. Результат превзошел самые смелые прогнозы.
Еще одно важное дополнение внес Михаил Ломоносов. Он изменил систему так, что зеркало стало вращаться независимо от линзы. Это позволило максимально уменьшить потери световых волн и настраивать изображение. Одновременно с ним о подобном открытии заявил и Гершель.
Сейчас активно используются обе конструкции, и продолжается совершенствование оптики. В дело вступают современные компьютеры и Самый большой телескоп из тех, что расположены на Земле, - это большой Канарский телескоп. Но скоро его величие затмится, уже в работе проекты с зеркалами диаметром 30 м против его 10,4 м.
Телескопы-гиганты строят на возвышенности, чтобы максимально исключить преломление картинки земной атмосферой. Перспективным направлением является строительство космических телескопов. Они дают самую четкую картинку с максимальным разрешением. Все это было бы невозможно, если бы в далеком 17-м веке не была создана подзорная труба.
Современные телескопы мало похожи на первый телескоп Галилея и представляют собой сложнейшие технические кон-струкции. Но принцип их устройства остаётся прежним. С по-мощью линзы или параболического зеркала собирается свет от небесного объекта и строится изо-бражение в фокусе линзы или зеркала. Здесь помещается при-ёмник излучения, который фиксирует изображение для даль-нейшего изучения.
Небесные светила изучают, собирая, принимая, реги-стрируя и исследуя приходящее от звёзд излучение. Глаз то-же является прибором, собирающим и регистрирующим пада-ющий на него свет. Свет от звезды, проходящий через зрачок глаза, собирается хрусталиком на сетчатке. Энергия падающе-го света вызывает отклик нервных окончаний. В мозг посту-пает сигнал, и мы видим звезду. Но энергии, приходящей от звезды, может быть слишком мало (звезда слабая). Тогда сет-чатка не прореагирует, и мы звезды не увидим.
Принципиально телескоп от глаза отличается только раз-мерами, способом концентрации света и природой регистрато-ра света.
Важнейшими характеристиками телескопа являют-ся его разрешающая и проницающая способности .
Разрешающая способность
Разрешающая способность телескопа определяется наи-меньшим угловым расстоянием между светящимися точка-ми, которые могут быть видны (разрешены) как отдельные объекты.
Разрешающая способность телескопа определяется его размерами. Дифракция световых лучей на краю отверстия приводит к тому, что невозможно в телескопе различить две светящиеся точки, если направления на них образуют угол меньше предельного.
Предельный угол
Предельный угол для идеального объектива и видимого света определяется по формуле
где α — предельный угол, выраженный в угловых секундах; D — диаметр телескопа (в см). Для человеческого глаза пре-дельный угол равен 28” (фактически 1—1,5’), для крупнейше-го в мире телескопа диаметром 10 м предельный угол равен 0,015". Реально предельный угол в несколько раз больше из-за влияния атмосферы.
Проницающая способность
Проницающая способность телескопа определяется наи-меньшей регистрируемой освещённостью, создаваемой светя-щимся объектом.
Проницающая способность телескопа определяется прежде всего его диаметром: чем больше диаметр, тем больше света он собирает. Важную роль играют и приёмники излучения. Если 200 лет назад в телескоп просто смотрели и пытались зарисовать то, что видят, а 40 лет назад в основном фотогра-фировали созданное телескопом изображение, то теперь поль-зуются электронными приёмниками изображения, которые мо-гут регистрировать примерно 60% падающих на него фотонов (фотопластинка регистрирует примерно в 10—100 раз мень-шую долю).
Сейчас наступает новый этап в создании наземных телескопов, которые можно с полным основанием назвать при-борами XXI в. Во-первых, они очень большие — диаметр их главного зеркала 8—10 м. Во-вторых, они построены с использованием новых принципов. Их зер-кала подстраиваются под изменения, происходящие в атмос-фере, так что расфокусировка изображения, вызванная пе-репадами плотности воздуха и его потоками, сводится к минимуму. Такая оптика, «умеющая» приспосабливаться к быстроменяющимся условиям, называется адаптивной . Для по-вышения разрешающей способности телескопов применяются также методы оптической интерферометрии с большой базой.
К новому поколению телескопов относятся 10-метровые телескопы Кека (США), 10-метровый телескоп Хобби-Эберли и 8-метровые телескопы Джемини, Субару, телескоп VLT (Very Large Telescope — Очень Большой Телескоп) Европейской юж-ной обсерватории, а также находящийся в стадии постройки Большой Бинокулярный Телескоп (Large Binocular Telescope) в Аризоне (США).
Очень важно то обстоятельство, что во всех этих телеско-пах главное зеркало образовано отдельными зеркалами, чис-ло которых различно в разных телескопах. Так, в телескопе Субару смонтировано 261 зеркало, в VLT — 150 осевых и 64 боковых зеркала, в телескопе Джемини — 128 зеркал. В Большом Бинокулярном Телескопе (LBT) имеется два главных зеркала, состоящие также из многих элементов. Диаметр глав-ных зеркал всех этих телескопов лежит в диапазоне от 8,1 до 8,4 м.
Зеркала в современных телескопах управляемы. У каждого имеется система при-способлений, которые могут, давя на зеркало, нужным обра-зом изменять его форму, что стало возможным, когда начали изготовлять очень тонкие и лёгкие зеркала. Материал с сайта
С помощью телескопа необходимо получать как можно более ясное изображение удалённой звез-ды, которое должно выглядеть одной точкой. Большие объек-ты, вроде галактик , могут рассматриваться как множество то-чек. Свет от далёкой звезды распространяется в виде сфери-ческой волны, проходящей огромное расстояние в космичес-ком пространстве. Фронт волны, достигшей Земли, можно счи-тать плоским из-за гигантского радиуса сферы — расстояния до звезды.
Если на телескоп падает плоская волна, то в фокальной плоскости появляется точка, размер которой определяется толь-ко дифракцией света, т. е. выполняется условие предельного угла. Именно это имеет место в космическом телескопе Хаб-бла, который, несмотря на то, что его диаметр всего 2.4 м, по-лучает изображение лучше, чем 4—6-метровые телескопы ста-рой конструкции.
Прежде чем попасть в телескоп, волна проходит через зем-ную атмосферу и турбулентность воздуха, что нарушает пло-скую форму фронта. Изображение искажается. Адаптивная оп-тика призвана скомпенсировать отклонения и восстановить из-начальную (плоскую) форму волнового фронта.
Что такое телескоп
Инструмент, который собирает электромагнитное излучение удаленного объекта и направляет его в фокус, где образуется увеличенное изображение объекта или формируется усиленный сигнал.
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.
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. Если надо подчеркнуть, что наблюдения проводились с помощью рефракторного телескопа, то используют сокращение обозначение OG (object glass, т.е. объектное стекло).
При создании и установке больших стеклянных линз возникает ряд трудностей; кроме того, толстые линзы поглощают слишком много света. Самый большой рефрактор в мире, имеющий объектив с линзой диаметром в 101 см, принадлежит Йеркской обсерватории.
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. С этой точки зрения различают несколько общепринятых систем, в том числе ньютоновский фокус, кассегреновский фокус, фокус куде и фокус Несмита. 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, например, у Уильяма Гершеля (1738-1822), 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.
Мощность получаемого светового сигнала и разрешающая способность телескопов зависят от размера объектива. Чтобы получить возможность наблюдения все более слабых объектов и достичь разрешения мелких деталей, в астрономии наблюдается тенденция к созданию инструментов все большего размера, хотя этих целей частично можно достичь и за счет создания более чувствительных детекторов и применения интерферометров.
Увеличение мощности само по себе не имеет большого значения, если не считать небольших любительских телескопов, предназначенных для визуальных наблюдений. Усиление при визуальном наблюдении легко можно изменять с помощью различных окуляров. Максимальная степень усиления обычно ограничена не техническими характеристиками телескопа, а условиями видимости.
Изображения, получаемые в астрономических телескопах, инвертированы. Так как введение дополнительной линзы, которая могла бы скорректировать изображение, поглотит часть светового потока, не принеся особой пользы, астрономы предпочитают работать непосредственно с инвертированными изображениями.
Монтировка астрономического телескопа - важная часть конструкции, так как наблюдатель должен иметь возможность легко направлять телескоп в заданную точку неба и поддерживать его ориентацию при вращении Земли, отслеживая видимое движение объекта по небу. Небольшие любительские телескопы и современные управляемые компьютером телескопы используют альтазимутальную монтировку. До появления компьютерного управления наиболее распространенной была экваториальная монтировка. Экваториальную установку имеют многие из работающих в настоящее время телескопов, причем эта система остается популярной и для любительских инструментов
Экваториальная монтировка
Способ установки телескопа, при котором инструмент может вращаться вокруг полярной оси, параллельной оси вращения Земли, и оси склонения, перпендикулярной полярной оси. Вращение вокруг этих двух осей обеспечивает независимое задание обеих экваториальных координат. Движение вокруг полярной оси изменяет прямое восхождение; движение вокруг другой оси - склонение.
Экваториальная монтировка имеет определенные преимущества: чтобы скомпенсировать видимое движение неба, вызываемое вращением Земли, достаточно поворачивать телескоп только вокруг одной из двух осей (полярной). Однажды наведенный на точку небесной сферы с нужным склонением, телескоп уже не требует дополнительной корректировки. Поэтому в течение многих лет все телескопы сколько-нибудь значительного размера проектировались исключительно с экваториальной монтировкой. Однако развитие компьютерного управления позволило осуществлять наведение и управление даже очень большими телескопами при более простой альтазимутальной монтировке. Тем не менее экваториальная монтировка остается популярной и до сих пор достаточно широко применяется на практике.
Чтобы обеспечить адекватную поддержку и свободу движения для телескопов различных размеров и типов, были разработаны различные виды экваториальной монтировки. К основным вариантам установки относятся немецкая, английская, рамочная, подковообразная и вилочная. Поскольку полярная ось должна быть параллельна земной оси (т.е. направлена в точку северного полюса мира), каждая конструкция экваториальной монтировки подходит только для той широты, для которой она была разработана
Телескопы.
Телескоп - это прибор, с помощью которого наблюдают отдаленные объекты путём сбора электромагнитного излучения. Например, видимого света - оптические телескопы.
История телескопов.
Годом изобретения телескопа, а вернее зрительной трубы, принято считать 1608 год, когда голландец Иоанн Липперсгей продемонстрировал своё изобретение в Гааге. Тем не менее, в выдаче патента ему было отказано в силу того, что и другие мастера, Захарий Янсен из Мидделбурга и Якоб Метиус из Алкмара, уже имели свои подзорные трубы, а последний тоже вскоре после Липперсгея подал в Генеральные штаты (голландский парламент) запрос на патент.
Позднейшие исследования показали, что, вероятно, подзорные трубы были известны и ранее.
Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа (причем как однолинзового, так и двухлинзового) были обнаружены ещё в записях Леонардо да Винчи, датируемых 1509 годом. Сохранилась его запись: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»).
Сначала, это была всего лишь зрительная труба - комбинация очковых линз, сегодня бы ее назвали рефрактор.
Первым, кто направил зрительную трубу в небо, превратив её в телескоп, и получил новые научные данные, стал Галилео Галилей.
В 1609 году Галилео Галилей 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.
Однако благодаря этому прибору, Галилей открыл горы и кратеры на Луне, доказал сферичность Луны, открыл четыре спутника Юпитера, кольца Сатурна и сделал множество других полезных открытий.
Название «телескоп» было предложено в 1611 году греческим математиком Иоаннисом Димисианосом для одного из инструментов Галилея. Сам Галилей использовал для своих телескопов термин «Perspicillum».
Телескопы Галилея. Флоренция. Музей Галилея.
Время и развитие науки предоставило исследователям возможности создавать более мощные телескопы, которые давали видеть много больше.
Астрономы начали использовать объективы с большим фокусным расстоянием. Телескопы превратились в большие неподъемные трубы по размеру и, конечно, были не удобны в использовании. Тогда для них изобрели штативы. Телескопы постепенно улучшали, дорабатывали. Однако его максимальный диаметр не превышал нескольких сантиметров, так как долгое время не удавалось изготавливать линзы большого размера.
К 1656 году Христиан Гюйенс построил телескоп, увеличивающий в 100 раз наблюдаемые объекты, размер его был более 7 метров, апертура около 150 мм. Этот телескоп уже относят к уровню сегодняшних любительских телескопов для начинающих.
К 1670-х годам был построен уже 45-метровый телескоп, который еще больше увеличивал объекты и давал больший угол зрения.
Телескоп продолжал расти в длину. Первооткрыватели, пытаясь выжать максимум из этого прибора, опирались на открытый ими оптический закон - уменьшение хроматической аберрации линзы происходит с увеличением ее фокусного расстояния. Чтобы убрать хроматические помехи, исследователи делали телескопы самой невероятной длины. Эти трубы, которые назвали тогда телескопами, достигали 70 метров в длину, и доставляли множество неудобств при работе с ними и их настройке. Недостатки телескопов-рефракторов заставили великие умы искать новые решения к улучшению телескопов. Ответ и новый способ был найден: собирание и фокусировка лучей стала производиться с помощью вогнутого зеркала. Рефрактор переродился в рефлектор, полностью освободившийся от хроматизма.
Заслуга в этом целиком и полностью принадлежит Исааку Ньютону, именно Ньютон сумел дать новую жизнь телескопам с помощью зеркала. Его первый рефлектор имел диаметр всего четыре сантиметра. А первое зеркало для телескопа диаметром 30 мм Ньютон изготовил из сплава меди, олова и мышьяка в 1704 году. Изображение стало четким.
Телескоп Ньютона. Лондон. Астрономический музей.
Но еще долгое время оптикам никак не удавалось делать полноценные зеркала для телескопов-рефлекторов.
Эволюционные прорывы в телескопостроении.
Годом рождения нового типа телескопа принято считать 1720 год, когда в Англии был построен первый функциональный телескоп-рефлектор диаметром в 15 сантиметров.
Это был прорыв. В Европе появился спрос на удобоносимые, почти компактные телескопы в два метра длиной. О 40-метровых трубах рефракторов стали забывать.
Новая двухзеркальная система в телескопах была предложена французом Кассегреном. Реализовать свою идею в полной мере Кассегрен сам не смог из-за отсутствия технической возможности изготовления нужных зеркал, но сегодня его чертежи реализованы во многих проектах.
Именно телескопы Ньютона и Кассегрена считаются первыми «современными» телескопами.
В космическом телескопе Хаббл были использованы принципы телескопа Кассегрена.
Фундаментальный принцип Ньютона с применением одного вогнутого зеркала был использован в СССР в 1974 году в Специальной астрофизической обсерватории.
Расцвет рефракторной астрономии произошел в 19 веке, тогда диаметр ахроматических объективов постепенно рос. Если в 1824 году диаметр был еще 24 сантиметра, то в 1866 году его размер вырос вдвое, в 1885 году диаметр стал составлять 76 сантиметров (Пулковская обсерватория в России), в к 1897 году создан Йеркский телескоп-рефрактор. Можно посчитать, что за 75 лет линзовый объектив увеличивался со скоростью одного сантиметра в год.
К концу 18 века компактные удобные телескопы пришли на замену громоздким рефлекторам. Металлические зеркала тоже оказались не слишком практичны - дорогие в производстве, а также тускнеющие от времени. К 1758 году с изобретением двух новых сортов стекла: легкого - крон и тяжелого - флинта, появилась возможность создания двухлинзовых объективов. Чем благополучно и воспользовался ученый Дж. Доллонд, который изготовил двухлинзовый объектив, впоследствии названный доллондовым.
После изобретения ахроматических объективов победа рефрактора была абсолютная, оставалось лишь улучшать линзовые телескопы. О вогнутых зеркалах забыли. Возродить их к жизни удалось руками астрономов-любителей. Вильям Гершель, английский музыкант, в 1781 году открывший планету Уран. Его открытию не было равных в астрономии с глубокой древности. Причем Уран был открыт с помощью небольшого самодельного рефлектора. Успех побудил Гершеля начать изготовление рефлекторов большего размера. Гершель собственноручно в мастерской выплавлял зеркала из меди и олова. Главный труд его жизни - большой телескоп с зеркалом диаметром 122 см. Это диаметр его самого большого телескопа. Открытия не заставили себя ждать, благодаря этому телескопу, Гершель открыл шестой и седьмой спутники планеты Сатурн.
Другой, ставший не менее известным, астроном-любитель английский землевладелец лорд Росс изобрел рефлектор с зеркалом с диаметром в 182 сантиметра. Благодаря своему телескопу, он открыл ряд неизвестных спиральных туманностей.
Телескопы Гершеля и Росса обладали множеством недостатков. Объективы из зеркального металла оказались слишком тяжелыми, отражали лишь малую часть падающего на них света и тускнели. Требовался новый совершенный материал для зеркал. Этим материалом оказалось стекло. Французский физик Леон Фуко в 1856 году попробовал вставить в рефлектор зеркало из посеребренного стекла. И опыт удался. Уже в 1890-х годах астроном-любитель из Англии построил рефлектор для фотографических наблюдений со стеклянным зеркалом в 152 сантиметра в диаметре. Это был очередной прорыв в телескопостроении.
Этот прорыв не обошелся без участия русских ученых. Ломоносов и Гершель, независимо друг от друга, изобрели совершенно новую конструкцию телескопа, в которой главное зеркало наклоняется без вторичного, тем самым уменьшая потери света.
Немецкий оптик Фраунгофер поставил на конвейер производство очень качественных линз. И сегодня в Тартуской обсерватории стоит телескоп с целой, работающей линзой Фраунгофера. Но рефракторы немецкого оптика также были не без изъяна - хроматизма.
Лишь к концу 19 века был изобретен новый метод производства зеркальных линз. Стеклянные поверхности начали обрабатывать серебряной пленкой, которую наносили на стеклянное зеркало путем воздействия виноградного сахара на соли азотнокислого серебра.
Эти принципиально новые зеркальные линзы отражали до 95% света, в отличие от старинных бронзовых линз, отражавших всего 60% света.
Л. Фуко создал рефлекторы с параболическими зеркалами, меняя форму поверхности зеркал.
В конце 19 века астроном-любитель Кросслей обратил свое внимание на алюминиевые зеркала. Купленное им вогнутое стеклянное параболическое зеркало диаметром 91 см сразу было вставлено в телескоп.
Сегодня телескопы с подобными громадными зеркалами устанавливаются в современных обсерваториях. В то время как рост рефрактора замедлился, разработка зеркального телескопа набирала обороты.
С 1908 по 1935 год различные обсерватории мира создали более полутора десятков рефлекторов с объективом, превышающих йеркский. Самый большой телескоп был установлен в обсерватории Моунт-Вильсон, его диаметр 256 сантиметров. И даже этот предел совсем скоро был превзойден вдвое.
В 1976 году ученые СССР построили 6-метровый телескоп БТА - Большой Телескоп Азимутальный. До конца 20 века БРА считался крупнейшим в мире телескопом. Создатели БТА были новаторами в оригинальных технических решениях, таких как альт-азимутальная установка с компьютерным ведением. Сегодня это новшества применяются практически во всех телескопах-гигантах. В начале 21 века БТА был оттеснен во второй десяток крупных телескопов мира.
К новому поколению телескопов относятся два больших телескопа 10-метровых близнеца KECK I и KECK II для оптических инфракрасных наблюдений. Они были установлены в 1994 и 1996 году в США. Их собрали благодаря помощи фонда У. Кека, в честь которого они и названы. Эти телескопы размером с восьмиэтажный дом и весом более 300 тонн каждый, но работают они с высочайшей точностью. Принцип работы - главное зеркало диаметром 10 метров, состоящее из 36 шестиугольных сегментов, работающих как одно отражательное зеркало. Установлены эти телескопы в одном из оптимальных на Земле мест для астрономических наблюдений - на Гаваях, на склоне потухшего вулкана Мануа Кеа высотой 4 200 метра.
Начиная, с 2002 года эти два телескопа, расположенные на расстоянии 85 м друг от друга, начали работать в режиме интерферометра, давая такое же угловое разрешение, как 85-метровый телескоп.
Телескопы.
История телескопа прошла долгий путь - от зрительных труб итальянских мастеров оптиков-стекольщиков до современных гигантских телескопов-спутников.
Виды телескопов.
В наше время 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 телескопы.
Оптический визуальный телескоп имеет объектив и окуляр. Задняя фокальная плоскость объектива совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра. В фокальную плоскость объектива вместо окуляра может помещаться фотоплёнка или матричный приёмник излучения. В таком случае объектив телескопа, с точки зрения оптики, является фотообъективом, а сам телескоп превращается в астрограф.
Оптический передвижной телескоп-астрограф.
По своей оптической схеме большинство оптических телескопов делятся на:
Линзовые (рефракторы или диоптрические) - в качестве объектива используется линза или система линз.
Зеркальные (рефлекторы или катаптрические) - в качестве объектива используется вогнутое зеркало.
Зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрические) - в качестве объектива используется обычно сферическое главное зеркало, а для компенсации его аберраций служат линзы.
Стационарный оптический телескоп.
Кроме того, для наблюдений за Солнцем профессиональные астрономы используют специальные солнечные телескопы, отличающиеся конструктивно от традиционных звездных телескопов.
Радиотелескопы.
Для исследования космических объектов в радиодиапазоне применяют радиотелескопы.
Комплекс радиотелескопов.
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). В таком режиме с 1997 по 2003 год работал 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.
Рентгеновские телескопы.
Рентгеновский телескоп - это телескоп, предназначенный для наблюдения удаленных объектов в рентгеновском спектре. Для работы таких телескопов обычно требуется поднять их над атмосферой Земли, непрозрачной для рентгеновских лучей. Поэтому рентгеновские телескопы размещают на космических ракетах и на искусственных спутниках Земли.
Космический рентгеновский телескоп.
Гамма-телескопы.
Гамма-телескоп - это телескоп, предназначенный для наблюдения удаленных объектов в спектре гамма-излучения. Гамма-телескопы используются для поиска и исследования дискретных источников гамма-излучения, измерения энергетических спектров галактического и внегалактического диффузного гамма-излучения, исследования гамма-всплесков и природы тёмной материи. Среди гамма-телескопов различают:
Космические гамма-телескопы, детектирующие гамма-кванты непосредственно в космосе.
Космический гамма-телескоп.
Наземные черенковские телескопы, устанавливающие параметры гамма-квантов (такие как энергия и направление прихода) путём наблюдения за возмущениями, которые вызывают гамма-кванты в атмосфере.
Наземный черенковский гамма-телескоп.
Космические телескопы.
Для чего телескопы отправляют в космос?
Земная атмосфера хорошо пропускает излучения в оптическом (0,3-0,6 мкм), ближнем инфракрасном (0,6-2 мкм) и радио (1 мм-30 м) диапазонах. Однако с уменьшением длины волны прозрачность атмосферы сильно снижается, вследствие чего наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах становятся возможными только из космоса.
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 считать Южнополярный телескоп (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 разреженная - в горы, или в воздух на самолетах или стратосферных шарах. Но наилучшие результаты достигаются при выносе телескопов в космос. Вне атмосферы искажения полностью отсутствуют, поэтому максимальное теоретическое разрешение телескопа определяется только дифракционным пределом: φ=λ/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).
Вынос в космос позволяет поднять разрешение и у радиотелескопов, но здесь более существенна другая причина. Каждый радиотелескоп сам по себе обладает очень маленьким разрешением. Это объясняется тем, что длина радиоволн на несколько порядков больше, чем у видимого света, поэтому дифракционный предел φ=λ/D намного больше, даже несмотря на то, что размер радиотелескопа тоже в десятки раз больше, чем у оптического. Например, при апертуре 100 метров (в мире существуют только два таких больших радиотелескопа) разрешающая способность на длине волны 21 см (линия нейтрального водорода) составляет всего 7 угловых минут, а на длине 3 см — 1 минута, что совершенно недостаточно для астрономических исследований (для сравнения, разрешающая способность невооруженного глаза 1 минута, видимый диаметр Луны - 30 минут).
Однако, объединив два радиотелескопа в радиоинтерферометр, можно существенно повысить разрешение - если расстояние между двумя радиотелескопами (так называемая база радиоинтерферометра) равна L, то угловое разрешение определяется уже не формулой φ=λ/D, а φ=λ/L. Например при L=4200 км и λ=21 см максимальное разрешение составит около одной сотой угловой секунды. Однако, для земных телескопов максимальная база не может, очевидно, превышать диаметр Земли. Запустив один из телескопов в дальний космос, можно значительно увеличить базу, а следовательно, и разрешение. Например, разрешение космического телескопа Радиоастрон при работе совместно с земным радиотелескопом в режиме радиоинтерферометра (база 390 тыс. км) составит от 8 до 500 микросекунд дуги в зависимости от длины волны (1,2-92 см). (для сравнения - под углом 8 мкс виден объект размером 3 м на расстоянии Юпитера, или объект размером с Землю на расстоянии Альфа Центавра).
Что такое телескоп? В 1608 г. голландский оптик Ханс Липперсгей изобрел телескоп - устройство, применяемое астрономами для увеличения изображений далеких объектов.
Он заметил, что эти объекты кажутся ближе, если смотреть на них сквозь две очковые линзы, и поместил линзы в трубу. Так появился первый телескоп.
Не исключено, что примитивные телескопы и подзорные трубы появились еще раньше, однако Липперсгей, как утверждают, был первым, кто использовал соответствующие приспособления для целенаправленного за небесными телами.
Кто изобрел телескоп?
Некоторые склонны полагать, что телескоп изобрел . На самом деле великий ученый только усовершенствовал голландца Х. Липперсхея, появившееся в 1608 г., а название «телескоп» дано греческим И. Демисиани в 1611 г., когда он познакомился с инструментом Галилея.
Результаты применения даже самых простых оптических телескопов были просто поразительными: были открыты на , пятна на , отдельные в .
Телескоп Галилея, как и все такие же инструменты в будущем, состоял из двух частей. Объектив — оптическая линза — собирал свет, а полученное изображение исследователь рассматривал через окуляр — своего рода лупу, позволяющую увеличить изображение.
Так, второй телескоп, построенный Галилеем, увеличивал изображения небесных тел в 34 раза. Оптические инструменты, в которых изображение получается с помощью собирающей линзы, называются рефракторами — от латинского слова «рефракцио», означающего «преломляю».
У телескопов-рефракторов был один серьезный недостаток — не удавалось сильно увеличить размеры объектива, так как большие и качественные линзы изготавливать очень трудно.
К тому же выяснилось, что линзы телескопов по-разному преломляют лучи разного цвета, из-за чего в изображениях появляются искажения — аберрации. Чтобы избавиться от этого, конструкции пришлось усложнять, применяя составные линзы.
Немало досаждала астрономам и земная , которая вносила свои искажения в наблюдения. Чтобы не зависеть от состояния атмосферы и , обсерватории начали строить в горах, где воздух прозрачен большую часть .
Ньютоново зеркало и рефракторы
Чтобы избавиться от цветной аберрации, около 1667 г. предложил принципиально иную схему телескопа — в его инструменте свет собирала не линза, а вогнутое (параболическое) .
Пучок лучей затем направлялся на маленькое плоское зеркальце, расположенное в фокусе большого зеркала, а оттуда — в окуляр.
Изготовление «вогнутых» зеркал технически проще, и это сразу же позволило увеличить размеры и разрешающую способность телескопов. И в наши дни большинство оптических телескопов, в том числе и самых крупных в мире, являются рефракторами.
Крупнейшие обсерватории соревнуются между собой, наращивая размеры зеркал телескопов. Современный рефлектор — сложнейшая конструкция, занимающая целое здание и управляемая множеством .
Самый мощный телескоп в Евразии построен в России — он находится на Северном Кавказе. Диаметр его главного зеркала составляет 6 м, а процесс его изготовления занял более двух лет.
Но «королем» всех астрономических инструментов, расположенных на , сегодня является Большой Канарский телескоп, построенный на Канарских островах по проекту ученых , Испании и .
Его зеркало имеет диаметр 10,4 м. Он способен «различать» объекты в миллиард раз более слабые, чем способен увидеть глаз.
Современные оптические телескопы, сделанные с применением стекла, линз или зеркал, увеличивают в 100 млн раз сильнее, чем телескоп Галилея.
Самый большой в мире оптический и инфракрасный двойной телескоп установлен в обсерватории Кека на Гавайях (на фото). Каждый из этих двух телескопов высотой в восемь этажей весит 300 тонн.
Космический телескоп Хаббла, названный в честь и выведенный на орбиту в 1990 г., облетает Землю со скоростью 8 км/с и передает полученные изображения на Землю.
Поскольку он расположен вне атмосферы (она искажает и блокирует свет, который доходит до Земли), космический телескоп способен давать более четкие изображения , чем телескопы, установленные на земной поверхности.
Инфракрасные телескопы
Как и у оптических телескопов, главной частью инфракрасных телескопов является зеркало.
Оно не обязательно должно быть таким же точным, как зеркала наземных рефлекторов, зато защита от помех для инфракрасных телескопов едва ли не главное условие .
А помех множество — инфракрасные лучи испускают все движущиеся и испытывающие детали телескопа, электронные устройства и приборы. Поэтому даже в условиях инфракрасные телескопы приходится охлаждать жидким гелием с температурой -270 °С.
Вселенная полна источников инфракрасного излучения — это сами звезды, космической и , нагретые расположенными близко к ним звездами, по сверхмощному инфракрасному излучению можно распознать области, в которых образуются новые звезды.
И даже близкие к нам области , планеты и их спутники исследуют с помощью инфракрасных приборов, позволяющих определить состав и структуру их атмосфер.
Особый интерес для изучения в инфракрасном диапазоне представляют активные ядра галактик, мощность излучения от которых так велика, что этому явлению пока еще не найдено объяснения.
По сведениям Национального агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), которое по поручению правительства США занимается космическими исследованиями, каждую неделю космический телескоп Хаббла передает на Землю около 120 гигабит научных данных.
Такой объем информации эквивалентен содержимому книжной полки длиной около 1100 м. Непрерывно растущая коллекция изображений и данных хранится на магнитооптических дисках.
Космический телескоп Хаббла сыграл основополагающую роль в открытии темной энергии, загадочной силы, которая ускоряет расширение Вселенной.
Он обнаружил протопланетарные диски, сгустки газа и пыли вокруг молодых звезд, которые, вероятно, служат материалом, из которого формируются новые планеты.
Телескоп Хаббла установил также, что в далеких галактиках случаются вспышки , которые сопровождают гибель массивных звезд, - необычные, невероятно мощные выбросы энергии.