Отличительные особенности Чрезвычайно большого телескопа (ELT)
- Размер зеркала: диаметром 39 м состоящий из 798 гексагональных элементов.
- Оптическая система: уникальная адаптивная оптическая система из 5 элементов.
- Установка: расположен на горе Армасонес, Чили.
- Высота: 3060 м (до строительства), 3046 м (после).
- Длины волн: оптический и ближний инфракрасный диапазоны.
Возможности исследований
ELT позволит получать изображения с большей детализацией, чем телескоп Хаббл. Зеркало обеспечивает площадь сбора до 978 м², что значительно превосходит другие телескопы.
Расположение и научные инструменты
Телескоп расположен на Серро-Армасонес в центральной части пустыни Атакама, недалеко от Паранальской обсерватории. Он оснащен научными инструментами MICADO, HARMONI, METIS, MOSAIC, ANDES и системой адаптивной оптики MORFEO.
С учётом этих характеристик, Чрезвычайно большой телескоп обещает стать ключевым инструментом для исследования Вселенной и предоставит уникальную возможность для открытий в области астрономии.
История телескопов
В античном мире все звезды были сосчитаны, поименованы, и размещены по созвездиям, которые с тех пор иллюстрируют прямо на небе древнегреческие мифы. Список астронома Гиппарха (II в. до н.э.) дополнил Клавдий Птолемей и поместил его в своем каноническом труде Великое математическое построение по астрономии в тринадцати книгах, или Megale Syntaxis.
В списке оказалось 1022 небесных объекта: 1017 звезд и пять туманностей. Наблюдая небо невооруженным взглядом, польский астроном Ян Гевелий спустя полторы тысячи лет довел список до 1564 звезд. Но даже если добавить в этот перечень объекты, которые можно увидеть из Южного полушария, человек с самым лучшим зрением не сможет различить больше 3000 звезд без специального прибора, называемого телескоп.
Что такое телескоп
Человека неподготовленного может озадачить даже определение телескопа (от др.-греч. τῆλε далеко + σκοπέω смотрю) – это астрономический прибор, при помощи которого можно наблюдать отдаленные объекты методом сбора частиц и электромагнитного излучения.
Именно так – ведь даже свет, который мы видим, и благодаря которому видим предметы, не что иное, как явление с дуалистической (двойственной) природой – это и поток частиц, и электромагнитные волны. Совершенствование телескопа было бы невозможно без развития фундаментальных знаний человека в области физики. Информацию несут любые волны и любые частицы, так что сейчас существуют и рентгеновские, и гамма-телескопы, и даже нейтринные телескопы и телескопы-детекторы гравитационных волн.
Как телескоп работает
Задача телескопа – собрать как можно больше тех частиц и волн, при помощи которых формируется проекция дальних объектов, иначе говоря – картинка, а затем сконцентрировать их на плоскости, проходящей через особую точку, которую называют точка фокуса, при помощи оптической линзы или иного устройства. Принцип остается единым для всех разновидностей телескопов, даже если на стороне, противоположной объективу находится не окуляр и глаз наблюдателя, а фотокамера или иной прибор для визуализации картинки.
Кто его изобрел и когда
Считается, что первый телескоп создал в 1609 году итальянский учёный Галилео Галилей. Это верно, но начинал он не с чистого листа. Заметки о приспособлении для наблюдения далеко расположенных объектов есть еще у Леонардо да Винчи, в тетради 1492 года, названной Кодекс А (лист 12): Чем дальше отодвинешь ты стекло от глаза, тем большими покажет оно предметы для глаз 50 лет; если глаза для сравнения глядят один через очковое стекло, другой вне его, то для одного предмет покажется большим, а для другого малым; Некоторые исследователи считают, что в тетради Кодекс F в зашифрованном или незаконченном виде дана и конструкция двухлинзового телескопа. Но ни эскизов, ни тем более чертежей Кодексы великого Леонардо все же не содержат.
Основные типы телескопов
Существует несколько основных типов телескопов, каждый из которых имеет свои особенности и применение. Рассмотрим некоторые из них:
Телескопы-рефракторы
Телескопы-рефракторы собирают свет при помощи линзы или нескольких линз, называемых объективом. Они работают на основе принципа преломления световых лучей. Собранный свет формирует картинку на фокальной плоскости, где ее можно рассмотреть при помощи окуляра. Таким образом, изображение увеличивается до размеров, удобных для восприятия человеческим глазом.
Телескопы-рефлекторы
Телескопы-рефлекторы используют зеркала для сбора и фокусировки света. Они не страдают от хроматической аберрации, что позволяет получать более четкие изображения. Такие телескопы также имеют более простую оптическую систему, что делает их популярными среди астрономов.
Катадиоптрические телескопы
Катадиоптрические телескопы сочетают в себе преимущества как рефракторов, так и рефлекторов. Они используют как линзы, так и зеркала для сбора и фокусировки света, что позволяет им быть компактными и эффективными при наблюдении различных объектов в небесном пространстве.
В заключение
Выбор телескопа зависит от задачи, которую вы ставите перед собой. Независимо от типа, телескопы остаются важным инструментом для астрономов и любителей наблюдений за космосом. Имея правильный инструмент, вы сможете увидеть невероятные чудеса вселенной прямо на ладони.
Телескоп Кеплера
Уже в 1611 году Иоганн Кеплер заменил в окуляре рассеивающую линзу собирающей. Угол зрения изменился и попросту говоря, при той же апертуре стало видно большее пространство. Все оптические телескопы начиная с 1611 года в этом повторяют телескоп Кеплера.
Но астрономов везде поджидает опаснейший враг.
Аберрация
Слово это происходит от латинского aberratio – то есть заблуждение, уклонение, или искажение.
Первое, с чем сталкивается наблюдатель дальних объектов при помощи оптики – хроматическая аберрация. По краям объектов образуется радужный контур, или каемка. Дело в том, что волны, соответствующие разным цветам, имеют разную частоту и длину. Исаака Ньютон использовал это явление, пропуская свет через призму и создал искусственную радугу в своей лаборатории.
У линзы не может быть одного фокуса для всех цветов. Поэтому в современных рефракторах используются системы линз, с разным фокусным расстоянием. Если таких линз две, то система называется ахроматической, три линзы делают систему апохроматической, а уж если их четыре – то суперахроматической.
Телескоп Яна Гевелия
Чем больше фокусное расстояние – тем меньше аберрация. Польский астроном из Гданьска Ян Гевелий чтобы хоть частично преодолеть хроматическую аберрацию, построил телескоп-рефрактор с фокусным расстоянием 45 метров!
Современный телескоп трудно представить себе без тубуса – цилиндрического корпуса, который не пропускает постороннего света, и не дает пыли и брызгам воды попасть на линзы. Без монтировки – системы креплений, позволяющих направлять и удерживать его в азимутальной (горизонталь – вертикаль) и экваториальной (вдоль высоты небесной сферы) плоскостях. Такая монтировка и называется альт-азимутальной. У телескопа Гевелия ничего подобного не было. Окуляр и объектив не имели жесткой связки. Была мачта, на которой подвесили всю конструкцию, а управляли ею отставные матросы, умевшие обращаться с такелажем и слаженно выполнять команды.
Плюсы и минусы телескопа-рефрактора
Плюсы
- герметичная конструкция тубуса не позволяет проникнуть внутрь пыли, влаге или воздуху;
- прочность конструкции сохраняет положение объектива и окуляра при транспортировке;
- не требует никакого ухода, кроме внешней протирки линз;
- предельно прост в эксплуатации
Минусы
- хроматическая аберрация;
- чем толще линза, тем больше часть фиолетовая и ультрафиолетовая части спектра поглощаются стеклом
- потеря света при прохождении через линзы и отражений на их поверхностях;
- при апертуре больше 90 мм телескоп становится громоздким и нетранспортабельным;
Для астрономических наблюдений использовался только один раз, с его помощью наблюдали солнечные пятна и сфотографировали Луну. Изготовитель обанкротился, покупателя на телескоп не нашли, сидеростат отдали в музей при Парижской обсерватории, а два ящика с объективами лежат там же – но в подвале.
Похоже на историю Царь-пушки или Царь-колокола, не находите?
Телескоп-рефлектор
Итак, чтобы приуменьшить хроматическую аберрацию, приходилось увеличивать габариты прибора, что и дорого, и неудобно. В 1668 году сэр Исаак Ньютон придумал телескоп вообще без хроматический аберрации. Вместо линзы он использовал вогнутое параболическое зеркало, оно отражало свет, не преломляя его, на другое зеркало, а на него уже Ньютон навел линзы окуляра!
Зеркало Ньютон создал из сплава олова и меди, окуляр прикрепил сбоку, он диагональное зеркало передавало проекцию окуляру. Победа?! Увы, не полная.
Волновую природу света не изменит никакая конструкция телескопа, волны умеют и будут огибать препятствия. А значит, не удастся избежать дифракционной аберрации и погрешности неизбежны. А есть еще сферическая аберрация, аберрация комы, астигматизм телескопа. Телескопу знакомы и свойственны почти все болезни человеческого глаза.
Плюсы и минусы телескопа-рефлектора
– полное отсутствие хроматической аберрации;
– дефекты зеркального стекла значения не имеют – свет отражается, а не преломляется;
– размер апертуры не влияет на общие габариты прибора;
– чрезвычайная простота и дешевизна при изготовлении;
– требуется регулярная юстировка зеркала;
– амальгама или иное отражающее покрытие тускнеют и требуют обновления;
– температурные деформации могут изменить форму зеркала и исказить изображение;
– часть света теряется на пути через вторичное зеркало;
– рефлектор хрупкий и капризный прибор, и плохо переносит транспортировку;
Самый большой телескоп-рефлектор в мире – SALT, или Southern African Large Telescope, Большой южноафриканский телескоп. Размер главного шестиугольного зеркала – 11х9,8 м, оно составлено из шестиугольников со стороной один метр общим числом 91.
Шестиугольники изготовлены из материала, минимально деформирующегося при перемене температур. Прибор имеет 4 зеркала-корректора сферической аберрации. Телескоп расположен в ЮАР, в полупустыне Кару на высоте 1783 метра над уровнем моря.
Современные телескопы
не может сформировать картинку, которую можно рассмотреть глазами. Он только измеряет энергию излучения, исходящего даже не от какого-то отдельного объекта, а с направления, в которое он развернут. Впрочем, эти характеристики часто говорят ученым больше, чем видимый образ.
Радиотелескоп состоит из двух важнейших элементов: антенны и радиометра. Антенна устанавливается на обычную альт-азимутальную монтировку и принимает широчайший диапазон волн – от 0,01 мм до 1000 м. Она имеет форму, напоминающую параболическое зеркало телескопа-рефлектора, или «тарелку», в середине которой находится облучатель – на нем фокусируются собранные сигналы и передаются радиометру. Радиометр преобразует полученные сигналы и фиксирует их. Раньше это делалось механическим способом, регистрировался полученный сигнал при помощи самописца на бумажной ленте. Теперь он оцифровывается и записывается на диск компьютера.
Инфракрасный телескоп
использует в качестве носителя информации о небесных объектах инфракрасный свет (это электромагнитное излучение в частотном диапазоне между видимым светом и микроволнами, да-да, теми самыми, что в микроволновке. Исследованиями теплового излучения в космосе занимается самая большая орбитальная инфракрасная обсерватория «Джеймс Уэбб».
Ультрафиолетовый телескоп
работает с ультрафиолетовым излучением (от 10 до 320 нанометров). Поскольку ультрафиолетовое излучение поглощается земной атмосферой, такие телескопы нужно поднимать в верхние слои атмосферы или в космос. Классические образцы УФ-телескопов – SDO, SOHO и, разумеется, телескоп Хаббл.
Этот вид телескопов интересен тем, что спектральный анализ в ультрафиолетовом диапазоне дает весьма подробные представления о химическом составе удаленных объектов.
Гамма-телескопы
позволяют, исследуя космическое гамма-излучение, познавать этапы и принципы развития вселенной, происхождение космического излучения – и даже тайны материи. Поскольку гамма-излучение также в основном поглощается земной атмосферой, будущее этих телескопов в космосе, но и на Земле Самым мощным гамма-телескопом считается телескоп HESS (The High Energy Stereoscopic System), расположенный в Намибии.
Самый большой телескоп в мире
Удивительно, но при всей точности оптических и прочих расчетных параметров, сказать, какой телескоп будет самым мощным в мире достаточно трудно. На данный момент самая большая апертура – 10, 4 м у испанского Gran Telescopio Canarias (GranTeCan). Однако ответственные авторы пишут о нем «возможно самый большой» – потому что и он сначала был в три раза меньше, его первичное зеркало нарастили с 12 до 36 сегментов.
Сейчас идет строительство Гигантского Магелланова Телескопа в Чили, Тридцатиметрового Телескопа (ТМТ) на Гавайях, и Европейского Чрезвычайно Большого Телескопа (European Extremely Large Telescope) с апертурой 39,3 метра. Все эти проекты даже по начальной смете стоят дороже миллиарда долларов или евро – а цены растут.
Мощность и кратность, безусловно, имеют значение, но в настоящее время гораздо важнее эффективная обработка полученной информации, разнообразие ее качественного состава и обмен полученными данными. Поиск планет вне солнечной системы, ранних галактик, черных дыр и других загадочных объектов – лишь малая часть задач. Дальнейший успех астрономии – в объединении усилий и интеграции научных программ.
2021: Космическая одиссея орбитальной обсерватории Телескоп «Джеймс Уэбб» возвращается домой
Новый орбитальный телескоп «Джеймс Уэбб», более совершенный последователь «Хаббла», запуск которого назначен на конец 2021 года, призван ответить на многие вопросы ученых, остающиеся тайной за семью печатями. При этом один из главных вопросов — есть ли во Вселенной миры, пригодные для жизни. Рассказываем, как устроен космический телескоп «Джеймс Уэбб» и какие еще цели он должен будет выполнить в космосе
Как работают телескопы с жидким зеркалом
Один из самых сложных этапов создания больших ртутных телескопов – это получение зеркала точной формы. Но есть гораздо более простой и дешевый способ сделать параболическую поверхность – раскрутить в круглом сосуде жидкость. Есть ли у «жидких телескопов» будущее?
Сейчас в мире идет создание нескольких больших телескопов, диаметры объективов которых измеряются десятками метров. Что примечательно: несмотря на общее бурное технологическое развитие человечества, шаги в увеличении максимального диаметра объектива телескопа по-прежнему происходят с интервалом, измеряемым столетиями. Причина проста — с увеличением диаметра объектива растет не только научная отдача телескопа, но и его цена. Если стоимость действующих инструментов с многометровыми объективами измеряется сотнями миллионов долларов, то на мегателескопах будущего висят уже миллиардные ценники.
Идея ртутного телескопа с жидким зеркалом впервые была выдвинута Исааком Ньютоном. Ученый понял, что жидкость, вращающаяся внутри контейнера, примет форму параболоида (наподобие овальной чашки), которая необходима для осуществления функций основного зеркала телескопа
Проблемы гигантов
Неудивительно, что конструкторская мысль непрерывно ищет способы удешевить столь дорогостоящие астрономические игрушки. Поскольку наше все — диаметр объектива, естественно попытаться увеличить размер «глаза» большого телескопа за счет принесения в жертву других конструктивных особенностей. Примерами могут служить телескопы Хобби-Эберли (США), Большой южноафриканский телескоп (ЮАР) и телескоп LAMOST (Китай). Эти инструменты не являются полноповоротными, то есть, в отличие от классического телескопа, зафиксированы относительно одной из двух осей вращения и потому лишены возможности в любой момент времени наводиться в любую точку видимого полушария неба. Конечно, подобная фиксация накладывает существенные ограничения, но при помощи продуманной программы наблюдений их можно сделать не столь критичными. При этом стоимость снижается в разы по сравнению с полноповоротным телескопом. Однако есть и более радикальный способ удешевления астрономического инструмента.
В современных телескопах, как правило, в качестве объектива используется вогнутое зеркало. Чтобы зеркало фокусировало отражаемые им лучи, то есть сводило их в точку, оно должно иметь форму параболоида вращения. Изначально зеркала для телескопов отливали из специальных сортов бронзы, а потом долго и нудно шлифовали до нужной формы. В середине XIX века после изобретения процедуры серебрения зеркала начали изготавливать из стекла, шлифовать которое гораздо проще, однако и по сей день один из самых сложных этапов создания телескопа состоит в придании зеркалу точной формы. При этом ошибки в форме поверхности должны быть существенно меньше длины волны отражаемого света, а она в видимом диапазоне составляет всего 0,5 мкм. Представляете задачу — отшлифовать поверхность площадью в десятки квадратных метров с субмикронной точностью!
Старая идея
Куда более простой и дешевый способ получения параболической отражающей поверхности был придуман еще Ньютоном. Часто спокойную гладь воды сравнивают с зеркалом, подразумевая, что ее поверхность идеально гладкая и плоская. Если же воду или другую жидкость раскрутить в круглом сосуде, ее поверхность примет параболическую форму, за исключением края, где ее исказит поверхностное натяжение. Правда, у воды невысокий коэффициент отражения, по крайней мере для лучей, падающих почти перпендикулярно поверхности, но воду можно заменить более отражающей жидкостью.
Считается, что первым идею создания вращающегося ртутного зеркала для телескопа высказал в 1850 году итальянский астроном Эрнесто Капоцци. Успешное воплощение зеркала было представлено в 1872 году в Новой Зеландии Генри Скеем, а астрономические наблюдения на ртутном телескопе впервые провел Роберт Вуд в самом начале XX века. В описании своих опытов в 1909 году Вуд отметил, что астрономы всегда воспринимали идею о жидком зеркале как шутку: о каком качестве наблюдений может идти речь, если на поверхности от малейшего внешнего возмущения появляется рябь?
Сам Вуд занялся этой проблемой, как он сам писал, «исключительно чтобы развлечься в летние месяцы». Он выявил основные источники возникновения ряби на поверхности зеркала: вибрации от двигателя и подвески зеркала, негоризонтальное расположение вращающейся чаши с ртутью и неравномерная скорость вращения двигателя — и доказал, что все они могут быть в значительной степени устранены продуманной конструкцией телескопа и тщательностью его изготовления. К ряби, создаваемой механизмами телескопа, нужно добавить и внешние возмущения: самый большой телескоп Вуда с 20-дюймовым ртутным зеркалом был установлен в оживленном месте на острове Лонг-Айленд (США) и потому содрогался и от прибоя, и от проезжавших мимо повозок, и даже от шагов прохожих. Вуд предложил два метода избавления от остаточных колебаний зеркала. Первый состоит в том, чтобы делать слой ртути в чаше максимально тонким: чем тоньше ртутное зеркало, тем меньше в нем ряби. Второй способ предполагает покрытие ртути еще какой-либо жидкостью, которая гасила бы колебания, — например, водой или глицерином.
Для поддержки массивного зеркала был разработан специальный пневматический подшипник, способный выдерживать нагрузку в 10 тонн
Фиксированный прицел
Чем астрономов не устраивает подобный инструмент? В первую очередь — невозможностью наведения на произвольный объект. Хотя и в течение ночи, и в течение года набор светил, проходящих через околозенитную область, меняется, он остается ограниченным. Кроме того, ртутный телескоп с жидким зеркалом (ТЖЗ) невозможно навести даже на объекты, попавшие в поле его зрения. Они будут проплывать над телескопом по изогнутым траекториям (если телескоп не на экваторе). Пока использовались фотопластинки, можно было рассчитывать только на фотографирование звездных треков, а от них пользы не особенно много.
Ситуация изменилась, когда на смену фотопластинкам пришли приемники излучения нового типа на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Светочувствительные элементы — пиксели — в ПЗС-приемнике выстроены в набор отдельных линеек, составляющих ПЗС-матрицу. При обычной покадровой съемке изображение считывается одновременно со всех линеек. Поскольку из-за вращения Земли картинка смещается по небосводу, телескоп во время экспозиции нужно поворачивать следом за ней. Такой режим съемки называется режимом слежения. Он позволяет получать снимки с почти неограниченным временем экспозиции, наблюдая очень слабые объекты.
Среди исследований, проводимых с помощью этого большого ртутного телескопа, можно выделить работы в сфере космологии, составление крупномасштабной модели вселенной и отслеживание эволюции галактик
Однако одновременность считывания изображения со всех линеек вовсе необязательна. Если звезда, галактика или любой другой объект «ползет» по матрице поперек линеек, изображение можно считывать с них по очереди, а потом складывать в общую картинку. Этот режим съемки называется сканированием, поскольку большой телескоп как бы сканирует небо. Если нас интересует конкретный небесный объект, режим сканирования не особенно удобен, но при проведении обзорных наблюдений он в некоторых случаях даже практичнее режима слежения и сейчас широко применяется. Правда, в режиме сканирования длительность экспозиции ограничена временем прохождения звезды от одного края матрицы к другому, но ее можно увеличить, суммируя снимки одной и той же области неба, полученные в разные ночи. Кроме того, ограниченность времени съемки на телескопах с жидкими зеркалами с лихвой компенсируется возможностью делать эти зеркала очень большими.
К концу XX века подоспели и аэростатические подшипники, позволившие свести к минимуму трение при вращении чаши со ртутью, и синхронные электродвигатели, обеспечивающие высокую стабильность вращения. Основные препятствия на пути к качественному жидкому зеркалу, описанные Вудом, теперь преодолеваются куда проще и лучше, чем в начале XX века. Начиная с 1980-х годов в различных лабораториях создавались все более и более крупные зеркала, которые постепенно стали основой для создания современных ртутных телескопов. Эти работы проводились преимущественно в Канаде, но кое-что делалось и в других странах. В СССР эксперименты с жидкими зеркалами в конце 1970-х — начале 1980-х проводили Виктор Васильев и Александр Согоконь из Харьковского университета: они предложили гасить колебания жидкого зеркала, заставляя чашу с ним плавать в другой вращающейся чаше — например, с водой. Правда, до создания телескопа эта работа не дошла.
Что отражается в ртути
Хотя возможности ТЖЗ ограничены, в нашей Вселенной есть объекты, которые всегда попадают в поле зрения ртутного телескопа, куда бы он ни был направлен. Во-первых, это сама Вселенная. Высказывались предложения использовать ТЖЗ для проведения космологических обзоров, которые позволили бы уточнить строение Вселенной по наблюдениям большого количества галактик и квазаров. Поскольку Вселенная считается изотропной (одинаковой во всех направлениях), вполне можно ограничиться наблюдениями узкой полоски, опоясывающей небо.
Второй объект, который виден с Земли во всех направлениях, — это земная атмосфера. Телескопы с жидкими зеркалами используются для исследования свойств атмосферы — в частности, натриевого слоя на высоте 100 км. Атомы натрия заставляют светиться с помощью лазерного импульса, а ТЖЗ регистрирует это свечение и по его параметрам определяет свойства натриевого слоя (такое искусственно вызванное свечение используется при астрономических наблюдениях с адаптивной оптикой, так что свойства натриевого слоя необходимо хорошо знать).
На протяжении восьми лет (с 1995 по 2002 год) в США работал трехметровый телескоп с ртутным зеркалом обсерватории NODO (NASA Orbital Debris Observatory) для наблюдений космического мусора. Однако если фрагменты мелкие (менее 10 см), сложно даже оценить их количество. В этом отношении дешевый и большой инструмент, позволявший видеть фрагменты размером до 2,5 см, оказался весьма полезен.
Большой зенитный телескоп
На сегодняшний день самый большой ТЖЗ создан в Канаде, в Университете Британской Колумбии группой специалистов под руководством Пола Хиксона. Это Большой зенитный телескоп (Large Zenith Telescope, LZT) с диаметром зеркала 6 м. Его создание обошлось всего в $0,5 млн (в ценах середины 1990-х годов)! В этом ртутном телескопе используется аэростатический подшипник, на котором закреплена стальная рама сложной конструкции, поддерживающая чашу из поливинилхлорида. Рама должна быть очень жесткой: если гигантская чаша будет хоть немного гнуться, вращение тяжелой жидкости сильно раскачает ее. Суровые требования предъявляются и к вертикальности оси вращения — отклонение от вертикали должно быть меньше угловой секунды.
Поверхность чаши покрыта эпоксидной смолой и сама имеет параболическую форму, на доли миллиметра отличающуюся от желаемой формы зеркала. Это сделано для того, чтобы свести к минимуму необходимую толщину слоя ртути. И цель не только в том, чтобы сократить расход ртути. Как уже говорилось, рябь на жидком зеркале гасится тем эффективнее, чем меньше его толщина. На шестиметровом LZT толщина слоя ртути составляет менее 1,5 мм. Меньше сделать не получается, так как при попытке создать чрезмерно тонкий слой ртуть распадается на отдельные капельки, как терминатор Т-1000 (вот из него, кстати, ртутное зеркало получилось бы идеальным).
Чуть выше зеркала над всей его площадью протянута горизонтальная прозрачная пленка. Для получения необходимого фокусного расстояния (9 м) зеркало должно совершать один оборот примерно за 8,5 с. Это означает, что край зеркала движется со скоростью больше 2 м/с, поднимая ветер, способный нарушить гладкость поверхности ртути. Защитная пленка создает «ловушку» для воздуха, внутри которой он вращается вместе с ртутным зеркалом. Пленка, конечно, сама несколько портит изображение, но с этим приходится мириться.
Будущее «жидких» телескопов
Следующий крупный проект ТЖЗ планируется реализовать на куда более качественной площадке. Международный ртутный телескоп с жидким зеркалом (International Liquid Mirror Telescope, ILMT) строится сейчас в Индии, в обсерватории Девасталь на высоте 2540 м. Это будет четырехметровый телескоп, посвященный решению уже не тестовых, а научных задач. Предполагается, что ILMT на протяжении пяти лет будет сканировать полосу неба шириной полградуса, детектируя различные переменные источники — вспышки на звездах, события микролинзирования и проч., — а также обнаруживая новые галактические и внегалактические объекты. Конечно, площадь этой полоски — 156 кв. градусов — ничтожно мала по сравнению с полной площадью неба (более 40 000 кв. градусов), но ее малость будет компенсироваться тщательностью наблюдений. В настоящее время на обсерватории возводится павильон для этого телескопа, сам он уже доставлен в Индию, благо перевозка ТЖЗ особой проблемы не составляет. Создатели проекта, которым управляет Льежский университет (Бельгия), рассчитывают увидеть «первый свет» весной 2016 года.
Других значимых проектов ТЖЗ в настоящее время нет, но есть множество идей по их совершенствованию. Например, если использовать в качестве опоры для отражающей пленки ферромагнитные жидкости, можно формировать поверхность ртутного зеркала не вращением, а магнитным полем. Это открывает возможность установки ТЖЗ на космических аппаратах. Но самая амбициозная идея в отношении ТЖЗ состоит в том, чтобы установить такой инструмент на Луне, замахнувшись на совершенно недостижимый в земных условиях диаметр порядка сотни метров и сверхпроводящий магнит в качестве подвески. Конечно, ртуть здесь уже не подойдет, но на ее роль могут претендовать ионные жидкости с отражающим напылением. Правда, до сих пор не удалось подобрать жидкость, которая не замерзала бы при лунных температурах, однако авторы идеи (Э. Борра, П. Хиксон и их коллеги) считают, что это обязательно будет сделано.
Наземные телескопы с жидким зеркалом имеют ряд преимуществ и недостатков по сравнению с их твердотельными аналогами. Основные преимущества состоят в том, что такой телескоп является относительно недорогим устройством (себестоимость ртутной плёнки равна 1% цены обычного зеркала), а размер отражающей поверхности при этом может быть практически неограниченным
Проблема в том, что сборку такого ртутного телескопа должны будут осуществлять люди, то есть его появление придется отложить до того времени, когда на Луне появятся постоянно действующие базы. Однако и в этом случае доставка, сборка и эксплуатация ТЖЗ обойдутся существенно дешевле, чем то же самое для обычного телескопа. Но это, конечно, дело очень далекого будущего.
Пока же создается впечатление, что эта технология в значительной степени недооценена, однако в будущем ситуация может измениться. Астрономические цены на «обычные» большие телескопы тормозят создание подобных инструментов, хотя потребность в больших зеркалах высока. Относительно дешевый и простой в изготовлении большой ТЖЗ может оказаться удачной альтернативой, особенно для задач, которые не требуют точного наведения. Такой ртутный телескоп, например, мог бы проводить регулярные патрульные наблюдения космического мусора в расчете на то, что большая часть фрагментов рано или поздно пролетит над ним и будет обнаружена.
Большой шестиметровый зенитный телескоп весом 3 тонны является третьим по величине оптическим телескопом в Северной Америке и крупнейшим жидкозеркальным телескопом в мире
Расширить возможности ТЖЗ могла бы дополнительная оптика, с помощью которой можно значительно расширить площадь доступного неба. Второе направление усовершенствования жидких ртутных телескопов состоит в том, чтобы научиться их наклонять. Со ртутью такое, может быть, и не получится, а вот с зеркалами в виде пленки из наночастиц, например серебра, на поверхности вязкой вращающейся жидкости такие эксперименты проводятся. Впрочем, конечно, нужно помнить, что все такие усовершенствования мало-помалу будут лишать ТЖЗ их главного преимущества — низкой стоимости.
Автор благодарит за помощь в подготовке статьи Пола Хиксона (Университет Британской Колумбии, Канада) и Жана Сурдея (Льежский университет, Бельгия).
Как устроен телескоп и почему человечеству так важно изучать космос
Мечта многих детей (да и многих взрослых) оказаться в космосе, увы, не для всех осуществима – по состоянию здоровья туда пропустят лишь избранных. Зато есть другой вариант посмотреть на звезды и планеты, обойдя стороной и медицинское обследование, и гравитацию, и тяжеленные скафандры. Речь идет о телескопах: их может купить каждый, но чтобы начать с ними работать, нужно хорошенько погрузиться в этот вопрос.
Первые шаги к освоению космоса
Если задать этот вопрос первому (или хотя бы второму) встречному человеку, он наверняка назовет имя Галилео Галилея. Итальянский ученый действительно создал телескоп, благодаря которому можно было рассмотреть небесные тела, но это была далеко не первая попытка человечества взглянуть в космос.
Изобретение первого линзового телескопа состоялось в 1608 году. Его создал Якоб Метиус – голландский изобретатель и специалист по шлифовке линз. Он соединил две линзы – выпуклую и вогнутую – и установил их трубку. У него получилось создать устройство для наблюдения за отдаленными предметами так, как будто они находятся поблизости» (так говорилось в заявке на патент телескопа Метиуса).
Но причем тут Галилео Галилей? А при том, что в 1609 году он повторил изготовленный ранее Якобом Метиусом телескоп, который давал примерно трехкратное увеличение, но хорошенько доработал его, тогда он создал телескоп, дающий увеличение в 32 раза!
И хотя телескоп Галилея позволял видеть на очень далеком расстоянии, был у него один существенный минус — маленькое поле зрение.
Кстати, название «телескоп» придумал не Галилей, и даже не Метиус. Его автором стал греческий математик Иоаннис Димисианос. В 1611 году он предложил назвать эту подзорную трубу телескопом, так как с греческого «теле» — «далеко» и «скопео» — «смотрю».
Так Галилей положил начало изучению космоса: узнал, что Луна подобно Земле имеет сложный рельеф, обнаружил спутники Юпитера, которые сейчас носят название, связанные с его именем, установил, что Венера меняет фазы и совершил еще несколько гениальных открытий.
Зарисовки Луны в рабочей тетради Галилео Галилея.
Схема работы телескопа Кеплера
Следующие серьезные изменения в механизм телескопа были внесены почти через полвека: в 1656 году голландский ученый Христиан Гюйгенс создал совершенно новый прибор, длина трубы которого составляла около чуть менее 4 метров. Телескоп Гюйгенса кардинально отличался от предыдущих версий: в его конструкции отсутствовала труба, объектив размещался на специальной платформе, которая могла двигаться вверх и вниз, а окуляр располагался отдельно, на подставке. Благодаря этому устройству Гюйгенс смог рассмотреть полосы на поверхности Юпитера, кольца Сатурна, открыть его спутник (позже получивший название Титан).
Спустя еще три десятилетия телескоп вновь начал претерпевать изменения, на сей раз им занялся не безызвестный Исаак Ньютон. Истинный знаток физики решил прервать тенденцию использования одних только линз в телескопе и создал телескоп, в котором не было ни одной линзы. Главным героем нового прибора стало зеркало! Точнее, даже два зеркала: одно – собирающее лучи, другое – вторичное, которое выводило изображение к нам в окуляр. Это решение позволило избавить изображение от искажения и немного уменьшить цветные контуры вокруг небесных тел (хроматизм – одна из главных проблем линзовых телескопов, которая, наконец, практически решилась).
Схема телескопа Ньютона. Главное зеркало – собирающее, а плоское – вторичное.
Только многое в телескопе Ньютона зависело от качества полировки зеркал, и лишь спустя несколько лет ему удалось усовершенствовать свой прибор, встроив в него чистейшее зеркало. Телескоп давал 40-кратное увеличение, которое тогда не обеспечивал ни один другой аппарат.
Но нужно отметить, что хоть Ньютон и уменьшил хроматизм, он еще не полностью от него избавился. Закончил начатое уже другой ученый, изобретатель Честер Холл: он соорудил одну большую линзу, используя две маленькие линзы, изготовленные из разных сортов стекла с разным коэффициентом преломления. Таким образом этим линзам удавалось корректировать друг друга, благодаря чему яркие радужные пятна вокруг небесных тел пропали.
Луна в телескоп с хроматизмом (сверху) и без него.
Честер Холл таким образом доказал – Исаак Ньютон ошибся в своем предположении о том, что цветовые искажения не могут быть ликвидированы при помощи преломляющих, а не отражающих телескопов.
Последний (в списке, но не по значимости) человек, который приложил свою руку к созданию наилучшего телескопа, это советский ученый Дмитрий Максутов. В 1941 году Максутов изобрел менисковую систему, которой было суждено сыграть большую роль в развитии оптического приборостроения: он предложил перед объективом установить вогнуто-выпуклую линзу (мениск), которая ограничивалась двумя сферическими поверхностями.
Из чего состоит современный телескоп
Сегодня телескопы бывают разные, но обычно у них одна комплектующая:
А вот их внутренняя составляющая уже сильно разнится.
Какие бывают телескопы
Выделяют три вида телескопов:
Мы любим изучать все досконально, потому разберем поподробнее как устроены все эти телескопы.
Как работают рефракторы
Его еще называют рефрактор Ньютон. Объектив такого телескопа представляет собой двояковыпуклую линзу, чья задача заключается в сборе световых лучей и фокусировке их в одной точке – именно здесь и создается изображение.
А дальше дело остается за малым – это изображение нужно увеличить. Такая ответственная роль лежит на окуляре и на фокусном расстоянии между ним и объективом. Чем больше фокусное расстояние, тем более крупные объекты можно исследовать при помощи рефрактора.
Но это только звучит все так просто и понятно, а на деле же линзы, которые применяются в современных моделях телескопов, представляют собой сложные оптические системы. Если убрать из нее хотя бы один компонент или что-то не учесть, это может быть чревато сильными погрешностями получаемого изображения.
Во-первых, при использовании некачественной или только лишь одной линзы, собираемые лучи могут не сфокусироваться в одной точке. Такое явление получило название «сферическая аберрация» — из-за нее полученная картинка будет размыта по краям.
А во-вторых, помимо сферической, можно наткнуться и на хроматическую аберрацию (или хроматизм) — о ней мы уже рассказывали. Это происходит потому, что в состав света, исходящего от космических объектов, входят лучи разного цветового диапазона. Проходя через объектив рефрактора, они не могут одинаково направиться в одну конкретную точку, в результате эти лучи рассеиваются и образуют радужную каемку вокруг рассматриваемого объекта.
К счастью, сегодня специалисты научились избавляться от аберраций, правда, требует это немалых усилий.
Как работают рефлекторы
С рефлекторами проблем куда меньше: хроматизм совершенно отсутствует, а сферическая аберрация если и есть, то незначительная, да и быстро исправимая — нужно лишь немного изменить форму главного зеркала.
Итак, в рефлекторах вместо линз используются зеркала. Главное зеркало, расположенное в объективе тоже собирает световые лучи и направляет их в одну точку через фокусатор — устройство, которое позволяет изменять настройки фокуса телескопа и настраивать четкость изображения. Далее лучи попадают на диагональное небольшое зеркальце, задача которого заключается в направлении изображения в окуляр.
Для рефлектора в принципе не очень-то и нужна труба. Поэтому большинство современных больших телескоп используют вместо нее облегченную сетчатую конструкцию, задача которой лишь одна — поддерживать все элементы телескопа.
Как работают катадиоптрики
Эта сложная оптическая система, состоящая и из зеркал, и из линз, — предоставляет нам наиболее качественную картину космических объектов без всяких аберраций и прочих искажений.
В объективе располагаются линза Мениск и зеркало сферической формы, линза собирает лучи и направляет в другое зеркало, вогнутое, откуда потом они возвращаются в первое зеркало и фокусируются в одной точке. А затем из этой точки лучи направляются в окуляр.
Если сравнить катадиоптрики с рефракторами и рефлекторами, то в глаза сразу бросается одна их особенность — более короткая труба. Это необходимо для того, чтобы обеспечить качественное многократное переотражение световых лучей (и не потерять ни один из них).
При помощи всех трех видов телескопов можно разглядеть не только планеты, но и Солнце. Но тогда для них потребуются дополнительные фильтры, которые защитят наши глаза (да и сами приборы) от прямых солнечных лучей.
Как выбрать первый телескоп
Если вы только начинаете прокладывать путь к звездам, но пока не хотите покупать себе телескоп, то начните с бинокля. Его увеличения хватит для того, чтобы разглядеть плеяды (мы проверяли, это точно работает) и Луну.
Для тех, кто хочет почувствовать себя настоящим астроном, но еще не готов возиться с настройками телескопа, подойдет рефрактор. Он позволяет рассмотреть тусклые плеяды, планеты, Луну и Солнце.
А если вы хотите сразу максимально погрузиться в мир космоса, то выбирайте катадиоптрик! Но желательно б/у, новые будут стоить бешеных денег.
Тем, кто уже давно в теме и кто хочет воочию убедиться, что галактик действительно целое множество, а еще рассмотреть такие явления, как, например, туманности, необходимо выбирать рефлектор .
Пользоваться телескопами может каждый человек, главное лишь сначала изучить, как они устроены.
Почему космос так нам интересен?
«Если говорить о фундаментальном значении космоса, то это вопросы о том, кто мы есть, откуда пришли и куда идем, если говорить о прикладном применении, то очень многие современные устройства, которыми мы пользуемся в быту созданы благодаря тому, что человек испытывает свои силы, ум и технологии для выхода за пределы нашей атмосферы: миниатюризация компьютеров, мобильные телефоны и многое другое.
«Путем обычного наблюдения за звездами и планетами в телескоп на сегодняшний день можно узнать очень многое, ибо есть такие телескопы, что позволяют нам заглянуть на миллионы лет в прошлое и взглянуть все дальше к зарождению нашей Вселенной»
Опять же, если говорить о простом и очень прикладном значении, то мы сильно зависимы, во-первых, от нашей Звезды, и ее «настроения» — только посмотрите, как гипертоники по всей Земле отслеживают вспышки на Солнце — в целом, это существенно влияет на нашу жизнь, наше функционирование, помимо впечатляющих побочных эффектов в виде Северного Сияния. Во-вторых, мы зависимы от нашего естественного спутника Луны, контролирующую приливную систему нашей планеты.
Человечество только начинает свой путь в исследовании космического пространства, и многое все еще остается неизвестным. Развитие человечества в космосе = прогресс на Земле, все, что используется и разрабатывается для работы в космосе, так или иначе применяется людьми на Земле, поэтому космос — это наивысшая и передовая точка развития нашего вида.
Важно: я не говорю о спутниках, без которых мы вообще современную жизнь не представляем, а ведь на высотах от 200 км до 30 тыс км летают космические аппараты, которые помогают нам делать точные метеорологические прогнозы (спутники дистанционного зондирования земли), помогают нам перемещаться по территории (спутники навигационные), помогают нам связываться друг с другом быстрее и быстрее доносить информацию (спутники связи и телекоммуникации)».
Телескоп — прибор, созданный для наблюдения за космосом.
Конструктивно оптический телескоп представляет собой трубу (сплошную, каркасную или ферменную), установленную на монтировке. Оптическая система телескопа состоит из нескольких оптических элементов (линз, зеркал). Телескопы, построенные на основе линзовой оптической системы, называют рефракторами.
Телескопы с зеркальной системой называют рефлекторами.
Первым оптическим прибором для астрономических наблюдений был телескоп-рефрактор схемы Галилея (1609 гг.). Самый телескоп схемы Галилея складается из двух линз — объективом служит двусторонне выпуклая линза (собирательная линза), а окуляром двусторонне вогнутая линза (рассеивающая линза).
Большие телескопы являются преимущественно рефлекторами. Создание больших линз гораздо сложнее — нужно достичь высокой однородности стеклянной заготовки и обработать две поверхности линзы (вместо одной в зеркалах). Наибольший построен рефрактор имеет диаметр объектива один метр. Кроме того линзовые объективы имеют значительные оптические аберрации, основные из которых хроматические и сферическая. Оба этих аберраций лишены зеркала, имеющие форму параболоида вращения.