Телескоп – пристрій, що використовується для формування збільшених зображень віддалених об’єктів. Це найважливіший дослідний інструмент в астрономії. Він надає засоби для збору і аналізу випромінювання небесних об’єктів, навіть тих, які знаходяться далеко у Всесвіті.
Галілей зробив революцію в астрономії, коли на початку XVII ст. застосував телескоп для вивчення позаземних тел. До нього подібні інструменти з цією метою не використовувалися. За новаторською роботою Галілея пішли все більш потужні телескопи, а також широкий спектр приладів, здатних виявляти і вимірювати випромінювання в кожній області електромагнітного спектру. Можливості астрономічних інструментів розширилися завдяки винаходу допоміжних приладів (камер, спектрографов і пристроїв із зарядовим зв’язком) і появи комп’ютерів, ракет і космічних апаратів. Все це внесло величезний внесок у розширення наукових знань про Сонячну систему, Галактику і Всесвіту в цілому.
В залежності від робочої частини електромагнітного спектра, розрізняють оптичні, радіо-, рентгенівські і гамма-телескопи.
Рефрактори
Даний тип телескопа використовуються для дослідження Місяця, інших об’єктів Сонячної системи, таких як Юпітер і Марс, і подвійних зірок. Назва походить від терміна «рефракція», що позначає заломлення світла на межі розділу двох середовищ з різною щільністю, наприклад повітря і скла. Скло являє собою лінзу, і вона може складатися з одного або кількох компонентів. Форма складових частин може бути опуклою, увігнутою або плоскопараллельной. Прикладом такого телескопа служить шкільний рефрактор.
Фокус – точка або площина, в якій світлові промені сходяться після проходження через лінзу на відстані одного фокусної відстані. У рефракторе перша лінза, через яку проходить світло від небесного об’єкта, називається об’єктивом. Друга лінза, звана окуляром, розташована за фокальною площиною і дозволяє спостерігачеві переглядати збільшене зображення. Таким чином, найпростіша форма рефрактора складається з об’єктива і окуляра.
Діаметр об’єктиву називають апертурою. Зазвичай він коливається від декількох сантиметрів до 1 м у самого великого телескопа-рефрактора. Об’єктив, як і окуляр, може складатися з декількох компонентів. Невеликі підзорні труби можуть мати додаткову лінзу за окуляром, необхідну для того, щоб зображення не виглядало перевернутим. Спостережуваний об’єкт може бути не цілком різко або з домінуючим відтінком. Такі спотворення (аберації) іноді з’являються при поліруванні лінз. Хроматична аберація є основним видом спотворень. Вона виникає, коли світлові промені різного кольору не сходяться в загальному фокусі. Хроматична аберація зводиться до мінімуму шляхом додавання до об’єктиву додаткових компонентів.
Окуляри і рефлектори забезпечують спостерігачам можливість вибору збільшення лінзового телескопа. Збільшувальна потужність визначається шляхом ділення фокусної відстані об’єктива на фокусна відстань окуляра. Великі збільшення необхідні для спостереження за Місяцем та планетами. Наприклад, 66-сантиметровий рефрактор Військово-морської обсерваторії використовувався астрономом Асафом Холом для виявлення 2 супутників Марса, Фобоса і Деймоса, в 1877 р. Оскільки зірки – це точкові джерела світла, їх збільшення не дає жодних додаткових переваг.
Як вибрати телескоп?
Найважливішою з усіх його характеристик є світлосила. Вона прямо залежить від діаметра об’єктива. Співвідношення світлосили різних телескопів дорівнює відношенню квадратів їх апертур. Отримання більшої кількості світла дозволяє спостерігати більш слабкі зірки, туманності і далекі галактики.
Роздільна здатність – ще одна важлива характеристика телескопа. Вона визначає його здатність чітко розрізняти дві точки, кутове відстань між якими менше мінімального кута, який може бачити око спостерігача. Як вибрати телескоп, якщо роздільна здатність не вказана? Її можна розрахувати за формулою 11,25 ʺ/d, де d – діаметр об’єктива див. Таким чином, дозвіл 25-см об’єктива дорівнює 0,45 ʺ. Важливим застосуванням роздільної здатності є спостереження подвійних зірок.
Стабільність телескопа теж має велике значення. Будь-яка вібрація значно знижує якість зображення. Ця проблема не пов’язана з обуреннями атмосфери повітряними потоками. Щоб уникнути їх, великі телескопи встановлюються на гірських вершинах.
Монтування
Більшість сучасних рефракторів мають екваторіальну підвіску. Така монтування дозволяє націлювати телескоп на небесний об’єкт. При цьому полярна вісь інструменту розташовується паралельно земній осі і підтримує вісь відміни. Вісь відміни дозволяє встановлювати різні кути нахилу при обертанні телескопа навколо полярної осі з урахуванням прямого сходження, що вимірюється вздовж небесного екватора від точки його перетину Сонцем в перший день весни.
Відмінювання і пряме сходження – координати, що визначають положення об’єкта на небесній сфері. Схиляння є аналогом широти, а пряме сходження – довготи. На осі нанесені поділки, які дозволяють спостерігачеві точно націлити телескоп. Для відстеження об’єкта полярна вісь інструменту плавно приводиться в дію електродвигуном зі швидкістю, рівної швидкості обертання Землі по відношенню до зірок. Якщо сидерическая швидкість двигуна дуже точна, спостереження можна проводити протягом тривалого періоду часу. Великі обсерваторії для цього використовують або кварцові, або атомні годинники.
Астрограф
Іншим типом телескопа є астрограф, апертура якого дорівнює 20 див. Фотопластинка, встановлювана у фокальній площині об’єктива, дозволяє фотографувати небесну сферу. Прилад використовується для визначення положення слабких зірок, позиції яких публікуються в каталогах і служать як орієнтири для глибокого космічної зйомки.
Дзеркальні телескопи
Використовуються не тільки для вивчення видимої частини електромагнітного спектра, але і прилеглих коротко – і довгохвильових областей (ультрафіолетовій і інфрачервоній). Принцип роботи дзеркального телескопа заснований на тому, що світло до фокусу не заломлюється, а відображається первинним дзеркалом. Воно зазвичай має увігнуту сферичну або параболічну форму і колір зображення у фокальній площині. Формули розрахунку параметрів рефракторів такі ж, як і у дифракторов.
Основне дзеркало розташоване на нижньому кінці трубки у відбивачі. Його поверхня покрита найтоншим металевою плівкою. Основа зазвичай виконується зі скла Pyrex, але нові технології призвели до створення матеріалів з дуже низькими коефіцієнтами розширення, що необхідно для запобігання деформації при зміні температури в нічний час. Рефрактори дешевше і не схильні хроматичної аберації.
Телескоп Шмідта
У 1930 р. Бернхард Шмідт, оптик Гамбурзької обсерваторії в Бергедорфе (Німеччина), розробив катадиоптрический телескоп, що задовольняє вимогу зйомки великих ділянок неба. Його конструкція поєднує кращі характеристики рефрактора і рефлектора. Первинне дзеркало телескопа має сферичну форму. Оскільки паралельні світлові промені, відбиті центром сферичного дзеркала, фокусуються далі, ніж відбиті від зовнішніх областей, Шмідт ввів коригувальну лінзу. Так як вона дуже тонка, хроматична аберація невелика. Отримана фокальна площина забезпечує поле зору діаметром кілька градусів.
Мультизеркальные телескопи
Основна причина, з якої астрономи будують великі телескопи, полягає у збільшенні світлосили, яка дозволяє глибше зазирнути у Всесвіт. На жаль, вартість створення рефракторів зростає в кубічної залежності від діаметру дзеркала. Таким чином, для досягнення мети при збереженні витрат необхідні нові, більш економічні конструкції.
Два 10-му мультизеркальных телескопа обсерваторії Кека є прикладом таких зусиль. Перший був встановлений на вулкані Мауна-Кеа, який знаходиться на одному з гавайських островів, у 1992 р., а другий був завершений у 1996-м. Кожний з них складається з 36 суміжних регульованих дзеркальних сегментів, керованих комп’ютером.
Сонячні телескопи
Рефрактор і рефлектор можуть застосовуватися для візуальних спостережень за такими явищами, як сонячні плями або протуберанці. Однак для досліджень Сонця був розроблений спеціальний тип телескопа, використовує спектрогелиографы і коронографы. Він монтується в баштах і має дуже довгофокусний об’єктив. Це забезпечує хороший коефіцієнт збільшення, що дозволяє розглядати окремі довжини хвиль електромагнітного спектру. На вершині вежі екваторіально встановлено плоске дзеркало (целостат), направляє світло в об’єктив.
У 1930 р. Бернард Лиот побудував інший такий телескоп в обсерваторії Пік-дю-Міді (Франція). Він був спеціально розроблений для фотографування сонячної корони, яку до цього можна було зняти тільки під час затемнень. Коронограф встановлюють на великій висоті, щоб знизити кількість розсіяного світла, погіршує якість фотографій. Подібні телескопи також використовуються на борту супутника SOHO, призначеного для вивчення Сонця.
Орбітальні обсерваторії
Хоча астрономи продовжують шукати нові технологічні прориви для побудови великих наземних телескопів, цілком очевидно, що єдине рішення для деяких наукових проблем – проведення спостережень за межами атмосфери Землі. NASA вивело на орбіту серію астрономічних обсерваторій. У 1972 р. був запущений супутник з 81-см телескопі на борту. Найскладнішою космічної обсерваторією став телескоп «Хаббл» з 2,4-м основним дзеркалом, почав роботу в 1990 р. Він був спроектований таким чином, щоб астрономи могли бачити в 300-400 разів більше, ніж дозволяли інші системи, без атмосферних спотворень. Він оснащений 5 основними науковими інструментами:
- ширококутної і планетарної камерою;
- спектрографом для об’єктів зі слабким випромінюванням;
- спектрографом високого дозволу;
- безінерційним фотометром;
- камерою для виявлення слабоконтрастних об’єктів.
Телескоп «Хаббл» був запущений на орбіту з космічного човника на висоті понад 570 км над Землею. Незабаром після його розгортання на орбіті вчені виявили, що виробнича помилка, що впливає на форму основного дзеркала, серйозно погіршила здатність фокусування інструменту. Дефект викликав сферичну аберацію, яка обмежувала здатність одного з найбільших телескопів на орбіті розрізняти космічні об’єкти, розташовані близько один до одного, і спостерігати віддалені галактики і квазари. Вчені розробили заходи, які дозволили їм компенсувати дефект і усунути проблему.
Астрономічні транзитні прилади
Ці невеликі, але дуже важливі телескопи зіграли важливу роль у картографуванні небесної сфери. Астрономічні транзитні прилади зазвичай являють собою рефрактори з апертурами 15-20 див. Основна оптична вісь телескопа вирівняна по лінії північ-південь, так що її рух обмежений площиною меридіана спостерігача. Це забезпечує додаткову стабільність, але спостерігачеві доводиться чекати, коли небесний об’єкт пройде через його меридіан.
Існують різні інструменти – транзитні, горизонтального і вертикального мередианного кола. Перші два типи телескопів визначають пряме сходження і схилення небесних об’єктів, а вертикальний – тільки їх відмінювання. Одним з найбільш точних астрономічних транзитних інструментів у світі є 15-см телескоп обсерваторії ВМС США.
Астролябії
Призматична астролябія використовується для точного визначення положень зірок і планет. Іноді вона застосовується для рішення зворотної задачі – визначення широти і довготи спостерігача з точно відомим положень небесних об’єктів. Апертура призматичної астролябії невелика і зазвичай дорівнює 8-10 див. Ртуть і заломлює призма складають іншу основну частину інструменту. Зображення, відображене від рідкого металу, спостерігається разом з прямим зображенням для отримання необхідних даних про місцезнаходження. У 1970-х роках конструкція пристрою була вдосконалена. У Китаї створили більш точну автоматичну астролябію, яка використовується в даний час.
