Министерство образования Оренбургской области
Государственное Образовательное Учреждение Начального Профессионального Образования Профессиональное Училище - № 17
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
« Телескопы и история их создания »
Разработал:
Учащийся 1 курса гр. №2
Подкопаев Эдуард
Руководитель:
Обухова Н.С.
Абдулино,2010
Введение………………………………………………………………….2
1.1 История создания первых телескопов…………………………….5
1.2.Современные виды телескопов ……………………..…………….8
2. Глава 2………………………………………………………………….12
2.1 Домашний телескоп………………………………………………..12
Заключение…………………………………………………..…………13
Список используемой литературы……………………………………14
Приложения……………………………………………………………..15
Введение
Ведь каждый день пред нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.
А.С.Пушкин
Телеско́п (от др.-греч. τῆλε - далеко + σκοπέω - смотрю) - прибор, предназначенный для наблюдения небесных светил. Действительно, это оптическое устройство представляет собой мощную зрительную трубу, предназначенную для наблюдения весьма удаленных объектов – небесных светил.
Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы. Кроме того, детекторы нейтрино часто называют нейтринными телескопами. Также, телескопами могут называть детекторы гравитационных волн.
Оптические телескопические системы используют в астрономии (для наблюдения за небесными светилами, в оптике для различных вспомогательных целей: например, для изменения расходимости лазерного излучения. Также, телескоп может использоваться в качестве зрительной трубы, для решения задач наблюдения за удалёнными объектами.
Актуальность: созданный около четырехсот лет назад, телескоп является своеобразным символом современной науки, воплощая в себе извечное стремление человечества к познанию.
Объект исследования: различные виды телескопов.
Цель нашего исследования рассмотреть историю создания телескопа, создать домашний телескоп.
Задачи исследования: собрать и изучить теоретический материал о телескопе, используя все доступные источники информации.
Основная гипотеза – телескопы и грандиозные обсерватории вносят немалый вклад в развитие целых областей науки, посвященных исследованию структуры и законов нашей Вселенной.
Научная новизна нашей работы заключается в значимости телескопов на современном этапе развития науки и техники (в истории космических)
Практическая значимость: материалы исследования могут быть использованы на уроках физики, истории, географии, во внеклассной работе. Сегодня телескоп все чаще можно встретить не в научной обсерватории, а в обычной городской квартире, где живет обычный астроном-любитель, который ясными звездными ночами отправляется приобщаться к захватывающим красотам космоса.
Глава 1
1.1. История создания первых телескопов
Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Годом изобретения телескопа, а вернее зрительной трубы, считают 1608 год, когда голландский очковый мастер Иоанн Липперсгей продемонстрировал своё изобретение в Гааге. Тем не менее в выдаче патента ему было отказано, в силу того что и другие мастера, как Захарий Янсен из Мидделбурга и Якоб Метиус из Алкмара, уже обладали экземплярами подзорных труб, а последний вскоре после Липперсгея подал в Генеральные штаты (голландский парламент) запрос на патент. Позднейшее исследование показало, что, вероятно, подзорные трубы были известны ранее, ещё в 1605 году, в «Дополнениях в Вителлию», опубликованных в 1604 г. Кеплер рассмотрел ход лучей в оптической системе, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа (причем как однолинзового, так и двухлинзового) были обнаружены еще в записях Леонардо да Винчи датируемых 1509-м годом. Сохранилась его запись: «Сделал стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»).(2,136)
Известно, что еще древние употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бекон, один из наиболее замечательных ученых и мыслителей XIII века, в одном из своих трактатов утверждал, что он изобрел такую комбинацию линз, с помощью которой удаленные предметы на расстоянии кажутся близкими. (1, 46)
Так ли это было в действительности – неизвестно. Бесспорно, однако, что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении подзорной трубы заявили три оптика: Липерсчей, Меунус, Янсен. Как бы там ни было, к концу 1608 года первые подзорные трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических приборах быстро распространялись по Европе.
В Падуе в это время уже был широко известен Галилео Галилей, профессор местного университета, красноречивый оратор и страстный сторонник учения Коперника. Услышав о новом оптическом инструменте, Галилей решил собственноручно построить подзорную трубу. 7 января 1610 года навсегда останется памятной датой в истории человечества. Вечером того же дня Галилей впервые направил построенный им телескоп на небо. (Приложение №1.рис.1)
Он увидел то, что ранее было невозможно. Луна, испещренная горами и долинами, оказалась миром, сходным хотя бы по рельефу с Землей. Юпитер, предстал перед глазами изумленного Галилея крошечным диском, вокруг которого вращались четыре необычные звездочки – его спутники. При наблюдении в телескоп планета Венера оказалась похожа на маленькую Луну. Она меняла свои фазы, что свидетельствовало об ее обращении вокруг Солнца. На самом Солнце (поместив перед глазами темное стекло) ученый увидел черные пятна, опровергнув тем самым общепринятое учение Аристотеля о «неприкосновенной чистоте небес». Эти пятна смещались по отношению к краю Солнца, из чего сделал правильный вывод о вращении Солнца вокруг оси. В темные ночи, когда небо было чистым, в поле зрения галилеевского телескопа было видно множество звезд, недоступных невооруженному глазу. Несовершенство первого телескопа не позволило ученому рассмотреть кольцо Сатурна. Вместо кольца он увидел по обе стороны Сатурна два каких-то странных придатка. Открытия Галилея положили начало телескопической астрономии. Но его телескопы, утвердившие окончательно мировоззрение Коперника, были очень несовершенны. Уже при жизни Галилея на смену пришли телескопы несколько иного типа. Изобретателем нового инструмента был Иоганн Кеплер.(Приложение №1.рис.2)
В 1611 году в трактате «Диоптрика» он дал описание телескопа, состоящего из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер, будучи типичным астрономом – теоретиком, ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым, кто его построил, был Шейнер, оппонент Галилея в их горячих спорах. К 1656 году Христиан Гюйенс сделал телескоп, увеличивающий в 100 раз наблюдаемые объекты, размер его был более 7 метров, апертура около 150 мм. Этот телескоп уже относят к уровню сегодняшних любительских телескопов для начинающих. К 1670-х годам был построен уже 45-метровый телескоп, который еще больше увеличивал объекты и давал больший угол зрения. Но даже обычный ветер мог служить препятствием для получения четкого и качественного изображения. (Приложение №2)
Исаак Ньютон в тот период сумел дать новую жизнь телескопам с помощью зеркала. Первое зеркало для телескопа диаметром 30 мм он сделал из сплава меди, олова и мышьяка в 1704 году. Изображение стало четким.
Двухзеркальная система в телескопе предложена французом Кассегреном. Реализовать свою идею в полной мере Кассегрен не смог из-за отсутствия технической возможности изобретения нужных зеркал, но сегодня его чертежи реализованы. Именно телескопы Ньютона и Кассегрена считаются первыми «современными» телескопами, изобретенными в конце 19 века. Кстати, космический телескоп Хаббл работает как раз по принципу телескопа Кассегрена. А фундаментальный принцип Ньютона с применением одного вогнутого зеркала использовался в Специальной астрофизической обсерватории в России с 1974 года.
Я.В. Брюс прославился разработкой специальных металлических зеркал для телескопов. Ломоносов и Гершель, независимо друг от друга, изобрели совершенно новую конструкцию телескопа, в которой главное зеркало наклоняется без вторичного, тем самым уменьшая потери света. А Гершель собственноручно в мастерской сплавлял зеркала из меди и олова. Главный труд его жизни – большой телескоп с зеркалом диаметром 122 см. (Приложение №3.рис 1 и 2).
К концу 18 века компактные удобные телескопы пришли на замену громоздким рефлекторам. Металлические зеркала тоже оказались не слишком практичны - дорогие в производстве, а также тускнеющие от времени.
К 1758 году с изобретением двух новых сортов стекла: легкого - крон и тяжелого - флинта, появилась возможность создания двухлинзовых объективов. Чем благополучно и воспользовался ученый Дж. Доллонд, который изготовил двухлинзовый объектив, впоследствии названный доллондовым. (Приложение 4).
Немецкий оптик Фраунгофер поставил на конвейер производство и качество линз. И сегодня в Тартуской обсерватории стоит телескоп с целой, работающей линзой Фраунгофера. Но рефракторы немецкого оптика также были не без изъяна – хроматизма. (Приложение 5)
Астрономия – наука, изучающая звезды, планеты и другие небесные тела – получила огромный толчок к развитию благодаря изобретению телескопа.
Пользуясь этим прибором, ученые смогли рассмотреть множество интереснейших подробностей звездного неба – например, увидеть спутники Марса и Юпитера, открыть отдаленные от Солнца планеты, изучить закономерности и метеоритных потоков.
Люди пользуются телескопами и другими оптическими приборами более четырехсот лет и уже не представляют без них своей жизни. Но кто был изобретателем телескопа, и когда было сделано это изобретение?
Оптические линзы и увеличительная труба
Сегодня нам хорошо известно, что в основе конструкции телескопа лежит система оптических линз, собирающих и преобразующих пучки световых лучей. Задолго до того, как люди научились варить качественное стекло и шлифовать оптику, для создания линз использовались природные кристаллы.
Так, известно, что у древнеримского императора Нерона была увеличительная линза, сделанная из крупного кристалла изумруда. Нерон часто забавлялся разглядыванием через нее собеседников во время пиров или колесниц на бегах. Разумеется, такие оптические приспособления были баснословно дороги и доступны только высшей знати.
Совершенствование стекловарения дало возможность более плотно заняться изучением оптических законов. Идеи насчет использования оптических линз для наблюдения за небесными телами посещали еще Леонардо да Винчи, о чем свидетельствуют записи в его дневнике. Но только сто лет спустя они смогли воплотиться в реальность.
Наибольших успехов здесь удалось добиться голландским мастерам, изготовлявшим линзы для очков: достаточно вспомнить, что изобретателем микроскопа является голландец Левенгук. В начале XVII века была изобретена подзорная труба для рассматривания отдаленных предметов. Создателями этого важного инструмента являются сразу несколько мастеров – З.Янсен, Я.Метиус и И.Липперсгей.
Многие исследователи приписывают лавры изобретателя телескопа именно Липперсгею, который представил в 1608 году на суд Гаагского патентного учреждения свое изобретение, состоящее из трубки и вставленных внутрь нее двух линз.
Однако изобретение не было зарегистрировано, так как судьи решили, что его конструкция чересчур проста и не несет ничего нового.
Впрочем, прообраз рефлекторного телескопа, состоящего из вогнутой зеркальной поверхности и выпуклой линзы, был придуман за полтораста лет до него астрономом Томасом Диггесом. Это изобретение не было доработано до конца и поэтому надолго осталось забытым.
Телескоп Галилео Галилея
Первый настоящий телескоп был изготовлен в 1609 году итальянским математиком и астрономом Галилео Галилеем. Это была труба со вставленными внутрь оптическими очковыми линзами, комбинация которых давала увеличение до 30 раз.
Телескоп Галилея дал возможность совершенно нового подхода к изучению астрономических объектов. С его помощью гениальный итальянец открыл кратеры и горы Луны, кольцо Сатурна, а также открыл и описал четыре самых крупных спутника Юпитера и многие другие астрономические объекты.
С точки зрения современной науки телескоп Галилея – это простейший оптический прибор, какими в наше время пользуются только начинающие астрономы-любители. Однако на то время это был единственный действительно работоспособный телескоп, который позволял изучать небесные тела в недоступных человеческому глазу подробностях.
Неудивительно, что XVII столетие стало веком великих астрономических открытий, задавших науке о звездах то направление, по которому она движется вплоть до сегодняшнего дня.
МОСКВА, 22 дек — РИА Новости. Юрий Ковалев, научный координатор проекта "РадиоАстрон", заведующий лабораториями в ФИАН и МФТИ, и Дмитрий Литвинов из МГУ имени М. В. Ломоносова рассказали о том, как российская космическая обсерватория "Спектр-Р" помогает проверять теорию относительности Эйнштейна и меняет представления об устройстве Вселенной, а также поделились секретами, как им удалось превратить облако газа в космосе в гигантский телескоп.
"Радиоастрон" получил рекордно четкие снимки "плевка" черной дыры Российская наземно-космическая обсерватория "Радиоастрон" получила первые детальные данные по структуре "плевка" сверхмассивной черной дыры в центре галактики NGC 1275, которые помогут ученым понять, как черные дыры пережевывают и выплевывают материю, заявил заведующий лабораторией Астрокосмического центра ФИАН Юрий Ковалев.Радиотелескоп "Спектр-Р", запущенный в космос в июле 2011 года, можно назвать самой успешной космической научной обсерваторией России. Это ключевая часть уникального наземно-космического интерферометра "РадиоАстрон", в составе которого, помимо российского спутника, работают еще десятки наземных радиотелескопов как в России, так и в других странах Европы и Азии, а также в США, ЮАР и Австралии.
Пока "РадиоАстрон" остается единственным наземно-космическим комплексом, работающим по принципу радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, пионером которой является академик Николай Кардашев, руководитель "РадиоАстрона", директор Астрокосмического центра ФИАН и один из основоположников радиоастрономии.
Если говорить об этой технике наблюдений в самом общем виде, то можно отметить, что она позволяет объединить радиотелескопы, разнесенные на большие расстояния, в одну гигантскую виртуальную антенну. Для сборки антенны нужны три составляющие — синхронизация телескопов с точностью атомных часов, мощный суперкомпьютер, способный объединять сигналы, и точные данные о расстояниях между элементами антенны.
Эта методика ведения наблюдений обеспечила "РадиоАстрону" необычное ненаучное достижение — он попал в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой космический радиотелескоп.
Градусник для черной дыры
Список же чисто научных достижений "РадиоАстрона" гораздо больше. Среди прочего в нем есть и открытия, которые в ближайшее время могут полностью поменять представления о том, как возникают и живут галактики и как работают самые беспокойные и большие их обитатели — сверхмассивные черные дыры.
Еще в 2013 году Юрий Ковалев и его коллеги заметили необычные аномалии во время первых наблюдений за так называемыми джетами — выбросами далеких черных дыр, которые те разгоняют до околосветовых скоростей. Ученые обнаружили, что они разогреты до температуры более 10 триллионов градусов Кельвина, а это превышает теоретический предел примерно в сто раз.
© Фото: страница Юрия Ковалева в Facebook Юрий Ковалев, научный координатор проекта "Радиоастрон"
© Фото: страница Юрия Ковалева в Facebook
В последующие три года эти аномалии в поведении джетов никуда не исчезли. Современные теории, описывающие формирование выбросов и роль в этом мощнейших магнитных полей, соседствующих с черной дырой, не могут объяснить, что происходит в реальности.
"Наше понимание того, какое место занимают черные дыры в жизни Вселенной, стало более комплексным. Черные дыры в центрах галактик являются основой машины, которая заставляет квазары вырабатывать мощные выбросы плазмы. Черная дыра отвечает за решение двух задач — формирование этих выбросов и их ускорение. Данные, полученные нами при помощи "РадиоАстрона", говорят о том, что эта машина должна более эффективно ускорять вещество, которое выбрасывается за пределы галактик, чем предсказывала теория", — пояснил ученый.
Как именно это происходит, пока до конца не ясно. Российские астрономы проверяют три гипотезы. Одна связана с процессами магнитного пересоединения в выбросах, другая — с экстремальным релятивистским усилением излучения, третья требует эффективного ускорения протонов в окрестностях черной дыры до скорости света.
За пределами теорий
В первом случае, как отмечает астроном, аномально яркое излучение джетов порождается процессом, похожим на то, как возникают мощные вспышки и выбросы корональной материи на Солнце. Во время таких катаклизмов силовые линии магнитного поля разрываются и выделяется огромное количество энергии, разгоняющей частицы до сверхвысоких скоростей и заставляющей их излучать свет.
Если это так, то в основании джета должно быть множество подобных точек "разрыва линий", которые Ковалев и его коллеги пытаются найти, наблюдая за квазарами при помощи самых мощных комбинаций антенн "РадиоАстрона". Если им удастся найти следы этих вспышек в поляризованном свете, то загадка сверхъярких джетов черных дыр будет решена.
В противном случае, отмечает исследователь, если все излучение джетов порождается одним источником, физикам-теоретикам придется придумать механизм, позволяющий разгонять частицы до столь высоких энергий и скоростей, о которых говорят данные наблюдений с "РадиоАстрона".
"По одной из общепринятых сегодня теорий в рождении джетов и ускорении их материи замешаны мощнейшие магнитные поля. В принципе, этот факт подтверждается как наблюдениями за поляризацией излучения джетов на телескопах VLA и ALMA, так и нашими собственными данными. Сейчас мы предполагаем, что открытые нами аномалии в температуре выбросов можно объяснить тем, что излучение джетов порождают не только электроны, но и протоны, разогнанные до околосветовых скоростей", — рассказывает Ковалев.
Российские ученые и их иностранные партнеры, по словам астрофизика, активно пытаются найти ответ на этот вопрос, замеряя силу магнитных полей и пытаясь рассмотреть структуру "ножки" джета. Эти наблюдения, как отметил исследователь, ведутся научной группой проекта не только на "РадиоАстроне", но и на наземном интерферометре Event Horizon Telescope, а также на микроволновой обсерватории ALMA.
"Основная надежда на получение положительного или отрицательного ответа — данные с ALMA по силе магнитных полей в окрестностях сверхмассивных черных дыр. Их присутствие или отсутствие покажет, могут ли протоны ускоряться до необходимых энергий и скоростей. Если мы их обнаружим, то теоретикам придется серьезно подумать, как объяснить такой эффективный разгон", — добавляет ученый.
Вселенский микроскоп
Еще задолго до отправки обсерватории "РадиоАстрон" в космос Николай Кардашев задумал даже более дерзкий проект — межзвездный интерферометр. Одна из его частей — облака межзвездной плазмы, преломляющие и рассеивающие радиоволны от источника, которые затем интерферируют в точке приема.
"Парадоксально, но по результатам наблюдений "РадиоАстрона" оказалось, что для реализации такого межзвездного интерферометра достаточно даже одного большого наземного телескопа. Наши коллеги из Канады и группа Михаила Попова из ФИАН использовали такую систему и провели анализ по данным из нашей программы наблюдений. Они смогли измерить расстояние между областями, откуда исходят пучки радиоволн, выбрасываемые пульсаром в импульсах и контримпульсах. Это излучение исходит от противоположных магнитных полюсов нейтронной звезды", − рассказывает Ковалев.
Как отмечает астрофизик, ученые давно спорили о том, где именно зарождаются импульсы радиоизлучения, которые вырабатывают подобные нейтронные звезды. Некоторые астрофизики полагают, что они возникают у самой поверхности пульсаров, другие — что они рождаются в магнитосфере этих мертвых звезд на довольно большой высоте от поверхности, у так называемого светового цилиндра.
© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина, Depositphotos
© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина, Depositphotos
Проверить эти теории раньше было практически невозможно. Диаметр типичной нейтронной звезды — примерно 20 километров, а размер светового цилиндра — несколько тысяч километров. Но такой размер невозможно рассмотреть даже при помощи самых мощных обсерваторий, включая "РадиоАстрон". Эту задачу помогло решить облако межзвездной плазмы, в котором преломились, как в огромной линзе, радиолучи, вырабатываемые одним из самых знаменитых пульсаров — нейтронной звездой PSR B0531+21, расположенной в Крабовидной туманности.
Как показали замеры, пучки радиоволн возникают как раз у самого светового цилиндра, на границе магнитосферы нейтронной звезды. Это позволило российским астрономам и их канадским коллегам решить одну из загадок космоса, о которой астрофизики ожесточенно спорили уже несколько десятков лет.
Космический часовщик
Другой уникальный проект, который реализовал "РадиоАстрон", — изучение влияния силы притяжения на течение времени. Подобный опыт уже проводило НАСА, однако для российских ученых эта проверка стала первой.
"Влияние гравитации на скорость хода часов — завораживающий феномен. Оказывается, вблизи планеты, звезды или черной дыры, вообще рядом с любым массивным телом время замедляется. Черная дыра — особенно интересный случай: вблизи нее время течет не просто медленно, а бесконечно медленно. Но уже и в земных условиях влияние гравитации на скорость хода часов можно обнаружить", — объясняет Дмитрий Литвинов из Московского государственного университета, член гравитационной группы проекта.
При помощи сверхточных атомных часов, созданных российскими учеными из Нижнего Новгорода для синхронизации работы "РадиоАстрона" с наземными станциями слежения и телескопами, Литвинов и его коллеги уже несколько лет проверяют один из краеугольных камней теории относительности, увязывающей притяжение с тем, как быстро течет время в тех или иных точках пространства.
Такие опыты уже проводились более сорока лет назад на борту зонда Gravity Probe A, а сейчас — на паре зондов системы Galileo, вышедших на неправильные орбиты из-за ошибок при запуске "Союза-СТБ" в августе 2014 года. Пока все три спутника, как отмечает Литвинов, указывают на справедливость выкладок Эйнштейна, однако это не останавливает ученых от повторных проверок.
"Почему же сегодня возникли сомнения в правильности формулы Эйнштейна? Дело в том, что многие физики уверены в том, что теория тяготения Эйнштейна не является абсолютно точной. Попросту говоря, формулы, которым подчиняется гравитация, немного отличаются от формул Эйнштейна. Основной недостаток общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что она является классической, то есть неквантовой теорией", — рассказывает ученый.
Как отмечает Литвинов, почти все попытки "проквантовать" гравитацию и объединить ее с другими фундаментальными взаимодействиями, сформулированные в последние десятилетия, требуют корректировки общей теории относительности и того, как она описывает феномен гравитационного замедления времени. Любые отклонения, которые мог бы зафиксировать "Спектр-Р" и другие зонды, могут подсказать ученым, где стоит искать замену выкладкам Эйнштейна.
"Уже сейчас можно говорить, что наш эксперимент дает независимую проверку теории гравитации Эйнштейна, вернее эйнштейновского принципа эквивалентности, примерно с той же точностью, что Gravity Probe A, — около 0,01%. Нам еще предстоит много работы, и основная часть данных ожидает анализа. Мы рассчитываем, что в итоге сможем улучшить точность измерения в 10 раз, и если повезет, то и обнаружить отклонение от формулы Эйнштейна", — подытожил Литвинов.
Увидеть тень невидимки
Как отметил Ковалев, спрогнозировать срок жизни "Спектра-Р" довольно сложно: сейчас телескоп находится в хорошем состоянии, но деградация из-за космического излучения неизбежна, немало блоков спутника пришлось заменить запасными. Если хотя бы один из ключевых модулей выйдет из строя, возможности телескопа могут быть ограничены. "Недавно мы исчерпали запасы водорода, которые использовались в стандарте частоты, и нам пришлось перейти на запасной режим синхронизации", — пояснил астрофизик.
С другой стороны, "Спектр-Р" не испытывает проблем с традиционным больным местом многих других космических миссий — запасами топлива. Как отмечает Ковалев, в баках спутника сейчас остается около 70% от изначального объема, поэтому зонд без труда сможет пережить очередную коррекцию орбиты, если она понадобится.
С финансовой точки зрения "Роскосмос" будет поддерживать работу спутника до конца 2019 года, после чего примет решение либо об очередном продлении, либо о завершении миссии. Интерес к "РадиоАстрону" со стороны ученых, как отметил Ковалев, продолжает расти — есть надежда, что космический телескоп проработает максимально долго, что позволит изучить самые интересные объекты Вселенной с рекордно высоким разрешением. По его словам, 22 декабря руководство миссии объявит о начале приема научных заявок на наблюдения "РадиоАстрона" в рамках очередного годового цикла: с июля 2018-го до июня 2019 года.
"Мы хотели бы увидеть центр нашей Галактики при помощи "РадиоАстрона" и тень черной дыры, которая там находится. Это очень тяжелая задача — мы провели наблюдения на самой короткой длине волны в 1,3 сантиметра в сотрудничестве со многими наземными телескопами, и даже в этом случае он остается невидимым для нас. Мы надеемся, что открытый "РадиоАстроном" новый эффект — субструктура рассеивания радиоволн — поможет восстановить карту самого центра Галактики при использовании алгоритмов восстановления изображений, которые мы сейчас разрабатываем", — заключил ученый.
Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Известно, что еще древние употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас и легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бэкон, один из наиболее замечательных ученых и мыслителей XIII века, в одном из своих трактатов утверждал, что он изобрел такую комбинацию линз, с помощью которой отдаленные предметы при рассматривании их кажутся близкими.
Так ли это было в действительности - неизвестно. Бесспорно, однако, что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении подзорной трубы заявили три оптика - Липперсгей, Мециус и Янсен. Рассказывают, что будто бы дети одного из оптиков, играя с линзами, случайно расположили две из них так, что далекая колокольня вдруг показалась близкой. Как бы там ни было, к концу 1608 года первые подзорные трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических инструментах быстро распространились по Европе.
В Падуе в это время уже пользовался широкой известностью Галилео Галилей, профессор местного университета, красноречивый оратор и страстный сторонник учения Коперника. Услышав о новом оптическом инструменте, Галилей решил собственноручно построить подзорную трубу. Сам он рассказывает об этом так:
«Месяцев десять тому назад стало известно, что некий фламандец построил перспективу, при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они находятся вблизи. Это и было причиной, по которой я обратился к изысканию оснований и средств для изобретения сходного инструмента. Вскоре после этого, опираясь на учение о преломлении, я постиг суть дела и сначала изготовил свинцовую трубу, на концах которой я поместил два оптических стекла, оба плоских с одной стороны, с другой стороны одно стекло выпукло-сферическое, другое вогнутое».
Этот первенец телескопической техники давал увеличение всего в три раза. Позже Галилею удалось построить более совершенный инструмент, увеличивающий в 30 раз. И тогда, как пишет Галилей, «оставив дела земные, я обратился к небесным».
7 января 1610 года навсегда останется памятной датой в истории человечества. Вечером этого дня Галилей впервые направил построенный им телескоп) на небо. Он увидел то, что предвидеть заранее было невозможно. Луна, испещренная горами и долинами, оказалась миром, сходным хотя бы по рельефу с Землей. Планета Юпитер предстала перед глазами изумленного Галилея крошечным диском, вокруг которого обращались четыре необычные звездочки - его спутники. Картина эта в миниатюре напоминала Солнечную систему по представлениям Коперника. При наблюдениях в телескоп планета Венера оказалась похожей на маленькую Луну. Она меняла свои фазы, что свидетельствовало о ее обращении вокруг Солнца. На самом Солнце (закрыв глаза темным стеклом) Галилей увидел черные пятна, опровергнув тем самым общепринятое учение Аристотеля о «неприкосновенной чистоте небес». Эти пятна смещались по отношению к краю Солнца, из чего Галилей сделал правильный вывод о вращении Солнца вокруг оси.
В темные прозрачные ночи в поле зрения галилеевского телескопа было видно множество звезд, недоступных невооруженному глазу. Некоторые туманные пятна на ночном небе оказались скопищами слабо светящихся звезд. Великим собранием скученно расположенных звездочек оказался и Млечный Путь - беловатая, слабо светящаяся полоса, опоясывающая все небо.
Несовершенство первого телескопа помешало Галилею рассмотреть кольцо Сатурна.
Рис. 11. Телескопы Галилея.
Вместо кольца он увидел по обе стороны Сатурна два каких-то странных придатка и в своем «Звездном вестнике» - дневнике наблюдений - Галилеи был вынужден записать, что «высочайшую планету» (то есть Сатурн) он «тройною наблюдал».
Открытия Галилея положили начало телескопической астрономии. Но его телескопы (рис. 11), утвердившие, окончательно новое коперниканское мировоззрение, были очень несовершенны. Уже при жизни Галилея им на смену пришли телескопы несколько иного типа. Изобретателем нового инструмента был уже знакомый нам Иоганн Кеплер. В 1611 году в трактате «Диоптрика» Кеплер дал описание телескопа, состоящего из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер, будучи типичным астрономом-теоретиком, ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым, кто построил такой телескоп и употребил его для астрономических целей, был иезуит Шейнер, оппонент Галилея в их горячих спорах о природе солнечных пятен.
Рассмотрим оптические схемы и принцип действия галилеевского и кеплеровского телескопов . Линза А, обращенная к объекту наблюдения, называется объективом, а та линза В , к которой прикладывает свой глаз наблюдатель - окуляром. Если линза толще посередине, чем на краях, она называется собирательной или положительной, в противном случае - рассеивающей или отрицательной. Заметим, что в телескопе самого Галилея объективом служила плоско-выпуклая линза, а окуляром - плоско-вогнутая. По существу, галилеевский телескоп был прообразом современного театрального бинокля, в котором используются двояковыпуклые и двояковогнутые линзы. В телескопе Кеплера и объектив и окуляр были положительными двояковыпуклыми линзами.
Рис. 12. Галилеевский (вверху) и кемеровский телескопы (схема)
Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется оптической осью линзы. Если на такую линзу падают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием. Нетрудно сообразить, что чем больше кривизна поверхностей собирательной линзы, тем меньше ее фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.
Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Падающий на них параллельно оптической оси пучок света они рассеивают и в фокусе такой линзы сходятся не сами лучи, а их продолжения. Потому рассеивающие линзы имеют, как говорят, мнимый фокус и дают мнимое изображение.
На рис. 12 показан ход лучей в галилеевском телескопе. Так как небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то изображения их получаются в фокальной плоскости, то есть в плоскости, проходящей через фокус F и перпендикулярной к оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение MN.
Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле зрения - так называют угловой поперечник кружка неба, видимого в телескоп. Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его Галилею было очень трудно. По той же причине галилеевские телескопы после смерти их изобретателя в астрономии не употреблялись и их реликтом можно считать современные театральные бинокли.
В кеплеровском телескопе (см. рис. 12) изображение CD получается действительное, увеличенное и перевернутое. Последнее обстоятельство, неудобное при наблюдениях земных предметов, в астрономии несущественно - ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому небесные тела не могут быть повернутыми телескопом «вверх ногами».
Первое из двух главных преимуществ телескопа - это увеличение угла зрения, под которым мы видим небесные объекты. Как уже говорилось, человеческий глаз способен в отдельности различать две части предмета, если угловое расстояние между ними не меньше одной минуты дуги. Поэтому, например, на Луне невооруженный глаз различает лишь крупные детали, поперечник которых превышает 100 км. В благоприятных условиях, когда Солнце затянуто облачной дымкой, на его поверхности удается рассмотреть самые крупные из солнечных пятен. Никаких других подробностей невооруженный глаз на небесных телах не видит. Телескопы же увеличивают угол зрения в десятки и сотни раз.
Второе преимущество телескопа по сравнению с глазом заключается в том, что телескоп собирает гораздо больше света, чем зрачок человеческого глаза, имеющий даже в полной темноте диаметр не больше 8 мм. Очевидно, что количество света, собираемого телескопом, во столько раз больше того количества, которое собирает глаз, во сколько площадь объектива больше площади зрачка. Иначе говоря, это отношение равно отношению квадратов диаметров объектива и зрачка.
Собранный телескопом свет выходит из его окуляра концентрированным световым пучком. Наименьшее его сечение называется выходным зрачком . В сущности, выходной зрачок - это изображение объектива, создаваемое окуляром. Можно доказать, что увеличение телескопа (то есть увеличение угла зрения по сравнению с невооруженным глазом) равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, увеличивая фокусное расстояние объектива и уменьшая фокусное расстояние окуляра, можно достичь любых увеличений. Теоретически это так, но практически все выглядит иначе. Во-первых, чем больше употребляемое в телескопе увеличение, тем меньше его поле зрения. Во-вторых, с ростом увеличения становятся все заметнее движения воздуха. Неоднородные воздушные струи размазывают, портят изображение и иногда то, что видно при малых увеличениях, пропадает для больших. Наконец, чем больше увеличение, тем бледнее, тусклее изображение небесного светила (например, Луны). Иначе говоря, с ростом увеличения хотя и видно больше подробностей на Луне, Солнце и планетах, но зато уменьшается поверхностная яркость их изображений. Есть и другие препятствия, мешающие применять очень большие увеличения (например, в тысячи и в десятки тысяч раз). Приходится искать некоторый оптимум и потому даже в современных телескопах, как правило, наибольшие увеличения не превосходят нескольких сотен раз.
При создании телескопов со времен Галилея придерживаются следующего правила: выходной зрачок телескопа не должен быть больше выходного зрачка наблюдателя. Легко сообразить, что в противном случае часть света, собранного объективом, будет напрасно потеряна. Очень важной величиной, характеризующей объектив телескопа, является его относительное отверстие, то есть отношение диаметра объектива телескопа к его фокусному расстоянию. Светосилой объектива называется квадрат относительного отверстия телескопа. Чем «светосильнее» телескоп, то есть чем больше светосила его объектива, тем более яркие изображения объектов он дает. Количество же света, собираемого телескопом, зависит лишь от диаметра его объектива (но не от светосилы!). Из-за явления, именуемого в оптике дифракцией, при наблюдениях в телескопы яркие звезды кажутся небольшими дисками, окруженными несколькими концентрическими радужными кольцами. Разумеется, к настоящим дискам звезд дифракционные диски никакого отношения не имеют.
В заключение сообщим читателю основные технические данные о первых галилеевских телескопах. Меньший из них имел диаметр объектива 4 см при фокусном расстоянии 50 см (его относительное отверстие было равно 4/50 = 0,08). Он увеличивал угол зрения всего в три раза. Второй, более совершенный телескоп, с помощью которого Галилей совершил свои великие открытия, имел объектив диаметром 4,5 см при фокусном расстоянии 125 см и давал увеличение в 34 раза. При наблюдениях в этот телескоп Галилей различал звезды до 8-й звездной величины, то есть в 6,25 раз более слабые, чем те, которые еле видит на ночном небе невооруженный глаз.
Таково было скромное начало развернувшегося позже «чемпионата» телескопов - длительной борьбы за усовершенствование этих главных астрономических инструментов.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Любой человек, который когда-либо интересовался астрономией, знает, что телескоп - это прибор, предназначенный для наблюдения небесных светил. В частности, под телескопом понимается оптическая телескопическая система, применяемая не обязательно для астрономических целей.
Существуют телескопы для всех диапазонов электромагнитного спектра: оптические телескопы, радиотелескопы, рентгеновские телескопы, гамма-телескопы. Кроме того, детекторы нейтрино часто называют нейтринными телескопами. Также, телескопами могут называть детекторы гравитационных волн.
Оптические телескопические системы используют в астрономии (для наблюдения за небесными светилами), в оптике для различных вспомогательных целей: например, для изменения расходимости лазерного излучения. Также, телескоп может использоваться в качестве зрительной трубы, для решения задач наблюдения за удалёнными объектами.
Первые шаги
Самые первые чертежи простейшего линзового телескопа были обнаружены в записях Леонардо Да Винчи датируемых 1509-м годом. Сохранилась его запись: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну» («Атлантический кодекс»). В последнее время изобретение первого телескопа приписывают Гансу Липпершлею из Голландии. Но мало кто знает, что задолго до него Томас Диггес, астроном, который в 1450 году попытался увеличить звезды с помощью выпуклой линзы и вогнутого зеркала.
Однако у него не хватило терпения доработать устройство, и полу-изобретение вскоре было благополучно забыто. Сегодня Диггеса помнят за описание гелиоцентрической системы. Скорее всего, заслуга Липпершлея состоит в том, что он первый сделал новый прибор телескоп популярным и востребованным. А также именно он подал в 1608 году заявку на патент на пару линз, размещенный в трубке. Он назвал устройство подзорной трубой. Однако его патент был отклонен, поскольку его устройство показалось слишком простым.
К концу 1609 года небольшие подзорные трубы, благодаря Липпершлею, стали распространены по всей Франции и Италии. В августе 1609 года Томас Харриот доработал и усовершенствовал изобретение, что позволило астрономам рассмотреть кратеры и горы на Луне.
Время перемен.
Большой прорыв произошел, когда итальянский математик Галилео Галилей узнал о попытке голландца запатентовать линзовую трубу. Вдохновленный открытием, Галлей решил сделать такой прибор для себя. В августе 1609 года именно Галилео изготовил первый в мире полноценный телескоп.Купили Солар фильтр посмотреть на Солнце как в ролике НАСА, Ничего там нет, а Земля Плоская.mp4
Сначала, это была всего лишь зрительная труба - комбинация очковых линз, сегодня бы ее назвали рефрактор. До Галилео, скорее всего, мало кто догадался использовать на пользу астрономии эту развлекательную трубку. Благодаря прибору, сам Галилей открыл горы и кратеры на Луне, доказал сферичность Луны, открыл четыре спутника Юпитера, кольца Сатурна и сделал множество других полезных открытий.
Сегодняшнему человеку телескоп Галилео не покажется особенным, любой десятилетний ребенок может легко собрать гораздо лучший прибор с использованием современных линз. Но телескоп Галилео был единственным реальным работоспособным телескопом на тот день с 20-кртным увеличением, но с маленьким полем зрения, немного размытым изображением и другими недостатками. Именно Галилео открыл век рефрактора в астрономии -- 17 век.
Время и развитие науки позволяло создавать более мощные телескопы, которые давали видеть много больше. Астрономы начали использовать объективы с большим фокусным расстоянием. .
Сами телескопы превратились в большие неподъемные трубы по размеру и, конечно, были не удобны в использовании. Тогда для них изобрели штативы. Телескопы постепенно улучшали, дорабатывали. Однако его максимальный диаметр не превышал нескольких сантиметров -- не удавалось изготавливать линзы большого размера.
К 1656 году Христиан Гюйенс сделал телескоп, увеличивающий в 100 раз наблюдаемые объекты, размер его был более 7 метров, апертура около 150 мм. Этот телескоп уже относят к уровню сегодняшних любительских телескопов для начинающих. К 1670-х годам был построен уже 45-метровый телескоп, который еще больше увеличивал объекты и давал больший угол зрения.
Но даже обычный ветер мог служить препятствием для получения четкого и качественного изображения. Телескоп стал расти в длину. Первооткрыватели, пытаясь выжать максимум из этого прибора, опирались на открытый ими оптический закон -- уменьшение хроматической аберрации линзы происходит с увеличением ее фокусного расстояния. Чтобы убрать хроматические помехи, исследователи делали телескопы самой невероятной длины. Эти трубы, которые назвали тогда телескопами, достигали 70 метров в длину и доставляли множество неудобств при работе с ними и настройке их. Недостатки рефракторов заставили великие умы искать решения к улучшению телескопов. Ответ и новый способ был найден: собирание и фокусировке лучей стала производиться с помощью вогнутого зеркала. Рефрактор переродился в рефлектор, полностью освободившийся от хроматизма.
Заслуга эта целиком и полностью принадлежит Исааку Ньютону, именно он сумел дать новую жизнь телескопам с помощью зеркала. Его первый рефлектор имел диаметр всего четыре сантиметра. А первое зеркало для телескопа диаметром 30 мм он сделал из сплава меди, олова и мышьяка в 1704 году. Изображение стало четким. Кстати, его первый телескоп до сих пор бережно хранится в астрономическом музее Лондона.
Но еще долгое время оптикам никак не удавалось делать полноценные зеркала для рефлекторов.
Прорыв в телескопостроении
Годом рождения нового типа телескопа принято считать 1720 год, когда англичане построили первый функциональный рефлектор диаметром в 15 сантиметров. Это был прорыв. В Европе появился спрос на удобоносимые, почти компактные телескопы в два метра длиной. О 40-метровых трубах рефракторов стали забывать.
Двухзеркальная система в телескопе предложена французом Кассегреном. Реализовать свою идею в полной мере Кассегрен не смог из-за отсутствия технической возможности изобретения нужных зеркал, но сегодня его чертежи реализованы. Именно телескопы Ньютона и Кассегрена считаются первыми «современными» телескопами, изобретенными в конце 19 века. Кстати, космический телескоп Хаббл работает как раз по принципу телескопа Кассегрена.
А фундаментальный принцип Ньютона с применением одного вогнутого зеркала использовался в Специальной астрофизической обсерватории в России с 1974 года. Расцвет рефракторной астрономии произошел в 19 веке, тогда диаметр ахроматических объективов постепенно рос. Если в 1824 году диаметр был еще 24 сантиметра, то в 1866 году его размер вырос вдвое, в 1885 году диаметр стал составлять 76 сантиметров (Пулковская обсерватория в России), в к 1897 году изобретен йеркский рефрактор. Можно посчитать, что за 75 лет линзовый объектив увеличивался со скоростью одного сантиметра в год.
К концу 18 века компактные удобные телескопы пришли на замену громоздким рефлекторам. Металлические зеркала тоже оказались не слишком практичны - дорогие в производстве, а также тускнеющие от времени. К 1758 году с изобретением двух новых сортов стекла: легкого - крон и тяжелого - флинта, появилась возможность создания двухлинзовых объективов. Чем благополучно и воспользовался ученый Дж. Доллонд, который изготовил двухлинзовый объектив, впоследствии названный доллондовым.
После изобретения ахроматических объективов победа рефрактора была абсолютная, оставалось лишь улучшать линзовые телескопы. О вогнутых зеркалах забыли. Возродить их к жизни удалось руками астрономов-любителей. Вильям Гершель, английский музыкант, в 1781 году открывший планету Уран. Его открытию не было равных в астрономии с глубокой древности. Причем Уран был открыт с помощью небольшого самодельного рефлектора. Успех побудил Гершеля начать изготовление рефлекторов большего размера. Гершель собственноручно в мастерской сплавлял зеркала из меди и олова. Главный труд его жизни - большой телескоп с зеркалом диаметром 122 см. Это диаметр его самого большого телескопа. Открытия не заставили себя ждать, благодаря этому телескопу, Гершель открыл шестой и седьмой спутники планеты Сатурн.
Другой, ставший не менее известным, астроном-любитель английский землевладелец лорд Росс изобрел рефлектор с зеркалом с диаметром в 182 сантиметра. Благодаря телескопу, он открыл ряд неизвестных спиральных туманностей. Телескопы Гершеля и Росса обладали множеством недостатков. Объективы из зеркального металла оказались слишком тяжелыми, отражали лишь малую часть падающего на них света и тускнели. Требовался новый совершенный материал для зеркал. Этим материалом оказалось стекло. Французский физик Леон Фуко в 1856 году попробовал вставить в рефлектор зеркалом из посеребренного стекла. И опыт удался. Уже в 90-х годах астроном-любитель из Англии построил рефлектор для фотографических наблюдений со стеклянным зеркалом в 152 сантиметра в диаметре. Очередной прорыв в телескопостроении был очевиден.
Этот прорыв не обошелся без участия русских ученых. Я.В. Брюс прославился разработкой специальных металлических зеркал для телескопов. Ломоносов и Гершель, независимо друг от друга, изобрели совершенно новую конструкцию телескопа, в которой главное зеркало наклоняется без вторичного, тем самым уменьшая потери света.
Немецкий оптик Фраунгофер поставил на конвейер производство и качество линз. И сегодня в Тартуской обсерватории стоит телескоп с целой, работающей линзой Фраунгофера. Но рефракторы немецкого оптика также были не без изъяна - хроматизма.
Телескопы-гиганты
Лишь к концу 19 века изобрели новый метод производства линз. Стеклянные поверхности начали обрабатывать серебряной пленкой, которую наносили на стеклянное зеркало путем воздействия виноградного сахара на соли азотнокислого серебра.
Эти принципиально новые линзы отражали до 95% света, в отличие от старинных бронзовых линз, отражавших всего 60% света. Л. Фуко создал рефлекторы с параболическими зеркалами, меняя форму поверхности зеркал. В конце 19 века Кросслей, астроном-любитель, обратил свое внимание на алюминиевые зеркала.
Купленное им вогнутое стеклянное параболическое зеркало диаметром 91 см сразу было вставлено в телескоп. Сегодня телескопы с подобными громадными зеркалами устанавливаются в современных обсерваториях. В то время как рост рефрактора замедлился, разработка зеркального телескопа набирала обороты. С 1908 по 1935 года различные обсерватории мира соорудили более полутора десятков рефлекторов с объективом, превышающих йеркский. Самый большой телескоп установлен в обсерватории Моунт-Вильсон, его диаметр 256 сантиметров. И даже этот предел совсем скоро был превзойден вдвое. В Калифорнии смонтирован американский рефлектор-гигант, на сегодня его возраст более пятнадцати лет.
Более 30 лет назад в 1976 году ученые СССР построили 6-метровый телескоп БТА - Большой Телескоп Азимутальный. До конца 20 века БРА считался крупнейшим в мире телескопом Изобретатели БТА были новаторами в оригинальных технических решениях, таких как альт-азимутальная установка с компьютерным ведением. Сегодня это новшества применяются практически во всех телескопах-гигантах. В начале 21 века БТА оттеснили во второй десяток крупных телескопов мира. А постепенная деградация зеркала от времени - на сегодня его качество упало на 30% от первоначального - превращает его лишь в исторический памятник науке.
К новому поколению телескопов относятся два больших телескопа 10-метровых близнеца KECK I и KECK II для оптических инфракрасных наблюдений. Они были установлены в 1994 и 1996 году в США. Их собрали благодаря помощи фонда У. Кека, в честь которого они и названы. Он предоставил более 140 000 долларов на их строительство. Эти телескопы размером с восьмиэтажный дом и весом более 300 тонн каждый, но работают они с высочайшей точностью. Принцип работы - главное зеркало диаметром 10 метров, состоящее из 36 шестиугольных сегментов, работающих как одно отражательное зеркало. Установлены эти телескопы в одном из оптимальных на Земле мест для астрономических наблюдений - на Гаваях, на склоне потухшего вулкана Мануа Кеа высотой 4 200 метра.