Крупнейшие современные телескопы построены по оптической схеме: Самые большие телескопы. От записной книжки и глаза до 340 мегапиксельной камеры и дата-центров. Часть 1 / Хабр

Оптические телескопы — виды, классификация, оптические схемы

Существует два основных вида оптических телескопов — линзовые, или рефракторы, и зеркальные, или рефлекторы. У рефракторов объектив, собирающий световые лучи, изготовлен из стеклянных линз, а у рефлекторов объективом служит вогнутое зеркало.

Экскурсанты, увидевшие в астрономической обсерватории крупный телескоп, обычно спрашивают, во сколько раз он увеличивает, и с удивлением слышат в ответ, что основное назначение телескопов состоит не в достижении большого увеличения, а в том, чтобы собрать как можно больше световой энергии от небесного тела.

От небесных тел к Земле приходят параллельные лучи света, из которых в глаз попадает лишь ничтожная доля, поскольку диаметр зрачка очень мал и не превышает 6—7 мм. Объектив телескопа, имея значительные размеры, воспринимает больший световой поток и, концентрируя его, позволяет видеть слабые небесные объекты, недоступные невооруженному глазу.

Рефракторы (линзовые)

Так как учащиеся средних школ при наблюдениях небесных светил пользуются в основном телескопами-рефракторами, то мы опишем их достаточно подробно, чтобы наблюдатели смогли самостоятельно определить основные характеристики и возможности своих телескопов.

Любые оптические линзы обладают рядом недостатков. Чтобы их значительно снизить, объектив телескопа-рефрактора изготавливают из двух (реже — из трех) линз небольшой кривизны, одной — двояковыпуклой и второй — плоско-вогнутой, исправляющей оптические недостатки первой линзы.

Прямая линия (ОФ), проходящая через центр объектива и перпендикулярная поверхностям линз, называется оптической осью объектива (телескопа). Падающие на объектив световые лучи (С), параллельные оптической оси, преломляются в нем и сходятся в фокусе (Ф) объектива — точке, лежащей на оптической оси и отстоящей от центра объектива на определенном расстоянии, называемом фокусным расстоянием объектива (F = ОФ) или телескопа.

Параллельные лучи (A, В), падающие на объектив под некоторым углом к его оптической оси, тоже преломляются и сходятся, но уже не в фокусе, а в точках (а, b), расположенных в фокальной плоскости, проходящей через фокус перпендикулярно оптической оси. Поэтому изображения (ab) протяженных объектов (АВ) с ощутимыми угловыми размерами (р) лежат в фокальной плоскости телескопа и получаются перевернутыми.

Таким образом, одной из основных характеристик телескопа является фокусное расстояние F его объектива, от которого зависят линейные размеры / изображения протяженных небесных объектов (Солнца, Луны, планет, туманностей и др.) в фокальной плоскости телескопа.

Вторая основная характеристика телескопа — это диаметр D объектива, так как световой поток, собираемый объективом, пропорционален квадрату его диаметра.

Весьма существенна третья характеристика телескопа, его относительное отверстие (часто неправильно называемое светосилой):

A=D/F=1:(F/D)

Чем меньше отношение F/D, тем более ярким получается изображение протяженного объекта в фокальной плоскости телескопа. Действительно, с уменьшением фокусного расстояния объектива линейные размеры изображения протяженного объекта тоже уменьшаются, а при неизменном диаметре объектива воспринимаемый им световой поток остается прежним, поэтому изображение объекта становится более ярким. Однако уменьшать фокусное расстояние объектива можно до разумных пределов так, чтобы размеры изображения были не очень малы и различимы. Для детального изучения протяженных объектов желательны длиннофокусные телескопы, дающие большее увеличение. Но тогда для сохранения достаточной яркости изображения необходимо увеличить диаметр объектива, что возможно лишь в определенных пределах из-за трудностей его изготовления. Поэтому у крупных телескопов-рефракторов диаметр объектива обычно не превышает 70 см, а относительное отверстие заключено в пределах от 1:16 до 1:10.

При визуальных наблюдениях фокальное изображение светила рассматривается в окуляр (от лат. ocularis — глазной и oculus — глаз), состоящий из двух небольших короткофокусных линз, поэтому протяженное светило представляется увеличенных размеров. Увеличение телескопа W=F/f где F — фокусное расстояние объектива, а f — фокусное расстояние окуляра.

К каждому телескопу прилагается несколько окуляров для наблюдений с различными увеличениями, которые необходимо подбирать в зависимости от условий. Слабо светящиеся объекты, например кометы, туманности и звездные скопления, следует наблюдать с наименьшим увеличением, чтобы они выглядели яркими. Планеты и Луну можно наблюдать с наибольшим увеличением, допустимым атмосферными условиями. Однако часто бывает так, что при неспокойной или перенасыщенной влагой земной атмосфере планеты и Луна видны значительно лучше с меньшим увеличением.

Но даже при исключительно хороших атмосферных условиях невозможно добиться от телескопа произвольно большого увеличения путем применения окуляров с очень малым фокусным расстоянием, так как начнут отрицательно сказываться оптические недостатки линз. Поэтому каждый телескоп обладает наибольшим допустимым, или предельным, увеличением Wm=2D где диаметр объектива D выражен в миллиметрах, но считается безразмерной величиной.

Диаметр объектива определяет разрешение (или разрешающую способность) телескопа, показывающее наименьшее угловое расстояние, четко различимое в телескоп, в частности возможность видеть раздельно две звезды, расположенные на небе очень близко друг к другу (тесные пары звезд) Разрешение телескопа обозначается греческой буквой Θ (тэта).

Из физики известно, что разрешающая способность телескопа обратно пропорциональна диаметру объектива и прямо пропорциональна длине электромагнитных волн, воспринимаемых телескопом.

В астрономии видимая яркость, или блеск, небесных светил выражается в звездных величинах, причем чем меньше блеск светила, тем больше его звездная величина, обозначаемая латинской буквой m. В идеальных условиях, т. е. в темную безоблачную и безветренную ночь, невооруженный человеческий глаз различает звезды 6^m, а в телескоп же видны более слабые звезды, большей звездной величины. Поэтому каждый астроном-наблюдатель обязан знать наименьший блеск звезд, различимых в его телескоп при идеальных условиях.

Нужно твердо помнить, что наблюдать Солнце непосредственно в телескоп без защиты глаз нельзя, так как сконцентрированный телескопом солнечный свет мгновенно их сожжет. При наблюдениях Солнца необходимо укрепить перед объективом очень темный светофильтр (темное стекло). Но лучше и безопаснее всего наблюдать Солнце на белом экране, укрепленном за окуляром; тогда светофильтр не нужен.

Необходимость изучения слабых небесных светил заставляет делать линзовые объективы больших размеров. Но изготовление крупных линз настолько сложно, что из всех существующих в мире рефракторов только один имеет объектив диаметром 102 см (F = 1940 см), а у второго по величине — диаметр 91 см (F = 1730 см). Оба объектива изготовлены американским оптиком А. Кларком (соответственно в 1897 и в 1886 гг.) и установлены в Йерксской и Ликской обсерваториях (США). Все дальнейшие попытки изготовить линзовые объективы хотя бы таких же размеров окончились неудачей. В Советском Союзе самый крупный телескоп-рефрактор установлен в Главной астрономической обсерватории Академии наук; диаметр его объектива равен 65 см, а фокусное расстояние F = 1040 см.

Рефракторы, предназначенные для фотографирования небесных объектов, называются астрографами. Фотографирование ведется в фокальной плоскости объектива, поэтому в окулярной части телескопа вместо окуляра укрепляется фотокамера. Астрографы используются, как правило, для фотографирования небесных объектов с целью определения их видимых положений на небе и последующего изучения их движения. Существуют и двойные астрографы, с двумя раздельными объективами, позволяющими одновременно фотографировать с различными экспозициями.

Рефлекторы

Для исследования физической природы небесных тел предпочтительнее телескопы-рефлекторы, у которых объективом служит вогнутое параболическое зеркало небольшой кривизны, изготовленное из толстого стекла и покрытое тонким слоем порошкообразного алюминия, напыляемого на стекло под большим давлением.

Световые лучи, отраженные от зеркала, собираются в его фокальной плоскости, где изображения объектов тоже получаются перевернутыми. Фокальная плоскость выводится в сторону окуляра посредством дополнительного небольшого либо плоского (предложено Ньютоном в 1671 г., либо выпуклого зеркала (предложено Кассегреном в 1672 г.), которое значительно удлиняет фокусное расстояние зеркального объектива (схемы «а» и «б» на рисунке ниже).

Советский оптик Д. Д. Максутов (1896—1964 гг.) создал рефлектор, известный под названием менискового телескопа. В нем зеркальный объектив имеет сферическую форму (проще в изготовлении), а его оптические недостатки исправляются тонкой линзой малой кривизны (мениском), установленной впереди объектива (схема «в» на рисунке). Роль дополнительного зеркала выполняет небольшое алюминиевое пятно, напыленное на внутренней поверхности мениска. Телескопы Максутова изготовлены в нескольких вариантах — от школьного типа с объективом диаметром 70 мм до крупных инструментов диаметром до 1 м.

Изготовление крупных зеркальных объективов тоже требует колоссального труда. Зеркала, в отличие от линз, практически не поглощают света, что особенно ценно при изучении физической природы небесных тел. Поэтому современные крупные телескопы снабжаются зеркальными объективами диаметрами, как правило, от 1,5 до 4 м и фокусным расстоянием от 9 до 12 м.

Крупнейшие оптические телескопы

Телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 6 м и фокусным расстоянием 24 м был изготовлен в СССР по проекту и под руководством Б. К. Иоаннисиани. Зеркало весит 420 кг, а стеклянная заготовка, из которой оно изготовлено, весила 700 кг и после отливки при температуре в 1600 °C охлаждалась 736 суток! Этот уникальный телескоп, общим весом в 8500 кг, установлен осенью 1974 г. в специальной астрофизической обсерватории Академии наук СССР на горе Пастухова (Ставропольский край) высотой 2070 м над уровнем моря. Система дополнительных зеркал дает возможность увеличивать фокусное расстояние этого телескопа до 350 м. Разрешение телескопа составляет 0,02″, и он позволяет фотографировать звезды до 24^m, т. е. в 4 млрд. раз более слабые, чем яркие звезды, видимые невооруженным глазом. Он долгое время был крупнейшим телескопом в мире.

Крупнейший в мире телескоп с цельным зеркалом — Большой бинокулярный телескоп, расположенный на горе Грэхэм (США, штат Аризона), он был построен в 2005 году. Диаметр его обоих зеркал, обеспечивающих стереоскопическое изображение, — 8,4 метра.
Большой Канарский телескоп с диаметром зеркала 10,4 м (36 шестиугольных сегментов) был открыт 13 июля 2007 года. Это самый большой оптический телескоп в мире.

Все большие оптические телескопы смонтированы на специальных установках, в башнях, покрытых куполами с открывающимися створками, и во время наблюдений медленно поворачиваются электромоторами в направлении суточного вращения неба, с той же скоростью (15° за 1 ч), что позволяет проводить длительные экспозиции. Контроль за равномерным поворотом телескопа осуществляется специальными компьютерами.

Проектная работа «Современные наземные оптические телескопы

Муниципальное бюджетное общеобразовательное
учреждение

«Гимназия № 64 имени В.А.
Котельникова» города Липецка

Астрономия

Проектная работа

«Современные наземные
оптические телескопы»

выполнил: Внуков
М. Ю.

руководитель:  Мызникова
Е.И.

г. Липецк, 2021 г.

Оглавление

Карточка
проекта. 3

Введение. 4

Цель проекта: 4

Задачи: 5

О проекте. 6

Вывод. 7

Список используемой литературы.. 8

Приложения. 9

Цель проекта: Целью проекта является подробное рассмотрение устройства,
структуры, видов и назначения современных наземных телескопов в астрономии

Задачи:

Чтобы установить особенности современных наземных оптических
телескопов нам необходимо выполнить следующие шаги:

1. Ознакомится с устройством современных наземных телескопов.

2. Разделить современные наземные телескопы на виды по структуре и
назначению.

3. Выделить преимущества и недостатки каждого вида наземных
телескопов.

О проекте

В настоящее время
наземная астрономия представлена целым рядом приборов работающих во всех
диапазонах электромагнитного спектра.

Как известно
история астрономических наблюдений с помощью оптических приборов началась в 17
ого века. Вплоть до 20 ого века наблюдения проводились в видимой части
электромагнитного спектра. Как известно диапазон  волн видимого спектра
довольно узок – 0,000039 см. до 0,000076 см., а этого оказалось недостаточно
для решения многих научных проблем современной астрономии и астрофизики.

Именно поэтому в
настоящее время наземные телескопы представляют целый ряд устройств различного
строения и функционала способных решить не только современные научные проблемы,
но и быть полезными в будущих исследованиях космоса и вселенной.

Виды оптических телескопов.

Существуют различные виды обсерваторий, сочетающие ряд приборов
работающих в разных спектрах излучений. Наземная обсерватория видимой части
спектра включает в себя: оптические системы (телескопы). Основным инструментом
любителя-астронома является оптический телескоп.

Ниже приведу перечень типов современных оптических приборов для
астрономических наблюдений.

Линзовый рефрактор (диоптрический)

Рефлектор (параболический)

Зеркально-линзовые системы Шмидта – Кассегрена

Солнечный телескоп (коронограф)

Позже Иоганн Кеплер  усовершенствовал систему телескопа,
заменив рассеивающую линзу в окуляре собирающей. Это
увеличило поле зрения, но система Кеплера несмотря на преимущество даёт
перевёрнутое изображение. Подобная система и до сих пор используется на
телескопах на окулярах с большим увеличением. Даже карты Луны чаще встречаются
в перевернутом изображении делая наблюдения более удобными.

Телескоп-рефрактор
претерпел множество изменений. Это были самые различные приборы от метровой
трубы гениального оптика Христиана Гюйгенса до 40 метрового «воздушного»
телескопа Яна Гевелия.

В
настоящее время используется система ахроматических линз объектива и окуляра
что позволяет телескопу рефрактору избавиться от ряда проблем.

Распространение
апохроматических рефракторов в астрономической оптике произошло во второй
половине XX века. Их развитие и сдерживалось высокой стоимостью флюоритовой
оптики или специальных стёкол. В 90-е годы, благодаря широкому внедрению в
оптической промышленности стёкол со сверхнизкой дисперсией, (близких к флюориту
по свойствам), апохроматические рефракторы стали значительно более доступны и
популярны, в том числе и в любительской астрономии, где занимают важную нишу и
в настоящее время. [2]

В наши
дни телескопы рефракторы используются в работе многих обсерваторий мира и Российской
Академии Наук: это приборы Крымской лаборатории ГАИШ ГАО НАНУ, Ужгородская АО, ГАИШ, Обсерватория МГДДЮТ,
ГАИШ, ДтДМ г. Твери, Минский планетарий, Звенигородская АО,
СКАС, Гиссарская АО

Телескоп-рефрактор
содержит два основных узла: линзовый объектив и окуляр. Объектив создаёт действительное уменьшенное
обратное изображение бесконечно удалённого предмета в фокальной плоскости. Это изображение рассматривается в окуляр как в лупу. В силу того, что каждая отдельно взятая линза обладает различными аберрациями (хроматической, сферической и проч.), обычно используются
сложные ахроматические и апохроматические объективы. Такие объективы представляют
собой выпуклые и вогнутые линзы, составленные и склеенные с тем, чтобы
минимизировать аберрации.

Джон
Доллонд предложил внедрять в систему призмы из венецианского стекла
(крона) и английского флинтгласа, а также изготовлять из них системы линз. С
тех пор начали производить ахроматические рефракторы. Такая система позволила
избавиться от эффекта хроматической абберации на рефракторе. Немецкий оптик
Йозеф Фраунгофер существенное доработал данную систему доведя поверхность линзы
до практически идеальной. [1]

Современный
телескоп-рефрактор имеет  апохроматический
 объектив хроматическая
аберрация которого, исправлены значительно лучше, чем в ахроматической системе.
Как правило (хотя и не во всех случаях), В конструкции объектива используются составные
элементы из флюорита или стекла со сверхнизкой дисперсией. Объектив —
содержит две или три линзы. По сравнению с ахроматами апохроматы могут иметь
большую светосилу и значительно превосходят ахроматы по качеству изображения.

Солнечные телескопы

Солнечные телескопы в отличие от
обычных рефракторов и рефлекторов имеют в своей системе линзы сравнительно
малого диаметра, а также особый светофильтр позволяющий не только поглощать
мощное солнечное излучение, но и оставлять видимую часть спектра для наблюдения
солнечной короны и протуберанцев на солнечном диске. [3]

Подобные системы доступны в настоящее
время не только ученым, но и любителям астрономии. Давая возможность
фотографировать диск Солнца. Фирма Coronado
изготовляет денные системы для любителей астрономии.

Преимущества системы:

Закрытая система в хорошей защитой
«просветленных» линз

Возможность использовать в качестве
солнечного телескопа – коронографа.

Апохроматические системы лишены
ахроматической абберации.

Возможность наблюдений и фотографии в
прямом фокусе без отражающих элементов.

Недостатки системы:

Таким образом, телескоп рефрактор
имеет несколько недостатков, которые не позволяют создавать этот прибор
размером объектива больше 1-ого метра. Во-первых собственный вес линзы под
действием силы тяжести приводит к деформации и искажениям оптической оси.

Во-вторых несмотря на наличие систем
апохроматических линз явления абберации все же присутствуют, что затрудняет

Первым человеком создавшим телескоп
рефлектор по праву является английский физик Исаак Ньютон. В этом открытии
воплотились многогранные знания ученого энциклопедиста. Ньютон-физик рассчитал точно
параметры оптической системы, Ньютон – химик и металлург сварил необходимый
состав «зеркальной» бронзы.

С тех пор система Ньютона и по
настоящее время используется в изготовлении телескопов. Система телескопа была
доработана такими учеными как Уильям Гершель, который с его помощью открыл
планету Уран.

Конструкция телескопа-рефлектора

Телескоп – рефлектор представляет
собою оптический прибор, собирающий световой пучок с помощью зеркала. В
подобных системах зеркало представляет собою вогнутую платину из стекла
покрытую зеркальным материалом сферической или параболической формы.

Телескоп системы Ньютона имеет
вогнутое сферическое либо параболическое зеркало свет от которого отражается на
плоское зеркало и направляется для фокусировки на стенку трубы телескопа, где
располагается окуляр. Изображение в таком телескопе будет перевернутое.
Современные ньютоновские системы вместо зеркала используют призму, что
позволяет получить естественное изображение без перевернутости.

Подобные системы нашло свое
применение не только в науке, но и широкое распространение в любительской
астрономии.

Преимущества системы:

Простота
изготовления зеркала.

Малое время термостабилизации

Отсутствие
хроматической абберации

Широкое поле зрения и
возможность использовать короткофокусные-панорамные системы

Недостатки системы:

Возможная сферическая абберация

Открытая система без использования
корпуса (трубы у систем диаметром зеркала свыше 200мм), отсутсвие защиты от
вихревых потоков.

Вторичное зеркало
держится на трёх-четырёх растяжках, что может приводить к разъюстировке и
портит дифракционную картину.

Помимо Ньютоновской системы в
современных телескопах используются и другие комбинированные зеркально-линзовые
системы.

Зеркально-линзовые
телескопы 

Зеркально-линзовые
телескопы или катадиоптрические — в качестве объектива используется
сферическое или параболическое главное зеркало, а для компенсации
его аберраций служат линзы. Подобная система была предложена впервые Бернхардом
Шмидтом.

Система
Шмидта — Кассегрена

В наше время используется модернизированная система Шмидта — Кассегрена, которая даёт дифракционное качество изображения. В качестве вторичного
зеркала обычно используется алюминированная центральная часть обратной стороны
корректора.

В центре кривизны сферического зеркала установлена диафрагма, для
устранения комы, и астигматизма. Для устранения сферической аберрации в
диафрагме размещают линзу специальной формы, которая представляет собой поверхность 4-го порядка. Получается
система с единственной аберрацией — кривизной поля и удивительными
качествами: чем больше светосила камеры,
тем лучше изображения, которые она даёт, и больше поле зрения.

Система Масутова — Кассегрена

В системе
Максутова, диафрагма с зеркалом заменена на мениск (в
фокальной плоскости установлена плоско-выпуклую линзу — так
называемую линзу Пиацци-Смита) на котором
располагается линза. Таким образом, Максутов сумел
избавиться от комы и астигматизма.

Преимущества:

Простота
изготовления зеркала.

Труба
телескопа закрытая, предотвращая загрязнение внутренних оптических элементов и
снижая образование воздушных потоков внутри телескопа

Корректор
избавляет систему от сферической аберрации, изменяя её в аберрацию кривизны
поля.

Вторичное
зеркало-корректор. жёстко зафиксировано в оправе,.

Труба  телескопа
компактна по сравнению с другими типами

Недостатки:

Сложность изготовления корректора больших размеров.

Большой фокус.

Фокус полностью связан с длиной трубы, относительное отверстие
ограничено остаточными аберрациями.

Большое время термостабилизации оптики.

Разнообразие систем велико. Это могут быть одиночные  линзы (системыГельмута),
или система линз (Волосова-Гальперна-Печатниковой, Бэйкер-Нана),
ахроматический мениск Максутова, или планоидная асферическая
пластина (системы Шмидта, Райта)

Крупнейшие оптические телескопы
России и мира

В наше время оптическая астрономия
переживает очередное свое рождение. Благодаря телескопам 4-ого поколения
становится возможным строить новые приборы поистине колоссальных размеров.
Передний край науки это поиск экзопланет. Открытие их произошло благодаря
космическому телескопу «Кеплер». Как оказалось подобные наблюдения возможно
проводить и с Земли. Причем размер системы может быть воистину огромным.

БТА САО РАН

В России самый крупный телескоп это БТА
6-метровый САО РАН расположенный в
горах Кавказа. Долгое время это был самый крупный телескоп в мире. Этот
телескоп имеет азимунтальную монтировку опоры и относится к системам второго
поколения. И в наше время его работе не прекращается в связи с другими
обсерваториями Кавказа и России проходят регулярные наблюдения звездного неба.

Large Synoptic Survey Telescope

Располагается обсерватория в Чили,
пик горы Серо-Пачон 2682 м. н.у.м.

Построенный  на средства США и лично
Билла Гейтса, телескоп имеет диаметр главного зеркала 8,4 м. Конструкция
включает три зеркала. Используется для фотографирования звездного неба.

Научные цели: поиск и появления
темной материи и энергии, картографирование Млечного пути, регистрация малых
объектов, планетоидов, комет, астероидов Солнечной системы, в т.ч. в поясе
Койпера.

South African Large Telescope

Располагается обсерватория в ЮАР,
вершина холма у поселения Сутерланд 1798 м. н.у.м.

Оптический рефлектор. Самый большой
телескоп Южного полушария. Страны участница проекта (Польша, Германия,
Великобритания, Новая Зеландия и США).

Телескоп 4-ого поколения состоит из
91-ого шестиугольного зеркала. Общий диаметр 11,4 м.

Научные задачи:

Визуальное наблюдение объектов
недоступных телескопам северного полушария, квазаров, галактик, эволюции звезд

Конструкция полностью повторяет Hobby-Eberly Telescope
в Техасе США.

Keck I 
и  Keck II

Располагается в США Гавайи, Мануа Кеа
4145 м. н.у.м.     

Рефлектор оптический 10 м. 4-ого
поколения состоящий и 36 подвижных малых зеркал.

Два телескопа в единой системе.
Высокогорье, лучший климат для наблюдений.

Научные задачи: Наблюдение и поиск
экзопланет, наблюдение в инфракрасном диапазоне.

Gran telescope Canarias

Испания, Канарские острова, остров Ла
Пальма, 2267 м. н.у.м.

Проект Испании, Мексики, и
университета Флориды.

Рефлектор, оптический. Диаметр
зеркала 10.4 м.

Научные задачи: Спектрометрия,
поляриметрия, коронография астрономических объектов.

Giant Magellan telescope

Чили, обсерватория Лас-Кампанас. 2516
м. н.у.м.

Рефлектор, оптический, инфракрасный. Диаметр
зеркала 25,4 м.

Предполагается получение снимков в 10
раз более четких чем с помощью космического телескопа Хаббл. Имеет в числе
перимуществ новейшую оптику для устранения атмосферных помех.

Научные задачи: поиск и снимки
экзопланет, исследование планетарной, звездной, галактической эволюции,
изучение ченых дыр, проявлений темной материи, наблюдение самого первого
поколения галактик.

Thirty Meter Telescope

(Находится на стадии строительства. )

Рефлектор, оптический, инфракрасный. Диаметр
зеркала 30 м.

Располагается в США Гавайи, Мануа Кеа
4050 м. н.у.м.     

Рефлектор оптический 30 м. 4-ого
поколения состоящий из подвижных малых зеркал.

Научные задачи: Наблюдение квазаров
на «краю вселенной», поиск и снимки экзопланет, исследование планетарной,
звездной, галактической эволюции, изучение ченых дыр, проявлений темной
материи, наблюдение самого первого поколения галактик.

European Extremely Large Telescope E-ELT

Диаметр главного зеркала 39,3 м.

Располагается в Чили, вершина горы
Серро Армазонес 3060 м.

Рефлетор, оптический, состящий из 798
подвижных элементов 1,45 метра каждый. Эту систему зеркал поддерживает
современная система адаптивной оптики. Ученые прогнозируют что аппарат сможет
не только находить экзопланеты, но и изучать состав из атмосферы. Это нас
подведет вплотную к разгадке тайн существования обитаемых планет у других
звездных систем.

Научные задачи:

Поиск экзопланет, наблюдение ранних
стадий формирования вселенной, измерит точное ускорение расширения вселенной,
проверит физические константы на постоянство и неизменность во времени, откроет
тайны формирования планет и  их первичны состав, займется поисками воды и
органики, подведет нас плотнее к тайне возникновения жизни.

[10]

Таким
образов в наше время наземные телескопы работающие в видимом спектре стали
мощной «научной силой» позволяющей решить загадки вселенной. Новейшие открытия
в физике и химии сплавов и полупроводников, развитие технологий,
материаловедения, мощные компьютерные системы, сверхмалые процессоры и конечно
колоссальный объем знаний всего человечества приблизил нас к моменту величайших
открытий связанными со вселенной. Телескоп это окно в буждущее от трубы Галилея
до E-ELT.

(экономическая
выгода, что получилось, что не получилось, подведение итогов реализации проекта)

По
итогу нашей работы я могу сделать ряд выводов. Проанализировав информацию об
оптических телескопах, я пришел к выводу, что в настоящее время оптический
телескоп это по прежнему важнейший инструмент в астрономии и астрофизике. Открытия,
связанные с ним являются актуальными в настоящее время.

С
помощью телескопа ищут жизнь на других планетах, обнаруживают движущиеся в
стону Земли астероиды, ищут воду и кислород в других мирах,  наблюдают
зарождение планет и даже черные дыры.

Помимо крупнейших
оптических систем в настоящее время производится множество разновидностей
телескопов для любителей астрономии. Они имеют различные схемы строения
(Рефлектор Ньютона, система Шмидта — Кассегрена, рефракторы,
солнечные — телескопы  и пр.) и функционал.

Многие современные открытия в наблюдательной астрономии сделаны
благодаря подобным любителям астрономии и их телескопам.

Назначение данных приборов различное. Это могут быть наблюдения
переменных звезд, комет, планет солнечной системы, астероидов, галактик,
Солнца, Луны, которые доступны обывателям.

Телескоп это одно из величайших изобретений человечества, это окно
во вселенную от трубы Галилея до E-ELT.

1. Белонучкин В., Козел С. Оптический телескоп // Квант. — М.,
1972. — № 4. — С. 10—18.

2. Дагаев
М. М.,
Чаругин В. М. Астрофизика :
книга для чтения по астрономии. — Просвещение, 1988.

3. Климишин И.А. Элементарная
Астрономия. – М. : Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1991. – 464 с.

4. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. — 2-е. — Л.: Наука.
Ленинградское отделение, 1979. — 395 с. — 2500 экз.

5. Панов В. А. Справочник конструктора оптико-механических приборов. —
1-е изд. — Л.: Машиностроение, 1991. — С. 81.

6. Турыгин И. А. Прикладная оптика. — 1-е изд. — М.: Машиностроение,
1966.

7. Энциклопедия для детей Т. 8
Астрономия – 2-е изд.,Э68 испр./глав.ред. М.Д. Аксенова. – М.: Аванта + , 1998
-688с.

8. Astronet. http://www.astronet.ru/db/msg/1237382

9.Astronet.
В.Г. Сурдин, Н.Л. Васильева. Телескоп Галилея. Астронет (16 декабря 2009) http://www.astronet.ru

10. Naked
science. http://www.naked-science.ru

Приложения(таблицы,
диаграммы, коды программ и пр.)

строят самые большие в мире телескопы – наука в школе

Автор(ы): Николь Ширер, Таня Джонстон

В течение сотен лет телескопы помогали астрономам разгадывать тайны Вселенной. Но что нужно для изготовления и обслуживания современных сложных инструментов?

В 1608 году немецко-голландский производитель очков по имени Ганс Липперши подал патент на небольшое устройство, в котором использовались линзы для фокусировки света и получения увеличенного изображения удаленных объектов: это была самая ранняя известная конструкция телескопа. Вскоре после этого изобретения Галилей, как известно, построил свой собственный и первым использовал телескоп для астрономических наблюдений. Четыреста лет спустя телескопы по-прежнему имеют жизненно важное значение для астрономии, но они превратились из небольших ручных инструментов в гигантские устройства, управляемые компьютером.

Сегодня в большинстве крупнейших в мире оптических и инфракрасных телескопов, многие из которых построены и эксплуатируются Европейской южной обсерваторией ^w1 (ESO), для сбора и фокусировки света используются зеркала, а не линзы. Чем больше зеркало, тем больше света можно собрать, что позволяет астрономам более детально видеть более слабые небесные объекты, которые часто находятся дальше. Хотя большие зеркала производить легче, чем большие линзы, производство современных астрономических телескопов по-прежнему представляет собой серьезную проблему.

Художественная визуализация Чрезвычайно Большого Телескопа (ELT). После завершения строительства в 2024 году купол будет размером с футбольный стадион.
Консорциум ESO/L Calçada/ACe

От Ньютона до наших дней

Первый успешный телескоп-рефлектор (в котором для фокусировки света используются зеркала, а не линзы) был построен сэром Исааком Ньютоном в 1668 году. зеркало (первое зеркало, на которое попадает звездный свет при входе в телескоп) и плоское вторичное зеркало, которое расположено над основным зеркалом и наклонено под диагональным углом, чтобы отражать и направлять свет в окуляр. Тот же принцип используется сегодня во многих любительских и профессиональных телескопах. В современных телескопах зеркала позволяют направлять свет на разные камеры или детекторы вместо окуляра, а также позволяют сделать конструкцию телескопа более компактной.

В первом рефлекторном телескопе Ньютона использовалось главное зеркало диаметром 3,3 см. В настоящее время самые большие одинарные отражающие зеркала телескопа в мире имеют диаметр около 8 м. Например, Очень большой телескоп ESO (VLT) в Чили, Южная Америка, состоит из четырех телескопов с диаметром главного зеркала 8,2 м каждый.

Световой путь ньютоновского (отражающего) телескопа, в котором используются зеркала для отклонения и фокусировки света
ESO/N Bartmann

Изготовление зеркал 

В качестве материала для большинства профессиональных зеркал для телескопов используется стекло (например, боросиликатное стекло, используемое для посуды Pyrex) или специальный стеклокерамический композитный материал. Такие материалы можно шлифовать и полировать до нужной формы для получения хорошего изображения. Они также не меняют форму или размер в ответ на колебания температуры. Это особенно важно, поскольку многие телескопы расположены высоко в горах или в пустыне, где дневная и ночная температура сильно различается.

Чтобы сфокусировать как можно больше слабого звездного света, поверхность главных зеркал должна иметь высокую отражающую способность. Отражательная способность создается с помощью чрезвычайно тонкого покрытия светоотражающего материала, идентичность которого зависит от рабочей длины волны телескопа. Например, серебро или алюминий часто используются в зеркалах оптических и ближних инфракрасных телескопов.

Больше и лучше

За последние 50 лет размеры зеркал телескопов значительно увеличились, но астрономы всегда хотят их больше. Однако есть предел: зеркало намного больше 8 мкм было бы невероятно трудно шлифовать и полировать. Таким образом, одним из решений является создание сегментированных зеркал. Они состоят из отдельных, часто шестиугольных секций, которые вместе составляют одну огромную светособирающую площадь.

В настоящее время крупнейшее в мире сегментированное зеркало — Большой Канарский телескоп на Канарских островах в Испании — имеет диаметр 10,4 м и состоит из 36 сегментов. Но в 2024 году его заменит Чрезвычайно большой телескоп (ELT), который строится в пустыне Атакама в Чили. Главное зеркало диаметром 39 м будет состоять из 798 сегментов, каждый площадью около 1,4 м ² . Этот огромный телескоп, которым будет управлять ESO, будет наблюдать за Вселенной в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Другие телескопы, которые также строятся, такие как Тридцатиметровый телескоп на Гавайях, используют аналогичный подход, используя большое количество маленьких сегментов. Другие, такие как Гигантский Магелланов Телескоп в Чили, будут состоять из меньшего, но большего количества сегментов.

Масштабный макет главного зеркала ELT с использованием картонных вариантов сегментов зеркала
ESO

Гладкая поверхность

Для получения четких изображений и точных измерений поверхность зеркал должна быть идеально гладкой. Для ELT каждый отдельный сегмент будет отполирован с точностью до 15 нанометров. Это означает, что если бы один сегмент был размером с Европу, то любые оставшиеся выпуклости на поверхности были бы размером с божью коровку.

По мере того, как зеркала (одинарные или сегментированные) становятся больше, они начинают прогибаться под собственным весом из-за действия гравитации, что снижает их ровность. Чтобы компенсировать это, VLT полагается на метод, называемый активной оптикой, который использует 150 приводов для регулировки зеркала, внося поправки примерно каждые 30 секунд. Для ELT не только отдельные сегменты должны быть чрезвычайно гладкими: сегменты также должны быть идеально выровнены со своими соседями, чтобы добиться того же эффекта, что и одно зеркало. ELT будет иметь в общей сложности 4524 датчика по краям зеркальных сегментов; они будут постоянно сообщать о своих позициях, позволяя точно настраивать каждый сегмент с помощью 2394 привода. Эта система активной оптики сделает общую поверхность главного зеркала гладкой с точностью до 50 нанометров — тысячной доли толщины человеческого волоса.

Проверка датчиков и приводов под двумя сегментами гигантских главных зеркал ELT
ESO

Поддержание отражательной способности

Чтобы поверхность зеркал оставалась максимально отражающей, их необходимо защищать от пыли при сильном ветре . Когда на зеркалах скапливается пыль, она может снижать отражательную способность всего на несколько процентов, но каждый фотон ценен для получения высококачественных изображений. Пыль также рассеивает свет и снижает контрастность изображений. Днем зеркала закрыты, а ночью перед открытием купола телескоп наклоняют, чтобы ничего с крыши (например, пыль или птичий помет) не попало на поверхность зеркал.

Со временем отражающие покрытия изнашиваются, поэтому зеркала необходимо регулярно обновлять. Например, главные зеркала VLT необходимо транспортировать с наблюдательной платформы в базовый лагерь примерно каждые 18 месяцев для повторного покрытия. Особенно сложно иметь дело с самой дорогой и хрупкой частью телескопа, поэтому зеркало транспортируется со скоростью всего 5 км/ч. Весь процесс (от снятия до замены) занимает около недели.

Для главного зеркала ELT каждый из 798 сегментов также требует повторного покрытия каждые 18 месяцев. Самый эффективный способ сделать это — снимать, наносить новый слой и заменять два или три сегмента каждый день. Телескоп по-прежнему может эффективно работать с отсутствующей парой сегментов, что обеспечивает максимальное время работы. Напротив, когда любое из зеркал VLT перекрашивается, этот телескоп выходит из строя.

Исследование Вселенной

Проектирование, строительство и эксплуатация таких крупномасштабных телескопов — непростая задача. Но захватывающие перспективы — обнаружение похожих на Землю планет, измерение свойств первых звезд и галактик, исследование природы темной материи и энергии — стоят тяжелой работы. В ближайшие десятилетия самые совершенные в мире телескопы могут революционизировать наше понимание Вселенной, как это сделал телескоп Галилея 400 лет назад.

Веб-ссылки

• w1 – ESO является ведущей межправительственной астрономической организацией в Европе и самой продуктивной в мире наземной астрономической обсерваторией со штаб-квартирой в Гархинге, недалеко от Мюнхена в Германии, и телескопами в Чили.

Ресурсы

• Узнайте больше о VLT и ELT на веб-сайте ESO.
• Инфографику, сравнивающую размер главного зеркала ELT с размерами других крупных наземных телескопов, можно найти на веб-сайте ESO.
• Узнайте больше о производстве зеркал для ELT, посетив веб-сайт SCHOTT.
• Узнайте, каково это работать на VLT в пустыне Атакама в Чили. Видеть:
  • Пирс Д. (2006 г.) Управление одним из крупнейших в мире телескопов. Наука в школе 1 : 56–60.
• Более подробная информация о главном зеркале ELT доступна в ежеквартальном журнале ESO The Messenger .

Учреждения

Автор(ы)

Николь Ширер является научным коммуникатором со степенью магистра физики и степенью бакалавра физики и астрофизики Даремского университета, Великобритания. На момент написания Николь проходила шестимесячную стажировку по научной коммуникации в ESO.

Таня Джонстон более десяти лет проработала в области коммуникации в области астрономии, уделяя особое внимание оказанию поддержки учителям в использовании астрономии в качестве контекста для преподавания естественных наук. Таня работает в ESO в качестве координатора ESO Supernova.

Обзор

Отражение является центральным понятием тем волн и оптики в школьных программах естественных наук. Учителя могут использовать эту статью, в которой содержится актуальная информация о зеркалах в больших современных телескопах, чтобы оживить эти темы для учащихся. Кроме того, это может помочь учащимся узнать о применении науки и проблемах, которые могут решить современные технологии.

Вопросы на понимание могут включать:

• Кто сделал первые астрономические наблюдения с помощью телескопа?
• Кто построил и использовал первый телескоп-рефлектор?
• Почему стекло используется для изготовления зеркал в больших астрономических телескопах?
• Как можно строить телескопы с зеркалами больше 8 м в диаметре?

Стюарт Фармер, преподаватель физики, Колледж Роберта Гордона, Шотландия, Великобритания

Лицензия

CC-BY

Загрузить

Загрузить эту статью в формате PDF

Телескоп Hobby-Eberly | Обсерватория Макдональдс

Телескоп Хобби-Эберли (HET) со своим 11-метровым зеркалом является одним из крупнейших в мире оптических телескопов. Он был разработан специально для спектроскопии, расшифровки света от звезд и галактик для изучения их свойств. Это делает его идеальным для поиска планет вокруг других звезд, изучения далеких галактик, взрывающихся звезд, черных дыр и многого другого.

Уникальный дизайн телескопа, впервые установленного в 1997 году, позволил построить очень большой современный телескоп за небольшую часть стоимости инструментов аналогичного размера. В 2016 году была завершена многолетняя модернизация стоимостью 40 миллионов долларов, в результате чего поле зрения телескопа расширилось до области неба в 120 раз больше, чем раньше.

В отличие от большинства других телескопов, которые наклоняются вверх и вниз по высоте, зеркало HET всегда наклонено на 55 градусов над горизонтом. Однако трекер, установленный над телескопом, перемещается в шести направлениях, позволяя HET изучать 70 процентов видимого неба. 80-тонный телескоп вращается на воздушном ложе, используя воздушные подушки для подъема и позиционирования огромного инструмента.

Зеркало телескопа похоже на соты. Он состоит из 91 шестиугольного зеркала, которые образуют отражающую поверхность размером 11 на 10 метров. Сегменты должны быть точно выровнены, чтобы сформировать идеальную отражающую поверхность для хороших наблюдений. HET классифицируется как 10-метровый телескоп, что делает его третьим по величине оптическим телескопом в мире.

Глядя на 91 сегмент зеркала HET через открытый купол

Телескоп Хобби-Эберли с широким полем зрения фокусирует свет на инструментах, включая спектрограф видимого интегрального поля (VIRUS), спектрограф низкого разрешения второго поколения (LRS2), искатель планет обитаемой зоны и спектрограф высокого разрешения второго поколения ( ХРС2). Телескоп особенно подходит для проведения крупных исследовательских проектов с использованием спектроскопии и решения самых сложных задач современной астрономии: разгадки тайны темной энергии, исследования далеких галактик и черных дыр, обнаружения и описания планет вокруг других звезд и многого другого.

HET использует процесс планирования очереди. Астрономы представляют предложения по исследованиям, и некоторые проекты планируется завершить в течение четырех месяцев. Каждую ночь местный астроном решает, какой проект лучше всего подходит для реализации, основываясь на таких факторах, как приоритетность проектов, погода и фаза Луны. Планирование очереди гарантирует, что HET используется эффективно, и делает телескоп особенно подходящим для изучения возможных целей — тех событий в небе, которые происходят без предупреждения, таких как взрывающиеся звезды.

HET в настоящее время участвует в эксперименте с темной энергией телескопа Хобби-Эберли (HETDEX), проекте по изучению темной энергии, таинственной силы, вызывающей ускорение скорости расширения Вселенной. Этот обзор оглядывается назад на 11 миллиардов лет, чтобы определить, изменилась ли темная энергия с течением времени.

HET — это совместный проект Техасского университета в Остине, Университета штата Пенсильвания, Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Геттингенского университета имени Георга-Августа.