Во все времена человек с благоговением смотрел на небо. Первым в 1609 году сквозь телескоп взглянул на звезды и начал вести полноценные астрономические наблюдения Галилео. По сегодняшним меркам его телескоп с диаметром объектива 45 миллиметров был очень слабым, но и он помог совершить ряд важнейших астрономических открытий.
Сегодня многие из нас с удовольствием всматриваются в чистое звездное небо, исследуя его сокровища. Но в отличие от Галилео, мы можем выбрать любой понравившийся нам телескоп из двух больших классов: рефракторов и рефлекторов. Рефракторы и рефлекторы основаны на разных физических принципах и имеют совершенно разное строение. Рефлекторы работают на отражение и используют вогнутое параболическое зеркало, называемое главным, в нижней части трубы для фокусировки излучения. По способу фокусирования света рефлекторы делятся на несколько групп.
Рефлектор системы Ньютона
Рефлектор системы Кассегрена
Рефракторы же основываются на явлении прохождения света, поэтому в их конструкции используются только линзовые системы. Свет поступает через большую линзу, называемую объективом, фокусируется внутри трубы и выходит через окуляр.
Схема рефрактора
Существуют также комбинированные зеркально-линзовые телескопы (менисковые телескопы).
Зеркально-линзовый телескоп Максутова
Рефракторы имеют перед рефлекторами значительное преимущество. В частности, оптическая система, заключенная в трубе рефрактора защищена от окружающей среды, зеркальные же системы открытые, поэтому за ними нужен более тщательный уход. Более того, поскольку в полости рефрактора отсутствует воздух, то воздушные потоки и колебания температуры не искажают изображение. Поэтому рефракторы дают более качественную картинку, чем рефлекторы с казалось бы аналогичными параметрами. Ну и, наконец, рефракторы считаются более надежными, долговечными и меньше разъюстируются. Единственным недостатком рефракторов, пожалуй, является их более высокая по сравнению с рефлекторами стоимость.
Но и у рефлекторов помимо невысокой стоимости есть несомненные достоинства. Они хорошо подходят для наблюдения объектов глубокого космоса (звезд, галактик и туманностей), тогда как рефракторы лучше приобретать для изучения объектов солнечной системы. Однако стоит помнить, что если вы соберетесь покупать рефлектор, то вам придется содержать его зеркала в идеальной частоте и довольно часто юстировать (настраивать). К тому же, рефлекторы достаточно громоздки и имеют меньшее ребро жесткости из-за особенностей конструкции, а значит, они плохо переносят перевозку.
Увеличение и, соответственно, стоимость любого телескопа определяется его апертурой, которая численно равна диаметру его объектива или главного зеркала в миллиметрах, поскольку именно от этих размеров зависит количество собранного излучения, а значит, и качество изображения. Чем больше апертура телескопа, тем больше его габаритные размеры и вес. Типичная апертура недорогих рефлекторов от 110 до 170 миллиметров, рефракторов от 60 до 130 миллиметров.
Конечно, можно пойти в магазин и купить самый большой и дорогой телескоп. Но разумнее сначала определиться, какого рода наблюдения вы будете вести и где, на балконе или на загородной даче. Какие у вас условия транспортировки. Ну и, наконец, какой у вас опыт обращения с телескопами, ведь чем больше телескоп, тем сложнее его юстировать, наводить на объекты, и тем он больше подвержен влиянию атмосферных явлений.
Оптические телескопы – очень важные астрономические инструменты. Несмотря на бурное развитие радиотелескопов, телескопы, работающие в видимом диапазоне (а также близких инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах), по-прежнему играют большую роль в исследовании ближнего и дальнего космоса. Этим объясняется огромное количество наземных обсерваторий. И названия самых известных из них не знает разве что малый ребенок.
Телескопы-близнецы Keck I и Keck II
Одни из самых больших и известных оптических (и инфракрасных) телескопов-рефлекторов близнецы Keck I и Keck II, расположены на Гавайях на горе Mauna Kea высоте 4.2 тысяч километров над уровнем моря. Вес каждого из них достигает почти трехсот тонн. Диаметр главных зеркал 10 метров, каждое состоит 36 шестиугольных сегментов. Стоимость телескопов оценивается в 140 миллионов долларов, Keck I начал работу в мае 1993 года, Keck II – в октябре 1996.
Телескопы могут часами следить за космическим объектом, что требует прецизионного движения зеркала. Несмотря на всевозможные технические ухищрения, главное зеркало все же искажается, поэтому наблюдения невозможны без компьютерной коррекции. Главные зеркала постоянно полируются и тестируются. Они настолько гладкие, что если увеличить их диаметр до диаметра земли, неровности их поверхности будут менее метра высотой. Каждый сегмент зеркала поддерживается системой с очень большой жесткостью, их деформация регулируется системами компьютерной коррекции. Точность такой коррекции, производимой дважды в секунду, измеряется нанометрами, что сравнимо с размерами нескольких молекул.
В телескопах Keck I и Keck II используется система адаптивной оптики, уменьшающей влияние турбулентности атмосферы. Ее сердцем является 15-сантиметровое деформируемое зеркало, способное менять свою кривизну до 670 раз в секунду. Это позволяет на порядок увеличить резкость картинки. Телескопы работают в видимом (300 – 1000 нм), близком инфракрасном (до 5000 нм) и среднем инфракрасном (до 27 мкм) диапазонах.
Телескоп Hobby-Eberly
Один из крупнейших оптических телескопов с эффективным диаметром главного зеркала 9,2 метра. Входит в состав Мак-Дональдской обсерватории (McDonald Observatory) на горе Фолкс (Техас, США) на высоте 2072м над уровнем моря. Главное зеркало телескопа состоит из 91 шестиугольного сегмента. Его ось всегда составляет 55 градусов с горизонтом, поэтому поворот может осуществляться только в горизонтальной плоскости. Такая конструкция позволяет наблюдать 70% неба. Стоимость телескопа около 13,5 миллионов долларов. Поскольку вертикальная ось телескопа фиксирована, то главное зеркало не столь сильно подвержено искажениям из-за гравитации. Благодаря этому нет необходимости использовать сложные системы компенсации.
Поскольку слежение за объектами требует движения телескопа не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости, что недоступно для Hobby-Eberly, была разработана уникальная технология, когда слежение ведет не сам телескоп, а 8-тонный модуль его приборов, находящихся на высоте 13 метров над зеркалом в главном фокусе. Слежение и фокусировка контролируются одной системой, модуль движется в шести направлениях, что достигается одновременной работой десяти двигателей.
Телескоп Hobby-Eberly работает в оптическом диапазоне, но изображений не дает, поскольку по сути является только спектроскопом.
Большой Бинокулярный Телескоп (Large Binocular Telescope - LBT)
Этот уникальный телескоп, расположенный в Аризоне, имеет два главных зеркала 8,4 метра каждое, разнесенных на 14,4 метра. Поворотные кронштейны позволяют вращать вторичные зеркала. Короткое фокусное расстояние первичных зеркал позволило сделать основание телескопа достаточно компактным, а значит повысить его жесткость.
Изображение, полученное при одновременной работе двух главных зеркал эквивалентно изображению, полученному с помощью 11,8-метрового главного зеркала. При одинаковом расположении зеркал можно получить дифракционно ограниченное изображение, эквивалентное полученному с использованием 22,8-метрового главного зеркала.
Для получения фокуса используются пара искривленных вторичных и пара третичных плоских зеркал. Они перемещаются с помощью поворотных кронштейнов, добиваясь наилучшего изображения. Блок основных инструментов телескопа находится в Т-образном модуле между главными зеркалами.
Возможности Большого бинокулярного телескопа впечатляют. Он позволяет получать:
- оптические изображения,
- оптические интерференционные картины,
- спектральный анализ видимого диапазона слабых объектов,
- спектральный анализ видимого диапазона высокого разрешения,
- изображения в инфракрасном диапазоне,
- спектральный анализ инфракрасного диапазона среднего разрешения,
- спектральный анализ ультрафиолетового диапазона.
Стоит отметить, что телескоп совсем молод, второе его зеркало начало работу только в этом году, и многое еще предстоит сделать. Поэтому удивительные открытия, которые может сделать Большой бинокулярный телескоп, нас только ожидают.
Гигантский Магелланов Телескоп (Giant Magellan Telescope)
Этот телескоп-монстр с предполагаемым диаметром главного зеркала 24,5 метра еще не достроен. Ожидается, что он будет построен в Las Campanas, Чили, и начнет работу в 2017 году.
Главное зеркало телескопа будет состоять из шести внеосевых сегментов, 8,4 метра в диаметре каждое, расположенных вокруг центрального, формируя эквивалентное 24,5-метровое боросиликатное зеркало.
Вторичное зеркало будет состоять из семи адаптивных зеркал. Вся конструкция смонтируется на С-кольцах с высокой жесткостью конструкции. Масса вращающегося модуля 1000 тонн. Цилиндрическая форма самой обсерватории сможет обеспечить наилучшую вентиляцию элементов телескопа.
Предполагается, что телескоп сможет делать съемку и проводить спектральный анализ в видимом, близкой и среднем инфракрасном диапазонах с разрешением, в 10 раз лучшим, чем позволяет получить космический телескоп Хаббл.
Обсерватория Magdalena Ridge Observatory
Состоит из 24-метрового телескопа и интерферометра, расположен в горах Мексики на высоте 3,2 километров. Телескоп начал свою работу в октябре 2006 года. Интерферометр будет состоять из десяти 1,4-метровых телескопов, расположенных на расстоянии 340 метров, и заработает в конце 2009 года. Предполагается, что разрешение изображений будет в 100 раз выше, чем у телескопа Хаббл.
Телескоп обладает высокой скоростью поворота (10 градусов в секунду), что позволяет ему следить за объектами, находящимися на низкой околоземной орбите и околоземными астероидами. Благодаря высокой скорости наведения с помощью него можно отслеживать такие кратковременные явления, как гамма-вспышки.
Строительство интерферометра начнется в этом году и будет закончено в конце 2009 года. Он будет работать в диапазоне длин волн от 0,6 до 2,4 мкм. Основные цели проекта: исследование процессов образования звезд и планет, процессов аккреции и потери массы звездой и изучение активных ядер галактик.
Очень Большой Телескоп (Very Large Telescope-VLT)
Очень Большой Телескоп состоит из четырех отдельных 8,2-метровых телескопов (диаметр эквивалентного зеркала 16 метров), названных Antu (an-too; Солнце), Kueyen (qua-yen; Луна), Melipal (me-li-pal; Южный Крест) и Yepun (ye-poon; Сириус), а также пяти мобильных вспомогательных телескопов. Находится этот комплекс в Паранальской обсерватории (Paranal Observatory) в пустыне Акатама (Atacama) в Чили - в самом сухом месте на планете.
С использованием адаптивной оптики максимально возможно разрешение составляет менее 0.2 угловых секунд дуги. Первого апреля Очень большому телескопу исполнилось 9 лет.
Экстремально Большой Телескоп (OverWhelmingly Large Telescope-OWL)
Успешное строительство Европейской Южной Обсерваторией (ESO) Очень большого телескопа было лишь ступенью к постройке новых систем контролируемой оптики – целого поколения оптических и инфракрасных гигантов.
Новый проект ESO, Экстремально большой телескоп будет иметь диаметр главного зеркала 100 метров, что позволит добиться максимального сбора излучения и предельного разрешения в тысячные доли угловой секунды.
Если быть более точным, то фактический диаметр телескопа еще не известен; минимально возможный диаметр 60 метров, максимальный – 130 метров. Время строительства телескопа тоже еще не определено, но известно, что в астрономии существует негласный закон больших телескопов: 1 год на 1 метр, хотя эта оценка весьма приблизительна. Однако все не так плохо – телескоп сможет работать в процессе надстройки сегментов зеркала. Когда площадь главного зеркала достигнет 25% от конечной, OWL сможет вести полноценные наблюдения. Таким образом, он вступит в строй за 3-4 года до окончания строительства. Стоимость OWL сегодня оценивается в 1,2 миллиардов евро.
Габариты телескопа навязывают исключительно модульную систему его конструкции с использованием повторяющихся элементов. Благодаря этому удастся снизить его стоимость и скорость сборки. Планируется, что работать незавершенный телескоп начнет 2017 году, а в 2021 году его строительство будет завершено.
Как и у телескопа Hobbby-Eberly, у OWL будет иметься плоское сегментированное вторичное зеркало, которое позволяет укоротить конструкцию телескопа. Главное зеркало будет состоять из 3048 шестиугольных идентичных 1,6-метровых сегментов. Из 1,6-метровых же 216 сегментов будет состоять и плоское вторичное зеркало. Все сегменты будут сконструированы из стеклокерамики или карбида кремния с низким коэффициентом термического расширения.
Сферическая аберрация будет компенсироваться четырехэлементным корректором, располагающимся в центре оптической системы. Он будет состоять из 2 гибких 8-метровых активных зеркал, а также из 4-метрового фокусирующего и 2,4-метрового плоского адаптивных зеркал. Особенностью OWL будет являться то, что вторичное зеркало не будет жестко крепиться по отношению к главному зеркалу, его допуск будет составлять около одного сантиметра.
Общая масса подвижной части телескопа составит 14800 тонн. Это немного, 100-метровый эквивалент обычных телескопов весил бы около миллиона тонн. Для основных поддерживающих кабелей будут использоваться композитные материалы. Телескоп будет смонтирован на фрикционных приводах, «катящихся» по стальным рельсам. Будет использоваться около 300 кареток для распределения нагрузки.
Открытая конструкция позволит снизить турбулентность воздушных потоков.
Располагаться новый телескоп скорее всего будет неподалеку от Очень большого телескопа в Чили или на Канарских островах.
OWL позволит наблюдать за формированием звездных систем не только в Млечном Пути, но и в некоторых ближайших галактиках. Мы сможем обнаружить планеты земного типа и, наконец, разрешить загадку темной материи.
Интересно, что первоначально название OWL переводилось как Экстремально Большой Телескоп (OverWhelmingly Large Telescope). Однако, если телескоп так и не дотянет до необходимых размеров, то его название будет трактоваться как Изначально Был Больше (Originally Was Larger).
Зеркальный массив с широкой апертурой (Large-Aperture Mirror Array - LAMA)
Уникальность этого не существующего пока телескопа будет состоять в использовании жидких зеркал, что позволит значительно снизить стоимость строительства телескопа.
Состоять он будет из массива 10-метровых телескопов на жидких ртутных зеркалах, собранных в компактную группу, общим диаметров 54 метра (эквивалентное зеркало 42 метра). Следящие вторичные зеркала и активная оптика позволят до нескольких минут непрерывно следить за звездными объектами. Для исследований доступно 6% неба в зените. Максимально возможное разрешение – несколько угловых миллисекунд. Наиболее вероятное расположение LAMA – в Чили или в Мексике.
Весь массив формирует интерферометр Физо (Fizeau interferometer). Входной зрачок захватывает 62% излучения, собранного главными зеркалами. Выходной зрачок системы находится в устройстве сведения и имеет конфигурацию входного. Это позволяет получать достаточно широкоугольные дифракционно ограниченные изображения.
Конструкция жидких зеркал схожа с конструкцией ртутного зеркала уже построенного в 2004 году Большого зенитного телескопа (The Large Zenith Telescope - LZT). Его диаметр 6 метров. По сути, зеркало представляет собой сосуд с ртутью, вращающийся вокруг вертикальной оси. Соответственно, чем выше скорость вращения ртути, тем больше кривизна формируемой параболы, что позволяет получить главное зеркало с переменным фокусом. Постройка LZT обошлась «всего» в 1 миллион долларов, тогда как стоимость обсерватории в 6-метровым обычным зеркалом была бы на два порядка выше. Основными недостатками ртутных телескопов является, безусловно, неподвижность главного жидкого зеркала, а также использование летучей и весьма опасной ртути.
Лунный Телескоп с жидким зеркалом (Lunar Liquid Mirror Telescope - LLMT)
Очередной амбициозный проект. Уникален не только огромным 100-метровым жидким зеркалом, но и постройкой на Луне, где нет атмосферы. Поскольку американцы собираются в недалеком будущем вернуться на Луну, то в NASA решили, что было бы неплохо построить там эффективный, но относительно недорогой телескоп. Этим требованиям удовлетворяет телескоп с жидким зеркалом. Он сможет собирать в 1736 раз больше излучения, чем знаменитый Хаббл.
Поскольку температура кристаллизации ртути -38° C, а на поверхности Луны -153° C, то в качестве жидкости главного зеркала будут использоваться ионные жидкости (ionic fluids), обладающие рядом замечательных свойств:
- стаются жидкими вплоть до температур -136°С;
- состоят из ионов;
- практически не испаряются;
- обладают высокой вязкостью.
Но, самое главное, ионные жидкости могут быть покрыты минералами, повышающими их отражательную способность. Одна из самых перспективных ионных жидкостей – 1-этил-3-метил-мидазол этилсульфат (1-ethyl-3-methyli-midazolium ethylsulphate), известный больше как ECOENG 212. Высокую отражательную способность ему придает покрытие серебром, и еще большую – двойное покрытие из хрома и серебра. Температура кристаллизации ECOENG 212 -98° C, поэтому ученые разрабатывают технологии понижения температуры кристаллизации жидкости еще хотя бы на 50 градусов.
Для LLMT также будет использоваться новая система поддержки главного зеркала. В Большом зенитном телескопе используются аэростатические подшипники. Но из-за отсутствия атмосферы на Луне для нового телескопа будут применены сверхпроводящие магнитные подшипники. Подобная технология применяется в устройствах с магнитной левитацией. Благодаря использованию магнитных полей достигается нулевое трение оси о паз.
Очередным достоинством жидкого зеркала является то, что его можно доставить на Луну в компактных емкостях и достаточно долго хранить. Конструкция телескопа будет доставлена в сложенном виде и развернется подобно зонтику. Однако для строительства LLMT непосредственное участие человека все же понадобится.
Передовой солнечный телескоп (Advanced Technology Solar Telescope - ATST)
Новый телескоп будет находиться в национальном парке Халикала (Haleakalā) на крупнейшем потухшем одноименном вулкане (остров Мауи, Гавайи). Он будет создан специально для наблюдений за Солнцем. Диаметр главного зеркала 4,24 метра, что позволит добиться максимально возможного разрешения 0,022 угловых секунды на длине волны 430 нм. Рабочий диапазон от 300 нм до 28 мкм.
ATST с прецизионной точностью позволит замерить магнитные поля Солнца. Оптическая система телескопа исключительно сложна и комплексна. Помимо систем адаптивной оптики (АО), она включает системы контроля волнового фронта (ВФ), интегральной поляриметрии и многочисленное постфокусное оборудование.
ATST внеосевой грегорианский телескоп. Главное менисковое параболическое зеркало диаметром 4,24 метра и толщиной 75 мм (М1). В главном фокусе рассеивается 97% от 13 КВт тепла, это ограничивает разрешающую способность телескопа до 5 угловых минут. Для эффективной работы системы адаптивной оптики потребуется 11 зеркал.
Начало работ запланировано на 2009 год. Ожидается, что ATST увидит свет в 2015 году и станет крупнейшим солнечным телескопом.
Рефрактор Йеркской обсерватории
Вы, наверное, заметили, что все крупнейшие телескопы мира являются рефлекторами. Это связано с тем, что качественные большие линзы дороги в производстве и крайне тяжелы, что ведет к деформации и ухудшению качества изображения. Поэтому рефракторы хороши в основном для любительской астрономии. Самый большой рефрактор мира принадлежит Йеркской обсерватории (США) и имеет диаметр объектива 102 см.
Фокусное расстояние телескопа 19 метров, что определяет длину трубы. Для съемки используются стеклянные фотопластинки 20 на 25 см. Они обладают столь высокой жесткостью, что не деформируются и через 100 лет. Это позволяет замерять относительное положение звездных объектов с точностью до 3 мкм, что соответствует разрешению 0,03 угловых секунды для классических рефлекторов.
Осталось сказать пару слов о российских оптических телескопах. Всего лишь пару, потому что и говорить особо не о чем. В 1976 году 2100-метровой горе Семиродники у станицы Зеленчукская (Сев. Кавказ, Россия) начал работать 6-метровый телескоп БТА (Большой телескоп азимутальный). Достаточно долгое время он оставался в крупнейшим в мире и был гордостью России. Он и сегодня остается крупнейшим телескопом, но, увы, только в России, а по мировым масштабам не входит и в десятку крупнейших телескопов. Являясь по-прежнему мощным оптическим инструментов, он постепенно деградирует, качество его зеркала ухудшилось на 30%, а новых крупных телескопов с 1976 года не появилось.
Строительство крупных телескопов исключительно дорого и основывается, как правило, на международной кооперации. Известно, что в 2012 году в Гималаях будет построен крупнейший в Азии телескоп с участием России и Бельгии. Диаметр главного зеркала 3,4 метра. Стоимость проекта около 20 млн евро, из которых Россия поделится одним миллионом евро.
