Телескопы: основные назначения, схемы и характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Шадринский государственный педагогический институт»

Кафедра физики и теории обучения физике

Курсовая работа

Телескопы: основные назначения, схемы и характеристики

Исполнитель

Ершов А.А

студент 303 группы

Научный руководитель

к.п.н., доцент Малахов А.А

Шадринск 2010г.

Введение

Бывают ситуации, когда по разным причинам мы не можем приблизиться к изучаемому объекту и рассмотреть его в необходимых подробностях. Наши глаза -- это инструмент общего назначения: их чувствительность и разрешающая способность ограничены, а увеличение минимально. Чтобы усилить свои возможности, мы используем телескопы. Телескоп -- это оптический прибор, предназначенный для наблюдения удаленных объектов. Параллельные лучи света, попадающие в телескоп, собираются объективом в точке фокуса. Затем они проходят через окуляр -- систему линз, действие которой противоположно действию объектива. Окуляр преобразует расходящиеся из точки фокуса лучи в параллельные, обеспечивая увеличение построенного объективом изображения.

Телескопы бывают самыми разными - оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения исскуственных спутников Земли), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские.

При рассмотрении темы, исследовали следующие задачи:

1. Рассмотреть устройства, назначения телескопов;

2. Изучить основные характеристики телескопов;

3. Рассмотреть применение телескопов при изучении удаленных объектов;

4. Выделить погрешности, которые дают телескопы при наблюдении удаленных объектов и пути их преодоления.

Так же имеются задачи, которые способен решить телескоп:

Первая задача телескопа - создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов.

Вторая задача телескопа - увеличивать угол, под которым наблюдатель видит объект. Способность увеличивать угол характеризуется увеличением телескопа. Оно равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра.

Глава 1.Телескопы оптической системы и их характеристики

1.1 Рефракторы (линзовые телескопы)

Линзы, так или иначе, всегда используются в телескопе. Но в телескопах-рефракторах линзой является главная деталь телескопа - его объектив. Вспомним, что рефракция - это преломление. Линзовый объектив преломляет лучи света, и собирает их в точке, именуемой фокусом объектива. В этой точке строится изображение объекта изучения. Чтобы его рассмотреть используют вторую линзу - окуляр. Она размещается так, чтобы фокусы окуляра и объектива совпадали. Так как зрение у людей разное, то окуляр делают подвижным, чтобы было возможно добиться четкого изображения. Это называется настройкой резкости. Все телескопы обладают неприятными особенностями - аберрациями. Аберрации - это искажения, которые получаются при прохождении света через оптическую систему телескопа. Главные аберрации связаны с неидеальностью объектива. Линзовые телескопы (да и телескопы вообще) грешат несколькими аберрациями. Назовем лишь две из них. Первая связана с тем, что лучи разных длин волн преломляются чуть по-разному. Из-за этого для синих лучей существует один фокус, а для красных - другой, расположенный дальше от объектива. Лучи других длин волн собираются каждый в своем месте между этими двумя фокусами. В результате мы видим окрашенные в радугу изображения объектов. Такая аберрация называется хроматической. Второй сильной аберрацией является аберрация сферическая. Она связана с тем, что объектив, поверхностью которого является часть сферы, на самом деле, не собирает все лучи в одной точке. Лучи идущие на разных расстояниях от центра объектива собираются в разных точках, из-за чего изображение получается нечетким. Этой аберрации не было бы, если бы объектив имел поверхность параболоида, но такую деталь сложно изготовить. Чтобы уменьшить аберрации изготавливают сложные, вовсе не двухлинзовые системы. Дополнительные части вводятся для исправления аберраций объектива. Есть два основных метода фокусировки световых лучей в телескопе. В первом методе лучи фокусируются стеклянным объективом, который состоит из одной или нескольких линз. Параллельные лучи света (например, от звезды) падают на объектив. Объектив строит изображение в фокальной плоскости. Лучи света, параллельные главной оптической оси, собираются в фокусе F, лежащем на этой оси. Другие пучки света собираются вблизи фокуса - выше или ниже. Это изображение с помощью окуляра рассматривает наблюдатель. Диаметры входного и выходного пучков сильно различаются (входной имеет диаметр объектива, а выходной - диаметр изображения объектива, построенного окуляром). В правильно настроенном телескопе весь свет, собранный объективом, попадает в зрачок наблюдателя.

Телескоп Галилея.

В телескопе Галилея объективом служила плоско - выпуклая линза, а окуляром - плоско - вогнутая. По существу, галилеевский телескоп был прообразом современного театрального бинокля, в котором использовались двояковыпуклые и двояковогнутые линзы. В телескопе Кеплера и объектив, и окуляр были положительными двояковыпуклыми линзами.

Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется Оптической осью линзы. Если на такую линзу попадают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой Фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до её фокуса называют фокусным расстоянием. Чем больше кривизна поверхностей собирающей линзы, тем меньше фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.

Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Попадающий на них параллельно оптической оси пучок света они рассеивают и в фокусе такой линзы сходятся не сами лучи, а их продолжения. Потому рассеивающие линзы имеют, как говорят, Мнимый фокус и дают мнимое изображение. На (рис. 1.1) показан ход лучей в галилеевском телескопе.

Рис 1.1 Телескоп Галилея

Так как небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то изображения их получаются в фокальной плоскости, т.е. в плоскости, проходящей через фокус F и перпендикулярной оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение MN. Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле зрения (так называют угловой поперечник кружка тела, видимого в телескоп). Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его очень трудно. По той же причине галилеевские телескопы после смерти их создателя в астрономии не употреблялись.

Телескоп Кеплера.

В кеплеровском телескопе (рис. 1.2) изображение CD получается действительное, увеличенное и перевернутое.

Рис. 1.2 Телескоп Кеплера

Последнее обстоятельство неудобно для наблюдения земных предметов, в астрономии несущественно, ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому небесные тела не могут быть повернутыми телескопом «вверх ногами».

Первое из двух главных преимуществ телескопа - это увеличение угла зрения, под которым мы видим небесные объекты. Человеческий глаз способен в отдельности различать две части предмета, если угловое расстояние не меньше одной минуты дуги. Поэтому, например, на Луне невооруженный глаз различает лишь крупные детали, поперечник которых превышает 100 километров. В благоприятных условиях, когда Солнце затянуто дымкой, на его поверхности удается рассмотреть самые крупные из солнечных пятен. Никаких других подробностей невооруженный глаз на небесных телах не видит. Телескопы увеличивают угол зрения в десятки и сотни раз.

Второе преимущество телескопа по сравнению с глазом заключается в том, что телескоп собирает гораздо больше света, чем зрачок человеческого глаза, имеющий даже в полной темноте диаметр не более 8 мм. Очевидно, что количество света, собираемого телескопом, во столько раз больше, во сколько площадь объектива больше площади зрачка. Это отношение равно отношению квадратов диаметров объектива и зрачка.

Собранный телескопом свет выходит из его окуляра концентрированным световым пучком. Наименьшее его сечение называется выходным зрачком. В сущности, выходной зрачок - это изображение объектива, создаваемое окуляром. Можно доказать, что увеличение телескопа равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, увеличивая фокусное расстояние объектива и уменьшая фокусное расстояние окуляра, можно достичь любых увеличений. Теоретически это так, но практически всё выглядит иначе. Во-первых, чем больше употребляемое в телескопе увеличение, тем меньше его поле зрения. Во-вторых, с ростом увеличения становятся все заметнее движения воздуха Неоднородные воздушные струи размазывают, портят изображение и иногда то, что видно при малых увеличениях, пропадает для больших. Наконец, чем больше увеличение, тем бледнее, тускнее изображение небесного светила (например, Луны). Иначе говоря, с ростом увеличения хотя и видно больше подробностей на Луне, Солнце и планетах, но зато уменьшается поверхностная яркость их изображений. Есть и другие препятствия, мешающие применять очень большие увеличения (например, в тысячи и десятки тысяч раз). Приходится находить некоторый оптимум, и потому даже в современных телескопах увеличения не превосходят нескольких сотен раз.

При создании телескопов со времен Галилея придерживаются следующего правила: выходной зрачок телескопа не должен быть больше зрачка наблюдателя. Легко сообразить, что в противном случае часть света, собранного объективом, будет напрасно утеряна. Очень важной величиной, характеризующей объектив телескопа, является его относительное отверстие, т.е. отношение диаметра объектива телескопа к его фокусному расстоянию. Светосилой объектива называется квадрат относительного отверстия телескопа. Количество же света, собираемого телескопом, зависит лишь от диаметра его объектива (но не от светосилы!). Из-за явления, именуемого в оптике дифракцией, при наблюдениях в телескопы яркие звезды кажутся небольшими дисками, окруженными несколькими концентрическими радужными кольцами. Разумеется, к настоящим дискам звезд дифракционные круги никакого отношения не имеют.

Рефракторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими конструкциями телескопов. Во-первых, в них не проникает пыль и влага, так как труба закрыта объективом. Во-вторых, оптические элементы рефрактора фиксируются на фабрике и не требуют юстировки -- тонкой настройки оптической системы. В-третьих, в отличие от других систем, в рефракторах нет экранирования объектива, которое уменьшает количество собираемого света и искажает дифракционную картину.

В результате получается высококонтрастное, с прекрасным разрешением изображение, идеально подходящее для наблюдений Луны и планет.

1.2 Рефлекторы (зеркальные телескопы)

Второй способ фокусировки света -- отражение входящих лучей вогнутой зеркальной поверхностью. Так устроены телескопы, называемые рефлекторами. Наиболее распространенные на сегодняшний день рефлекторы называют рефлекторами Ньютона, потому что первым такую конструкцию создал Исаак Ньютон (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Рефлектор Ньютона

Зеркало представляет собой стеклянный диск, одна из сторон которого имеет сферическую или параболическую форму и покрыта отражающим слоем. При этом окрашивания предметов, как в рефракторе, не происходит, т.к. попадающий в телескоп свет не проходит через стекло, а отражается от зеркальной поверхности объектива. Наиболее просты в производстве зеркала сферической формы. Однако если сделать такое зеркало достаточно светосильным (f/7 и менее), лучи с его краев и лучи из центра будут сходиться в разных точках, что приведет к падению четкости изображения. Чтобы устранить этот дефект, называемый сферической аберрацией, поверхность зеркала делают параболической.

Поскольку собранный главным зеркалом свет отражается обратно, его нужно перенаправить, чтобы вывести из трубы. Это делается с помощью небольшого плоского зеркала эллиптической формы (называемого вторичным), расположенного под углом в 45 градусов к оптической оси главного зеркала. К сожалению, вторичное зеркало и система его крепления неизбежно будут экранировать главное зеркало, уменьшая количество собираемого им света и снижая общий контраст изображения.

Идея создания зеркального телескопа, или рефлектора была высказана при жизни Галилея Н. Цукки (1616 г.) и М. Мерсеном (1638 г.). Однако они, как позже Д. Грегори(1663 г.) и Г. Кассегрен (1672 г.) предложили лишь теоретические схемы этих телескопов, но ни один образец изготовлен не был. В 1663 году Грегори создал новую схему телескопа-рефлектора. Грегори первым предложил использовать в телескопе вместо линзы зеркало. Основная аберрация линзовых объективов - хроматическая - полностью отсутствует в зеркальном телескопе.

В 1664 году Роберт Гук изготовил рефлектор по схеме Грегори, но качество телескопа оставляло желать лучшего. Лишь в 1668 году Исаак Ньютон, наконец, построил первый действующий рефлектор. Этот крошечный телескоп по размерам уступал даже галилеевским трубам. Главное вогнутое сферическое зеркало из полированной зеркальной бронзы имело в поперечнике всего 2.5 см., а его фокусное расстояние составляло 6.5 см. Лучи от главного зеркала отражались небольшим плоским зеркалом в боковой окуляр, представлявший собой плоско-выпуклую линзу. Первоначально рефлектор Ньютона увеличивал в 41 раз, но, поменяв окуляр и, снизив увеличение до 25 раз, ученый нашел, что небесные светила при этом выглядят ярче и наблюдать их удобнее.

В 1671 году Ньютон соорудил второй рефлектор (рис. 1.4) , чуть больше первого (диаметр главного зеркала был равен 3.4 см. при фокусном расстоянии 16 см.). Система Ньютона получилась весьма удобной, и она успешно применяется до сих пор.

Рис.1.4 Ход лучей в рефлекторе системы Ньютона

Если вогнутое эллипсоидальное зеркало заменить выпуклым гиперболическим, получаем систему Кассенгрена (рис.1.5). Так как гиперболическое зеркало встречает лучи, отраженные главным зеркалом до фокуса, кассенгреновские рефлекторы короткие, практичные, что удобно для некоторых астрофизических наблюдений.

Рис.1.5 Ход лучей в рефлекторе системы Кассегрена

Вследствие того, что для изготовления рефлектора требуется отполировать всего две оптические поверхности (главное и вторичное зеркала), причем качество каждой из них можно проконтролировать отдельно, производство телескопов этой системы является наиболее дешевым, по сравнению с телескопами других конструкций. Рефлекторы обладают значительными преимуществами по сравнению с рефракторами. Параболическое зеркало изготовить не так просто, но все же гораздо легче, чем линзовый объектив, хотя бы потому, что у него одна поверхность, а у объектива - четыре. При изготовлении объектива предъявляют очень высокие требования к качеству оптического стекла. Для рефлектора качество стекла почти безразлично. Многие любители собственноручно изготовили для себя параболические зеркала из стеклянных дисков от иллюминаторов и с успехом применяют их для наблюдений. Рефлектор не обладает хроматической аберрацией и передает цвета небесных тел без искажений. Если же главному зеркалу придать форму параболоида вращения, то можно теоретически свести к нулю сферическую аберрацию (во всяком случае, для лучей, падающих на главное зеркало параллельно его оптической оси). Изготовление зеркал - дело более легкое, чем шлифовка огромных линзовых объективов, и это также предрешило успех рефлекторов. Из-за отсутствия хроматических аберраций рефлекторы можно делать очень светосильными (до 1:3), что совершенно немыслимо для рефракторов. При изготовлении рефлекторы обходятся гораздо дешевле, чем равные по диаметру рефракторы.

Есть, конечно, недостатки и у зеркальных телескопов - необходимость периодически производить юстировку (настройку) его оптических элементов. Их трубы открыты, и токи воздуха внутри трубы создают неоднородности, портящие изображение. Отражающие поверхности зеркал сравнительно быстро тускнеют и нуждаются в восстановлении. Для отличных изображений требуется почти идеальная форма зеркал, что трудно исполнить, так как в процессе работы форма зеркал слегка меняется от механических нагрузок и колебаний температуры. И все-таки рефлекторы оказались наиболее перспективным видом телескопов.

Другой недостаток - сферическая аберрация. Только те лучи, которые параллельны главной оптической оси рефлектора, собираются в его главном фокусе в точку. Если же лучи не параллельны главной оптической оси, возникают сильные искажения изображений, гораздо более сильные, чем у рефрактора. Поэтому поле зрения, свободное от искажений, составляет всего несколько минут.

Так же поверхность зеркала надо серебрить или аллюминировать, а этот слой с течением времени тускнеет и его надо возобновлять. Поэтому в последнее время находят все большее применение комбинированные телескопы более сложных систем.

1.3 Зеркально-линзовые (катадиоптрические) телескопы

Третья группа телескопов, называемых катадиоптрическими (зеркально-линзовыми), представляет собой гибрид двух предыдущих систем для того чтобы управлять ходом лучей в них используются и линзы, и зеркала. Примерами таких инструментов являются катадиоптрические телескопы Ньютона, телескопы Шмидт-Кассегрена и Максутова-Кассегрена.

Катадиоптрический рефлектор Ньютона (рис.1.6) -- это классический рефлектор, в который добавлена корректирующая линза,расположенная на пути световых лучей перед точкой фокуса.

Рис.1.6 Катодиоптрический рефлектор Ньютона

Этот корректор увеличивает эффективное фокусное расстояние зеркала. Катадиоптрические рефлекторы более компактны и меньше подвержены колебаниям от ветра, чем простые Ньютоны, но имеют большее экранирование и могут быть более сложными в юстировке.

В телескопах Шмидт-Кассегрена (рис.1.7) световые лучи вначале проходят через тонкую асферическую пластину, подобранную таким образом, чтобы она исправляла сферическую аберрацию главного зеркала. Отразившись от главного, а затем и вторичного зеркала, лучи вновь отправляются в сторону главного зеркала и выходят из трубы через отверстие в нем. Прямо за этим отверстием устанавливается окуляр или диагональное зеркало.

Рис.1.7 Телескоп Максутова-Кассегрена

Фокусировка осуществляется перемещением окуляра или главного (вторичного) зеркала.

Телескопы Максутова-Кассегрена схожи с телескопами Шмидта-Кассегрена, только вместо корректирующей пластины Шмидта в них используется выпукло-вогнутая линза (мениск), обе поверхности которой имеют сферическую форму. Роль вторичного зеркала в этих телескопах играет небольшой центральный "пятачок", расположенный с внутренней стороны мениска и покрытый отражающим материалом. Проходя через мениск, свет попадает на главное зеркало, отражается от него, попадает на зеркальный "пятачок" на внутренней стороне мениска, вновь отражается и, так же как и в телескопах Шмидта-Кассегрена, выходит из трубы через отверстие в главном зеркале. Такая конструкция проще в изготовлении по сравнению с телескопами Шмидта-Кассегрена, но имеет больший вес за счет более тяжелого мениска.

1.4 Основные характеристики оптических телескопов

К основным характеристикам оптических телескопов можно отнести: светосила, угловое увеличение, оптическая мощь, разрешающая сила и так далее.

Светосила

Этот параметр характеризуется отношением диаметра объектива к его фокусному расстоянию

Эта величина называется относительным отверстием и записывается в виде дроби: 1:5, 1:7, 1:10, 1:15... В англоязычной литературе чаще используется обратная величина -- относительное фокусное расстояние (f/D), которое также записывается в виде дроби: f/5, f/7, f/10, f/15... Чем больше относительное отверстие объектива телескопа (или наоборот: чем меньше отношение фокусного расстояния к диаметру объектива), тем выше его светосила.

Светосила телескопа, прежде всего, важна для определения его пригодности для фотографических целей -- более светосильный инструмент позволит делать более короткие выдержки при фотографировании слабых астрономических объектов. Другим плюсом светосильных инструментов является большая компактность по сравнению с обычными инструментами (за счет более короткого фокуса), кроме того, они более приспособлены для наблюдений с малыми увеличениями (по той же причине). С другой стороны, светосильные инструменты сложнее в изготовлении и юстировке, и они в большей мере подвержены влиянию различных оптических аберраций.

Диапазон увеличений

Некоторые производители оптики в рекламе своей продукции указывают очень большие увеличения, с которыми якобы позволяют наблюдать предлагаемые ими телескопы (например, для скромного 60-мм рефрактора может быть приведено увеличение 500 крат и более). Разумеется, подобрав соответствующий короткофокусный окуляр, такое увеличение получить можно (и даже на телескопе с меньшей апертурой), но на практике это не имеет смысла: изображение в окуляре будет настолько тусклым и размытым, что в нем будет видно даже меньше деталей, чем при наблюдении с небольшими и средними увеличениями!

Есть простое правило, позволяющее оценить максимальное полезное увеличение телескопа: оно равно удвоенному значению диаметра объектива в миллиметрах (т.е. всего 120 крат для 60-мм инструмента). Дальнейший рост увеличения не даст выигрыша, т.к. новых деталей вы, скорее всего, не увидите, а общая яркость изображения значительно снизится. Однако следует помнить, что при особо благоприятных погодных условиях или для некоторых видов наблюдений (например, при разрешении тесных двойных звезд) можно с успехом использовать увеличения, превышающие "двойной предел", так что данное правило не является строгим. С другой стороны, неспокойствие атмосферы редко дает возможность проводить комфортные наблюдения с увеличением более 300 крат.

Нижний предел увеличения определяется диаметром выходного зрачка телескопа: он не должен превышать размер адаптировавшегося к темноте (т.е. полностью раскрывшегося) зрачка глаза наблюдателя, в противном случае часть собранного телескопом света не попадет в глаз и будет потеряна. Максимальный диаметр зрачка глаза наблюдателя обычно составляет 5-7 мм, поэтому с хорошим приближением можно считать, что минимальное полезное увеличение телескопа равно диаметру его объектива в миллиметрах, деленному на шесть (10 крат для 60-мм инструмента).

Разрешающая сила

Этот параметр характеризует способность телескопа различать мелкие детали у протяженных объектов (например, на дисках Луны и планет) и разделять близко расположенные точечные объекты -- звезды. Разрешение напрямую зависит от диаметра объектива телескопа: если апертуру увеличить вдвое, то разрешающая сила также увеличится в два раза.

Второй фактор, влияющий на разрешение -- это качество линз и зеркальных поверхностей. Ошибки изготовления оптики, неправильная сборка и юстировка, дефекты стекла, царапины, пыль и грязь на поверхности оптических элементов -- все это становится источником ухудшения разрешающей силы телескопа.

При наблюдениях протяженных объектов, таких как Луна и планеты, вместе с увеличением телескопа растет видимый размер изображения. В отличие от них, точечные объекты (звезды) при больших увеличениях принимают вид дисков, окруженных несколькими концентрическими кольцами уменьшающейся яркости. Подобная картина, именуемая дифракционной, обусловлена волновой природой света. Диаметр центрального диска, называемого кружком Эри, обратно пропорционален апертуре телескопа.

Поскольку настоящее изображение звезды тонет в кружке Эри, на практике разделение тесной двойной звезды сводится к рассматриванию дифракционной картины системы в попытках различить диски Эри двух тесно расположенных звезд. Если принять, что оба компонента двойной системы имеют одинаковый блеск, то минимальное угловое расстояние (в секундах дуги), на котором эти звезды все еще можно будет разделить в данный телескоп, рассчитывается по формуле: 116"/D, где D -- диаметр объектива телескопа в миллиметрах. Эта формула разрешающей силы называется пределом Дауэса, по фамилии английского астронома, получившего ее в XIX веке.

Проницающая способность телескопа характеризуется предельной звездной величиной слабейших звезд, которые можно увидеть в данный инструмент в условиях идеально темного неба. Предельную звездную величину (m) для телескопа, диаметр объектива которого равен D в миллиметрах, можно приблизительно оценить по следующей формуле

m = 2,5 + 5 lg D

Просветление оптики позволяет повысить проницающую способность телескопа, тогда как пыль и грязь на оптике -- понижает ее. Теоретические значения проницающей способности для телескопов разных диаметров приведены в сводной таблице.

Монтировка астрономического телескопа - важная часть конструкции, так как наблюдатель должен иметь возможность легко направлять телескоп в заданную точку неба и поддерживать его ориентацию при вращении Земли, отслеживая видимое движение объекта по небу. Небольшие любительские телескопы и современные управляемые компьютером телескопы используют альтазимутальную монтировку. До появления компьютерного управления наиболее распространенной была экваториальная монтировка. Экваториальную установку имеют многие из работающих в настоящее время телескопов, причем эта система остается популярной и для любительских инструментов

Экваториальная монтировка - способ установки телескопа, при котором инструмент может вращаться вокруг полярной оси, параллельной оси вращения Земли, и оси склонения, перпендикулярной полярной оси. Вращение вокруг этих двух осей обеспечивает независимое задание обеих экваториальных координат. Движение вокруг полярной оси изменяет прямое восхождение; движение вокруг другой оси - склонение.

Экваториальная монтировка имеет определенные преимущества: чтобы скомпенсировать видимое движение неба, вызываемое вращением Земли, достаточно поворачивать телескоп только вокруг одной из двух осей (полярной). Однажды наведенный на точку небесной сферы с нужным склонением, телескоп уже не требует дополнительной корректировки. Поэтому в течение многих лет все телескопы сколько-нибудь значительного размера проектировались исключительно с экваториальной монтировкой. Однако развитие компьютерного управления позволило осуществлять наведение и управление даже очень большими телескопами при более простой альтазимутальной монтировке. Тем не менее экваториальная монтировка остается популярной и до сих пор достаточно широко применяется на практике.

Чтобы обеспечить адекватную поддержку и свободу движения для телескопов различных размеров и типов, были разработаны различные виды экваториальной монтировки. К основным вариантам установки относятся немецкая, английская, рамочная, подковообразная и вилочная. Поскольку полярная ось должна быть параллельна земной оси (т.е. направлена в точку северного полюса мира), каждая конструкция экваториальной монтировки подходит только для той широты, для которой она была разработана

Кроме того телескопы имеют различные дефекты, искажения.

Аберрации оптических систем бывают физические и геометрические. Физическая аберрация - хроматическая. Геометрические аберрации - сферическая, кома, астигматизм, кривизна поля и дисторсия.

Хроматическая аберрация создает радужный ореол вокруг звезды. Хроматическая аберрация характерна для всех преломляющих оптических приборов. Возникает из-за того, что коэффициент преломления среды зависит от длины волны света. Синие лучи отклоняются линзой сильнее красных, и поэтому положения фокусов для лучей разных длин волн не совпадают. В результате изображение звезды выглядит как набор радужных колец. Уже первые телескопы Галилея имели сильную хроматическую аберрацию. Первым, кто решил «избавиться» от хроматической аберрации, был Ньютон. Сначала он решил попробовать в телескопах две линзы, имеющие отрицательную и положительную оптическую силы, но не смог создать телескопа, свободного от хроматической аберрации. Именно поэтому Ньютон стал делать телескопы с вогнутыми зеркалами. Оптические системы, в которых хроматическая аберрация устранена в объективах, изготовленных из стекол с различными коэффициентами преломления, называются ахроматами. Хроматическая аберрация полностью отсутствует в зеркальных системах. Сферическая аберрация возникает из-за того, что лучи света, параллельные главной оптической оси объектива, падая на сферическую поверхность линзы или зеркала, после преломления или отражения пересекаются не в одной точке. Края объектива строят изображение ближе к объективу, а центральная часть - дальше. В результате изображение имеет в фокальной плоскости нерезкий вид. В рефракторах сферическая аберрация совместно с хроматической аберрацией устраняется подбором линз. В рефлекторах зеркалу придают не сферическую, а параболическую форму. Система, в которой сферическая аберрация исправлена, называется стигматичной.

Сферическая аберрация исправляется приданием зеркалу параболической формы.

Кома - внеосевая аберрация, связанная с наклоном лучей света, идущих от источника, к оптической оси телескопа. При этом изображение звезды имеет вид капли или кометы с ярким ядром и большим хвостом - отсюда и пошло название аберрации. Линейные размеры пятна комы пропорциональны расстоянию звезды от оптической оси и квадрату относительного отверстия объектива. Система, свободная как от сферической аберрации, так и от комы, называется апланатической.

Астигматизм проявляется в вытягивании круглых дифракционных колец в эллипсы, ориентация которых меняется на 90° при прохождении точки фокуса. Часто астигматизм возникает вследствие плохой юстировки телескопа, пережатого главного или вторичного зеркала, а также из-за отклонений формы вторичного зеркала от плоскости.

Дисторсия связана с искажением масштабов изображения. Изображение звезды собирается в одну точку, но эта точка не совпадает с изображением звезды в идеальном телескопе. Из-за этого изображение квадрата будет иметь вид либо подушки, либо бочки. Оптические системы, свободные от дисторсии, называются ортоскопическими.

Подушкообразная и бочкообразная дисторсии. Слева приведено неискаженное изображение. В 1929 году Бернгардт Шмидт решил проблему создания телескопа, свободного от комы и астигматизма и обладающего большим полем. В камере Шмидта используются вогнутое сферическое зеркало и коррекционная пластинка Шмидта, которая представляет собой почти плоское оптическое стекло, надлежащим образом заретушированное с одной стороны. Центральная часть пластинки действует как слабая положительная линза, внешняя часть пластинки - как слабая отрицательная линза.

Шероховатость поверхности. Распространенная проблема оптических поверхностей -- сеть бугорков или впадин, появившихся после обработки заготовки полировальной машиной. В звездном тесте этот недостаток проявляется в резком уменьшении контраста между дифракционными кольцами, а также в появлении остроконечных выступов.

Следует помнить, что качество оптики не всегда является главным виновником плохих изображений. Поэтому убедитесь, что влияние следующих факторов отсутствует или сведено к минимуму.

оптический телескоп погрешность наблюдение

Глава 2. Современные телескопы

Одной из самых ненадежных деталей телескопа всегда был глаз наблюдателя. У каждого человека - свой глаз, со своими особенностями. Глаз человека и его память не способны сохранить всю картину, предлагаемую для созерцания телескопом. Поэтому, как только стало возможным, астрономы стали заменять глаз приборами. Если подсоиденить вместо окуляра фотоаппарат, то изображение, получаемое объективом можно запечатлеть на фотопластине или фотопленке. Фотопластина способна накапливать световое излучение, и в этом ее неоспоримое и важное преимущество перед человеческим глазом. Фотографии с большой выдержкой способны отобразить несравненно больше, чем под силу рассмотреть человеку в тот же самый телескоп. Ну и конечно, фотография останется как документ, к которому неоднократно можно будет в последствии обратиться. Еще более современным средством являются ПЗС - камеры с полярно-зарядовой связью. Это светочувствительные микросхемы, которые подменяют собой фотопластину и передают накапливаемую информацию на ЭВМ, после чего могут делать новый снимок. Спектры звезд и других объектов исследуются с помощью присоединенных к телескопу спектрографов и спектрометров. Ни один глаз не способен так четко различать цвета и измерять расстояния между линиями в спектре, как это с легкостью делают названные приборы, которые еще и сохранят изображение спектра и его характеристики для последующих исследований. Наконец, ни один человек не сможет посмотреть одним глазом в два телескопа одновременно. Современные системы из двух и более телескопов, объединенных одной ЭВМ и разнесенных, порой на расстояния в десятки метров, позволяют добиться потрясающе высоких разрешений. Такие системы называют интерферометрами. Пример системы из 4-х телескопов - VLT. Целых четыре вида телескопов мы объединили в один подраздел неслучайно. Земная атмосфера пропускает соответствующие длины электромагнитных волн неохотно, поэтому телескопы для изучения неба в этих диапазонах стремятся вынести в космос. Именно с развитием космонавтики напрямую связано развитие ультрафиолетовой, рентгеновской, гамма и инфракрасной отраслей астрономии.

2.1 Радиотелескопы

В качестве объектива радиотелескопа чаще всего выступает металлическая чаша параболоидной формы (рис. 2.1). Собранный ею сигнал принимается антенной, находящейся в фокусе объектива. Антенна связана с ЭВМ, которая обычно и обрабатывает всю информацию, строя изображения в условных цветах. Радиотелескоп, как и радиоприемник, способен одновременно принимать только какую-то длину волны.

Рис. 2.1 Радиотелескопы

В книге Б. А. Воронцова-Вельяминова «Очерки о Вселенной» есть очень интересная иллюстрация, напрямую связанная с предметом нашего разговора. В одной обсерватории гостям предлагали подойти к столу и взять с него листок бумаги. Человек брал листок и на обороте читал примерно следующее: «Взяв этот листок бумаги, Вы затратили больше энергии, чем приняли все радиотелескопы мира за все время существования радиоастрономии».

Чтобы собрать приемлемое количество информации о светилах в радиолучах, астрономы строят огромные по размерам телескопы. Сотни метров - вот тот не столь уже удивительный рубеж для диаметров объективов, который достигнут современной наукой. К счастью, в мире все взаимосвязано. Строительство гигантских радиотелескопов не сопровождается теми же сложностями в обработке поверхности объектива, которые неизбежны при строительстве оптических телескопов. Допустимые погрешности поверхности пропорциональны длине волны, поэтому, порою, металлические чаши радиотелескопов представляют собой не гладкую поверхность, а попросту решетку, и на качестве приема это никак не сказывается. Большая длина волны также позволяет строить грандиозные системы интерферометров. Порой, в таких проектах участвуют телескопы разных континентов. В проектах есть интерферометры космических масштабов. Если они осуществятся, радиоастрономия достигнет невиданных пределов в разрешении небесных объектов. Кроме сбора излучаемой небесными телами энергии, радиотелескопам доступно «подсвечивание» поверхности тел Солнечной системы радиолучами. Сигнал, посланный, скажем с Земли на Луну, отразится от поверхности нашего спутника и будет принят тем же телескопом, что и посылал сигнал. Этот метод исследований называется радиолокацией. С помощью радиолокации можно многое узнать. Впервые астрономы узнали о том, что Меркурий вращается вокруг своей оси именно таким способом. Расстояние до объектов, скорость их движения и вращения, их рельеф, некоторые данные о химическом составе поверхности - вот те немаловажные сведения, которые по силам выяснить радиолокационными методами. Самый грандиозный пример таких исследований - полное картографирование поверхности Венеры, проведенное АМС «Магеллан» на стыке 80-х и 90-х годов. Как Вы, может быть, знаете, эта планета прячет от человеческого глаза свою поверхность за плотной атмосферой. Радиоволны же беспрепятственно проходят сквозь облака. Теперь мы знаем о рельефе Венеры лучше, чем о рельефе Земли, ведь на Земле покрывало океанов мешает проводить изучение большей части твердой поверхности нашей планеты. Увы, скорость распространения радиоволн велика, но не безгранична. К тому же, с удаленностью радиотелескопа от объекта возрастает рассеивание посланного и отраженного сигнала. На дистанции Юпитер-Земля сигнал принять уже сложно.

2.2 Инфракрасные телескопы

Инфракрасные волны - это тепло. Для того, что бы регистрировать тепло очень далеких объектов необходимо отгородить принимающий прибор от излучения всего того тепла, которое порождается близкими предметами, в том числе и самим телескопом. Сегодня приборы для измерения инфракрасных лучей помещают в вакуум и охлаждают жидким гелием. Представьте себе тонкий лист фольги, через который пропускают ток. Если будет меняться температура фольги, будет изменяться сопротивление металла и, соответственно, ток через него. Измеряя ток, можно определить степень нагрева фольги. Таков принцип. Только поверхность фольги, на которую сводятся лучи от объекта, делают черной, чтобы она лучше поглощала тепло. Про охлаждение всего прибора мы уже говорили.

Инфракрасные телескопы не обладают способностью оптических воспринимать сразу все длины волн диапазона. Устройство, обычно, делается чувствительным к некоторым узким участкам спектра. В этом инфракрасные телескопы похожи на радиотелескопы, принимающие сигнал только на одной длине волны. Похоже и построение изображения объекта в невидимых глазу лучах в условных цветах. Часто на инфракрасных фотографиях используют оттенки красного цвета для характеристики интенсивности излучения той или иной части изображения. Поэтому, если Вы видите фотографию, на которой в изобилии присутствует красный цвет, знайте: скорее всего, это фотография сделана в тепловых лучах. Один и тот же телескоп вполне может быть как оптическим, так и инфракрасным в разное время. Пример - телескоп имени Хаббла. Во многом, конструкция самих инфракрасных телескопов схожа с конструкцией оптических зеркальных телескопов. Большая часть тепловых лучей поддается отражению обычным телескопическим объективом и фокусированию в одной точке, где и размещается прибор, измеряющий тепло. Также существуют инфракрасные фильтры, пропускающие только тепловые лучи. С такими фильтрами происходит фотографирование.

2.3 Ультрафиолетовые телескопы

Фотографическая пленка, особенно если она специально для этого сделана, способна засвечиваться и ультрафиолетовыми лучами. Поэтому принципиальной проблемы в фотографировании ультрафиолетовых изображений не стоит. Кроме того, в значительной части ультрафиолетового диапазона удается принимать системы с зеркальным объективом и регистрирующим устройством. Ультрафиолетовые телескопы схожи по своей конструкции с инфракрасными или оптическими. Применение фильтров позволяет выделять излучение определенных участков диапазона. Фотоны малых длин волн (меньше 2 000 А) регистрируют уже способами, схожими с регистрацией рентгеновского излучения.

2.4 Рентгеновские телескопы

Фотоны с высокими энергиями, к которым относятся и фотоны рентгеновских волн, уже пробивают всевозможные системы зеркальных объективов. Регистрация таких волн по силам счетчикам элементарных частиц, таким, как счетчик Гейгера. Попадающая в такое устройство частица вызывает кратковременный импульс тока, который и регистрируется. Очень большие проблемы стояли перед астрономами с тем, чтобы при всей сложности процесса регистрации больших потоков рентгеновских фотонов добиться высокого разрешения телескопа. Но сегодня разрешение рентгеновских телескопов достигает уже не несколько градусов, как было раньше, а всего 1'.

2.5 Гамма-телескопы

Гамма-фотоны еще более энергичны, чем фотоны рентгеновского излучения. Их тоже регистрируют специальные устройства-счетчики, только иной конструкции. Увы, разрешение гамма-телескопов не превосходит двух-трех градусов. Гамма-телескопы сегодня регистрируют само наличие и примерное направление на так называемые гамма-вспышки - мощные всплески гамма-излучения, причин которых еще не нашли. Более или менее точно указать место вспышки позволяет одновременное наблюдение вспышки двумя-тремя гамма-телескопами. Совместное использование гамма-телескопов и телескопов, принимающих другие типы излучения, в последние годы помогло отождествлять некоторые гамма-вспышки с тем или иным видимым объектом.

Заключение

Оптические телескопы бывают двух основных типов (рефракторы и рефлекторы), отличающиеся выбором главного собирающего свет элемента (линза или зеркало соответственно). У телескопа-рефрактора на передней стороне трубы имеется объектив, а в задней части, где формируется изображение, - окуляр или фотографическое оборудование. В отражательном телескопе в качестве объектива использовано вогнутое зеркало, располагающееся в задней части трубы.

Объектив телескопа-рефрактора обычно представляет собой составную линзу из двух или нескольких элементов с относительно большим фокусным расстоянием. Использование составных линз уменьшает хроматическую аберрацию (такие линзы называют ахроматическими дублетами и триплетами). Минимизировать как хроматическую, так и сферическую аберрацию можно, если использовать большое фокусное расстояние, но это приводит к тому, что рефракторы получаются длинными и громоздкими. В прошлом для уменьшения погрешностей строились только рефракторы больших размеров.

При создании и установке больших стеклянных линз возникает ряд трудностей; кроме того, толстые линзы поглощают слишком много света.

Все большие астрономические телескопы представляют собой рефлекторы. Рефлекторные телескопы популярны и у любителей, поскольку они не так дороги, как рефракторы, и их легче изготовить самостоятельно. В рефлекторе свет собирается в точке перед первичным зеркалом, называемой первичным фокусом. Собранный пучок света обычно направляется (посредством вторичного зеркала) к более удобному для работы месту. В очень больших телескопах наблюдатель имеет возможность работать непосредственно в первичном фокусе в специальной кабине, установленной в главной трубе. На практике как вторичное зеркало, так и кабина в первичном фокусе не оказывают существенного влияния на работу телескопа. Большие многоцелевые профессиональные телескопы обычно строят так, что наблюдатель получает возможность выбора фокуса. Ньютоновский фокус используется только в любительских оптических телескопах.

Первичные зеркала в отражательных телескопах обычно изготавливают из стекла или керамики, которая не расширяется (и не сжимается) при изменении температуры. Поверхность зеркала тщательно обрабатывается до получения требуемой формы, обычно сферической или параболической, с точностью до долей длины волны света. Для получения отражательных свойств на поверхность стекла наносится тонкий слой алюминия. В ранних отражательных телескопах, первичное зеркало было изготовлено из полированного металлического сплава (68% меди и 32% олова). По латыни термин "зеркальный" предается как "speculum"; по этой причине для обозначения отражательного телескопа до сих пор иногда используют сокращение "spec". Самые ранние стеклянные зеркала покрывали серебром, но это оказалось неудобным из-за того, что на воздухе серебро темнеет.

В наиболее современных больших телескопах применяются методы активной оптики, которые позволяют использовать более тонкие и легкие зеркала, необходимая форма которых сохраняется поддерживающей системой, управляемой компьютером. Это позволяет использовать как зеркала с очень большими диаметрами, так и зеркала, составленные из отдельных элементов.

Кроме того с развитием науки и техники появились новые телескопы: радиотелескопы, ультрафиолетовые, гамма и другие. По мере развития астрономической техники появилась возможность изучать объекты во всем электромагнитном спектре, для чего были разработаны специальные системы телескопов и дополнительных детекторов, позволяющие работать в различных диапазонах волн. Термин "телескоп", первоначально означавший оптический инструмент, получил более широкое значение.

Приложение 1. История создания оптических телескопов

Первый телескоп был построен в 1609 году итальянским астрономом Галилео Галилеем. Телескоп имел скромные размеры (длина трубы 1245 мм, диаметр объектива 53 мм, окуляр 25 диоптрий), несовершенную оптическую схему и 30-кратное увеличение. Однако он позволил сделать целую серию замечательных открытий (фазы Венеры, горы на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути).

Очень плохое качество изображения в первых телескопах заставило оптиков искать пути решения этой проблемы. Оказалось, что увеличение фокусного расстояния объектива значительно улучшает качество изображения.

В 1663 году Грегори создал новую схему телескопа-рефлектора. Грегори первым предложил использовать в телескопе вместо линзы зеркало.

Первый телескоп-рефлектор был построен Исааком Ньютоном в 1668 году. Схема, по которой он был построен, получила название «схема Ньютона».Длина телескопа составляла 15 см.

В 1672 году Кассегрен предложил схему двухзеркальной системы, вскоре ставшую наиболее популярной. Первое зеркало было параболическим, второе имело форму выпуклого гиперболоида и располагалось перед фокусом первого.

В настоящее время практически все телескопы являются зеркальными.

Самый большой в мире зеркальный телескоп имени Кека имеет диаметр 10 м и находится на Гавайских островах. В России на Кавказе работает телескоп размером 6 м.

В двадцатом веке астрономы сделали много шагов в изучении вселенной.

Эти шаги были бы невозможны без использования больших и сложных телескопов, расположенных на высокогорных лабораториях и управляемых большим количеством квалифицированных специалистов.

Приложение 2

Рекомендации наблюдателям

Место для наблюдений

Одним из ключевых факторов, влияющих на качество ваших астрономических наблюдений, является правильный выбор места для наблюдательной площадки. На городском небе, залитом светом бесчисленных уличных фонарей, можно увидеть гораздо меньше интересных объектов, чем на темном деревенском небе.

Правильно	Неправильно
Уезжайте, если возможно, для наблюдений за город. Место наблюдения должно быть удалено от любых источников света, и хорошо, если это будет возвышенность. Всегда выбирайте максимально высокое место; это позволит подняться над огнями и загрязнением атмосферы, а также даст уверенность, что вас не накроет приземный слой тумана.	Пытаться наблюдать в центре города, если конечно вы не хотите увидеть очень яркий объект, например планету.
Наблюдайте с земли. Если пытаться наблюдать с какой-нибудь постройки или даже с тротуара, то любое ваше движение станет причиной вибрации телескопа. Кроме того, асфальт и цемент являются источником тепла, накапливаемого ими днем	Пытаться наблюдать объект, если свет от него проходит рядом с каким-нибудь препятствием на земле (например, планету, которая едва поднялась над крышей соседнего здания). Ветер, даже очень слабый, встречая на своем пути препятствие, обтекает его и образует турбулентные потоки.
Наблюдайте вдали от зданий, стен или естественных преград, а также вдали от любых источников тепла.	Наблюдать с балкона.
Убедитесь, что горизонт, особенно его южная часть, ничем не загорожена.	Наблюдать через окно или форточку.
Время для наблюдений Итак, место выбрано. Теперь необходимо дождаться наиболее подходящих условий для проведения наблюдений.
Слушайте прогноз погоды. Хорошие условия -- это спокойная атмосфера и, разумеется, чистое небо. Впрочем, последнее не всегда необходимо. Бывает, что отличные условия для наблюдений складываются при частично затянутом облаками небе.	Пытаться наблюдать объект, если он находится около горизонта. В этом случае свет проходит через значительную часть атмосферы, полной турбулентных потоков и пыли.
Правильно	Неправильно
Старайтесь наблюдать астрономические объекты в момент их верхней кульминации, т.е. когда они находятся на максимальной высоте над горизонтом, и вредное влияние атмосферы на них минимально.	Собираться наблюдать в меняющуюся погоду; в это время атмосфера очень неспокойна.
Не наблюдайте до тех пор, пока температура телескопа не сравняется с температурой окружающей среды. Оптические элементы меняют свою форму, пока остывают, и в результате дают плохое изображение. Чем больше апертура телескопа, тем больше времени ему требуется для остывания. Если у вас экваториальная монтировка, используйте это время для выставления ее на Полюс Мира.	Пытаться наблюдать сразу после захода Солнца; в это время Земля еще остывает, образуя турбулентные потоки. Ближе к полуночи ночи небо не только становится более темным, но и уменьшается содержание пыли в атмосфере. Наилучшая видимость чаще всего складывается в предутренние часы.
Полезные мелочи
Для поиска слабых объектов глубокого космоса используйте хорошие звездные атласы и каталоги. Для поиска планет, комет и астероидов пользуйтесь эфемеридами, которые публикуются в астрономических журналах и календарях.	Направлять телескоп на случайную область неба и пытаться увидеть там что-нибудь интересное.
Желательно иметь в своем распоряжении набор из нескольких окуляров, чтобы для каждого объекта можно было подобрать оптимальное увеличение. Для наблюдения планет полезно иметь несколько светофильтров.	Использовать во время наблюдений для подсветки чего-либо источник света, не закрытый красным фильтром. Это нарушает адаптацию глаз к темноте.
Ночное зрение
Во время наблюдений держите оба глаза открытыми, это позволит им меньше уставать. Если будет неудобно, то можно закрыть неиспользуемый глаз рукой.	Освещать свои глаза каким-либо светом, исключая красный, менее чем за полчаса до начала наблюдений.
Применяйте боковое зрение при наблюдении слабых объектов: центральные области глаза менее чувствительны к малоконтрастному изображению, чем периферийные. Смотрите не прямо на объект, а немного в сторону, и тогда он покажется вам более ярким.	Пытаться смотреть в окуляр сбоку. Наш глаз -- это просто еще одна линза в системе, поэтому стоит держать его на одной оптической оси с телескопом.

Приложение 3

Крупнейшие телескопы

Список используемой литературы

1. Зигель Ф.Ю. Астрономы наблюдают, 1985 г. - 226c.