Типы телескопов, их устройство и характеристики

Телескоп – устройство, используемое для формирования увеличенных изображений удаленных объектов. Это самый важный исследовательский инструмент в астрономии. Он предоставляет средства для сбора и анализа излучения небесных объектов, даже тех, которые находятся далеко во Вселенной.

Галилей произвел революцию в астрономии, когда в начале XVII в. применил телескоп для изучения внеземных тел. До него подобные инструменты с этой целью не использовались. За новаторской работой Галилея последовали все более мощные телескопы, а также широкий спектр приборов, способных обнаруживать и измерять излучение в каждой области электромагнитного спектра. Возможности астрономических инструментов расширились благодаря изобретению вспомогательных приборов (камер, спектрографов и устройств с зарядовой связью) и появлению компьютеров, ракет и космических аппаратов. Все это внесло огромный вклад в расширение научных знаний о Солнечной системе, Галактике и Вселенной в целом.

В зависимости от рабочей части электромагнитного спектра, различают оптические, радио-, рентгеновские и гамма-телескопы.

Рефракторы

Данный тип телескопа используются для исследования Луны, других объектов Солнечной системы, таких как Юпитер и Марс, и двойных звезд. Название происходит от термина «рефракция», обозначающего преломление света на границе раздела двух сред с разной плотностью, например воздуха и стекла. Стекло представляет собой линзу, и она может состоять из одного или нескольких компонентов. Форма составных частей может быть выпуклой, вогнутой или плоскопараллельной. Примером такого телескопа служит школьный рефрактор.

Фокус – точка или плоскость, в которой световые лучи сходятся после прохождения через линзу на расстоянии одного фокусного расстояния. В рефракторе первая линза, через которую проходит свет от небесного объекта, называется объективом. Вторая линза, называемая окуляром, расположена за фокальной плоскостью и позволяет наблюдателю просматривать увеличенное изображение. Таким образом, простейшая форма рефрактора состоит из объектива и окуляра.

Диаметр объектива называют апертурой. Обычно он колеблется от нескольких сантиметров до 1 м у самого большого телескопа-рефрактора. Объектив, как и окуляр, может состоять из нескольких компонентов. Небольшие подзорные трубы могут иметь дополнительную линзу за окуляром, необходимую для того, чтобы изображение не выглядело перевернутым. Наблюдаемый объект может отображаться не вполне резко или с доминирующим оттенком. Такие искажения (аберрации) иногда появляются при полировке линз. Хроматическая аберрация является основным видом искажений. Она возникает, когда световые лучи различного цвета не сходятся в общем фокусе. Хроматическая аберрация сводится к минимуму путем добавления к объективу дополнительных компонентов.

Окуляры и рефлекторы обеспечивают наблюдателям возможность выбора увеличения линзового телескопа. Увеличительная мощность определяется путем деления фокусного расстояния объектива на фокусное расстояние окуляра. Большие увеличения необходимы для наблюдения за Луной и планетами. Например, 66-см рефрактор Военно-морской обсерватории использовался астрономом Асафом Холлом для обнаружения 2 спутников Марса, Фобоса и Деймоса, в 1877 г. Поскольку звезды – это точечные источники света, их увеличение не дает никаких дополнительных преимуществ.

Как выбрать телескоп?

Самой важной из всех его характеристик является светосила. Она прямо зависит от диаметра объектива. Соотношение светосилы разных телескопов равно отношению квадратов их апертур. Получение большего количества света позволяет наблюдать более слабые звезды, туманности и далекие галактики.

Разрешающая способность – еще одна важная характеристика телескопа. Она определяет его способность четко различать две точки, угловое расстояние между которыми меньше минимального угла, который может видеть глаз наблюдателя. Как выбрать телескоп, если разрешающая способность не указана? Ее можно рассчитать по формуле 11,25ʺ/d, где d – диаметр объектива в см. Таким образом, разрешение 25-см объектива равно 0,45ʺ. Важным применением разрешающей способности является наблюдение двойных звезд.

Стабильность телескопа тоже имеет большое значение. Любая вибрация значительно снижает качество изображения. Эта проблема не связана с возмущениями атмосферы воздушными потоками. Чтобы избежать их, большие телескопы устанавливаются на горных вершинах.

Монтировка

Большинство современных рефракторов имеют экваториальную подвеску. Такая монтировка позволяет нацеливать телескоп на небесный объект. При этом полярная ось инструмента располагается параллельно земной оси и поддерживает ось склонения. Ось склонения позволяет устанавливать различные углы наклона при вращении телескопа вокруг полярной оси с учетом прямого восхождения, измеряемого вдоль небесного экватора от точки его пересечения Солнцем в первый день весны.

Склонение и прямое восхождение – координаты, определяющие положение объекта на небесной сфере. Склонение является аналогом широты, а прямое восхождение – долготы. На оси нанесены деления, которые позволяют наблюдателю точно нацелить телескоп. Для отслеживания объекта полярная ось инструмента плавно приводится в действие электродвигателем со скоростью, равной скорости вращения Земли по отношению к звездам. Если сидерическая скорость двигателя очень точна, то наблюдения можно проводить в течение длительного периода времени. Крупные обсерватории для этого используют либо кварцевые, либо атомные часы.

Астрограф

Другим типом телескопа является астрограф, апертура которого равна 20 см. Фотопластинка, устанавливаемая в фокальной плоскости объектива, позволяет фотографировать небесную сферу. Прибор используется для определения положения слабых звезд, позиции которых публикуются в каталогах и служат в качестве ориентиров для глубокой космической съемки.

Зеркальные телескопы

Используются не только для изучения видимой части электромагнитного спектра, но и прилегающих коротко- и длинноволновых областей (ультрафиолетовой и инфракрасной). Принцип работы зеркального телескопа основан на том, что свет к фокусу не преломляется, а отражается первичным зеркалом. Оно обычно имеет вогнутую сферическую или параболическую форму и инвертирует изображение в фокальной плоскости. Формулы расчета параметров рефракторов такие же, как и у дифракторов.

Основное зеркало расположено на нижнем конце трубки в отражателе. Его поверхность покрыта тончайшей металлической пленкой. Основа обычно выполняется ​​из стекла Pyrex, но новые технологии привели к созданию материалов с очень низкими коэффициентами расширения, что необходимо для предотвращения деформации при изменении температуры в ночное время. Рефракторы дешевле и не подвержены хроматической аберрации.

Телескоп Шмидта

В 1930 г. Бернхард Шмидт, оптик Гамбургской обсерватории в Бергедорфе (Германия), разработал катадиоптрический телескоп, удовлетворяющий требованию съемки больших участков неба. Его конструкция объединяет лучшие характеристики рефрактора и рефлектора. Первичное зеркало телескопа имеет сферическую форму. Поскольку параллельные световые лучи, отраженные центром сферического зеркала, фокусируются дальше, чем отраженные от внешних областей, Шмидт ввел корректирующую линзу. Так как она очень тонкая, хроматическая аберрация небольшая. Полученная фокальная плоскость обеспечивает поле зрения диаметром несколько градусов.

Мультизеркальные телескопы

Основная причина, по которой астрономы строят большие телескопы, заключается в увеличении светосилы, которая позволяет глубже заглянуть во Вселенную. К сожалению, стоимость создания рефракторов возрастает в кубической зависимости от диаметра зеркала. Таким образом, для достижения цели при сохранении расходов необходимы новые, более экономичные конструкции.

Два 10-м мультизеркальных телескопа обсерватории Кека являются примером таких усилий. Первый был установлен на вулкане Мауна-Кеа, который находится на одном из гавайских островов, в 1992 г., а второй был завершен в 1996-м. Каждый из них состоит из 36 смежных регулируемых зеркальных сегментов, управляемых компьютером.

Солнечные телескопы

Рефрактор и рефлектор могут применяться для визуальных наблюдений за такими явлениями, как солнечные пятна или протуберанцы. Однако для исследований Солнца был разработан специальный тип телескопа, использующий спектрогелиографы и коронографы. Он монтируется в башнях и имеет очень длиннофокусный объектив. Это обеспечивает хороший коэффициент увеличения, который позволяет рассматривать отдельные длины волн электромагнитного спектра. На вершине башни экваториально установлено плоское зеркало (целостат), направляющее свет в объектив.

В 1930 г. Бернард Лиот построил другой такой телескоп в обсерватории Пик-дю-Миди (Франция). Он был специально разработан для фотографирования солнечной короны, которую до этого можно было снять только во время затмений. Коронограф устанавливают на большой высоте, чтобы снизить количество рассеянного света, ухудшающего качество фотографий. Подобные телескопы также используются на борту спутника SOHO, предназначенного для изучения Солнца.

Орбитальные обсерватории

Хотя астрономы продолжают искать новые технологические прорывы для постройки больших наземных телескопов, вполне очевидно, что единственное решение для некоторых научных проблем – проведение наблюдений вне атмосферы Земли. НАСА вывело на орбиту серию астрономических обсерваторий. В 1972 г. был запущен спутник с 81-см телескопом на борту. Самой сложной космической обсерваторией стал телескоп «Хаббл» с 2,4-м основным зеркалом, начавший работу в 1990 г. Он был спроектирован таким образом, чтобы астрономы могли видеть в 300-400 раз больше, чем позволяли другие системы, без атмосферных искажений. Он оснащен 5 основными научными инструментами:

• широкоугольной и планетарной камерой;
• спектрографом для объектов со слабым излучением;
• спектрографом высокого разрешения;
• безынерционным фотометром;
• камерой для обнаружения слабоконтрастных объектов.

Телескоп «Хаббл» был запущен на орбиту с космического челнока на высоте более 570 км над Землей. Вскоре после его развертывания на орбите ученые обнаружили, что производственная ошибка, влияющая на форму основного зеркала, серьезно ухудшила способность фокусировки инструмента. Дефект вызывал сферическую аберрацию, которая ограничивала способность одного из самых больших телескопов на орбите различать космические объекты, расположенные близко друг к другу, и наблюдать отдаленные галактики и квазары. Ученые разработали меры, которые позволили им компенсировать дефект и устранить проблему.

Астрономические транзитные приборы

Эти небольшие, но очень важные телескопы сыграли жизненно важную роль в картировании небесной сферы. Астрономические транзитные приборы обычно представляют собой рефракторы с апертурами 15–20 см. Основная оптическая ось телескопа выровнена по линии север-юг, так что ее движение ограничено плоскостью меридиана наблюдателя. Это обеспечивает дополнительную стабильность, но наблюдателю приходится ожидать, когда небесный объект пройдет через его меридиан.

Существуют различные инструменты – транзитные, горизонтального и вертикального мередианного круга. Первые два типа телескопов определяют прямое восхождение и склонение небесных объектов, а вертикальный – только их склонение. Одним из самых точных астрономических транзитных инструментов в мире является 15-см телескоп обсерватории ВМС США.

Астролябии

Призматическая астролябия используется для точного определения положений звезд и планет. Иногда она применяется для решения обратной задачи – определения широты и долготы наблюдателя по точно известным положениям небесных объектов. Апертура призматической астролябии небольшая и обычно равна 8–10 см. Ртуть и преломляющая призма составляют другую основную часть инструмента. Изображение, отраженное от жидкого металла, наблюдается вместе с прямым изображением для получения необходимых данных о местоположении. В 1970-х годах конструкция устройства была усовершенствована. В Китае создали более точную автоматическую астролябию, которая используется в настоящее время.