Дослідження 2–метрового телескопа для підвищення якості астрофізичних спостережень

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Дослідження 2-метрового телескопа для підвищення якості астрофізичних спостережень

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

оптичний телескоп зображення

Актуальність теми. Двометровий (2-м) дзеркальний телескоп на піку Терскол (?= 2^h 49^m 59.854^s, = 43^п 16^? 34.72^??, Кабардино-Балкарська Республіка, Росія) системи Річі-Кретьєна-куде Міжнародного центру астрономічних та медико-екологічних досліджень при Президії НАН України є одним із серії 2-м телескопів, виготовлених підприємством “Карл Цейс Йєна” (тепер фірма “Карл Цейс Йєна ГМБХ”, Німеччина). Телескоп призначено для фотографування неба на великому полі та для детальних досліджень окремих об'єктів за допомогою спектрографа або фотометра. Двометровий телескоп - не найбільший за розміром український астрономічний інструмент (у Кримській астрофізичній обсерваторії функціонує 2.6-м дзеркальний телескоп ім. Г. Л. Шайна), але він - “найвисокогірніший” телескоп як в Україні, так і в Європі (висота над рівнем моря h=3100 м). Це дозволяє проводити спостереження не лише в оптичному, але й в УФ- та ІЧ-діапазонах. Сучасні великі телескопи дають можливість глибше проникати у Всесвіт і спостерігати більш ранні стадії його еволюції, проте залишається широке коло астрометричних та астрофізичних завдань, які можна ефективно вирішувати за допомогою 2-м телескопа при оптимальному використанні можливостей інструмента.

Після виготовлення дзеркал 2-м телескопа проводилися цехові дослідження головного дзеркала з точковим джерелом світла, розміщеним у центрі кривизни параксіальної сфери. У ході них була визначена величина кружка розсіювання з концентрацією енергії 90% d_0.9 = 0."6. Дослідження інструмента в зібраному стані не проводилось. Тому було поставлене завдання провести повну атестацію оптичних систем 2-м телескопа (Річі-Кретьєна і куде) у реальних умовах для вивчення основних характеристик інструмента та вирішення питань про можливість їх поліпшення, а також для дослідження степені ефективності його використання для різних астрономічних робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Роботу з атестації оптики телескопа проведено в рамках наукових програм Міжнародного центру астрономічних та медико-екологічних досліджень протягом 1998-2004 рр.

Атестацію оптичної системи Річі-Кретьєна і попередні спостереження у фокусі куде виконано в рамках науково-дослідних тем “Дослідження оптики телескопа системи Річі-Кретьєна-куде на піку Терскол” (1998-2000 рр., номер держреєстрації 0198U003333) та “Розробка методів і засобів підвищення ефективності спостережного комплексу 2-м телескопа на піку Терскол” (1998-2001 рр., номер держреєстрації 0198U003537). Повний оптичний контроль системи куде був виконаний за планами науково-дослідної теми “Комплексні дослідження планет-гігантів і їх супутників: порівняльний аналіз фізичних параметрів атмосфер планет і уточнення орбіт супутників за даними спостережень” (2002-2004 рр., номер держреєстрації 0102U000084). Роботи з дослідження оптичних систем 2-м телескопа проводено спільно зі Спеціальною астрофізичною обсерваторією Російської академії наук та Головною астрономічною обсерваторією Національної академії наук України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи була атестація систем Річі-Кретьєна і куде 2-м телескопа на піку Терскол та виявлення можливих причин деградації зображення, отриманого за допомогою телескопа. Основою досліджень стали спеціальні спостереження зір з діафрагмою Гартмана, що були одержані на інструменті протягом 1998-2004 рр. Додаткові спостереження для відпрацьовування створеного програмного пакета експрес-обробки гартманограм були отримані на 60-см рефлекторі Андрушівської астрономічної обсерваторії (ААО, ?= 28^п 59^? 50.3^??, = 50^п 00^? 02.0^??, м. Андрушівка, Житомирська область, Україна) у 2002 р.

Під час виконання роботи вирішувались такі завдання:

– перевірка відповідності реальної оптичної системи розрахунковій;

– визначення значень аберацій Зайделя, положення площин найкращих зображень і якості зображення по всьому полю;

– оцінка стану юстування оптичної системи фокуса Касегрена та можливості її поліпшення;

– оцінка якості розвантаження та кріплення дзеркал систем Річі-Кретьєна і куде;

– вплив мікроклімату труби та башти телескопа на якість зображення;

– дослідження точності позиційних та фотометричних спостережень.

Об'єктом дослідження є фізичні фактори (оптичні та атмосферні аберації), що впливають на процес формування зображення в оптичному телескопі.

Предмет дослідження становлять кількісні характеристики стану оптичних систем 2-м телескопа (кружок розсіяння та аберації Зайделя 3-го порядку) і причини, що визначають виникнення спотворень в його оптичних системах.

Як метод оптичних досліджень був використаний метод Гартмана, що дозволяє при тривалій експозиції усереднити вплив атмосфери на якість зображення. Підбір умов проведення експерименту та оцінка оптимальних параметрів діафрагми Гартмана проводився за методикою Романової, яка використовує аналіз дифракційної структури зображення. Для дослідження фокусу Касегрена була використана методика сумісної обробки двох позафокальних знімків (гартманограм), доповнена отриманням повних характеристик зображення, що досліджується, та відновленням хвильового фронту. Атестація оптики фокуса куде проводилась за методикою Майєла-Василевскіса. За допомогою чисельного інтегрування, а саме, методу трапеції, велось відновлення хвильового фронту. Для визначення координат зображень отворів діафрагми Гартмана, отриманих з допомогою ПЗЗ-матриці, було використано метод центра мас.

Наукова новизна одержаних результатів. Проведення роботи з дослідження оптичних систем 2-м телескопа обсерваторії на піку Терскол дало можливість:

- уперше на основі великого за обсягом спостережного матеріалу повністю атестувати оптичні системи цього телескопа;

- за значеннями діаметрів кружка розсіювання з концентрацією енергії 80% оцінити якість зображення, що створюється його оптичними системами. Для оптичної системи Річі-Кретьєна була підтверджена цехова величина кружка розсіяння, для фокуса куде вона отримана вперше;

- виявити конкретні причини, що погіршують якість зображення оптики телескопа;

- отримати кількісні рекомендації з юстування оптичної системи фокуса Касегрена;

- дослідити точність позиційних та фотометричних спостережень на телескопі;

- використати метод Гартмана з цифровою реєстрацією у задачах дослідження турбулентної атмосфери.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані кількісні дані про стан оптичних систем 2-м телескопа та відпрацьовану методику досліджень можна використовувати під час юстувальних робіт на телескопі, а також при проведенні періодичних атестацій телескопа, за допомогою яких виявляються довготривалі зміни форми оптичної поверхні дзеркала, його температурна нестабільність, дія системи розвантаження при зміні конфігурації апаратури, що використовується для спостережень. З часом дзеркала оптичних систем потребують відновлення (алюмініювання). Для оцінки якості зображення після алюмініювання необхідно зафіксувати початкові параметри оптичних систем.

Методику досліджень можна використовувати для атестації оптичних систем Касегрена, Річі-Кретьєна та куде, а також в задачах дослідження просторово-часових характеристик турбулентної атмосфери. Класична система Касегрена була досліджена в Андрушівській астрономічній обсерваторії.

Подальша робота у напрямку оптимізації процесу обробки цифрових гартманограм дасть можливість проводити дослідження в режимі реального часу, що актуально при проведенні робіт з адаптивної та активної оптики. Оцінка стану атмосфери є цікавою для задач спекл-інтерферометрії.

Особистий внесок автора. Дванадцять робіт, перерахованих у списку публікацій, виконані разом зі співавторами. В усіх спільних роботах автор дисертації брала участь у постановці задачі, обговоренні отриманих результатів, написанні і підготовці тексту публікацій. Крім цього, особистий внесок автора полягає в наступному:

в роботі [1] прийняла участь у спостереженнях, провела адаптацію програмного комплексу до характеристик 2-м телескопа та його діафрагм Гартмана, опрацювала частину спостережних даних;

в роботі [2] підготувала методику спостережної програми та прийняла участь у спостереженнях, опрацювала частину спостережних даних, провела аналіз отриманих результатів;

в роботі [3] розробила програми обробки даних;

в роботі [4] прийняла участь у проведенні спостережень та обробці даних, проаналізувала частину отриманих результатів;

в роботах [5, 6] прийняла участь у підготовці спостережної програми та проведенні спостережень, опрацювала частину даних та проаналізувала отримані результати;

в роботі [7] прийняла участь у підготовці методики спостережної програми та у спостереженнях, опрацювала частину оцифрованих кадрів спостережень;

в роботі [8] провела спостереження та опрацювала спостережний матеріал;

в роботі [9] прийняла участь у постановці задачі, обробці спостережень та аналізі отриманих результатів;

в роботі [10] прийняла участь у спостереженнях, в аналізі методики обробки спостережних даних та отриманих результатів;

в роботі [11] прийняла участь у постановці задачі, обробці спостережень та аналізі отриманих результатів;

в роботі [12] сформулювала задачу, прийняла участь у спостереженнях, розробила експрес-метод опрацювання даних спостережень, провела аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були представлені

- на Міжнародній конференції “UkrAstro-2000” (Київ, 2000),

- на Всеросійській астрономічній конференції (С.-Петербург, 2001),

- на Третій науковій конференції пам'яті Богдана Бабія “Вибрані питання астрономії й астрофізики” (Львів, 2002),

- на Міжнародній конференції “AstroEco - 2002” (Терскол, Кабардино-Балкарська Республіка, Росія, 2002),

- на Міжнародній конференції "Навколоземна астрономія - 2003" (Терскол, Кабардино-Балкарська Республіка, Росія, 2003),

- на Міжнародній конференції "Навколоземна астрономія - 2005" (Казань, Росія, 2005),

- на Міжнародній конференції “NAO-185” (Миколаїв, 2006),

- на астрофізичних семінарах Головної астрономічної обсерваторії НАН України та семінарах Міжнародного центру астрономічних і медико-екологічних досліджень при Президії НАН України.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в дванадцяти статтях: 10 - у фахових журналах [1-10], 2 - в матеріалах конференцій [11, 12]. Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 116 найменувань та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 155 сторінок, в тому числі 39 ілюстрацій та 30 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та задачі дослідження, коротко описано методи, використані у роботі, відмічено наукову новизну, вказано на практичне значення отриманих результатів, наведено дані про особистий внесок здобувача, приведено інші відомості про дисертаційну роботу згідно інструкції ВАК України.

У першому розділі наведено огляд методів контролю (геометричних та інтерференційних) оптичних поверхонь. Коротко описано метод Фуко, інтерференційні методи (лінзові та голографічні), метод Гартмана, висвітлено їх переваги і недоліки та обгрунтовано доцільність використання методу Гартмана для дослідження 2-м телескопа в умовах спостережень. Для його реалізації необхідна наявність мінімального набору апаратури: діафрагма, освітлювач та приймач випромінювання. Метод Гартмана, на відміну від інших методів, стійкий до вібрацій, тому може бути реалізований на телескопі в реальних умовах впливу атмосферної турбуленції. Він знайшов своє використання і як кількісний метод юстування телескопа.

Розглянуто етапи розвитку методу Гартмана: експерименти Гартмана і Лемана; розгляд дифракційної структури зображення, виконаний Романовою [13]; відновлення хвильового фронту методом Майєла-Василевскіса [14]; автоматизація процесу обробки результатів вимірювань гартманограм (знімків діафрагми); методика сумісної обробки двох позафокальних знімків [15]; автоматизація процесу вимірювання знімків; використання телевізійних, відео- та ПЗЗ-приймачів зображення для отримання гартманограм; сучасна реалізація методу - метод Шака-Гартмана, що використовується для контролю хвильового фронту на сучасних великих телескопах.

У розділі описано принцип, основні рівняння методу Гартмана та способи їх вирішення. При дослідженні оптики фокуса Касегрена (система Річі-Кретьєна) була використана методика сумісної обробки двох гартманограм [15]. В ній поперечні аберації знаходяться з порівняння виміряних координат двох позафокальних знімків. При цьому знімаються вимоги на точність виготовлення діафрагми Гартмана, так як дефекти її виготовлення однаковим чином відображаються на зафокальному чи передфокальному знімках. Методика [15] дає змогу визначити такі характеристики оптичної системи, як еквівалентна фокусна відстань, розподіл енергії в зображенні точкового джерела, значення аберацій Зайделя (астигматизму, коми, сферичної аберації), а також атестувати діафрагму і оцінити надійність отриманих результатів, відновити хвильовий фронт та побудувати карту дзеркала.

Особливість конструкції фокусу куде дає можливість отримувати лише зафокальні знімки. У цьому випадку результати знаходили за методикою Майєла-Василевскіса [14], при використанні якої поперечні аберації визначаються порівнянням координат на гартманограмі з проекцією координат діафрагми Гартмана на площину знімка. При цьому накладаються високі вимоги на точність виготовлення діафрагми. Методика [14] дозволяє знайти значення аберацій Зайделя, кружки розсіяння з різною концентрацією енергії, відновити хвильовий фронт та отримати карту дзеркала.

Наведені в розділі геометричні обмеження на проведення експерименту дозволили отримати оцінку точності методу Гартмана. Розгляд методу з точки зору теорії дифракції на вхідному отворі [13] дав можливість розрахувати оптимальні параметри діафрагм Гартмана та відстань приймача від фокуса оптичної системи для отримання найкращих зображень, оцінити астрокліматичні обмеження на проведення спостережень з діафрагмою.

У розділі наведено основні характеристики систем Річі-Кретьєна та куде 2-м телескопа та описана програма його атестації. Програма включає в себе дослідження зображення на оптичній осі телескопа та по полю його зору, аналіз роботи системи розвантаження та кріплення дзеркал, дослідження гнуття труби телескопа та його юстування, визначення точності позиційних та фотометричних спостережень, отриманих на телескопі, вивчення мікроклімату труби та башти телескопа.

У другому розділі описані результати атестації оптичної системи Річі-Кретьєна (D/F=1/8), яка є комбінацією двох гіперболічних зеркал з різними ексцентриситетами. В класичній системі кома та сферична аберація компенсовані підбором форми дзеркал; для корекції залишкового астигматизму використовується двокомпонентна система із кварцу, що вирівнює поле.

Для дослідження оптики фокусу Касегрена були проведені спеціальні спостереження яскравих зірок (0-2^m) з використанням діафрагми Гартмана (156 отворів у вузлах прямокутної сітки). Як приймач випромінювання використовувалась слабочутлива чорно-біла фотоплівка (“Фото-32”, “Свема-64”, “ORWO-100”). У розділі наведено опис спостережного матеріалу, методики спостережень, приладу для отримання гартманограм, який дозволяє при зміщенні приймача дослідити поле зору телескопа діаметром 50ґ. Для виконання програми досліджень гартманограми отримувались на різних відстанях від оптичної осі телескопа, при різних положеннях вторинного дзеркала та ротатора, в широкому інтервалі зенітних відстаней та азимутів, для системи з коректором астигматизму та без нього.

Вимірювання гартманограм було проведено на вимірювальній машині “Аскорекорд” та на автоматичному цифровому мікрофотометрі “АЦМФ-XY” [16]. Порівняння результатів ручного та автоматичного вимірювань показали, що автоматична процедура усуває великі особисті похибки оператора та зменшує дисперсію похибок атестації діафрагми. В розділі коротко описано процес автоматизації вимірювання кадрів та їх обробки в програмному пакеті MIDAS/ROMAFOT, що дозволило визначити координати зображень отворів діафрагми з точністю 3-4 мкм. При цьому кружок розсіяння (функція розсіяння точки) обчислюється з помилкою менше 0."1. За методикою [15], адаптованою до параметрів 2-м телескопа та його діафрагми, визначалися поперечні аберації оптичної системи фокуса Касегрена.

Дослідження зображення на оптичній осі системи з коректором астигматизму та без нього дозволило отримати наступні характеристики оптичної системи Річі-Кретьєна (табл.1): значення аберацій Зайделя; положення площини найкращих зображень; розподіл енергії в зображенні точкового джерела; ефективний фокус системи.

Таблиця 1. Деякі характеристики оптики системи Річі-Кретьєна в центрі поля

У таблиці 1 прийнято наступні позначення: f - відлік фокуса вторинного дзеркала, d_0.8 - діаметр кружка розсіяння, що містить 80% енергії, d_0.8 ^б.а. - кружок розсіяння з виключенням аберацій Зайделя, F_еф - ефективний фокус системи, А_ik, Ф_ik - амплітуди та позиційні кути аберацій Зайделя (А₄₀ - сферична аберація, А₂₂ -кома, А₃₁ - астигматизм, Ф₂₂, Ф₃₁ - відповідні позиційні кути).

Аналіз обробки зображень гартманограм показав, що в хвильовому фронті домінує кома, решта аберацій задовольняють критерію Марешаля [17]. Кружок розсіяння в центрі поля для системи без коректора астигматизму становить d_0.8 = 1.04±0.04, після виключення аберацій Зайделя досягає значення d_0.8^б.а. = 0.60±0.04, що близьке до технічного завдання. Коректор астигматизму погіршує зображення в центрі поля (d_0.8 = 1.35±0.12, d_0.8^б.а. = 0.75±0.08). Введення в оптичну систему коректора зменшує її ефективну фокусну відстань, а, отже, змінює масштаб зображення.

За варіаціями аберацій по полю оптичної системи фокуса Касегрена розміром 50' побудовано векторні діаграми аберацій Зайделя.

На діаграмах довжини відрізків рівні значенням амплітуд аберацій, напрямок відрізків визначається фазовими кутами аберацій, а положення початку вектора на діаграмі відповідає розміщенню зірки в полі зору телескопа.

З діаграм видно, що оптична система Річі-Кретьєна 2-м телескопа є класичною оптичною системою [18], в якій скомпенсовані сферична аберація та польова кома (рис. 1, б, в, д, е) і присутній польовий астигматизм (рис.1, а). Наявність постійної за величиною та напрямком коми (рис. 1, б, д) вказує на недоюстування системи. Коректор астигматизму виконує свою роль та компенсує польовий астигматизм (рис. 1, г).

За польовими абераціями з допомогою аналітичної теорії дводзеркальних систем [19] були розраховані зміщення вторинного дзеркала для компенсації коми, які становлять ДХ = 1.32±0.29 мм и ДY = -0.68±0.40 мм.

Аналіз зображень, отриманих при різних зенітних відстанях та паралактичних кутах, дозволив дослідити ефекти гнуття труби, роботу системи розвантаження та кріплення дзеркал. Виявилось, що із збільшенням зенітної відстані, тобто зі зміною положення труби по відношенню до сили тяжіння, якість зображення погіршується. Фазовий кут астигматизму також збільшується з ростом паралактичного кута. Це вказує на те, що причиною астигматизму в хвильовому фронті є механічні деформації поверхні дзеркала під дією сили тяжіння.

Проведені розрахунки карт хвильового фронту з виключенням аберацій Зайделя показали, що середні відхилення фронту від сферичного складають 0.1-0.3 мкм.

У третьому розділі описані експерименти з дослідження оптичної системи фокуса куде (D/F=1/32) та результати цих досліджень.

З огляду літератури виявлено, що детальних досліджень системи куде телескопів не проводилось, автори обмежувались лише оцінкою кружків розсіяння з певною концентрацією енергії.

Спостереження яскравих зірок з діафрагмою Гартмана (48 отворів у вузлах прямокутної сітки) у фокусі куде виконувались протягом 2001-2004 рр. Програма досліджень фокуса куде була аналогічна програмі дослідженнь фокуса Касегрена. Із-за “тісняви” у щілині куде були отримані лише зафокальні знімки для центру поля системи, польові аберації не досліджувались. Метод обробки виміряних на мікрофотометрі “АЦМФ-XY” та оцифрованих гартманограм дав можливість достовірно відновлювати зображення навіть перетриманих кадрів. Подальше опрацювання прямокутних координат зображень отворів діафрагми проводилось за методикою [14].

Аналіз результатів обробки гартманограм показав, що у хвильовому фронті фокуса куде присутні всі аберації Зайделя (сферична аберація, астигматизм, кома). Домінує сферична аберація, що свідчить про неспівпадання площини найкращого фокусування з площиною спостережень. Враховуючи, що вторинні дзеркала оптичних систем Річі-Кретьєна та куде з'єднані між собою задніми поверхнями, можна припустити, що кома фокуса куде є також результатом недоюстування системи. Остаточно питання може вирішитись лише після юстування системи Річі-Кретьєна. Дослідження астигматизму показало, що причинами його є як дрібномасштабні помилки виготовлення дзеркал, так і механічні деформації поверхні дзеркала під впливом сили тяжіння, а також гнуття труби телескопа.

За аналізом аберацій Зайделя для різних положень вторинного дзеркала виявлено площину найкращих зображень, яка відповідає значенню фокусуючого пристрою f = 38.5-39.0 мм.

Якість зображення системи куде оцінювалась за розміром кружка розсіяння. Реальний кружок розсіяння з концентрацією енергії 80% становить

d_0.8 =1.54"0.06". Цей факт накладає обмеження на розмір щілини ешеле-спектрометра [20], розміщеного в фокусі куде. Показано, що після виключення всіх аберацій можна досягти для кращих спостережень значення d_0.8 = 1.0"0.06". На рис. 2 для порівняння наведено дані про концентрацію енергії в кружку розсіяння для системи Річі-Кретьєна та технічне завдання для головного дзеркала 2-м телескопа.

Для оцінки якості зображення системи куде 2-м телескопа наведено дані кружків розсіяння, отриманих для фокусів куде деяких телескопів. За даними атестації фокуса куде 1.5-м Російсько-Турецького телескопа АЗТ-22 після проведення юстувальних робіт 79% світлової енергії містяться в кружку d = 0.52". Кружок розсіяння фокуса куде 1.5-м телескопа АЗТ-12 Тартуської астрофізичної обсерваторії складає d_0.8 = 1.5" [21].

З рис. 2. (крива С1) видно, що після виключення аберацій Зайделя в системі куде 2-м телескопа на піку Терскол можна досягти якості зображення d_0.79 = 0.95".

Для виявлення великомасштабних помилок оптичної системи куде досліджувався вплив дефокусування на якість зображення. Проводився розрахунок каустичних кривих, перерізів поверхні світлової хвилі з певною концентрацією енергії площиною, відстань якої від фокуса змінюється. Було показано, що в деградації зображень головну роль відіграють дрібномасштабні помилки хвильового фронту.

У четвертому розділі розглядається можливість впливу аберацій на точність астрометричних і фотометричних спостережень на 2-м телескопі. Наводяться результати оцінок впливу аберацій на зміщення фотометричного центра зображення точкового об'єкта по полю зору, яке приводить до систематичних похибок у вимірюваннях положень зображень та впливає на точність результатів астрометричних спостережень. Показано, що для широких полів (50) зміщення енергетичного центра зображення, сформованого системою фокуса Касегрена для апертурного кута б = 7.16є, може досягти 0.2 в системі без коректора астигматизму та 0.1 - в системі з коректором.

Точність фотометричних спостережень була оцінена за зміною освітленості кругової площадки, розміщеної на різних відстанях від центру поля телескопа. За результатами досліджень якості зображення по полю для фокуса Касегрена були отримані значення кружків розсіяння з різною концентрацією енергії. За аналізом освітленості кружків з діаметром 1.5, розміщених в різних точках поля зору телескопа, розраховано фотометричні втрати енергії зірки, виражені в зоряних величинах, що обчислювались наступним чином:

Дm = -2.5log (I _{d по полю}/ I _{d в центрі}).

Отримано, що для кружка розсіяння 1.5 в полі зору телескопа фотометричні втрати досягають до 1^m на відстані 25 від центру в системі без коректора астигматизму та 0.4 ^m - на тій же відстані в системі з коректором. Це означає, що фотометрія однієї і тієї ж зірки при розміщенні її в різних точках поля зору, буде різною. Треба відмітити, що дані результати одержані за аналізом зображень зірок, експонованих на фотоплівку з малим ефективним виходом та великим шумом. Для ПЗЗ-приймачів втрати енергії будуть меншими.

Для оцінки реальної точності визначення координат та зоряних величин, а також для дослідження фотометричної системи телескопа, були проведені спостереження в U-, B-, V-, R-смугах області в скупченні NGC 6913 з використанням ПЗЗ-матриць “Photometrics” та двоканального фокального редуктора [22]. У розділі наведено оптичну схему фокального редуктора і параметри його систем, характеристики матриць та фільтрів, які використовувались, а також криві реакції системи Джонсона та фотометричної системи 2-м телескопа.

Коротко описано метод обробки ПЗЗ-кадрів у пакеті MIDAS/ROMAFOT, особливістю якого є виділення просторової огинаючої плоского поля з кадру зображення зоряного поля, а також реставрація переекспонованих зображень. В результаті обробки були отримані наступні дані про зареєстровані об'єкти: прямокутні координати X та Y в системі координат матриці, фотометричні величини в інструментальній системі, значення інтенсивності в центрі та повна ширина на половині максимальної інтенсивності (FWHM) для двовимірного гауссівського розподілу інтенсивності зображення зірки.

Для отримання екваторіальних координат були використані стандартні редукційні рівняння зв'язку між тангенціальними та виміряними координатами у вигляді степеневого ряду. Число опорних зірок становило 70-150 в залежності від експозиції, середньоквадратичні похибки розв'язку системи рівнянь рівні 0.32-0.35 та обумовлені, в основному, похибками каталога USNO A2.0.

Нуль-пункти шкали величин інструментальної фотометричної системи відносно шкали зоряних величин системи Джонсона було визначено за дев'ятьма стандартними зірками. Приведені до експозиції 60^s та виправлені за екстинкцію інструментальні зоряні величини були використані для отримання зв'язку фотометричної системи 2-м телескопа та UBVR системи Джонсона. Похибки розв'язку систем редукційних рівнянь становили _(U-B) = 0.095^m, _(B-V) = 0.053^m, _V = 0.043^m, _(V-R) = 0.051^m. Було отримано коефіцієнти переходу від інструментальної системи до UBVR системи Джонсона, які використовуються при проведенні фотометричних робіт на телескопі.

За даними спостережень на 2-м телескопі для поля 58 похибки визначення координат та зоряних величин становлять: середньоквадратична похибка визначення зоряної величини для об'єктів до 20^m рівна 0.02-0.03^m, похибка відстані r до центру кадра. Для тестованої області скупчення NGC 6913 отримано каталог U-, B-, V-, R-величин та положень 146 зірок до 20 ^m та спектри вибраних зір.

У розділі оцінено виграш у зоряних величинах проникної здатності системи Річі-Кретьєна, яка може покращитися після проведення юстувальних робіт на телескопі на 1^m-1.5^m.

У п”ятому розділі розглянуто вплив на якість зображення атмосферної турбулентності та проблеми астроклімату 2-м телескопа.

Отриманий в ААО з допомогою телескопа “Цейс-600” та відеокамери “SANYO” відеофільм спостережень області Трапеції Оріона продемонстрував прояви атмосферної турбулентності. Обробка оцифрованих кадрів, виділених з відеофільму, дозволила дослідити процеси дрижання та мерехтіння зображень та одержати деякі характеристики турбулентної атмосфери. Приймаючи атмосферну турбуленцію за періодичний процес, отриманий статистичний ряд варіацій відносних положень зірок на кадрах було представлено у вигляді суми коливань з різними частотами та методом оберненого Фур'є-перетворення виявлено значимі частоти дрижання атмосфери. Обробка ряду фотометричних зображень зірок дозволила отримати індекс мерехтіння та частотний спектр мерехтіння. Було показано, що дрижання є процесом низькочастотним ( 0.1 Гц), тоді як мерехтіння - процес більш високочастотний ( 10 Гц). Методику отримання результатів можна використовувати при плануванні спостережень зі спекл-інтерферометрії.

Проведені в ААО ПЗЗ-спостереження з діафрагмою Гартмана з експозиціями 0.025-32 с дозволили дослідити як якість оптичного зображення, так і стан атмосфери на момент спостережень. Було виявлено, що при коротких експозиціях (0.1-0.025 с) значно збільшувались розміри кружків розсіяння з концентрацією енергії 80%, що свідчило про нестабільний стан атмосфери. При цьому середньоквадратичні варіації хвильового фронту становили Дh = 0.7 мкм. Області рівних відхилень хвильового фронту від сферичного показали характерні розміри атмосферних аберацій (10-15 см). Спостереження продемонстрували можливість використання відео- та ПЗЗ-приймачів для завдань вивчення просторово-часових характеристик турбулентної атмосфери.

У розділі описано дослідження методом Гартмана мікроклімату башти та труби 2-м телескопа. Аналіз результатів обробки гартманограм, отриманих з короткими експозиціями, дав можливість оцінити мікроклімат труби та башти телескопа. Проведені дослідження якості зображення при різних режимах роботи системи вентиляції 2-м телескопа дозволили обґрунтувати використання штатних систем продуву підкупольного приміщення та закритої труби телескопа, а також відпрацювати режими їх функціонування.

В завершення описано алгоритм програмного комплексу автоматизованої обробки ПЗЗ-гартманограм, реалізований при стендових дослідженнях в ААО. Програмний комплекс дозволяє в режимі квазі-реального часу отримувати параметри аберацій Зайделя, за аналізом яких можна проводити дослідження стану оптики телескопа, астроклімату та вивчати просторові та часові параметри атмосферної турбулентності. Програмний комплекс імітує роботу датчика хвильового фронту гартманівського типу.

У висновку коротко підсумовано основні результати дисертаційної роботи, надано рекомендації з юстування телескопа та використання штатних систем продуву башти та труби телескопа, окреслено перспективи використання результатів та методики обробки ПЗЗ-гартманограм.

У додатках наведена інформація стосовно умов спостережень зірок з діафрагмою Гартмана в фокусі Річі-Кретьєна виконаних у 1998 та 1999 рр. (додатки А, Б), дані вхідного та вихідного файлів роботи програми опрацювання одного зафокального знімка (додаток В), дані вихідного файлу роботи програми опрацювання двох гартманограм (додаток Д), каталог U, B, V, R ПЗЗ-величин зірок в області скупчення NGC 6913 (додаток Г), каталог спектрів вибраних зірок скупчення NGC 6913 (додаток Е).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Проведено дослідження оптичних систем Річі-Кретьєна та куде 2-м телескопа на піку Терскол та проаналізовано вплив на якість сформованого оптикою зображення стану юстування оптики, роботи систем кріплення та розвантаження дзеркал, гнуття труби та деформації головного дзеркала під впливом сили тяжіння, мікроклімату труби та підкупольного приміщення.

Вивчення стану оптичних систем в центрі поля показало, що в вихідному хвильовому фронті присутні всі аберації Зайделя 3-го порядку. При цьому якість зображення оптики, що визначається діаметром кружка розсіяння з концентрацією енергії 80% становить d_0.8 = 1.04"0.04" для системи Річі-Кретьєна та d_0.8 = 1.54"0.06" для фокуса куде. Великомасштабних помилок у виготовленні головного дзеркала не виявлено.

За польовими абераціями системи Річі-Кретьєна оцінено відповідність розрахованої і реальної оптичних схем та досліджено стан її юстування. Показано, що залишкова кома є результатом недостатнього юстування оптичної системи. Юстувальні зміщення для компенсації коми становлять ДХ = 1.32±0.29 мм та ДY = -0.68±0.40 мм.

Знайдено положення площини найкращих зображень, що відповідає значенням відліків фокусуючого пристрою f = 33-33.5 мм для фокуса Касегрена та f = 38.5-39.0 мм - для фокуса куде.

На картах хвильового фронту після виключення аберацій Зайделя виявлено трикутний астигматизм, що характеризує 3-х точкову систему розвантаження Гребба. При цьому кружки розсіяння набувають значень d_0.8 = 0.60"0.04" для системи Річі-Кретьєна та d_0.8 = 1.00"0.06" - для фокуса куде. Система кріплення та розвантаження дзеркал є задовільною.

За дослідженням мікроклімату закритої труби та підкупольного приміщення обгрунтувано використання штатних систем вентиляції труби та башти та вибрано найоптимальніший режим роботи цих систем для покращення якості астрономічних спостережень.

За результатами ПЗЗ-спостережень області в скупченні NGC 6913 для поля 5'Ч8' отримано точність визначення положень зірок, що становить 0.03-0.04" , та точність зоряних величин, яка рівна 0.02-0.03^m; у вказаному полі не виявлено систематичної похибки у визначенні координат та фотометричної похибки поля. Досліджено фотометричну систему 2-м телескопа та одержано коефіцієнти переходу від інструментальної до UBVR системи Джонсона.

Показано, що метод Гартмана з цифровою реєстрацією можна використовувати не тільки для експрес-оцінки стану оптики телескопа, але й при вивченні атмосферної турбулентності.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бутенко Г. З., Кузнецов В. И., Снежко Л. И. Исследование оптики 2-м телескопа в фокусе Кассегрена на пике Терскол // Кинематика и физика небес. тел. -1999. -15, №6. -С. 543-556.

2. Butenko G. Z., Kuznetsov V. I., Snezhko L. I., Andruk V. N., Parusimov V. G.,

Sergeev A. V., Ivanov Yu. S. The optical parameters of the 2-m telescope and seengs at the Peak Terskol observatory // Kinematics and Physics of Celestial Bodies, Suppl. -2000, №3. -P. 292-296.

3. Kuznetsov V.I., Boutenko G.Z., Lazorenko G.A., Lazorenko P.F. Spectral classification of O - M stars on the basis of UBV photometry // Astron. And Astrophys. Suppl. Ser. -2000. -142. -P. 389-398.

4. Бутенко Г. З., Кузнецов В. И., Снежко Л. И., Сергеев А. В., Андрук В. Н., Парусимов В. Г., Дудник Т. Б., Иванов Ю. С. Исследование астроклимата и оптики 2-м телескопа на пике Терскол // Кинематика и физика небес. тел. - 2001. -17, №1. -С. 71-88.

5. Бутенко Г. З., Кузнецов В. І., Снежко Л. І., Андрук В. М., Сергеев О. В. Дослідження оптичних систем 2-м телескопа на піку Терскол // Журнал фізичних досліджень. -2002. -6, №4. -С. 371-375.

6. Андрук В. Н., Бутенко Г. З., Кузнецов В. И., Носов С. Ф., Парусимов В.Г., Перетятко Н. Н., Сергеев А. В., Снежко Л. И. Исследование астроклимата 2-м телескопа на пике Терскол // Кинематика и физика небес. тел. Приложение. -2003, №4. -С. 75-80.

7. Андрук В. Н., Бутенко Г. З., Иващенко Ю. Н. Обработка ПЗС-кадров звездных полей в пакете MIDAS/ROMAFOT // Кинематика и физика небес. тел. Приложение. -2003, №4. -C. 71-74.

8. Kuznetsov V., Buscombe W., Butenko G., Lazorenko G., Lazorenko P. Spectral classification of faint stars and its application to the study of open clusters, star forming region and the Galaxy. I. Spectral types and luminosities of stars to 22.0^m (V) in the stellar clusters NGC 2244, NGC 2264, and NGC 6913 // Кинематика и физика небес.тел. Приложение. - 2003, №4. - C. 165 -172.

9. Бутенко Г. З., Кузнецов В. И., Снежко Л. И., Сергеев А. В., Андреев М. В., Андрук В. Н., Парусимов В. Г., Костюченко В. Л. Результаты аттестации оптической системы куде 2-м телескопа на пике Терскол // Кинематика и физика небес. тел. - 2005. -21, №2. - С. 121-132.

10. Андрук В. Н., Бутенко Г. З. Исследование фотометрической системы 2-м телескопа на пике Терскол // Кинематика и физика небес. тел. -2006. -22, №3.-C.231 - 240.

11. Бутенко Г. З., Кузнецов В. И., Снежко Л. И. Аберрации оптических систем 2-м телескопа на пике Терскол // Сборник трудов конференции “Околоземная астрономия -2003”, Ч.2, С.-Петербург, 2003. -С. 229-234.

12. Бутенко Г., Снежко Л. И., Андрук В., Геращенко О., Иващенко Ю., Ковальчук Г., Локоть В. Разработка экспресс-метода оценки оптической нестабильности атмосферы // Сборник трудов конференции “Околоземная астрономия - 2003”, Ч.2, С.-Петербург, 2003. -С. 239-245.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

13. Романова М., Исследование параболических зеркал методом Гартмана // Труды ГОИ, 1927, 4, вып.35.

14. Mayall H. U., Vasilevskis S. Quantitative tests of the Lick observatory 120-inch mirror // Astron. J. -1960. - 65, № 1. - Р. 304-317.

15. Снежко Л.И. Применение метода Гартмана к исследованию главного зеркала БТА // Астрон. журн. -1980. -57, вып. 4. -С. 869-877.

16. Парусимов В.Г. Автоматический цифровой двухкоординатный микрофотометр для ввода фотографических изображений в ЭВМ // Астрометрия и астрофизика. -1981. Вып. 45. -С. 86 -99.

17. Марешаль А., Франсон М., Структура оптического изображения. -М.: Мир, 1964, -295 с.

18. Вольф Э., Борн М. Основы оптики. -М.: Наука, 1973. -C. 421-441.

19. Русинов М. М. Техническая оптика. - М.: Машиностроение, 1979, -488 с.

20. Мусаев Ф.А., Галатзутдинов Г.А., Сергеев А.В., Карпов Н.В., Подьячев Ю.В. Куде-эшелле-спектрометр для 2-м телескопа на пике Терскол // Кинематика и физика небес. тел. -1999. -15, №3. -С. 282-287.

21. Лууд Л., Маазик М. Качество оптики 1.5-метрового телескопа АЗТ-12. Исследование систем Кассегрена и Куде методом Гартмана // Публ. Тарт. астрофиз. обсерватории. -1978. - 46. - С. 194-208.

22. Jockers K. A Two-Channel Focal Reducer for Small (Diameter ~1 M) F/8 Telescopes // Exp. Astron. -1997. -V.7, №4. -Р. 305-318.

Размещено на Allbest.ru