Оптическая астрономия

Оптическая астрономия

Оптическая астрономия — раздел наблюдательной астрономии, в котором космические объекты изучаются путем анализа их оптического излучения; ее инструментами являются телескопы, способные воспринимать видимый свет (оптические телескопы).

До середины ХХ в. понятия «астрономия» и «оптическая астрономия» были тождественны, так как иных способов астрономических наблюдений, кроме оптического, не существовало. Затем значительное развитие получили радиоастрономия, инфракрасная астрономия, ультрафиолетовая астрономия, рентгеновская астрономия, гамма-астрономия, а также астрофизика космических лучей. В результате оптическая астрономия выделилась в самостоятельную отрасль астрономии.

Небесные тела испускают излучения: в видимом диапазоне, инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоволны, рентгеновское, гамма-излучение. Так как атмосфера мешает прохождению некоторых видов излучения к поверхности Земли c длиной волны, меньшей длины волны видимого света (ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения), то последнее время на орбиту Земли выводятся телескопы и целые орбитальные обсерватории, т.е. развиваются внеатмосферные наблюдения.

Наблюдения в астрономии. Наблюдения — основной источник информации о небесных телах, процессах, явлениях, происходящих во Вселенной, поскольку они находятся на большом расстоянии и экспериментальные методы изучения к ним не применимы. Возможность проведения экспериментов вне Земли возникла только благодаря космонавтике.

Особенности наблюдений в астрономии заключаются также в том, что для изучения какого-либо явления необходимы:

длительные промежутки времени и одновременное наблюдение родственных объектов (пример — эволюция звезд);
указание положения небесных тел в пространстве (координаты), так как все небесные объекты находятся на большом расстоянии от земного наблюдателя.

Различают следующие виды наблюдений:

получение снимков объекта;
фотометрия — измерение количества света, приходящего от наблюдаемого объекта;
спектроскопия — изучение распределения энергии света, приходящей от объекта, по длинам волн (спектр приходящего излучения);
поляриметрия — изучение поляризации приходящего света.

История развития астрономических наблюдений. В Древнем Египте наблюдение за звездой Сириус (Сотис) позволило жрецам предсказывать разлив Нила и установить продолжительность года в 365 дней еще в 5-м тысячелетии до н.э.

Однако для точности наблюдений были нужны приборы. Известно, что Фалес Милетский в 595 г. до н.э. впервые использовал гномон (вертикальный стержень, элемент солнечных часов), который позволил определять не только время дня, но и моменты равноденствий, солнцестояний, продолжительность года, широту наблюдения и т.д.

Уже Гиппарх Никейский использовал астролябию, что позволило ему измерить параллакс Луны в 129 г. до н.э., установить продолжительность года в 365,25 сут, определить прецессию и в 130 г. до н.э. составить звездный каталог из 1008 звезд.

Астролябия — один из первых астрономических приборов для измерения горизонтальных углов и определения широты и долготы небесных тел.

Основная конструкция астролябии состояла из двух концентрических дисков, на один из которых наносилась карта звездного неба, а на другой — угловая шкала, расположенная по краю; диски соединялись между собой в центре и делались подвижными (как в современной планисфере). К ним присоединялось оптическое устройство. Астролябиями пользовались со времен Древней Греции до XVII в. для целей навигации, а также для измерения времени, высот и углов.

Для своих наблюдений древние ученые использовали также астрономический посох, астролабон (первая разновидность теодолита), квадрант. Наблюдения проводились в специализированных учреждениях — обсерваториях, возникших еще на первом этапе развития астрономии.

Прототипом телескопа можно считать подзорную, или зрительную, трубу. В XVI—XVII вв. было несколько мастеров и ученых из разных стран, которые предлагали свои решения. В своем труде «Дополнения в Вителлию», опубликованном в 1604 г., И.Кеплер рассмотрел ход лучей в оптической системе, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. К 1604 г. свои конструкции представили голландские мастера Захарий Янсен и Якоб Метиус. Изобретателем телескопа считается голландский мастер Иоанн Липперсгей, занимавшийся изготовлением очков. Однако самые первые чертежи простейшего линзового телескопа (причем как однолинзового, так и двухлинзового) были обнаружены еще в записях Леонардо да Винчи, датируемых 1509 г. Сохранилась его запись: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»).

Первым ученым, который использовал зрительную трубу, а затем примитивный телескоп для наблюдения за небом, считается Галилео Галилей. В 1609 г. он собрал свою первую зрительную трубу с трехкратным увеличением. В том же году Галилей построил линзовый телескоп длиной примерно 0,5 м с восьмикратным увеличением, потом он довел увеличение до 32 раз (рис. 1.21). Благодаря этому устройству Галилей сделал ряд значительных открытий в астрономии, в том числе в январе 1610 г. открыл четыре спутника Юпитера (Ио, Каллисто, Ганимед, Европа).

Рис. 1.21.Телескоп Г.Галилея

В качестве объектива у самого первого телескопа Г.Галилея была одна собирающая линза, а окуляром служила одна рассеивающая линза (рис. 1.22). Телескоп имел малый угол зрения, сильный хроматизм. В силу конструкции и технологий того времени апертура у первого телескопа была совсем небольшой. Поэтому в качестве объекта наблюдать можно было только за достаточно ярким небесным телом, например Луной.

Рис. 1.22.Схема телескопа Г.Галилея

Термин «телескоп» в 1611 г. предложил математик из Греции Джованни Демизиани для одного из инструментов Галилея. Сам Галилей называл свое изобретение perspicillum.

Галилеева подзорная труба впервые появилась на Руси в 1614 г. — ее приобрел царь Михаил Федорович. К середине XVII в. телескоп можно было купить в торговых рядах Москвы.

Телескоп увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела (разрешающая способность), и собирает во много раз больше света, чем глаз наблюдателя. Поэтому в телескоп можно рассмотреть невидимые невооруженным глазом поверхности ближайших к Земле небесных тел и увидеть множество слабых звезд. Все зависит от диаметра его объектива.

Первые обсерватории современного типа стали строиться в Европе в начале XVII в., после того как был изобретен телескоп. К концу XVIII в. число обсерваторий во всем мире достигло 100, к концу XIX в. их стало уже около 400. В настоящее время на земном шаре работает более 500 астрономических обсерваторий, подавляющее большинство которых расположено в Северном полушарии.

Современный телескоп представляет собой трубу, установленную на монтировке, снабженной осями для наведения на объект наблюдения и слежения за ним. Визуальный телескоп имеет объектив и окуляр. Задняя фокальная плоскость объектива совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра. В фокальную плоскость объектива вместо окуляра может помещаться фотопленка или матричный приемник излучения. В таком случае объектив телескопа, с точки зрения оптики, является фотообъективом. Телескоп фокусируется при помощи фокусировочного устройства. Главным параметром мощности телескопа является линза, которая создает увеличение видимого изображения.

В России первой астрономической обсерваторией была частная обсерватория А.А.Любимова в Холмогорах близ Архангельска (1692 г.). В 1701 г. обсерватория при Навигацкой школе открылась в Москве. В 1839 г. была основана знаменитая Пулковская обсерватория под Петербургом, которую благодаря совершенным инструментам и высокой точности наблюдений называли в середине XIX в. астрономической столицей мира. По совершенству оборудования обсерватория сразу же заняла одно из первых мест в мире.

Оптические телескопы.

Рефрактор (лат. refracto — преломляю), или линзовый телескоп, — оптический телескоп, в котором для собирания света используется система линз, называемая объективом.

Работа таких телескопов обусловлена явлением рефракции (преломления) света в линзе. Первым рефрактором считается телескоп, построенный Г.Галилеем (см. рис. 1.21).

Самый большой в мире рефрактор изготовлен Э.Кларком (оптиком из США), он имеет диаметр объектива 102 см и установлен в 1897 г. в Йеркской обсерватории (близ Чикаго) (рис. 1.23). В 1885 г. этот же конструктор изготовил телескоп с объективом диаметром 76 см для Пулковской обсерватории (разрушен в годы Великой Отечественной войны).

Рис. 1.23.Самый большой телескоп-рефрактор, построенный Э.Кларком

Рефлектор (лат. reflecto — отражаю) — оптический телескоп, использующий зеркало в качестве светособирающего элемента.

В 1667 г. первый зеркальный телескоп построил И.Ньютон, диаметр его зеркала составлял 2,5 см при увеличении в 41 раз (рис. 1.24). В те времена зеркала изготовлялись из сплавов металлов, которые быстро тускнели.

Рис. 1.24.Схема телескопа Ньютона

В настоящее время крупнейшими в мире телескопами-рефлекторами для оптических наблюдений в инфракрасном спектре являются два телескопа, построенные при финансовой поддержке У.Кека (рис. 1.25), в честь которого они получили свое название Keck I и Keck II. Эти телескопы расположены в обсерватории на Гавайях и введены в эксплуатацию в 1993 и 1996 гг. соответственно. Телескопы с эффективным диаметром зеркала 9,8 м построены на одной платформе и могут использоваться совместно в качестве интерферометра, давая разрешение, соответствующее диаметру зеркала 85 м.

Рис. 1.25.Телескопы Keck-I и Keck-II

Крупнейший в Евразии телескоп — Большой телескоп азимутальный Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА САО РАН) (рис. 1.26 и 1.27) — находится на территории России в горах Северного Кавказа (гора Пастухова — высотой 2070 м), диаметр его главного зеркала — 6 м. Он работает с 1976 г. и длительное время был крупнейшим телескопом в мире. Его монолитное зеркало имеет массу 42 т, масса самого телескопа — 600 т.

Рис. 1.26.Большой телескоп азимутальный Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА САО РАН) Рис. 1.27.Оборудование телескопа БТА САО РАН

Зеркально-линзовый телескоп с объективом диаметром 44 см в 1930 г. построил эстонско-шведский оптик и астроном Б.Шмидт.

Камера Шмидта — оптический телескоп, обладающий высокой светосилой и большим полем зрения, у которого основой конструкции является камера Шмидта, а в центре кривизны сферического зеркала установлена диафрагма, что позволяет устранить кому (вид аберрации (искажения) световых лучей).

В 1941 г. советский конструктор Д.Д.Максутов предложил конструкцию менискового телескопа.

Телескоп Максутова — оптический телескоп, в котором аберрации световых лучей компенсированы мениском (выпукло-вогнутой линзой) (рис. 1.28).

Рис. 1.28.Схема менискового телескопа Д.Д.Максутова

Телескопы Максутова получили большую популярность у астрономов-любителей.

Применение телескопов. Телескопы дают возможность:

1) проводить непосредственные наблюдения;

2) фотографировать (астрограф);

3) получать сведения:

о колебании энергии излучения (фотоэлектрические);
температуре, химическом составе, магнитных полях, движении небесных тел (спектральные).

Телескопы Keck-I и Keck-II размером с восьмиэтажный дом и массой более 300 т каждый работают с высочайшей точностью. Главное зеркало диаметром примерно 10 м состоит из 36 шестиугольных сегментов, действующих как одно отражательное зеркало. Установлены эти телескопы в одном из оптимальных на Земле мест для астрономических наблюдений — на склоне потухшего гавайского вулкана Мануа Кеа (высотой 4200 м). К 2002 г. эти два телескопа начали работать в режиме интерферометра, давая такое же угловое разрешение, как 85-метровый телескоп.

Фотографические наблюдения имеют следующие преимущества по сравнению с визуальными:

документальность — фиксирование происходящего явления и процессов и продолжительное сохранение полученной информации;
моментальность — регистрация кратковременных событий;
панорамность — способность запечатлеть одновременно несколько объектов;
интегральность — накопление света от слабых источников;
детальность — возможность рассматривать детали объекта на изображении.

В астрономии расстояние между небесными телами измеряют в угловых величинах: градусах, минутах и секундах. Невооруженным глазом мы сможем различить две отдельные звезды, находящиеся рядом, если угловое расстояние между ними составляет 1…2¢. Такова разрешающая способность человеческого глаза. Угол, под которым мы видим диаметр Солнца и Луны равен примерно 0,5° = 30¢.

Предельная разрешающая способность телескопа:

a = 14²/D,

где D — диаметр объектива телескопа, см.

Используется также и другая формула:

a = 206265l/D,

где l — длина световой волны, см.

При сильном увеличении (более чем в 500 раз) видны колебания воздуха, поэтому телескоп необходимо располагать как можно выше в горах, там, где небо редко закрыто облаками, а еще лучше — за пределами атмосферы (в космосе).

В настоящее время ведется активное изучение космического пространства. Именно для этой цели используются телескопы с огромным увеличением. Например, у космического телескопа «Хаббл» до 2002 г. максимальное увеличение составляло примерно 30 тыс. раз (рис. 1.29).

Рис. 1.29.Космический телескоп «Хаббл»

Существуют приложения к поисковой системе Google — Google Maps и Google Earth, с помощью которых можно получить подробную карту любой местности и увидеть изображение нашей планеты из космоса. Для формирования этих изображений и карт применяются космические телескопы.

Любительские телескопы чаще всего принадлежат к двум первым исторически появившимся типам: рефракторам и рефлекторам. Рефракторы удобны в пользовании благодаря прочной конструкции трубы и ее герметичности, нечасто требуют настройки и обслуживания, дают контрастное и четкое изображение, что важно при наблюдении планет.

Телескопы ближайшего будущего. Последний самый большой оптический телескоп заработал в 2008 г.

В ближайшее время будет введен в эксплуатацию телескоп, превосходящий возможности современных инструментов, — «Джеймс Уэбб», или JWST (James Webb Space Telescope) (рис. 1.30). Диаметр его главного зеркала составит 6,5 м, по этому параметру он будет превосходить телескоп «Хаббл» в 2,7 раза.

Рис. 1.30.Телескоп «Джеймс Уэбб», или JWST (James Webb Space Telescope)

Несмотря на то что «Джеймс Уэбб» планируется как замена «Хаббла», этот телескоп будет работать в инфракрасном диапазоне, и поэтому его скорее стоит сравнивать с космическим телескопом «Гершель», относительно которого разница не столь велика — примерно 1,9 раза. Приемники инфракрасного излучения позволят ему фиксировать экзопланеты с температурой, близкой к земной. Он также сможет значительно продвинуться в изучении очень далеких от нас объектов.

Любовь ученых к эффектным названиям своих телескопов привела к появлению шуточного плана по строительству телескопов:

Название телескопа	Год строительства
Очень большой телескоп
Экстремально большой телескоп
Чрезвычайно большой телескоп
Ошеломляюще большой телескоп	Отменен

Для сравнения размеры первичных зеркал телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» представлены на рис. 1.31.

Рис. 1.31.Сравнение размеров первичных зеркал телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб»

В ближайшие десять лет планируется ввести в строй множество новых, крупнейших в своих областях телескопов (рис. 1.32, 1.33).

a б вРис. 1.32.Оптические телескопы будущего:
а — Европейский чрезвычайно большой телескоп (European Extremely Large Telescope — E-ELT); б — Тридцатиметровый телескоп (Thirty Meter Telescope — TMT); в — Гигантский Магелланов телескоп (Giant Magellan Telescope — GMT)

12 3 Следующая ⇒