6.1: Телескопи

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 6: Астрономічні інструменти
- 6.2: Телескопи сьогодні

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

Охарактеризуйте три основні складові сучасної системи вимірювання астрономічних джерел
Опишіть основні функції телескопа
Опишіть два основні типи телескопів видимого світла та те, як вони формують зображення

Системи вимірювання радіації

Існує три основні складові сучасної системи вимірювання випромінювання від астрономічних джерел. Спочатку є телескоп, який служить «відром» для збору видимого світла (або випромінювання на інших довжині хвиль, як показано на малюнку $\PageIndex{1}$ ). Подібно до того, як ви можете зловити більше дощу за допомогою сміттєвого бака, ніж з кавовою чашкою, великі телескопи збирають набагато більше світла, ніж ваше око. По-друге, до телескопа прикріплений прилад, який сортує вхідне випромінювання по довжині хвилі. Іноді сортування буває досить сирим. Наприклад, ми можемо просто відокремити синє світло від червоного світла, щоб ми могли визначити температуру зірки. Але в інший час ми хочемо бачити окремі спектральні лінії, щоб визначити, з чого складається об'єкт, або виміряти його швидкість (як пояснено в розділі «Радіація та спектри»). По-третє, нам потрібен якийсь тип детектора, пристрій, який сприймає випромінювання в областях довжини хвилі, які ми вибрали, і постійно записує спостереження.

альт — Малюнок $\PageIndex{1}$ Оріон області на різних довжині хвиль. Одна і та ж частина неба виглядає по-різному при спостереженні за допомогою приладів, чутливих до різних смуг спектра. (а) Видиме світло: це показує частину регіону Оріон, як людське око бачить її, з пунктирними лініями, доданими, щоб показати фігуру міфічного мисливця Оріона. (б) Рентгенівські промені: тут погляд підкреслює точкові рентгенівські джерела поблизу. Кольори штучні, змінюються від жовтого до білого до синього зі збільшенням енергії рентгенівських променів. Яскраві, гарячі зірки в Оріоні все ще видно на цьому зображенні, але так само багато інших об'єктів, розташованих на дуже різних відстанях, включаючи інші зірки, зоряні трупи та галактики на краю спостережуваного Всесвіту. (c) Інфрачервоне випромінювання: тут ми в основному бачимо світиться пил у цьому регіоні.

Історія розвитку астрономічних телескопів полягає в тому, як були застосовані нові технології для підвищення ефективності цих трьох основних компонентів: телескопів, пристрою для сортування довжини хвилі та детекторів. Давайте спочатку розглянемо розвиток телескопа.

Багато стародавні культури будували спеціальні майданчики для спостереження за небом (рис. $\PageIndex{2}$ ). На цих стародавніх обсерваторіях вони могли вимірювати положення небесних об'єктів, в основному, щоб відстежувати час і дату. Багато з цих стародавніх обсерваторій мали релігійні та ритуальні функції, а також. Око було єдиним пристроєм, доступним для збору світла, всі кольори у світлі спостерігалися одночасно, і єдиний постійний запис спостережень робився людьми, які записували або замальовували побачене.

У той час як Ганс Ліпперші, Захаріас Янссен та Джейкоб Метій приписують винахід телескопа близько 1608 року - подаючи заявки на патенти протягом декількох тижнів один від одного - саме Галілей у 1610 році використовував цю просту трубку з лінзами (яку він назвав підзорним склом), щоб спостерігати за небом і збирати більше світла, ніж його очі поодинці могли. Навіть його невеликий телескоп, який використовувався протягом багатьох ночей, революціонізував уявлення про природу планет і положення Землі.

Як працюють телескопи

Телескопи пройшли довгий шлях з часів Галілея. Зараз вони, як правило, величезні пристрої; найдорожчі коштують від сотень мільйонів до мільярдів доларів. (Однак, щоб забезпечити певну точку відліку, майте на увазі, що просто ремонт футбольних стадіонів коледжу зазвичай коштує сотні мільйонів доларів - з найдорожчою недавньою реконструкцією, в Техаському університеті A&M Kyle Field, вартістю 450 мільйонів доларів.) Причина, чому астрономи продовжують будувати все більші та більші телескопи, полягає в тому, що небесні об'єкти, такі як планети, зірки та галактики, надсилають на Землю набагато більше світла, ніж будь-яке людське око (з його крихітним отвором), а більші телескопи можуть виявляти слабкі об'єкти. Якщо ви коли-небудь спостерігали за зірками з групою друзів, ви знаєте, що є багато зоряного світла, щоб обійти; кожен з вас може побачити кожну з зірок. Якби ще тисяча людей дивилися, кожен з них також вловив би трохи світла кожної зірки. Проте, наскільки ви стурбовані, світло, що не сяє в ваше око, витрачається даремно. Було б чудово, якби частина цього «даремно» світла також могла бути захоплена і піднесена до вашого ока. Це саме те, що робить телескоп.

Найважливішими функціями телескопа є (1) збір слабкого світла з астрономічного джерела та (2) фокусування всього світла в точці або зображенні. Більшість об'єктів, що цікавлять астрономів, вкрай слабкі: чим більше світла ми зможемо зібрати, тим краще ми можемо вивчити такі об'єкти. (І пам'ятайте, хоча ми спочатку зосереджуємось на видимому світлі, існує багато телескопів, які збирають інші види електромагнітного випромінювання.)

Телескопи, які збирають видиме випромінювання, використовують лінзу або дзеркало для збору світла. Інші типи телескопів можуть використовувати збиральні пристрої, які зовні сильно відрізняються від лінз і дзеркал, з якими ми знайомі, але вони виконують ту ж функцію. У всіх типах телескопів світлозбиральна здатність визначається площею пристрою, що виконує роль светособирающего «ковша». Оскільки більшість телескопів мають дзеркала або лінзи, ми можемо порівняти їх потужність збору світла, порівнюючи отвори або діаметри отвору, через яке світло рухається або відбивається.

Кількість світла, яке телескоп може зібрати, збільшується з розміром діафрагми. Телескоп з дзеркалом діаметром 4 метри може зібрати в 16 разів більше світла, ніж телескоп діаметром 1 метр. (Діаметр квадрат, тому що площа кола дорівнює $\pi d^2/4$ , де $d$ діаметр кола.)

Приклад $\PageIndex{1}$ : Обчислення площі збору світла

Яка площа телескопа діаметром 1 м? А діаметром 4 м один?

Рішення

Використовуючи рівняння для площі кола,

$A= \frac{\pi d^2}{4} \nonumber$

площа 1-м телескопа

$\frac{\pi d^2}{4}= \frac{\pi (1 \text{ m})^2}{4}=0.79 ~ \text{m}^2 \nonumber$

а площа 4-метрового телескопа

$\frac{\pi d^2}{4} = \frac{ \pi (4 \text{ m})^2}{4}=12.6 \text{ m}^2 \nonumber$

Вправа $\PageIndex{1}$

Покажіть, що співвідношення двох областей дорівнює 16:1.

Відповідь

$\frac{12.6 \text{ m}^2}{0.79 \text{ m}^2}=16. \nonumber$

Тому з 16-кратною площею 4-метровий телескоп збирає в 16 разів більше світла 1-метрового телескопа.

Після того, як телескоп формує зображення, нам потрібен певний спосіб виявити та записати його, щоб ми могли вимірювати, відтворювати та аналізувати зображення різними способами. До дев'ятнадцятого століття астрономи просто переглядали зображення очима і писали описи побаченого. Це було дуже неефективно і не призвело до дуже надійного довгострокового запису; Ви знаєте зі злочинних шоу на телебаченні, що свідчення очевидців часто неточні.

У дев'ятнадцятому столітті широке поширення набуло використання фотографії. У ті часи фотографії представляли собою хімічний запис зображення на спеціально обробленій скляній пластині. Сьогодні зображення, як правило, виявляють за допомогою датчиків, подібних до цифрових камер, записуються в електронному вигляді та зберігаються в комп'ютерах. Цей постійний запис потім може бути використаний для детальних та кількісних досліджень. Професійні астрономи рідко переглядають великі телескопи, які вони використовують для своїх досліджень.

Формування зображення об'єктивом або дзеркалом

Незалежно від того, носите ви окуляри чи ні, ви бачите світ через лінзи; вони є ключовими елементами ваших очей. Лінза - це прозорий шматок матеріалу, який згинає промені світла, що проходить через неї. Якщо світлові промені паралельні при попаданні, об'єктив об'єднує їх в одному місці для формування зображення (рис. $\PageIndex{3}$ ). Якщо викривлення поверхонь лінз в самий раз, все паралельні промені світла (скажімо, від зірки) згинаються, або заломлюються, таким чином, що вони сходяться до точки, званої фокусом лінзи. У фокусі з'являється зображення джерела світла. У разі паралельних світлових променів відстань від лінзи до місця, де фокусуються світлові промені, або зображення, позаду лінзи називається фокусною відстанню лінзи.

Подивившись на малюнок $\PageIndex{3}$ , ви можете запитати, чому два промені світла від однієї зірки будуть паралельні один одному. Адже якщо намалювати картину зірки, що сяє на всі боки, то промені світла, що йдуть від зірки, зовсім не виглядають паралельно. Але пам'ятайте, що зірки (та інші астрономічні об'єкти) все вкрай далеко. До того часу, коли кілька променів світла, спрямованих на нас, насправді прибувають на Землю, вони для всіх практичних цілей паралельні один одному. Іншим чином, будь-які промені, які не були паралельні тим, що вказували на Землю, зараз прямують в якомусь зовсім іншому напрямку у Всесвіті.

Для перегляду зображення, утвореного лінзою в телескопі, ми використовуємо додаткову лінзу, яка називається окуляром. Окуляр фокусує зображення на відстані, яке або безпосередньо видно людиною, або в зручному для детектора місці. Використовуючи різні окуляри, ми можемо змінити збільшення (або розмір) зображення, а також перенаправити світло в більш доступне місце. Зірки виглядають як точки світла, і збільшення їх не має значення, але зображення планети або галактики, що має структуру, часто може отримати користь від збільшення.

Багато людей, думаючи про телескоп, зображують довгу трубку з великою скляною лінзою на одному кінці. Ця конструкція, яка використовує лінзу як основний оптичний елемент для формування зображення, як ми обговорювали, відома як рефрактор (рис. $\PageIndex{4}$ ), а телескоп, заснований на цій конструкції, називається заломлюючим телескопом. Телескопи Галілея були рефракторами, як і сьогоднішні біноклі та польові окуляри. Однак існує обмеження на розмір заломлюючого телескопа. Найбільшим з коли-небудь побудованих був 49-дюймовий рефрактор, побудований для Паризької виставки 1900, і він був демонтований після експозиції. В даний час найбільшим заломлюючим телескопом є 40-дюймовий рефрактор в обсерваторії Єркес у Вісконсині.

Однією з проблем заломлюючого телескопа є те, що світло повинен проходити через лінзу рефрактора. Це означає, що скло повинно бути ідеальним на всьому шляху, і це виявилося дуже важко зробити великі шматки скла без вад і бульбашок в них. Крім того, оптичні властивості прозорих матеріалів трохи змінюються з довжинами хвиль (або кольорами) світла, тому є деякі додаткові спотворення, відомі як хроматична аберація. Кожна довжина хвилі фокусується на дещо іншому місці, внаслідок чого зображення виглядає розмитим.

Крім того, оскільки світло повинно проходити через лінзу, лінзу можна підтримувати лише навколо її країв (як і оправи наших окулярів). Сила тяжіння призведе до того, що велика лінза провисає і спотворює шлях світлових променів, коли вони проходять через неї. Нарешті, оскільки світло проходить через нього, обидві сторони лінзи повинні бути виготовлені точно правильної форми, щоб отримати чітке зображення.

Інший тип телескопа використовує увігнуте первинне дзеркало в якості основного оптичного елемента. Дзеркало вигнуте, як внутрішня поверхня сфери, і воно відбиває світло для того, щоб сформувати зображення (рис. $\PageIndex{4}$ ). Дзеркала телескопа покриті блискучим металом, як правило, сріблом, алюмінієм або, іноді, золотом, щоб зробити їх високо відбиваючими. Якщо дзеркало має правильну форму, все паралельні промені відбиваються назад в одну і ту ж точку, фокус дзеркала. Таким чином, зображення виробляються дзеркалом точно так, як вони є об'єктивом.

Телескопи, розроблені з дзеркалами, дозволяють уникнути проблем заломлення телескопів. Оскільки світло відбивається лише від лицьової поверхні, вади та бульбашки всередині скла не впливають на шлях світла. У телескопі, розробленому з дзеркалами, тільки передня поверхня повинна бути виготовлена з точної форми, а дзеркало може підтримуватися ззаду. З цих причин більшість астрономічних телескопів сьогодні (як аматорських, так і професійних) використовують дзеркало, а не об'єктив для формування зображення; цей тип телескопа називається відображає телескоп. Перший вдалий світловідбиваючий телескоп був побудований Ісааком Ньютоном в 1668 році.

У відбиваючому телескопі увігнуте дзеркало розміщується в нижній частині трубки або відкритого каркаса. Дзеркало відображає світло назад вгору по трубці, щоб сформувати зображення біля переднього кінця в місці, яке називається основним фокусом. Зображення можна спостерігати при первинному фокусі, або додаткові дзеркала можуть перехопити світло і перенаправити його в положення, де спостерігач може легше його переглядати (рис. $\PageIndex{5}$ ). Оскільки астроном у головному фокусі може блокувати більшу частину світла, що надходить до головного дзеркала, використання невеликого вторинного дзеркала дозволяє більше світла потрапити через систему.

ВИБІР ВЛАСНОГО ТЕЛЕСКОПА

Якщо курс астрономії, який ви приймаєте, має апетит до вивчення неба далі, можливо, ви думаєте про покупку власного телескопа. Доступно багато чудових аматорських телескопів, і необхідні деякі дослідження, щоб знайти найкращу модель для ваших потреб. Деякі хороші джерела інформації про персональні телескопи - це два популярних журнали США, спрямовані на астрономів-аматорів: Sky & Telescope та Astronomy. Обидва несуть регулярні статті з порадами, відгуками та рекламою від авторитетних дилерів телескопів.

Деякі фактори, які визначають, який телескоп підходить саме вам, залежать від ваших уподобань:

Чи будете ви встановлювати телескоп в одному місці і залишати його там, або ви хочете інструмент, який є портативним і може прийти з вами на екскурсії на свіжому повітрі? Наскільки портативним він повинен бути, з точки зору розміру та ваги?
Ви хочете спостерігати за небом лише очима, або хочете сфотографуватися? (Наприклад, для зйомки з тривалою експозицією потрібен хороший годинник, щоб повернути телескоп, щоб компенсувати обертання Землі.)
Які типи об'єктів ви будете спостерігати? Вас цікавлять в першу чергу комети, планети, зоряні скупчення або галактики, або ви хочете спостерігати за всіма видами небесних пам'яток?

Можливо, ви ще не знаєте відповідей на деякі з цих питань. З цієї причини ви можете спочатку «тест-драйв» деяких телескопів. Більшість громад мають аматорські астрономічні клуби, які спонсорують зіркові вечірки, відкриті для публіки Члени цих клубів часто знають багато про телескопи і можуть поділитися своїми ідеями з вами. Ваш інструктор може знати, де зустрічається найближчий аматорський астрономічний клуб; або, щоб знайти клуб поруч з вами, скористайтеся веб-сайтами, запропонованими в додатку B.

Крім того, у вас вже може бути такий інструмент, як телескоп, вдома (або мати доступ до нього через родича чи друга). Багато астрономи-любителі рекомендують починати своє обстеження неба з хорошої пари біноклів. Вони легко переносяться і можуть показати вам багато предметів, не видимих (або чітких) неозброєним оком.

Коли ви будете готові придбати телескоп, вам можуть стати в нагоді такі ідеї:

Ключовою характеристикою телескопа є діафрагма головного дзеркала або об'єктива; коли хтось каже, що у них 6-дюймовий або 8-дюймовий телескоп, вони означають діаметр збиральної поверхні. Чим більше діафрагма, тим більше світла ви зможете зібрати, і тим слабкіше об'єкти, які ви можете побачити або сфотографувати.
Телескопи заданої діафрагми, які використовують лінзи (рефрактори), як правило, дорожчі, ніж ті, що використовують дзеркала (відбивачі), оскільки обидві сторони лінзи повинні бути відполіровані з великою точністю. І, оскільки світло проходить через нього, лінза повинна бути виготовлена з якісного скла на всьому протязі. На відміну від цього, тільки лицьова поверхня дзеркала повинна бути точно відшліфована.
Збільшення не є одним з критеріїв, на яких можна базувати свій вибір телескопа. Як ми обговорювали, збільшення зображення здійснюється меншим окуляром, тому збільшення можна регулювати, змінюючи окуляри. Однак телескоп збільшить не тільки астрономічний об'єкт, який ви переглядаєте, але й турбулентність атмосфери Землі. Якщо збільшення занадто велике, ваш образ буде переливатися і тремтіти і буде важко переглядати. Хороший телескоп буде поставлятися з різними окулярами, які залишаються в межах корисного збільшення.
Кріплення телескопа (конструкція, на яку він спирається) є одним з найважливіших його елементів. Оскільки телескоп показує крихітне поле зору, яке значно збільшується, навіть найменша вібрація або струс телескопа можуть переміщати об'єкт, який ви переглядаєте, навколо або поза полем зору. Міцне і стабільне кріплення має важливе значення для серйозного перегляду або фотографії (хоча це явно впливає на те, наскільки портативним може бути ваш телескоп).
Телескоп вимагає певної практики для ефективного налаштування та використання. Не чекайте, що все пройде ідеально з першої спроби. Приділіть трохи часу, щоб прочитати інструкцію. Якщо поруч знаходиться місцевий аматорський астрономічний клуб, використовуйте його як ресурс.

Резюме

Телескоп збирає слабке світло від астрономічних джерел і доводить його до фокусу, де прилад може сортувати світло відповідно до довжини хвилі. Потім світло направляється на детектор, де проводиться постійний запис. Потужність збору світла телескопа визначається діаметром його діафрагми, або відкриттям - тобто площею його найбільшої або первинної лінзи або дзеркала. Основним оптичним елементом у телескопі є або опукла лінза (в заломлюючому телескопі), або увігнуте дзеркало (у відбивачі), яке доводить світло до фокусу. Більшість великих телескопів є відбивачами; їх легше виготовляти та підтримувати великі дзеркала, оскільки світло не повинен проходити крізь скло.

Глосарій

діафрагми: діаметр первинної лінзи або дзеркала телескопа

хроматична аберація: спотворення, яке призводить до того, що зображення виглядає нечітким, коли кожна довжина хвилі, що надходить у прозорий матеріал, фокусується на іншому місці

детектор: пристрій, чутливий до електромагнітного випромінювання, що робить запис астрономічних спостережень

окуляр: збільшувальна лінза, яка використовується для перегляду зображення, отриманого об'єктивом або основним дзеркалом телескопа

фокус: (телескопа) точка, де зустрічаються промені світла, що сходяться дзеркалом або лінзою

прем'єр фокус: точка в телескоп, де об'єктив або первинне дзеркало фокусує світло

світловідбиваючий телескоп: телескоп, в якому головним колектором світла є увігнуте дзеркало

заломлення телескоп: телескоп, в якому основним колектором світла є об'єктив або система лінз

телескоп: прилад для збору видимого світла або іншого електромагнітного випромінювання