Взгляд внебеса: четыре века телескопов

Телескопы занимают особенное место среди научного инструментария. До начала XX века наука была предприятием камерным, устройства для любого опыта умещались на одном-двух лабораторных столах, но телескопы еще в далекой собственной молодости выросли до десятков метров
Рефрактор Галилея В качестве объектива употребляется собирающая линза, а в качестве окуляра — рассеивающая. Таковой телескоп дает неперевернутое изображение, но имеет малое поле зрения и низкую яркость изображения

Рефрактор Кеплера В 1611 году Кеплер предложил свою схему рефрактора — с двумя собирающими линзами, одна из которых являлась объективом, а вторая — окуляром. Такая схема имеет большее поле зрения если сравнивать с галилеевской и дает более броское, не смотря на то, что и перевернутое изображение
Рефлектор Ньютона Свет фокусируется главным (параболическим, при маленьком относительном отверстии — сферическим) зеркалом и отклоняется маленьким вторичным (плоским) зеркалом за пределы трубы в окуляр.

Дает перевернутое изображение
Рефлектор Грегори Основное зеркало — параболическое, вторичное — эллиптическое, окуляр размещен в центральном отверстии главного зеркала. Схема Грегори разрешает расширить фокусное расстояние (и повышение) и дает прямое изображение
Рефлектор Кассегрена Основное зеркало — вогнутое параболическое, вторичное — выпуклое гиперболическое.

Схема разрешает уменьшить габариты телескопа по сравнению со схемами Ньютона и Грегори при том же фокусном расстоянии и диаметре
Рефлектор Ричи-Кретьена Вариант схемы Кассегрена с гиперболическими вторичным зеркалами и главным. В данной схеме исправлены сферическая аберрации и кома. Одна из самых популярных схем для опытных телескопов

Максутов-Кассегрен Вариант схемы Кассегрена, обширно употребляющийся в конструкциях компактных любительских телескопов. Основное зеркало — вогнутое сферическое, а для компенсации сферической аберрации помогает мениск — сферическая пластинка, на центральную часть внутренней поверхности которой напыляют вторичное зеркало
Шмидт-Кассегрен Вариант схемы Кассегрена, популярный в отличных любительских телескопах.

Основное зеркало — вогнутое сферическое, для компенсации сферической аберрации помогает линза сложного профиля (корректор Шмидта). На внутренней стороне корректора расположено вторичное выпуклое зеркало — или сферическое, или гиперболическое (с исправленной комой)

Наибольшие нынешние телескопы — гиганты, оснащенные высокотехнологичными устройствами и детекторными комплексами для коррекции световых потоков, но их принципиальные оптические схемы в основном были изобретены еще в XVII столетии. В этом смысле телескоп — прибор очень консервативный, не обращая внимания на суперсовременную оснастку наподобие гигапиксельных цифровых матриц, мультизрачковых спектрографов компьютерной корректировки и высокого разрешения атмосферных искажений волнового фронта. Однако за четырехсотлетний срок оптические телескопы преодолели огромный путь.

Голландские трубы

Самые первые телескопы были копиями подзорных труб, изобретенных голландскими мастерами в начале XVII века. Они имели всего две линзы — выпуклый длиннофокусный объектив и вогнутый короткофокусный окуляр. Такая труба дает прямое, другими словами неперевернутое изображение, которое имеет большую четкость, в случае если расстояние между объективом и окуляром (протяженность трубы) равняется разности их фокусных расстояний (повышение трубы равняется отношению фокусных окуляра и расстояний объектива).

Первый телескоп Хэрриота снабжал шестикратное повышение. Позднее ученый изготовил еще пара труб — впредь до 20−30-кратных. С их помощью он совершил детальные наблюдения солнечных пятен и нашел длительность солнечных дней.

К сожалению, Хэрриот не считал нужным публиковать собственные бессчётные научные работы, каковые имели возможность прославить его еще при жизни. Он выполнил фундаментальные алгебраические изучения, очень сильно опередившие его время, и открыл закон преломления света задолго перед тем, как это сделали Виллеброд Снеллиус и Рене Декарт (нельзя исключать, что данный закон был известен багдадскому ученому X века Ибн Сахлу; по крайней мере, на это показывает один из чертежей в его сравнительно не так давно отысканном трактате «О сжигающих линзах и зеркалах»). О том, что Хэрриот первенствоваластрологом-телескопистом, мало кто знает и поныне.

Но, Хэрриот недолго оставался монополистом. В осеннюю пору 1609 года великий итальянец Галилео немецкий астроном и Галилей Симон Мариус направили в небеса собственные инструменты. Мариус пользовался готовой трубой голландского производства, тогда как Галилей освоил шлифовку линз и лично изготовил четыре трубы, причем считается, что самая громадная снабжала более чем 30-кратное повышение.

В марте 1610 года он выпустил книгу Sidereus nuncius («Звездный вестник»), где поведал о телескопических наблюдениях Луны, Млечного пути и юпитера (в частности, в январе он открыл четыре наибольших спутника Юпитера, не смотря на то, что позднее Мариус утверждал, что сделал это пара раньше). Как раз из этого труда ученые (да и вся грамотный публика) определили о возможностях, каковые открыли телескопы. Так что оптическая астрономия как новое направление в науке о небесных явлениях началась как раз с Галилея.

В честь юбилея этого великого события мы на данный момент и отмечаем Интернациональный астрономический год.

Конструкция Кеплера

У труб голландской конструкции имелись не сильный места — низкая узкое поле и яркость изображения зрения, которое еще больше сужалось при возрастании повышения (что было прямым следствием применения вогнутых рассеивающих окуляров). Как исправить эти недочёты, додумался первооткрыватель законов планетных перемещений Иоганн Кеплер. Собственную идею он изложил в труде Dioptrice («Диоптрика»), заметившем свет в 1611 году.

Кеплер внес предложение применять в качестве окуляра выпуклую линзу, отодвинутую от фокуса объектива на длину собственного фокусного расстояния — причем не по направлению к объективу, а прочь от него. Протяженность для того чтобы телескопа равна сумме (а не разности, как у «голландского» предшественника) фокусных окуляра и расстояний объектива, а формула для повышения, конечно, остается той же самой.

Он дает перевернутое изображение, но для наблюдателей небес это не воображает никаких затруднений. Кеплеровская конструкция снабжает расширенное поле зрения и громадную яркость — а это огромные плюсы. Первый таковой телескоп сделал в 1613 году превосходный германский геометр, физик и астроном Кристоф Шейнер, один из самых блестящих ученых, которых подарил миру орден иезуитов.

В астрономическую практику кеплеровские трубы вошли только во второй половине 30-х годов семнадцатого века.

Шейнер внес еще одно ответственное усовершенствование. Он додумался, что телескоп возможно наводить на нужную точку небосвода поворотом около двух взаимно перпендикулярных осей, одна из которых ориентирована под прямым углом к плоскости экватора, и в 1620-х внес предложение прообраз экваториальной монтировки (см. врезку), что очень сильно упростило компенсацию дневного вращения Почвы.

Совсем новым принцип не был и тогда (в 1585 году датский астролог Тихо Браге как раз так установил собственный наибольший угломерный инструмент — громадную армиллярную сферу), но Шейнер первым применял его для нацеливания телескопа. Совокупность усовершенствовал второй астролог-иезуит Кристофер Гринбергер, а в 1670-х Гук внес предложение поворачивать телескоп посредством часового механизма.

Линзовые динозавры

К середине XVII века телескопы-рефракторы существенно усложнились. Богемский монах-капуцин Антон Мария Ширлеус де Рейта изобрел телескоп с четырьмя выпуклыми линзами (объектив, промежуточная линза и двухлинзовый окуляр), что расширил поле зрения если сравнивать с двухлинзовой кеплеровской трубой.

Ширлеус передал собственные секреты аугсбургскому мастеру Иоганну Визелю, что изготавливал и реализовывал телескопы длиной более четырех метров. Через дюжина лет данный рекорд побил британец Ричард Рив, чьи трубы по длине зашкаливали за 10 м — высота трехэтажного дома. Данцигский бургомистр Ян Гевелий (процветающий пивовар, а по совместительству громадной поклонник астрономии) строил для собственной обсерватории инструменты и больше, среди них 45-метровый телескоп с составным светопроницаемым тубусом, подвешенный на высоком столбе. А в конце столетия великий физик Христиан и голландский астроном Гюйгенс со своим братом Константином строили уж вовсе непомерные беструбные (так именуемые воздушные) телескопы длиной до 70 м.

В главе о ранних рефракторах нереально не упомянуть еще одно изобретение, сделанное уже в восемнадцатом веке. Во второй половине 20-ых годов XVIII века астроном и английский адвокат-любитель Холл и Честер отыскал метод фактически свести к нулю хроматическую аберрацию — настоящий бич тогдашних рефракторов (как раз для борьбы с ней и строили телескопы-великаны со сверхдлиннофокусными объективами).

Холл придумал объектив, скомпонованный из пары линз — выпуклой из флинтгласа, оптического стекла с высоким низкой дисперсией и показателем преломления, и вогнутой из кронгласса, с низким средней дисперсией и показателем преломления (в теории эту идею еще в 1695 году внес предложение оксфордский доктор математических наук Дэвид Грегори, о чем Холл, быть может, знал). Изготовление аналогичных объективов не без распрей прибрала к рукам первая в мире оптическая компания, основанная лондонцем Джоном Долландом и его сыном Питером (что в первой половине 60-ых годов восемнадцатого века изобрел всецело ахроматический трехлинзовый объектив).

Пришествие зеркал

"Наверное," первый зеркальный телескоп в 1616 году пробовал сделать римский доктор математических наук, иезуит Никколо Зуччи. Он забрал вогнутое медное зеркало, поместил в его фокус вогнутую линзу и не заметил ровно ничего. В принципе это устройство имело возможность сработать, будь у Зуччи зеркало хорошей шлифовки, но таких еще просто не существовало.

В 1630-х годах итальянец Бонавертура Кавальери и француз Марин Мерсенн (также слуги церкви) опубликовали труды с глубоким теоретическим анализом возможностей зеркальных оптических устройств, но не постарались их выстроить.

Во второй половине XVII века дела пошли стремительнее. В первой половине 60-ых годов XVII века шотландский математик Джеймс Грегори (родной дядя упомянутого выше Дэвида) внес предложение в полной мере работоспособную конструкцию рефлектора. Свет от удаленного объекта падает на главное фокусирующее зеркало с поверхностью в форме параболоида вращения. Отраженные лучи попадают на маленькое — и также вогнутое! — вспомогательное зеркало с эллипсоидальной поверхностью, расположенное перед фокусом параболического рефлектора.

Отразившись во второй раз, свет проходит через отверстие в центре главного зеркала и фокусируется выпуклой окулярной линзой. В совершенстве такая конфигурация дает прямое изображение с нулевой сферической аберрацией; хроматическая имеет место, но в малой степени (она легко устраняется ахроматическим окуляром, но тогда его еще не придумали). Грегори кроме того заказал Ричарду Риву зеркала для для того чтобы телескопа, но тот не смог добиться нужного качества.

Быть может, что со временем Рив отшлифовал бы зеркала и получше, но Грегори спешил за границу, ожидать не захотел и больше к этому проекту не возвращался. В следствии первый действующий телескоп-рефлектор был изобретен и собран во второй половине 60-ых годов XVII века Исааком Ньютоном. В отличие от грегорианского телескопа вторичное зеркало у него не выпуклое, а плоское.

Оно развёрнуто к оптической оси под углом в 45 градусов, исходя из этого свет попадает в окуляр через отверстие в тубусе (в таковой телескоп наблюдают не позади, а сбоку). Ньютон преуспел благодаря собственному способу шлифовки главного зеркала (посредством абразивного порошка, нанесенного на смоляную подложку), снабжавшему точность в десятую долю микрона. Позднее он сделал еще один таковой рефлектор и 11 января 1672 года подарил его Английскому королевскому обществу (куда и стал).

Выполненная в восемнадцатом веке копия этого телескопа, содержащая кое-какие подробности, вышедшие из рук самого Ньютона, сохранилась и поныне (первый ньютоновский рефлектор считается потерянным).

Конструкция Кассегрена

На 1672 год приходится еще одна серьёзная дата в истории оптических телескопов. Один из участников Французской академии сказал сотрудникам, что некоторый Лоран Кассегрен, преподаватель и священник колледжа из Шартра, изобрел уникальную версию зеркального телескопа. Кассегреновский телескоп, подобно григорианскому и ньютоновскому, оснащен вогнутым параболическим главным зеркалом с центральным отверстием.

А вот в качестве вторичного рефлектора в нем стоит выпуклый гиперболоид, расположенный не перед фокусом главного зеркала, а сзади него. Эта конфигурация позволяет уменьшить длину трубы, которая возможно многократно меньше, чем фокусное расстояние главного зеркала.

Первый трудящийся телескоп григорианского типа сделал в первой половине 30-ых годов XVIII века мастер из Эдинбурга Джеймс Шорт. В этом же году изобретатель секстанта британский математик Джон Хадли выстроил телескоп Кассегрена. Так что к концу первой половины 1730-х все хорошие схемы рефлекторов и рефракторов взяли практическое воплощение.

Мысль Кассегрена практически завершила разработку оптических схем телескопов-рефлекторов, позднее они только модифицировались. Так, в 1920-х годах американский астролог Джордж Ричи и француз Анри Кретьен продемонстрировали, что уровень качества изображения кассегреновской совокупности улучшится, в случае если оба зеркала сделать гиперболическими. Эта конфигурация реализована и в Громадном Канарском телескопе, что к тому же оснащен третьим поворотным зеркалом, выводящим изображение в разные фокальные плоскости.

Кассегреновской схеме по большому счету повезло на модификации, их уже около десятка.

Спокойные столетия

С середины XVIII и впредь до середины XX столетия телескопы изменились не через чур очень сильно. Само собой разумеется, росли размеры, разрешающая свойство, светосила, степень повышения, но принципиально они не особенно отличались от инструментов прошлых времен.

Но, технический прогресс не стоял на месте. Великий английский астролог Уильям Гершель делал наилучшие телескопы собственного времени, а также очень заслуженный «Громадный двадцатифутовый» с зеркалом 47-сантиметрового диаметра (выстроенный пара позднее сорокафутовый гигант с зеркалом и железной трубой диаметром в 120 см громадной пользы не принес — им было тяжело руководить, да и зеркала скоро потускнели). Не оправдал надежд и законченный в 1845 году наибольший телескоп XIX столетия с шестифутовой апертурой и 17-метровой древесной трубой, сооруженный в имении ирландского аристократа Уильяма Парсонса, третьего лорда Росса (данный инструмент в первый раз разрешил понять, что кое-какие туманности имеют спиральную структуру, но вторых важных результатов не принес).

Вот еще пара серьёзных вех в истории телескопостроения. Превосходный германский оптик Йозеф Фраунгофер (тот самый, кто первым начал изучать спектры посредством дифракционной решетки) усовершенствовал технику изготовления ахроматических объективов громадного диаметра и изобрел весьма элегантную экваториальную монтировку, которую назвали германской. В первой половине 40-ых годов девятнадцатого века доктор наук Нью-Йоркского университета Джон Уильям Дрейпер сделал первую астрофотографию (Луны).

Спустя десятилетие последовала и первая фотография звезды (в этом случае Веги), выполненная в обсерватории Гарвардского университета. Во второй половине пятидесятых годов девятнцадцатого века показались рефлекторы со стеклянными посеребренными зеркалами, каковые были большое количество лучше прошлых железных. В следующем десятилетии английский астролог Уильям Хаггинс в первый раз скрестил телескоп со спектрографом и положил начало эре астрономической спектроскопии (он и химик Уильям Аллен Миллер совместно изучили спектры полусотни звезд и доказали, что планетарные туманности — это облака тёплого космического газа).

Историки астрономии именуют вторую половину XIX века эрой великих рефракторов — телескопов нового поколения с объективами диаметром более 25 дюймов (63,5 см). Первый таковой инструмент был сделан в первой половине 60-ых годов девятнадцатого века, за ним до финала столетия последовали еще девять. Самым громадным из них был и поныне остался действующий с 1897 года 40-дюймовый рефрактор Йеркской обсерватории.

В эти же годы появились и первые предприятия, специализирующиеся на производстве телескопов.

В двадцатом веке лидерство перехватили большие рефлекторы. В 1917 на горе Вильсон в Южной Калифорнии вошел в строй 100-дюймовый телескоп Хукера, благодаря которому Эдвин Хаббл выяснил расстояние до туманности Андромеды и нашёл космологическое расширение Вселенной. Он оставался наибольшим телескопом мира , пока во второй половине 40-ых годов XX века на горе Паломар не получил 200-дюймовый рефлектор Хейла.

Оба инструмента имеют цельные зеркала и установлены на экваториальных монтировках.

Эра гигантов

Через 28 лет по окончании инаугурации телескопа Хейла самым громадным рефлектором стал действующий с 1976 года БТА (Громадный телескоп азимутальный), установленный в Особой астрофизической обсерватории на горе Семиродники около Нижнего Архыза. Это первый огромный телескоп с альт-азимутальной компьютеризованной монтировкой. К сожалению, больших открытий на нем сделано не было (и из-за неудачного расположения, и из-за не хорошо ликвидируемых аберраций чересчур массивного цельного зеркала диаметром 605 см).

Телескопы с еще бoльшими монолитными зеркалами показались только в 1990-х годах. Это 810-сантиметровый Gemini North гавайской горной обсерватории Мауна-Кеа, расположенный по соседству 830-сантиметровый японский Subaru (наименование в переводе с японского свидетельствует «Плеяды»), четыре 820-сантиметровых инструмента комплекса Very Large Telescope (VLT) Южной европейской обсерватории (ESO) в чилийской пустыне Атакама и Large Binocular Telescope (LBT) с парой 840-сантиметровых зеркал, установленный на горе Грэм в штате Аризона.

Новым словом в телескопостроении стали ячеистые зеркала, составленные из десятков шестиугольных сегментов. Ими оснащены телескопы с зеркалами диаметром больше девяти метров: Hobby-Eberly (техасская обсерватория Макдональда), South African Large Telescope (Южно-Африканская астрономическая обсерватория) и два однообразных десятиметровых телескопа Keck-1 и Keck-2 (Мауна-Кеа).

на данный момент в фавориты этого немногочисленного семейства вышел Громадной Канарский телескоп, Gran Telescopio Canarias, с 10,4-метровым зеркалом из 36 сегментов. По занятному совпадению открытие этого огромного суперсовременного инструмента с апертурой, перешагнувшей символический 10-метровый порог, произошло на канарском острове Ла Пальма 24 июля 2009 года, фактически ровно четыре столетия спустя по окончании первого документированного применения телескопа.

На том стоим

Монтировкой именуется опорная совокупность телескопа, разрешающая фиксировать его в определенной позиции. Монтировки различаются по размещению взаимно перпендикулярных осей, около которых поворачивается труба на протяжении нацеливания.

Монтировки бывают двух главных типов — экваториальная и альт-азимутальная. У экваториальной одна из осей вращения трубы телескопа параллельна земной оси (и, следовательно, ортогональна плоскости экватора, откуда и наименование). Эта ось именуется часовой, либо полярной, а вторая — осью склонений.

Для компенсации вращения Почвы достаточно вращать телескоп около полярной оси, совершая полный оборот за 23 часа 56 мин. (другими словами за одни звездные дни).

В альт-азимутальной монтировке также употребляются ортогональные оси вращения — вертикальная и горизонтальная. Главный недочёт данной конструкции в том, что стабилизация телескопа достигается за счет вращения около обеих осей с переменными скоростями. Сейчас компьютеры свободно справляются с данной задачей, и исходя из этого все большие современные телескопы применяют, в большинстве случаев, альт-азимутальную монтировку.

Немерцающие звезды

Зеркальные схемы телескопов на данный момент господствуют в астрономии. Они используются не только для оптических инструментов, но и для телескопов, ведущих наблюдения в других диапазонах. На рисунке — один из вариантов телескопа для наблюдений в дальнем ИК- и субмиллиметровом диапазоне, совместная разработка Корнеллского университета и Калифорнийского технологического университета.

25-метровый рефлектор, выстроенный по схеме Ричи-Кретьена, предложено выстроить к 2015 году в чилийской пустыне Атакама

Все наибольшие современные телескопы оснащены совместно действующими совокупностями активной и адаптивной оптики. Первая разрешает посредством электромеханических манипуляторов изменять форму главного зеркала для восстановления его геометрически верной поверхности (а время от времени кроме этого варьирует пространственную ориентацию вторичного зеркала). Именно поэтому основное зеркало снабжает оптимальное уровень качества изображения при любом наклоне трубы телескопа и при трансформации температуры, силы и влажности ветра.

Адаптивная оптика компенсирует атмосферные помехи, каковые «размывают» приходящие световые сигналы. Эта совокупность много раз в секунду выявляет искажения проходящего через апертуру волнового фронта и компенсирует их посредством деформируемого (адаптивного) запасного зеркала либо жидкокристаллической матрицы. Для анализа качества изображения применяют броские звезды с прекрасно известным спектром или неестественные псевдосветила, образующиеся при свечении ионов Na в следствии замечательного лазерного облучения слоя атмосферы на высоте около 90 км.

Видео к статье: ссылка

Пустынная астрономия

Оптический великан Проект Extremely Large Telescope (E-ELT) Европейской южной обсерватории (ESO). Диаметр многосегментного зеркала E-ELT для наблюдений в видимом и ИК-диапазонах составит 42 м. Начать строительство планируется в 2018 году

Новые телескопы радикально поменяли темперамент астрономических наблюдений. Ушел в прошлое романтический образ наблюдателя-одиночки, проводящего ночи в обсерватории, а дни — за анализом и проявкой фотопластинок. «Сейчас львиная часть работы астролога лежит на инженерах-эксплуатационщиках, каковые наводят телескопы на заданную цель, снимают показания детекторов и передают их исследователям по линиям компьютерной связи, — говорит доктор наук Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Патрик Макгрей, создатель книги о разработке и постройке телескопов-гигантов «Огромные телескопы: технологические обещания и астрономические амбиции» (Giant Telescopes: Astronomical Ambition and the Promise of Technology). — Более того, показались всецело автоматизированные телескопы — хоть и меньшего калибра, но целиком и полностью управляемые дистанционно. Такая ‘пустынная’ астрономия начнёт развиваться и дальше, это без сомнений».

Новые пределы для гигантов

Как поменяли астрофизику и астрономию громадные наземные телескопы, вступившие в строй в течение двух последних десятилетий?

«Аппаратура новейших телескопов, в большинстве случаев, регистрирует не только видимый свет, но и проходящее через земную воздух ИК-излучение. Так что именовать эти телескопы оптическими не в полной мере верно — их диапазон шире, — поведал «ПМ» доктор наук астрономии Флоридского университета Чарльз Телеско. —

Случайные записи:

• 10 Вариантов будущего через тысячу лет
• 10 Примеров влияния фармацевтики наприроду

Как выбрать телескоп. Рефракторы. Часть 1.

Похожие статьи, которые вам понравятся:

Новый взгляд на сетчатку

Как мы знаем, что многие неприятности со зрением, каковые появляются у людей, связаны со изменениями структуры сетчатки. Кроме исследования и проверки…