Методы и способы астрономических исследований

Обсерватория

Методы и способы астрономических исследований.

Сквозь толщу атмосферы к поверхности Земли доходит лишь видимый свет с длиной волн от 390 до 760 нм, радиоволны с длиной от 0,01 см к ЗО м и инфракрасные лучи длиной 0,75 - 5,2 мкм и избирательно в длинах волн 8,2 - 22 мкм. В других диапазонах электромагнитных волн земная атмосфера непрозрачная.

На протяжении длительного времени проводились наблюдения небесных светил только в видимом свете. Из XIX ст. астрономы начали изучать космические объекты в доступных инфракрасных лучах. А в 30-х годах XX ст. зародилась новая отрасль астрономии - радиоастрономия, настоящее развитие которой началось после второй мировой войны. Но поскольку небесные тела излучают во всем диапазоне электромагнитного спектра, перед астрономами появилась задача проведения исследований вне пределов атмосферы.

Сравнительно просто эта задача решается для инфракрасного и субмиллиметрового излучения с длинами волн от 0,013 мм до 1 мм Основное вещество, которое поглощает инфракрасную радиацию, - это водяной пар, концентрация которой быстро уменьшается с высотой. На высотах 25- 30 км земная атмосфера становится прозрачной для инфракрасного излучения. Важные наблюдения в этом диапазоне проводятся из аэростатов и из борта искусственных спутников Земли.

В коротковолновой части спектра выделяют отдельно диапазоны ультрафиолетовой астрономии (длина волны 390- 30 нм), рентгеновской астрономии (30-0,01 нм) и гамма- астрономии (длина волны меньшая за 0,01 нм).

Важную информацию о том, которое делается далеко за пределами Земли, доносят до нас потоки космических лучей и нейтрино. Космические лучи складываются главным образом из протонов - ядер водорода, а также из электронов, ядер гелия и ядер более тяжелых химических элементов.

Нейтрино - это частица, которая имеет невероятную проникающую способность, потому что почти не взаимодействует с веществом. Не имея электрического заряда, с массой покоя, еще и до сих пор достоверно не установленной, нейтрино способно проходить сквозь твердое тело даже легче, чем светло сквозь стекло. Образуясь во время термоядерных реакций, нейтрино почти немедленно вылетает наружу, неся информацию о событиях в недрах зари в текущий момент, тогда как электромагнитное излучении странствует к поверхности зари сотни тысяч или миллионы лет.

А потому методы нейтронной астрономии очень важны для изучения процессов, которые происходят в недрах Солнца и зрение.

Таким образом, из второй половины XX ст. астрономия стала всеволновой наукой, которая изучает Вселенную практически во всем диапазоне электромагнитных волн.

Телескоп имеет три основных назначения: собирать излучение от небесных светил на приемное устройство (глаз, фотопластинка, спектрограф и тому подобное); строить в своей фокальной плоскости изображения объекта или определенного участка неба; увеличивать угол зрения, под которым наблюдаются небесные тела, то есть разделять объекты, расположенные на близком угловом расстоянии и потому неразделимые невооруженным глазом.

Оптические телескопы обязательными составными частями своей конструкции имеют: объектив, который собирает светло и строит в фокусе изображение объекта или участка неба; трубу (тубус), которая соединяет объектив с приемным устройством; монтирование - механическую кострукцію, что держит трубу и обеспечивает ее наведение на небесный объект; в случае визуальных наблюдений, когда приемопередатчиком света является глаз, обязательно - окуляр. Через него рассматривается изображение, построенное объективом.

При фотографических, фотоэлектрических, спектральных наблюдениях окуляр не нужен, потому что соответствующие приемопередатчики устанавливаются непосредственно в фокальной плоскости.

Первыми были построены линзовые телескопы- рефракторы (от лат. "рефракто" - "преломляю"). Однако световые лучи разных длин волн загибаются назад по- разному, и отдельная линза дает окрашенное изображение. Для устранения этого недостатка со временем начали строить объективы с несколькими линзами из стекла с разными коэфициентами преломления. На размеры телескопов-рефракторов накладываются определенные ограничения, потому наибольший линзовый объектив имеет диаметр лишь 102 см.

Телескопы Галилея были очень несовершенными, и уже за его жизнь им на смену пришли телескопы другого типу. Изобретателем нового инструмента был Й. Кеплер, который в 1611 году дал описание телескопа, который состоял из двух двояковыпуклых линз. Сам изобретатель ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым, кто его построил и использовал для астрономических целей, был иезуит Шейнер, оппонент Галилея в горячих спорах относительно природы солнечных пятен.

Рассмотрим оптические схемы и принцип действия галилеевского и кеплеровские телескопов. В таких телескопах используется двояковыпуклая линза, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, которая соединяет центры этих поверхностей, называется оптической осью линзы. Лучи света, которые падают на такую линзу параллельно ее оптической оси, загибаясь назад, собираются в некоторой точке оптической оси F - ее фокусе. Расстояние от центра линзы к фокуса называют фокусным расстоянием телескопа.

Из-за того, что небесные светила находятся "на бесконечности", их изображения образуются в фокальной плоскости, то есть в плоскости, проведенной через фокус F перпендикулярно к оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение. Ход лучей в телескопе-рефракторе.

Главным недостатком галилеевского телескопа является очень малое поле зрения - так называют угловой поперечник участка неба, видимого в телескоп. Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его Галилею было очень трудно. По этой же причине галилеевские телескопы после смерти их изобретателя в астрономии не употреблялись. Их реликтом является современные театральные бинокли.

В телескопе-рефлекторе (ход лучей в нем показано на образуется действительное, увеличенное и перевернутое изображение. Последнее обстоятельство, неудобное во время наблюдений наземных объектов, в астрономии - несущественная. Ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому телескоп не может перебросить небесные тела "вверх ногами".

Идея создания зеркального телескопа или рефлектора была выражена еще при жизни Галилея. Но только в 1664 году известный физик Роберт Гук сделал первую попытку изготовить такой телескоп. К сожалению, качество этого телескопа было таким низким, что наблюдать у него что-либо не удалось.

Лишь И. Ньютон в 1668 году построил первый действующий рефлектор. Он был очень маленьким - главное вогнуто сферическое зеркало из полируемой зеркальной бронзы имело в поперечнике всего 2,5 см, а его фокусное расстояние представляло 6,5 см.

Первый рефлектор Ньютона имел увеличение в 41 раз. Но применив другой окуляр и снизив увеличение до 25 раз, Ньютон обнаружил, что в таком случае небесные светила стали ярче и наблюдать их удобнее.

Оптическая схема первого ньютоновского телескопа имела такой вид: лучи от главного зеркала отражались небольшим плоским зеркалом в боковой окуляр, за который правила плосковипукла линза. Система Ньютона оказалась очень удобной. Она успешно применяется и доныне.

Ерский рефрактор - наибольший в мире 1,016 - метровый рефрактор. У него установлен двухлинзовый объектив, которого было изготовлено фирмой "Альван Кларк и сыновья", а все механические конструкции - фирмой "Уарнер и Свази". Телескоп установлен и введен в строй в 1897 г. в основанной при Чикагскому университете в 1892 г. финансистом Чарлзом Тайсоном Йерксом астрономической обсерватории (специально построенной для этого телескопа- рефрактора), что в городке Вильямс-бей, штат Вайоминг (США), на высоте 334 метра над уровнем моря.

в 1948 году в США было построено и установлено в обсерватории на горе Маунт Паломар в Калифорнии рефлектор с диаметром зеркала 5 м. Пятиметровый рефлектор - первый телескоп, в котором кабина наблюдателя укреплена внутри трубы. Она имеет диаметр 1,8 м и, конечно, частично закрывает зеркало, кое-что уменьшая его светосилу. Но на качестве изображений это существенно не отражается. К кабине астроном добирается в специальном лифте, а внутри кабины во время наблюдения он сидит. Вес инструмента представляет 530 тонн.

Общая масса еще большего, 6-метрового русского рефлектора вместе с монтированием достигает 950 тонн. Из них почти 300 тонн приходится на зеркало и решетчатую стальную трубу телескопа. Высота телескопа представляет 42 м. Он имеет азимутное монтирование, откуда и его официальное название - "БТА", что означает "Большой Телескоп Азимутальный". Понятное дело, при азимутном монтировании придется беспрестанно смещать телескоп и за высотой, и за азимутом. Для этого создана специальная система, в которую входит электронно-вычислительная машина. За прямым

поднесением, склонением и моментом времени она вычисляет необходимые азимут и высоту. БТА доступные объекты 24-ї звездной величины, то есть в миллионы раз слабее тех, что наблюдал Галилей в свои телескопы. Он установлен в горах Ставропольского края.

В конечном итоге русский телескоп уступил лидерством другим инструментам, среди которых стоит выделить два телескопа им. Кека, которые принадлежат Калифорнийскому университету США. Эти наибольшие на сегодня оптические телескопы Земли с зеркалами по 9,8 м в диаметре размещены на Гавайских островах на высоте 4150 метров над уровнем моря на расстоянии 85 метров один от другого. Вес их зеркал, каждое из которых состоит из 36 отдельных сегментов, представляет по 300 тонн.

А наибольшим оптическим телескопом в мире фактически является VLT (VERY LARGE TELESCOPE - Очень большой телескоп), который является системой из четырех телескопов диаметром 8,2 м каждый. VLT принадлежит Южной Европейской обсерватории. Он размещен на горе Сьерро Паранал в Чили на высоте 2 635 метров над уровнем моря. Монолитные зеркала телескопов сделаны из шоттовского церодура - лучшей оптической стеклокерамики; каждое из них весит по 400 тонн. Первый телескоп этой системы был введен в строй в 1998 году, а последний, четвертый - в 2001 году.

Фактически система из 4 телескопов, которые могут работать как единое целое, равносильная телескопу с диаметром зеркала 16,4 метра.

Астрономическая обсерватория - специализирована научное учреждение, в котором проводятся астрономические наблюдения и научные исследования. Большинство обсерваторий оборудовано телескопами, предназначенными для регистрации электромагнитного излучения, причем каждая из них, обычно, специализируется на изучении определенного спектрального диапазона. Историки науки считают, что пункты наблюдений за небесными светилами человек начал строить еще в седую древность.

Да, к астрономической обсерватории давних времен засчитывают известное мегалитическое сооружение Стоунхендж (Англия). В Китае в 1100 году до н. е. была основана обсерватория, остатки которой сохранились до наших дней. В 829 г. была основана обсерватория в Багдаде. Одну из первых обсерваторий в Европе - создано в 1471 г. в г. Нюрберге (Германия). Еще к изобретению телескопа строили обсерватории для определения на небесной сфере положений Солнца, Луны, зрение и планет.

Первая государственная астрономическая обсерватория в Европе - Парижскую - была открыта в 1671 году, а известную многим обсерваторию в Гринвиче - в 1675 г. Лишь во второй половине XIX ст. появились обсерватории современного типа, где телескопы стали устанавливать в специальных башнях - круглых домах с куполом, который вращается. В куполе есть люк, прикрытый специальными створками, которые расходятся во время наблюдений. Разнообразные моторы и другие устройства обеспечивают плавный, почти бесшумное движение купола и его створок.

В наше время деятельность обсерваторий охватывает все аспекты астрономических исследований. Обычно для получения высококачественного изображения обсерватории располагаются в горных районах с чистым воздухом и слабой

атмосферной турбулентностью. Радиоастрономические обсерватории оборудуют радиотелескопами, с помощью которых фиксируют радиоволны, которые проникают в поверхность Земли сквозь атмосферу, Чтобы регистрировать излучение с длинами волн короче, чем у видимого света, придется устанавливать специально сконструированы телескопы на искусственных спутниках Земли или стратосферных зондах. Такие спутники также считают обсерваториями. В начале 1970-х гг. была запущена серия "Орбитальных астрономических обсерваторий" (ОАО).

Например, с помощью спутника ОАО-3 "Коперник" (1972), был составлен каталог звездных спектров в ультрафиолетовом диапазоне. Важные данные было собранно "Международным ультрафиолетовым исследователем" (IUE), "Инфракрасным астрономическим спутником" (IRAS) и космическим зондом для наблюдений реликтового излучения (WMAP). Уникальной космической обсерваторией является телескоп им. Габбла. С помощью специальной наземной установки можно регистрировать космические лучи и нейтрино.

Украина является известным астрономическим государством. В украинских землях астрономические знания были в почете с древних времен, а тому не удивительно, что самые известные классические университеты (Киевский, Львовский, Харьковский, Одесский) почти от дня своего основания имеют астрономические обсерватории и кафедры астрономии. Сегодня в нашей стране действуют известные в мире астрономические обсерватории, среди которых стоит выделить две - Главную астрономическую обсерваторию Национальной академии наук Украины (ГАО НАНУ) и Крымскую астрофизическую обсерваторию (КрАО).

Главная астрономическая обсерватория Национальной Академии наук Украины (ГАО НАНУ) была основана в 1944 г. Ее построили на южных околицах г. Киева. Обсерватория в частности оборудована 70 - и 48-сантиметровыми рефлекторами, горизонтальным солнечным телескопом, а также другими инструментами. Основные направления исследований ГАО : определение положений небесных тел; изучение вращения Земли; исследование фигуры и рельефа Луны; физика планет, Солнца и зрение; строение Галактики; нестационарные процессы в недрах зрение; изучение комет.

Решение о создании Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) было принято в 1945 г. А вскоре неподалеку от Бахчисарая на небольшой плоской вершине на высоте 600 м над уровнем моря появилась новая астрономическая обсерватория и научный городок для ее сотрудников.

В 1954 г. в обсерватории был построен башенный солнечный телескоп (БСТ) с диаметром главного зеркала 40 см, а в 1961 г. - телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,6 м, который и сейчас является наибольшим в Украине телескопом.