КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина IV

ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ПРАКТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

Розділ 9

ТЕЛЕСКОПИ

9.2. Системи оптичних телескопів

Сьогоднішні системи оптичних телескопів об'єднують у три групи: лінзові телескопи або рефрактори, дзеркальні або рефлектори і дзеркально- лінзові. У рефракторах роль об'єктива виконує система лінз, у рефлекторах — увігнуте (головне) дзеркало.

Як згадано, перший телескоп-рефрактор побудував Галілей. Однак його оптична система мала ряд недоліків. Дуже швидко Кеплер запропонував інший варіант оптичної схеми (рис. 9.2). Діаметр найбільшої з лінз телескопів Галілея — 5,8 см, фокусна відстань — 169 см, збільшення — 34,6х. Дзеркальний телескоп Ньютона мав діаметр дзеркала усього 2,5 см.

image72

Рис. 9.2. Оптичні схеми телескопів Галілея (а) і Кеплера (б)

Оптичним телескопам властиві внутрішні недоліки — аберації (спотворення зображення). Передовсім це — сферична і хроматична аберації. Істотно зменшити ці недоліки вдалося лише тоді, коли розробили системи з декількох лінз, виготовлених зі стекол з різними коефіцієнтами заломлення. Однак виникали інші труднощі, пов'язані з прогинанням лінз, оскільки в трубі телескопа вони кріпляться лише за край. Тому найбільший з існуючих у світі лінзових об'єктивів має діаметр лише 102 см (Йєркська обсерваторія, США).

Якість дзеркальних телескопів, якщо мати на увазі аберації, суттєво поліпшилася після того, як почали шліфувати параболічні дзеркала (рис. 9.3). Однак тут була ще одна не менш важлива проблема. Спочатку телескопічні дзеркала виготовляли з дзеркальної бронзи, поверхня якої, свіжо відшліфована, відбивала до 90% світла, але вона дуже швидко тьмяніла (буквально через декілька місяців), її коефіцієнт відбивання різко зменшувався навіть до 10% (як прийнято говорити, дзеркало «сліпло»).

image73

Рис. 9.3. Відбивання паралельних променів від дзеркала: а —параболічного, б — сферичного дзеркала

Телескоп-рефлектор ніби заново народився в другій половині XIX ст., коли розробили метод зовнішнього сріблення скляних дзеркал. Свіжа срібна плівка у видимих променях відбиває до 96% видимого світла, її можна відновлювати по декілька разів. А з 1930 р. скляні дзеркала почали алюмініювати.

Залежно від поставленого завдання використовують декілька оптичних систем. Наприклад, окремі ділянки неба, галактики і туманності у дзеркальних телескопах спостерігають за допомогою реєстраційних приладів безпосередньо у фокусі головного дзеркала. Для виконання інших досліджень використовують системи, що складаються з головного і допоміжного дзеркала. Найвідомішими є система Ньютона і система Кассегрена (рис. 9.4). У другій системі головне дзеркало — увігнуте параболічне, а допоміжне — опукле гіперболічне.

image74

Рис. 9.4. Деякі оптичні схеми телескопів: а — рефрактор, б — рефлектор з прямим (головним) фокусом; в — рефлектор системи Ньютона; г — рефлектор системи Кассегрена, д — рефлектор системи куде

Система куде (з фр. coude — ламаний) — це комбінація системи Кассегрена з декількома плоскими дзеркалами, встановленими всередині труби і на перетині осей обертання телескопа, завдяки яким зображення об'єкта спрямовується вздовж полярної осі та реєструється нерухомим приладом, незважаючи на зміну напряму труби телескопа протягом експозиції. Це — важлива перевага цієї системи.

В останні роки при побудові великих телескопів-рефлекторів успішно використовують систему Річі-Кретьєна. Тут головне дзеркало за формою дещо відрізняється від параболоїда, а допоміжне — від гіперболоїда. Це дає змогу істотно зменшити довжину труби телескопа, водночас збільшуючи у декілька разів його поле зору.

Застосовують також ширококутні світлосильні системи Шмідта і Максутова (рис. 9.5). У телескопах системи Шмідта перед сферичним дзеркалом поміщають спеціальну скляну корекційну пластинку, внутрішня поверхня якої має складний розрахований профіль для усунення сферичної аберації. У менісковій системі Д. Д. Максутова (1896—1964) перед фокусом дзеркала встановлюють сферичний лінзовий меніск (рис. 9.5). На його центральній частині розташоване опукле дзеркало, відбиваючись від якого промені світла змінюють свій напрям і фокусуються позаду головного дзеркала, пройшовши через отвір у ньому. Одним з варіантів цієї системи є шкільний телескоп.

image75

Рис. 9.5. Схема меніскової системи Максутова: S — сферичний меніск; s — опукле дзеркало

Для того, щоб мати змогу зібрати якомога більше квантів світла від слабких космічних джерел, треба будувати телескопи з великою площею поверхні головного дзеркала (більшого діаметра). До 1980 р. оптичні телескопи з діаметром головного дзеркала D від двох до шести метрів були найпотужнішими. Виготовлення таких дзеркал було вкрай складною справою, оскільки оптичні спостереження потребують дуже високої якості обробки робочої поверхні дзеркала. Тому кількість великих телескопів була невеликою. Побудова телескопів наступного покоління стала можливою завдяки вдосконаленню матеріалів і технологій. Тепер телескопічні дзеркала виготовляють не зі скла, а з кварцу і сіталу. Маса дзеркал істотно зменшилася. Якщо раніше для збереження міцності дзеркала відношення його діаметра D до товщини d повинно було дорівнювати 5—8, то тепер, наприклад, при D = 2 м досягають товщини d = 7,5 см, а загалом D/d = 10—20.

Зараз у світі вже налічуються десятки телескопів з D ≥ 2 м. Серед них одинадцять мають діаметр дзеркала від 8 до 11 м. Кількість великих телескопів безумовно буде зростати у наступні роки, як буде зростати діаметр головного дзеркала. Вже є проекти побудови оптичних телескопів з D ≈ 20—100 м. Для того, щоб зменшити витрати на виготовлення великих телескопічних дзеркал, їх можна зробити комбінованими. Дзеркало тут складається з невеликих фрагментів гексагональної форми, підігнаних одне до одного і розташованих у формі бджолиних сотів. Наприклад, телескопи Кек І і Кек II в обсерваторії Мауна-Кеа (Гавайї) мають головні дзеркала діаметром 10 м, але кожне з них складається з 36 фрагментів згаданої форми (рис. 9.6).

Під час роботи телескоп повертається, а просторова орієнтація його головного дзеркала безперервно змінюється. Це, в свою чергу, спричиняє деяку його внутрішню деформацію, що впливає на якість зображення об'єкта. Такий же ефект виникає при зміні температурного режиму упродовж спостережень. Для подолання цих проблем використовують активну оптику. Суть методу полягає в тому, щоб за допомогою потужного комп'ютера і системи з'єднаних з ним датчиків, контролювати розподіл навантаження на зворотній поверхні головного дзеркала. При відхиленні форми дзеркала від правильної параболічної (або сферичної), спеціальні пристрої локального розвантаження головного дзеркала — так звані актуатори — миттєво коригують його форму.

image76

Рис. 9.6. Схематичне зображення комбінованого дзеркала одного із телескопів Кек

Інша проблема, яка погіршує якість наземних оптичних спостережень — це мерехтіння земної атмосфери. Адже турбулентний рух повітря супроводжується безперервними локальними коливаннями коефіцієнта заломлення, а це спричиняє стохастичну зміну напряму розповсюдження хвильового фронту. Як наслідок, зображення об'єкта у фокусі стає нечітким. Для усунення цього недоліку застосовують адаптивну оптику: завдяки комп'ютерному контролю з частотою у сотні разів за секунду змінюється відповідним чином форма головного або допоміжного дзеркала, що і компенсує мерехтіння атмосфери. На рис. 9.7 показано, як відрізняються між собою два зображення Сатурна, отримані звичайним засобом, а також за допомогою адаптивної оптики.

image77

Рис. 9.7. Знімок Сатурна із Землі: а — з адаптивною оптикою, б — зроблений традиційним способом






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.