Солнечные обсерватории
Еще в прошлом веке для наблюдений Солнца, как правило, применялись те же инструменты, что и для изучения других небесных тел. Правда, при этом необходимо было всячески ослабить световой поток, поступающий в телескоп от Солнца. Для этой цели использовали темные фильтры, укрепляемые в окулярах, или за окулярной частью телескопа помещали белый экран, на который проектировалось сильно ослабленное в яркости изображение небесного светила. Иногда пользовались специальными «солнечными» окулярами, в которых поток солнечного света ослаблялся поляроидами или другими оптическими приспособлениями.
Все эти несложные методы сохранились и в современной «любительской» астрономии, то есть для малых рефракторов и рефлекторов. Что же касается больших обсерваторий, то постепенно из них выделился особый класс «солнечных» обсерваторий, все оборудование которых предназначено исключительно для наблюдений Солнца. Начался этот процесс специализации уже давно, более ста лет назад, когда в 1868 году английский астрофизик Н. Локьер на заседании Парижской Академии наук доложил об изобретенном им способе наблюдать солнечные протуберанцы в любой солнечный день, а не только во время полных солнечных затмений. Одновременно с Локьером и независимо от него такое же открытие сделал и французский астроном Ж. Жансен.
Как известно, солнечные протуберанцы (или выступы) представляют собой облачные образования, состоящие преимущественно из водорода и гелия. Во время полных солнечных затмений, когда Солнце закрыто черным диском Луны, протуберанцы часто напоминают красные язычки пламени, высовывающиеся из хромосферы. Размеры, форма и движения их весьма разнообразны. Если в момент полной фазы солнечного затмения щель спектроскопа (присоединенного к телескопу) направить по касательной к поверхности Солнца, можно увидеть ряд ярких разноцветных линий — спектр протуберанца. Каждая такая линия есть, в сущности, цветное изображение щели спектроскопа. Если сделать щель, скажем, серповидной, то и цветные линии в спектре также получатся серповидными. Но вот что важно: внутри каждой линии видно цветное изображение протуберанца, причем тем отчетливее, чем больше дисперсия спектроскопа, то есть чем более широкий спектр он дает.
Как это ни удивительно, но и после затмения протуберанцы останутся видимыми, хотя несколько ослабленными. Объясняется это тем, что излучение протуберанца распределяется по нескольким цветным линиям, тогда как свет неба, также попавший в спектроскоп, распределяется по всему непрерывному спектру. Следовательно, относительный контраст изображений неба и протуберанца при описанном способе наблюдения возрастает.
Протуберанц-спектроскоп, первый из специальных солнечных приборов, состоит из небольшого коллиматора, нескольких сложных призм прямого зрения и небольшого рефрактора. Сегодня этот прибор выглядит примитивным и не употребляется. Но сто лет назад он казался чудом астрономической техники и по поводу его изобретения была выбита даже особая золотая медаль с портретами Локьера и Жансена.
В прошлом веке для фотографирования Солнца или его спектра фотокамеры и спектрографы прикрепляли к окулярной части телескопа. Но так как для Солнца и те и другие приборы были весьма массивными, это вызывало неудобства (в частности, гнутие трубы). Выход был найден в изобретении целостата, плоского зеркала, вращающегося с помощью часового механизма вокруг полярной оси со скоростью, вдвое меньшей осевого вращения Земли. Солнечный луч, отраженный целостатом, падает на второе дополнительное зеркало, которое направляет его в объектив горизонтально закрепленного телескопа или спектрографа. В этом случае движущейся частью инструмента является небольшое зеркало, а главная его часть покоится неподвижно. В других случаях отраженный от целостата луч направляется не по горизонтали, а по вертикали, и тогда вместо горизонтального солнечного телескопа получается телескоп вертикальный. В этом случае целостат устанавливают на высокой башне, а вертикальный солнечный телескоп часто называют иначе башенным телескопом.
Башенный телескоп имеет некоторое преимущество перед горизонтальным. В нем целостат находится сравнительно высоко над поверхностью Земли, то есть выше приземного неспокойного и загрязненного слоя воздуха, а это улучшает изображение Солнца.
Башенный солнечный телескоп Крымской астрофизической обсерватории представляет собой сложный оптико-механический агрегат. С башни высотой 20 м целостат направляет солнечный луч вниз на главное распределительное зеркало, расположенное на глубине 4 м под землей. Отсюда с помощью дополнительных зеркал солнечный луч распределяется на несколько приборов, в том числе и дифракционный спектрограф, дающий очень высокую дисперсию (один ангстрем на миллиметр). Замечательно, что всем этим агрегатом управляют лишь два человека — наблюдатель и его помощник.
В Пулковской обсерватории еще до войны Н.Г. Пономаревым был установлен горизонтальный солнечный телескоп, с сожалению, уничтоженный во время войны. В обновленном варианте он был восстановлен в 1951 году и с тех пор на нем ведутся регулярные наблюдения. Замечательно, что этот телескоп не имеет трубы — ее роль выполняет сам павильон солнечного телескопа, кстати сказать, вытянувшийся с юга на север на полсотни метров. С помощью горизонтального телескопа регулярно фотографируются поверхность Солнца и его спектр.
Хорошо известно, что на вершинах гор фон яркого неба значительно темнее, чем у поверхности моря. С атмосферных высот около 200 км наступают условия, равноценные тем, которые характерны для межпланетного пространства — свечение воздуха практически незаметно, и на черном звездном небе ярко сияет Солнце. Если заслонить ослепительный солнечный диск каким-нибудь круглым непрозрачным экраном, вокруг Солнца всегда можно увидеть и хромосферу с протуберанцами и жемчужно-серебристую солнечную корону — наиболее внешние и разреженные части солнечной атмосферы.
В 1930 году французский астроном Лио проделал опыт, напоминающий только что приведенные теоретические рассуждения. Он построил прибор, называемый с тех пор внезатменным коронографом. Это небольшой телескоп, объектив которого создает изображение Солнца на непрозрачном диске, играющем роль Луны. «Искусственная Луна» отражает лучи, света в сторону, где он и поглощается. За «искусственной Луной» располагается фотокамера, с помощью которой в любое время удается заснять внутренние, ближайшие к Солнцу части его короны или (применив бесщелевой спектрограф) спектр короны.
Сам Лио вел наблюдения на обсерватории Пикдю-Миди (высота 2850 м). В Советском Союзе уже много лет под Кисловодском действует Горная астрономическая станция Пулковской обсерватории (высота 2130 м), где также установлен внезатменный коронограф. Главное в этих приборах — максимально устранить основное излучение солнечной поверхности, чтобы как можно ярче проявилось собственное свечение солнечной короны.
Еще в конце прошлого века американец Хэл, и француз Деландр независимо друг от друга построили прибор, ставший впоследствии едва ли не главным инструментом для изучения физики Солнца. Речь идет о спектрогелиографе, позволяющем изучать Солнце как бы по частям, или, точнее говоря, «в лучах» различных химических элементов.
Принцип действия спектрогелиографа достаточно прост. Представьте себе солнечный спектр, спроектированный объективом спектрографа на непрозрачный экран. Сделаем в этом экране узкую щель, которую совместим с какой-нибудь из линий поглощения солнечного спектра, например, с головной линией Нα серии водорода. Хотя в спектре Солнца эта линия, как и остальные линии поглощения, выглядит темной, на самом деле ее «темнота» относительна — она вызвана контрастом в сравнении с окружающими линии поглощения очень яркими участками непрерывного спектра. Поэтому сквозь щель, совмещенную с линией Нα, проникнут солнечные лучи, порожденные солнечными атомами водорода. Если на их пути поставить фотопластинку, на ней получится снимок участка Солнца «в лучах водорода», и именно того участка, который «вырезает» щель спектрографа на диске Солнца.
Будем теперь перемещать щель спектрографа по диску Солнца, соответствующим образом смещая и фотопластинку. Как из детских кубиков складывается рисунок, так и из фотографий отдельных узких участков Солнца постепенно сложится общая панорама Солнца в лучах водорода, так называемая спектрогелиограмма (рис. 36).
Совершенно таким же способом удается получить снимки Солнца в лучах гелия, кальция и других элементов. На спектрогелиограммах Солнца хорошо различимы светлые и более темные облака, из которых состоит солнечная атмосфера, или, точнее, ее нижний слой, именуемый хромосферой. Эти облака называются флоккулами и по их характеру и движению астрономы изучают физические процессы, происходящие в хромосфере. В лучах водорода на спектрогелиограммах видны темные волокна — протуберанцы, проектирующиеся на солнечную поверхность.
Рис. 36. Вверху спектрогелиограмма Солнца (в лучах водорода). Внизу обычный снимок Солнца.
Спустя 35 лет после изобретения спектрогелиографа Хэл построил спектрогелиоскоп, работающий на том же принципе, что и спектрогелиограф. Однако в спектрогелиоскопе обе щели сделаны быстроколеблющимися, благодаря чему в глазу наблюдателя задерживается зрительное впечатление. Иначе говоря, спектрогелиоскоп — прибор для визуальных наблюдений Солнца в лучах различных элементов. Глаз наблюдателя подчас фиксирует такие быстрые изменения деталей отдельных флоккул, которые спектрогелиограф запечатлеть не в состоянии. Как спектрогелиографы, так и спектрогелиоскопы имеются в ряде советских обсерваторий, в частности, в Пулкове, Харькове и в Крыму.
Источник
Космические обсерватории и их роль в изучении космоса
Астрономической обсерваторией называют научно-исследовательский центр, в котором на постоянной основе ведется наблюдение за космическими телами и явлениями. Ответом на вопрос, какова причина создания космических обсерваторий, является интерес человека к тому, что происходит за пределами нашей планеты. Такие сооружения создают на возвышенностях, чтобы получить неограниченный обзор.
В этой статье мы расскажем, как появились первые обсерватории, как они развивались, какими стали сейчас. Повышенный интерес вызывает оборудование обсерваторий, в них есть телескопы оптического типа и особые радиотелескопы, разное оборудования для анализа полученных данных: спектрографы, астрографы, астрофотометры. Все это позволяет науке узнавать о небесных телах больше, открывать ранее неизвестные объекты, делать выводы и создании мироздания и выстраивать сценарии будущего.
Сложно сказать, когда появились первые обсерватории. У древних людей не было таких технологий, как сейчас, но они проявляли интерес к космосу и стремились найти способ наблюдать за ним.
История развития
В древности постройки были конечно же крайне простыми и нефункциональными относительно современных. Древнейшие из обсерваторий найдены археологами и историками на землях Мексики, на территориях Вавилона и персии, Перу и Ассирии, Древних Китая и Египта, и многих других странах. За небом наблюдали жрецы, их можно считать первыми астрономами.
Стоунхендж
Одна из старинных обсерваторий известна и узнаваема во всем мире, это легендарный Стоунхендж, расположенный недалеко от Лондона. Его создали в каменном веке, сооружение было предназначено для проведения религиозных обрядов и наблюдения за небом, то есть сочетало в себе функции храма и обсерватории. Понять второе назначение человечество смогло не сразу. Исследователи обратили внимание, что огромные плоские камни расположены в определенной последовательности, и сделали такие выводы.
Стоунхендж являлся святыней друидов, это каста жрецов среди кельтских народов. Эти жрецы неплохо понимали астрономию, они имели представление о размерах нашей планеты и других, знали, как они устроены и как двигались, знали о разных космических явлениях. Откуда им это было известно — величайшая загадка человечества.
Другая древнейшая обсерватория находится на территории Армении, ее создали около пяти тысяч лет назад. В Самарканде в 15 веке выдающийся астроном Улугбек создал не только обсерваторию, но и выдающееся для тех времен устройство — гигантский квадрант, измеряющий угловые расстояния космических объектов.
Люди делали это из любопытства и ради науки. Благодаря древним деятелем мы владеем большим количеством информации о космосе, но неизведанного по-прежнему остается больше, поэтому исследования космического пространства не прекращаются. Чтобы узнать об этом много нового, обратись к статье “Интересные факты об астрономии дальнего космоса”.
Первые современные сооружения
В современном виде первое сооружение появилось в Александрии, его создал Птолемей II Филадельф. Здесь трудились Аристарх, Геминус, Аристилл и много других известных деятелей науки. Именно здесь впервые начали применять инструменты с разделенными кругами. Аристарх начал пользоваться медным кругом, он установил его в плоскости экватора, чтобы видеть, как солнце проходит через точки равноденствия.
Первая астролябия — дело рук Гиппарха. Это инструмент, который работает на основе стереографической проекции, он состоит из двух кругов, расположенных перпендикулярно по отношению друг к другу, а также из диоптр. Птолемей придумал квадранты и начал устанавливать их с помощью отвеса. Перейти от цельных кругов к квадрантам по сути было шагом назад, но все прислушались к авторитету Птолемея. Квадранты использовали вплоть до времен Ремера, который точно доказал, что круги точнее. Их использовали до начала 19 столетия.
В Европе период строительства обсерваторий начался после того, как создали телескоп, это произошло в 17 веке. Первой была государственная парижская обсерватория, созданная в 1667 году. В ней работали как с квадрантами и другими древними приспособлениями, так и с большими телескопами-рефракторами. В 1975 году недалеко от Лондона начала работать Гринвичская королевская обсерватория. Сейчас в мире насчитывается более пятисот современных космических обсерваторий. Из них около 20 расположено на территории нашей страны.
Обсерватории в России и мире
Первая отечественная обсерватория начала работать в 1692 году в Архангельской области, она была частной. Затем в Петр Первый распорядился создать государственное учреждение, оно открылось в 1701 году в Москве при Навигацкой школе. В 1839 году заработала Пулковская обсерватория недалеко от Санкт-Петербурга, в ней было самое новейшее оборудование, что позволило получать самые точные данные. Ее назвали астрономической столицей мира. Сейчас она остается одной из самых технологичных в мире.
Другие крупные обсерватории: Гринвичская в Англии, Маунт-Паломар и Гарвард в США, Краковская в Польше, Потсдамская в Германии, Венская в Австрии, Бюраканская в Армении. Ученые из разных стран работают в содружестве, они делятся результатами своих работ, часто проводят совместные исследования, чтобы получить более точную информацию. Благодаря им мы постоянно узнаем о космосе больше. Интересные данные, добытые учеными, представлены в статье “Есть ли границы космоса и что находится за ними”.
Как устроены обсерватории?
Современные обсерватории представляют собой башни с телескопами в форме цилиндра или многогранника. В них работают оптические телескопы, их располагают в закрытых куполообразных сводах. Также используются радиотелескопы, они собирают световое излучение, обрабатывают его фотографическими или фотоэлектрическими методами, итогом анализа становится важная информация о космических телах.
Обычно такие заведения располагаются за пределами города. Место размещения предварительно оценивается, подходят горные плато с незначительной атмосферной турбулентностью. Такие условия подходят для изучения инфракрасного излучения, которое поглощается нижними слоями атмосферы. Крайне важно, чтобы в выбранном месте была низкая облачность, иначе она будет мешать наблюдениям.
Какие бывают?
Существуют обсерватории узкого назначения, например, для наблюдения за Солнцем или для сопровождения наблюдений, проводимых космонавтами. При наблюдении с поверхности Земли невозможно зарегистрировать лучи ультрафиолетового, инфракрасного, гамма и других видов космического происхождения. Для работы с ними телескопы начали запускать в космос, каждый из них представляет собой отдельную обсерваторию. Так ученые смогли шагнуть в эру изучение внеатмосферной астрономии, то есть преодолеть ограничения, накладываемые атмосферой.
Рассмотрим типы обсерваторий:
- инфракрасные. Изучают данный спектр излучения в космосе, обрабатывают и передают данные земным ученым. Первый такой телескоп с остальным необходимым оборудованием устремился в космические дали в 1983 году, его создали специалисты из США и Европы в рамках проекта IRAS. Подобная аппаратура всегда присутствует на межпланетных станциях;
- ультрафиолетовые. Озоновый слой нашей планеты поглощает ультрафиолетовое излучение нашего Солнца и других звезд, поэтому для их изучения тоже нужно вывести оборудование в космос;
- рентгеновские. Позволяют исследователям узнать о мощных процессах, происходящих в космическом пространстве. Детекторы, которые фиксируют изменения, простые и легкие относительно других устройств. Их можно использовать в верхних слоях атмосферы Земли и в открытом космосе;
- гамма-обсерватории. Использует методики, схожие с рентгеновскими, но у них есть особенность: они точнее представляют информацию о том, что происходит внутри атомных ядер, лучше анализируют преобразования элементарных частиц.
Какова причина создания космических обсерваторий, их совершенствования, внедрения новых методик? Это не просто научный интерес, есть практическое значение: понимая, что происходит в космосе, мы узнаем больше о своей планете.
Источник