Астрономические инструменты и приборы
Астрономические инструменты и приборы — оптические телескопы с разнообразными приспособлениями и приемниками излучения, радиотелескопы, лабораторные измерительные приборы и другие технические средства, служащие для проведения и обработки астрономических наблюдений.
Вся история астрономии связана с созданием новых инструментов, позволяющих повысить точность наблюдений, возможность вести исследования небесных светил в диапазонах электромагнитного излучения (см. Электромагнитное излучение небесных тел), недоступных невооруженному человеческому глазу.
Первыми еще в далекой древности появились угломерные инструменты. Самый древний из них — это гномон, вертикальный стержень, отбрасывающий солнечную тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона и тени, можно определить высоту Солнца над горизонтом.
К старинным угломерным инструментам принадлежат и квадранты. В простейшем варианте квадрант — плоская доска в форме четверти круга, разделенного на градусы. Вокруг его центра вращается подвижная линейка с двумя диоптрами.
Широкое распространение в древней астрономии получили армиллярные сферы — модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами: полюсами и осью мира, меридианом, горизонтом, небесным экватором и эклиптикой. В конце XVI в. лучшие по точности и изяществу астрономические инструменты изготовлял датский астроном Т. Браге. Его армиллярные сферы были приспособлены для измерения как горизонтальных, так и экваториальных координат светил.
Коренной переворот в методах астрономических наблюдений произошел в 1609 г., когда итальянский ученый Г. Галилей применил для обозрения неба зрительную трубу и сделал первые телескопические наблюдения. В совершенствовании конструкций телескопов-рефракторов, имеющих линзовые объективы, большие заслуги принадлежат И. Кеплеру.
Первые телескопы были еще крайне несовершенны, давали нечеткое изображение, окрашенное радужным ореолом.
Избавиться от недостатков пытались, увеличивая длину телескопов. Однако наиболее эффективными и удобными оказались ахроматические телескопы-рефракторы, которые начали изготовляться с 1758 г. Д. Доллондом в Англии.
В 1668 г. И. Ньютон построил телескоп-рефлектор, который был свободен от многих оптических недостатков, свойственных рефракторам. Позже совершенствованием этой системы телескопов занимались М. В. Ломоносов и В. Гершель. Последний добился особенно больших успехов в сооружении рефлекторов. Постепенно увеличивая диаметры изготавливаемых зеркал, В. Гершель в 1789 г. отшлифовал для своего телескопа самое большое зеркало (диаметром 122 см). В то время это был величайший в мире рефлектор.
В XX в. получили распространение зеркально-линзовые телескопы, конструкции которых были разработаны немецким оптиком Б. Шмидтом (1931 г.) и советским оптиком Д. Д. Максутовым (1941 г.).
В 1974 г. закончилось строительство отечественного зеркального телескопа с диаметром зеркала 6 м. Он установлен на Кавказе — в Специальной астрофизической обсерватории. Возможности этого инструмента огромны. Этому телескопу доступны объекты 25‑й звездной величины, т. е. в миллионы раз более слабые, чем те, которые наблюдал Галилей в свой телескоп.
Современные астрономические инструменты используются для измерения точных положений светил на небесной сфере (систематические наблюдения такого рода позволяют изучать движения небесных светил); для определения скорости движения небесных светил вдоль луча зрения (лучевые скорости); для вычисления геометрических и физических характеристик небесных тел; для изучения физических процессов, происходящих в различных небесных телах; для определения их химического состава и для многих других исследований небесных объектов, которыми занимается астрономия.
К числу астрометрических инструментов относятся универсальный инструмент и близкий к нему по конструкции теодолит; меридианный круг, используемый для составления точных каталогов положений звезд; пассажный инструмент, служащий для точных определений моментов прохождения звезд через меридиан места наблюдений, что нужно для службы времени.
Для фотографических наблюдений используются астрографы.
Для астрофизических исследований нужны телескопы со специальными приспособлениями, предназначенными для спектральных (объективная призма, астроспектрограф), фотометрических (астрофотометр), поляриметрических и других наблюдений.
Повысить проницающую силу телескопа удается путем применения в наблюдениях телевизионной техники (см. Телевизионный телескоп), а также фотоэлектронных умножителей.
Созданы инструменты, позволяющие вести наблюдения небесных тел в различных диапазонах электромагнитного излучения, в том числе и в невидимом диапазоне. Это радиотелескопы и радиоинтерферометры, а также инструменты, применяемые в рентгеновской астрономии, гамма-астрономии, инфракрасной астрономии.
Для наблюдений некоторых астрономических объектов разработаны специальные конструкции инструментов. Таковы солнечный телескоп, коронограф (для наблюдений солнечной короны), кометоискатель, метеорный патруль, спутниковая фотографическая камера (для фотографических наблюдений спутников) и многие другие.
В ходе астрономических наблюдений получают ряды чисел, астрофотографии, спектрограммы и другие материалы, которые для окончательных результатов должны быть подвергнуты лабораторной обработке. Такая обработка ведется с помощью лабораторных измерительных приборов.
Для измерения положений изображений звезд на астрофотографиях и изображений искусственных спутников относительно звезд на спутникограммах служат координатно-измерительные машины. Для измерения почернений на фотографиях небесных светил, спектрограммах служат микрофотометры.
Важный прибор, необходимый для наблюдений, — астрономические часы.
При обработке результатов астрономических наблюдений используются суперкомпьютеры.
Существенно обогатила наши представления о Вселенной радиоастрономия, зародившаяся в начале 30‑х гг. нашего столетия. В 1943 г. советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю. 50‑е гг. XX в. — период необыкновенно быстрого развития радиоастрономии. Ежегодно радиоволны приносили из космоса новые удивительные сведения о природе небесных тел.
Сегодня радиоастрономия использует самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенны. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Перед человеком раскрылся радиокосмос — картина Вселенной в радиоволнах.
Астрономические инструменты для наблюдений устанавливают на астрономических обсерваториях. Для строительства обсерваторий выбирают места с хорошим астрономическим климатом, где достаточно велико количество ночей с ясным небом, где атмосферные условия благоприятствуют получению хороших изображений небесных светил в телескопах.
Атмосфера Земли создает существенные помехи при астрономических наблюдениях. Постоянное движение воздушных масс размывает, портит изображение небесных тел, поэтому в наземных условиях приходится применять телескопы с ограниченным увеличением (как правило, не более чем в несколько сотен раз). Из‑за поглощения земной атмосферой ультрафиолетовых и большей части длин волн инфракрасного излучения теряется огромное количество информации об объектах, являющихся источниками этих излучений.
В горах воздух чище, спокойнее, и поэтому условия для изучения Вселенной там более благоприятные. По этой причине еще с конца XIX в. все крупные астрономические обсерватории сооружались на вершинах гор или высоких плоскогорьях. В 1870 г. французский исследователь П. Жансен использовал для наблюдений Солнца воздушный шар. Такие наблюдения проводятся и в наше время. В 1946 г. группа американских ученых установила спектрограф на ракету и отправила ее в верхние слои атмосферы на высоту около 200 км. Следующим этапом заатмосферных наблюдений было создание орбитальных астрономических обсерваторий (ОАО) на искусственных спутниках Земли. Такими обсерваториями, в частности, являлись советские орбитальные станции «Салют». В настоящее время успешно эксплуатируется космический телескоп «Хаббл».
Орбитальные астрономические обсерватории разных типов и назначений прочно вошли в практику современных исследований космического пространства.
Источник
Как выбрать телескоп
Далекие неизведанные миры и яркие звезды, загадочные небесные тела и бесконечная Вселенная… Что может быть интереснее? И разве легко найти более интригующую тему? Звездное небо – зрелище всегда завораживающее, способное увлечь и пытливый детский ум, и пылких юных романтиков, и людей постарше. А потому неудивительно, что почти каждый из нас порой обращает взор ввысь, пусть даже неосознанно пытаясь проникнуть в тайны мироздания. И лучшим помощником в таком исследовании может стать телескоп.
Что мы обычно представляем при упоминании подобного устройства? Как правило, на ум приходит образ эдакой подзорной трубы увеличенного размера, поставленной для устойчивости на специальную треногу. При этом с помощью термина «телескоп» обозначают целый класс разнообразных технических средств, предназначенных для исследования космоса. И многие из них далеки от привычного стереотипа.
В основе конструкции многих телескопов лежат линзы и зеркала различного размера, а также всевозможные варианты их комбинирования. Это так называемые оптические телескопы. Линзы и зеркала необходимы им для сбора света и увеличения изображения таким образом, чтобы его можно было рассмотреть в окуляр. Именно на оптических телескопах, которые можно использовать в домашних условиях или взять с собой за город, мы и остановимся подробнее. Они предназначены для тех, кто увлекается астрономией, и позволяют начать знакомство со звездным небом или оттачивать отдельные навыки изучения небесных объектов, светил и явлений.
ВИДЫ ТЕЛЕСКОПОВ. ИХ ОСОБЕННОСТИ
Оптические телескопы можно разделить на несколько групп:
— линзовые телескопы (рефракторы);
— зеркальные телескопы (рефлекторы);
— зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрики).
Рефракторы отличает классическая конструкция. Они больше всего похожи на подзорную трубу. Изображение в таких телескопах строится с помощью двух линз. Рефракторы предпочтительнее использовать для наблюдения ярких небесных объектов (например, Луны, планет Солнечной системы, двойных звезд), а также для дневных земных наблюдений. Заглянуть в глубины космоса с помощью таких телескопов более проблематично, так как они не умеют концентрировать слабое свечение от удаленных небесных объектов. Преимущества рефракторов: качество изображения (благодаря высокой контрастности), простота эксплуатации (нет необходимости в частом техническом обслуживании), терпимость к смене температуры (это важно при использовании устройства как в помещениях, так и на улице). Недостатки: «окрашивание» рассматриваемых объектов (при наблюдении может быть заметно синее или фиолетовое окаймление ярких объектов), высокая цена для моделей с диаметром объектива более 100 мм. Ниже приведен пример изображения в телескоп-рефрактор (явно заметна синяя кайма по кромке объекта).
Рефлекторы строят изображение при помощи вогнутого и диагонального зеркал (в более дорогих моделях используется параболическое зеркало). Производство таких телескопов обходится дешевле, что связано с особенностями конструкции. Именно поэтому за сопоставимую сумму можно приобрести рефлектор с большей апертурой (диаметром объектива), чем у рефракторов. Это влияет на производительность устройства. В частности, рефлекторы с большой апертурой хорошо концентрируют свет, поэтому часто предпочтительнее рефракторов при наблюдении небесных объектов и явлений за пределами Солнечной системы, испускающих слабое свечение. Кроме стоимости к достоинствам таких телескопов можно отнести их компактность, отсутствие дефектов изображения, устойчивость. Особенности конструкции можно считать и относительным недостатком. Телескоп такого типа массивнее рефрактора. В него необходимо смотреть под углом, что может быть непривычно для начинающих астрономов. Еще один недостаток — относительно низкая контрастность изображения. Ниже приведены примеры изображений Туманности Андромеды (слева), Звездного скопления Плеяды (по центру) и Туманности Ориона (справа) в телескоп-рефлектор.
Катадиоптрики сочетают особенности конструкции как рефлекторов, так и рефракторов, а также преимущества и недостатки моделей этих типов. Катадиоптрики, как правило, отличаются относительной компактностью. Еще одно преимущество зеркально-линзовых телескопов — качество изображения (без искажений, свойственных рефлекторам, и «окрашиваний», как у рефракторов). Модели подобного типа не нуждаются в частом техническом обслуживании. Недостатки: низкая контрастность изображения (по сравнению с рефракторами), достаточно высокая стоимость. Ниже приведено изображение Луны в телескоп-катадиоптрик.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Выбор телескопа зависит не только от предполагаемого бюджета покупки, но и от планируемых сценариев наблюдения. При этом важно учитывать не только принадлежность телескопа к одной из групп, но и отдельные технические характеристики каждой модели. При покупке телескопа часто возникают дилеммы. На какие характеристики следует обращать внимание в первую очередь? Учитывать возможности устройства концентрировать свет от далеких небесных объектов или увеличивать эти объекты? Казалось бы, ответ на поверхности: всего и побольше. Впрочем, на практике такое сочетание не всегда возможно, чему преградой в том числе ценовые ограничения.
Рассмотрим основные технические характеристики телескопов подробнее.
Диаметр объектива (апертура) — важнейший параметр, влияющий на возможности телескопа. От него зависят уровень концентрации света устройством, что в свою очередь влияет на способность телескопа показывать тонкие детали объектов, а также минимальное и максимальное полезное увеличение. Кстати, именно на возможности телескопа концентрировать свет мы рекомендуем обращать особое внимание. Логика проста: чтобы рассмотреть кошку в темной комнате, человеку нужен скорее фонарь, чем лупа. Такой подход справедлив и в случае изучения звездного неба. Многие небесные объекты имеют значительные размеры, позволяющие созерцать их без дополнительного увеличения. В этом случае важна именно функция концентрации тусклого света от этих объектов. Именно поэтому телескоп с увеличенной апертурой, хорошо концентрирующей слабый свет, теоретически позволяет детальнее рассмотреть звездное небо, отдельные объекты и явления на нем (в частности тусклые объекты). Именно поэтому справедливо правило, согласно которому при прочих равных характеристиках оправдан вариант покупки телескопа с большей апертурой. При этом важно иметь ввиду, что увеличение главного зеркала или объектива неизбежно влечет увеличение габаритов всего устройства, что одновременно сокращает количество сценариев его использования. Слишком большой телескоп сложнее взять с собой. А ведь именно на природе, вдали от городских огней, открываются дополнительные возможности для изучения звездного неба. Поэтому при покупке любительского или полупрофессионального оптического телескопа оптимальным представляется вариант выбора моделей с апертурой от 70 до 130 мм.
Фокусное расстояние объектива — это расстояние, на котором линзы или зеркало объектива строят изображение изучаемого объекта. От фокусного расстояния объектива зависит максимальное полезное увеличение и светосила объектива. Светосила, в свою очередь, определяет возможности устройства концентрировать свет, позволяет разглядеть в телескоп тусклые небесные объекты. Важно учитывать, что при увеличении фокусного расстояния увеличивается максимальное полезное увеличение, а одновременно падает светосила. Здесь важен баланс характеристик.
Максимальное полезное увеличение. Безусловно, этот параметр играет серьезную роль. Увеличение важно при изучении любых объектов и явлений звездного неба, но первостепенно при условии их достаточной яркости. Например, при изучении планет Солнечной системы можно рассмотреть большее число деталей этих объектов, используя значительное увеличение. Впрочем, ограничивать себя только пределами нашей системы, пожалуй, нелогично. Именно поэтому обращать внимание исключительно на максимальное полезное увеличение неправильно. Важно учитывать, что чрезмерное увеличение еще и накладывает дополнительные ограничения на использование телескопа. В этом случае становится ощутима вибрация трубы при прикосновении к ней, становятся заметны искажения, вызванные турбулентностью атмосферы, и др. Использование телескопа – это всегда умение найти оптимальное увеличение рассматриваемого объекта или явления с целью минимизации искажений.
Тип монтировки телескопа – особенности его установки на поверхности для направления на небесные объекты и явления с целью их изучения. Подобные манипуляции обусловлены вращением Земли и перемещением небесных объектов. То есть при длительном наблюдении за одним и тем же объектом требуется постоянная подстройка с учетом его текущего расположения. Выделяют азимутальные и экваториальные монтировки. Первая позволяет поворачивать телескоп в двух направлениях: по вертикальной и горизонтальной осям (схоже с поворотом камеры на штативе). Особенности конструкции монтировки второго типа подразумевают необходимость поворота телескопа вокруг лишь одной оси, что удобно при наведении телескопа по координатам объекта на звездном небе. Заметим, что вне зависимости от типа монтировки крайне важны ее вес, прочность и надежность. Неустойчивый телескоп, вибрирующий от малейшего прикосновения или дуновения, бесполезен. Кстати, существуют и так называемые моторизованные монтировки, позволяющие автоматически осуществлять подстройку устройства.
Другие параметры телескопов, по сути, являются производными от указанных выше. К ним относятся, например:
— диаметр и максимальное увеличение окуляров;
— относительное отверстие (показывает светосилу объектива);
— предельная звездная величина (характеризует оптическую мощь телескопа, его возможности показать звезду определенной величины в случае оптимальных условий наблюдения) и др.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА
Подведем итоги. При покупке оптического телескопа важно определиться не только с бюджетом покупки, но и с целью приобретения. При этом нужно учитывать, что грамотно выбранный телескоп способен прослужить долгие годы. Этот вид устройств, по сути, не устаревает. Даже несмотря на то, что технологии не стоят на месте, и современные исследователи звездного неба могут использовать телескопы с такими дополнительными функциями, как моторизованная монтировка или аудиосопровождение (что, безусловно позволяет наблюдать небесные объекты и явления подчас с большим интересом), с не меньшим успехом долгие годы можно пользоваться и моделями без дополнительных «наворотов». Хороший телескоп часто покупается один раз и на всю жизнь. Именно поэтому к его покупке нужно подойти с должной серьезностью, не ограничивать выбор минимальным бюджетом. Вместе с тем, справедлив и другой подход: составить корректное мнение о возможностях телескопа и сделать оптимальный выбор часто можно ли самостоятельно опробовав возможности данных устройств. И именно поэтому не всегда целесообразна покупка сразу дорогой модели.
Такой выбор позволит без чрезмерной переплаты увлечь ребенка темой изучения звездного неба, а взрослому любителю астрономии определиться с требуемым функционалом телескопа.
Желающим заглянуть в глубины космоса и не ограничивающим себя лишь пределами Солнечной системы подойдут модели среднего ценового диапазона (от 10 до 20 тыс. руб.), использующие оптическую схему типа «рефлектор» с диаметром апертуры 110-120 мм и азимутальной или экваториальной монтировкой. Такой телескоп сможет стать надежным другом для астронома-любителя во многих ситуациях, связанных с его хобби, и позволит развить навыки изучения звездного неба.
Наконец, исследователи космоса, желающие получить устройство с дополнительными возможностями, могут рассмотреть варианты покупки телескопа-катадиоптрика (в значительной степени подходит любителям выезжать за город или даже путешествовать с телескопом),
а также телескопов рефракторного и рефлекторного типа с диаметром апертуры 90-130 мм (в том числе с моторизованной монтировкой) в верхнем ценовом диапазоне (более 20 тыс. руб.).
Источник