Оптичні телескопи: реферат

Астрономи спостерігають зірки, планети та інші об’єкти Всесвіту за допомогою телескопів. Телескоп – це основний робочий інструмент кожного дослідника Всесвіту.

Коли ж з’явилися перші телескопи і як вони були влаштовані?

У 1609 році професор Падуанського університету Галілео Галілей (1564-1642) уперше направив виготовлену ним самим невелику зорову трубу на зоряне небо. У вивченні небесних світил почалася епоха телескопічної астрономії.

Принцип роботи оптичного телескопа заснований на властивостях опуклою лінзи або увігнутого дзеркала, які виконують в телескопі роль об’єктива. Вони збирають в фокус паралельні промені світла, які приходять до нас від різних небесних джерел, і створюють в фокальній площині їх зображення.

Астроном-спостерігач, який би розглядав в окуляр зображення космічного об’єкта, бачить його збільшеним.

При цьому під збільшенням телескопа розуміють відношення видимих ​​кутових розмірів об’єкта при спостереженні в телескоп і без нього. Збільшення телескопа дорівнює відношенню фокусної відстані об’єктиву до фокусної відстані окуляра.

У першого телескопа Галілея об’єктивом служила плоскоопукла лінза діаметром 4 см. з фокусною відстанню 50 см. Роль окуляра виконувала плоско-увігнута лінза розміром по-менше.

Така комбінація оптичних стекол давала трикратне збільшення. Потім Галілей сконструював більш досконалий телескоп з об’єктивом 5,8 см в діаметрі і фокусною відстанню 165 см. Він збільшував зображення Місяця і планет в 33 рази. З його допомогою вчений зробив свої чудові астрономічні відкриття:

  • гір на Місяці;
  • супутників Юпітера;
  • фаз Венери;
  • плям на Сонці і безлічі інших слабких зірок.

Але телескоп Галілея мав істотний недолік: у нього було дуже мале поле зору, тобто в трубу було видно зовсім крихітний кружечок неба. Тому, наводити інструмент на яке-небудь небесне світило, і спостерігати його було зовсім непросто.

Пройшов лише рік з часу початку телескопічних спостережень, як німецький астроном і математик Йоганн Кеплер (1571-1630) запропонував свою конструкцію телескопа.

Новизна полягала в самій оптичній системі: об’єктив і окуляр були двоопуклими лінзами. В результаті зображення в кеплерівському телескопі виходило не пряме, як в трубі Галілея, а перевернуте.

Звичайно, так оглядати земні предмети незручно, але при астрономічних спостереженнях це абсолютно не має ніякого значення. Адже у Всесвіті немає ні абсолютного верху, ні абсолютного низу.

Телескоп Кеплера виявився набагато краще оптичних первістків Галілея: він володів великим полем зору і був зручний в роботі. Ці важливі переваги нового інструменту однозначно визначили його долю: в подальшому лінзові телескопи стали конструювати виключно за схемою Кеплера.

А оптична система галілеєвського телескопу збереглася лише в устрої театрального бінокля.

Ще за життя Галілея була висловлена ​​ідея створення дзеркального, тобто відбивного телескопа. Однак здійснена вона була тільки в 1668 році великим Ісааком Ньютоном (1643-1727).

У цьому телескопі принципово нової конструкції в якості об’єктива Ньютон використовував маленьке увігнуте дзеркальце, сферична поверхня якого була виготовлена ​​з бронзи і відполірована. Його діаметр дорівнював всього лише 2,5 см, а фокусна відстань становила 15 см. Промені світла від сферичного дзеркала відбивалися зовсім маленьким допоміжним плоским дзеркальцем (поставленим під кутом 45 градусів до оптичної осі телескопа) в окуляр – плоско-опуклу лінзу, розташовану збоку від труби.

Телескоп – це астрономічний інструмент для вивчення небесних світил по їх електромагнітному випромінюванню. Телескопи діляться на:

  • гамма-телескопи;
  • рентгенівські;
  • ультрафіолетові;
  • оптичні;
  • інфрачервоні;
  • радіотелескопи.

Існує 3 типи оптичних телескопів:

  • рефрактори (лінзові);
  • рефлектори (дзеркальні);
  • комбіновані дзеркально-лінзові системи.

Перші астрономічні спостереження за допомогою телескопів (оптичного рефрактора) були проведені в 1609 році Г. Галілеєм.

Таким чином, розрізняють два основних типи телескопів:

  • лінзові телескопи-рефрактори, у яких промені світла, проходячи через об’єктив, заломлюються;
  • дзеркальні (відбивні) телескопи-рефлектори.

Дзеркальні телескопи з часом стали використовуватися для спостережень дуже далеких і слабкосвітних об’єктів.

Людське око здатне розрізняти окремо дві частини спостережуваного предмета тільки в тому випадку, якщо кутова відстань між ними не менше однієї-двох хвилин дуги. Так, на Місяці неозброєним оком можна розглянути деталі рельєфу, розмір яких перевищує 150-200 км.

На сонячному диску, коли світило хилиться до заходу, його світло ослаблене і поглинається ефектом земної атмосфери, бувають видні плями діаметром 50-100 тис. км.

Ніяких інших подробиць неозброєними оком розглянути ми не в силах. І тільки завдяки телескопу, який збільшує кут зору, можна “наближати” до себе далекі небесні об’єкти – спостерігати їх як би поруч.

Зазвичай до телескопу додається комплект різних окулярів, які дозволяють отримувати різні збільшення. Але астрономи при роботі навіть з найбільшими інструментами рідко користуються більш ніж 300-кратним збільшенням.

Причина цього – атмосферні перешкоди, які обмежують можливість застосування великих збільшень, бо при великих збільшеннях різко погіршується якість зображення – воно розмивається і сильно тремтить.

Але телескоп не тільки збільшує кут зору, під яким із Землі видно небесні світила.

Об’єктив телескопа збирає у багато разів більше світла, ніж зіниця людського ока.

Завдяки цьому в телескоп можна спостерігати міріади зірок і інших дуже слабких об’єктів, які неозброєним оком абсолютно недоступні. Очевидно, що кількість світла, яке зібране телескопом, буде в стільки разів більше світлового пучка, який проникає в око спостерігача, у скільки разів площа об’єктива більше площі зіниці (діаметр останньої близько 6 мм).

Галілей, наприклад, в свій кращий телескоп міг спостерігати зірки 10-ї зоряної величини, які слабше зірок 6-ї величини (які лежать на межі нашого зору) приблизно в 40 разів.

Зі збільшенням діаметра об’єктива телескопа число видимих ​​на небі зірок швидко зростає, або, як кажуть астрономи, збільшується проникаюча сила телескопа.

Таким чином, телескопічні спостереження розкрили перед землянами неймовірний вселенський простір.

Те, про що раніше великі мислителі тільки здогадувалися, отримало зриме підтвердження.

Зі збільшенням діаметра об’єктива зростає також роздільна сила телескопа, тобто стають доступними для спостережень тісні зоряні системи. І астрономи прагнули створювати великі телескопи з об’єктивами великого діаметру. Але виготовлення таких лінз – завдання надзвичайно важке.

Адже для цього треба зварити ідеально прозоре і абсолютно однорідне скло великих розмірів і великої маси, а потім обробити його – перетворити на лінзу. Досить сказати, що поверхня лінзи повинна бути відшліфована і відполірована з точністю до десятих часток мікрона!

Найбільший в світі об’єктив для телескопа-рефрактора був виготовлений ще в кінці 19-го століття знаменитою американською фірмою “Алван Кларк і сини”.

Цей об’єктив діаметром 40 дюймів (102 см) призначався для Йоркської обсерваторії, яка була побудована в 1897 році недалеко від Чикаго. Виготовити більший об’єктив не вдалося поки нікому. Об’єктиви Алва Кларка (1804-1887) і до цього дня вважаються кращими в світі. Але навіть вони не позбавлені аберацій – оптичних недоліків, які деформують зображення.

Тому замість однолінзових об’єктивів і окулярів в телескопах стали використовувати багатолінзові оптичні системи.

Вперше це вдалося зробити англійської оптику Джону Доллонду (1706-1761) в 1757 році.

Кривизна поверхонь лінз і сорти скла підбираються таким чином, що їх дії протилежні. Це істотно зменшує аберацію.

Для розвитку астрофізики, зокрема для дослідження туманностей, далеких галактик і інших слабкосвітних космічних об’єктів, потрібні великі телескопи, які володіють великою світлосилою.

Під світлосилою слід розуміти кількість освітленості, яку може створити телескоп в фокальній площині. Так, якщо порівняти два телескопа з однаковою фокусною відстанню, то більшою світлосилою буде володіти інструмент з великим об’єктивом або дзеркалом. Виготовляти ж відбивні дзеркала значно простіше, ніж шліфувати величезні лінзи: у кожній лінзі обробляються дві поверхні, біля дзеркала – тільки одна.

В даний час в світі побудовано більше десятка рефлекторів з дзеркалами, які перевищують в діаметрі 3,5 м.

Найбільший телескоп знаходиться в Росії – БТА-6 – має 6-метрове дзеркало.

Можливості цього телескопа величезні. При перших же спостереженнях, зроблених в 1975 році (систематичні спостереження на БТА-6 були розпочаті в липні 1976 року), були сфотографовані зірки і далекі галактики 24-ї зоряної величини.

Вони приблизно в 15 млн. разів слабкіше тих зірок, які здатне побачити людське око. Але, застосовуючи більш досконалу світлочутливу апаратуру – фотопомножувачі, лічильники фотонів і інші новітні приймачі випромінювання, астрономи за годинну експозицію отримують на пластинках зображення об’єктів, які мають зоряну величину 26,5.

Оптичні об’єкти, випромінювання яких вдалося прийняти, віддалені від нас не менш ніж на 10 млрд. світлових років!

Такі здібності телескопа, який оснащений сучасною світлоприйомною технікою.

Наукові співробітники Каліфорнійського університету в США створили ще більш значний – 10-ти метровий телескоп-рефлектор. Дзеркало цього, найбільшого в світі оптичного гіганта, складається з 36 шестикутних пов’язаних дзеркал, розташованих у вигляді трьох концентричних кілець.

Електронні датчики повідомляють про їхнє становище і орієнтації один щодо одного в ЕОМ, яка видає команди на установку дзеркал за заданою програмою. В результаті забезпечується необхідна форма складовою дзеркальної поверхні з урахуванням гравітаційних і вітрових навантажень.

Цей телескоп, названий “Кек I”, встановлений на вершині гори Мауна-Кеа (Гавайські острови), на висоті 4150 м. над середнім рівнем Світового океану.

Його вартість склала 94 млн доларів.

Офіційне відкриття найбільшого в світі телескопа відбулося 7 листопада 1991 року, хоча останній сегмент дзеркала був встановлений лише 14 квітня 1992 року.

Зараз на горі Мауна-Кеа закінчено спорудження другого 10-ти метрового телескопа – “Кек II”. Фонд У. М. Кека виділив на нього 74,6 млн доларів. Не випадково назви телескопів-близнюків дані по імені фонду, який фінансував їх будівництво.

Завдяки своїй величезній оптичній потужності вони є ідеальними інструментами для вивчення далеких космічних об’єктів.

Посилання на основну публікацію