Как устроен оптический телескоп
Принцип работы телескопа заключается не в увеличении объектов, а в сборе света. Чем больше размер главного светособирающего элемента - линзы или зеркала, тем больше света в него попадет. Важно, что именно общее количество собранного света в конечном счете определяет уровень детализации видимого - будь то удаленный ландшафт или кольца Сатурна. Хотя увеличение, или сила для телескопа тоже важно, оно не имеет решающего значения в достижении уровня детализации.
Телескопы постоянно изменяются и совершенствуются, но принцип работы остается одним и тем же.
Телескоп собирает и концентрирует свет
Чем больше выпуклая линза или вогнутое зеркало, тем больше света в него попадает. А чем больше света попадает в телескоп, тем более удаленные объекты он позволяет увидеть. Человеческий глаз обладает своей собственной выпуклой линзой (хрусталиком), но эта линза очень мала, поэтому света она собирает довольно мало. Телескоп позволяет увидеть больше именно потому, что его зеркало способно собрать больше света, чем человеческое око.
Телескоп фокусирует световые лучи и создает изображение
Для того, чтобы создать четкое изображение, линзы и зеркала телескопа собирают пойманные лучи в одну точку - в фокус. Если свет не собрать в одну точку, изображение окажется размытым.
Виды телескопов
Телескопы можно разделить по способу работы со светом на "линзовые", "зеркальные" и комбинированные - зеркально-линзовые телескопы.
Рефракторы - преломляющие телескопы. Свет в таком телескопе собирается с помощью двояковыпуклой линзы (собственно, она и является объективом телескопа). Среди любительских инструментов наиболее распространены ахроматы обычно двухлинзовые, но бывают и более сложные. Ахроматический рефрактор состоит из двух линз - собирающей и рассеивающей, что позволяет компенсировать сферические и хроматические аберрации - проще говоря, искажения потока света при проходе через линзу.
Немного истории:
В рефракторе Галилея (созданном в 1609 году) использовались две линзы для того, чтобы собрать максимум звездного света. и позволить человеческому глазу его увидеть. Свет, проходя через сферическое зеркало, формирует картинку. Сферическая линза Галилея делает картинку нечеткой. К тому же такая линза разлагает свет на цветовые составляющие, из-за чего вокруг светящегося объекта образуется размытая цветная область. Поэтому выпуклая сферическая собирает звездный свет, а следующая за ней вогнутая линза превращает собранные световые лучи обратно в параллельные, что позволяет вернуть четкость и ясность наблюдаемому изображению.
Рефрактор Кепплера (1611)
Любая сферическая линза преломляет световые лучи, расфокусирует их и размывает картинку. Сферическая линза Кепплера обладает меньшей кривизной и большим фокусным расстоянием, чем линза Галилея. Поэтому точки фокусировки лучей, проходящих через такую линзу, оказываются ближе друг к другу, что позволяет снизить, но не убрать совершенно, искажения изображения. Вообще-то Кепплер сам не создал такого телескопа, но предложенные им улучшения оказали сильное влияние на дальнейшее развитие рефракторов.
Ахроматический рефрактор
Ахроматический рефрактор создан на основе телескопа Кепплера, но вместо одной сферической линзы в нем используются две линзы различной кривизны. Свет, проходящий через две эти линзы, фокусируется в одной точке, т.е. этот способ позволяет избежать и хроматической, и сферической аберрации.
Рефлектор - это любой телескоп, объектив которого состоит только из зеркал. Рефлекторы являются отражающими телескопами, и изображение в таких телескопах оказывается с другой стороны от оптической системы, чем в рефракторах.
Немного истории
Рефлекторный телескоп Грегори (1663)
Джеймс Грегори ввел совершенно новую технологию в изготовление телескопов, придумав телескоп с параболическим главным зеркалом. Изображение, которое можно наблюдать в подобный телескоп, оказывается свободным и от сферических, и от хроматических аберраций.
Рефлектор Ньютона (1668)
Ньютон использовал металлическое главное зеркало для сбора света и следующее за ним направляющее зеркало, которое перенаправляло световые лучи к окуляру. Таким образом удалось справиться с хроматической аберрацией - ведь вместо линз в этом телескопе используются зеркала. Но картинка все равно получилась размытой из-за сферического искривления зеркала.
До сих пор часто рефлектором называется именно телескоп, сделанный по схеме Ньютона. К сожалению, и он не свободен от аберраций. Чуть в сторону от оси и уже начинает проявляться кома (неизопланатизм) - аберрация, связанная с неравностью увеличения разных кольцевых зон апертуры. Кома приводит к тому, что пятно рассеивания выглядит как проекция конуса - острой и самой яркой частью к центру поля зрения, тупой и округлой в сторону от центра. Размер пятна рассеивания пропорционален удалению от центра поля зрения и пропорционален квадрату диаметра апертуры. Поэтому особенно сильно проявление комы в так называемых "быстрых" (светосильных) Ньютонах на краю поля зрения.
Ньютоновские телескопы очень популярны и сегодня: они очень просты и дешевы в изготовлении, а значит, средний уровень цен на них гораздо ниже, чем на соответствующие рефракторы. Но сама конструкция накладывает на такой телескоп некоторые ограничения: искажения лучей, проходящих через диагональное зеркало, заметно ухудшают разрешающую способность такого телескопа, а при увеличении диаметра объектива пропорционально увеличивается длинна трубы. В результате телескоп становится слишком большим, да и поле зрения при длинной трубе становится меньше. Собственно, рефлекторы с диаметром больше 15 см практически не производятся, т.к. недостатков у таких приборов будет больше, чем достоинств.
Зеркально-линзовые (катадиоптрические) телескопы используют как линзы, так и зеркала, за счет чего их оптическое устройство позволяет достичь великолепного качества изображения с высоким разрешением, при том, что вся конструкция состоит из очень коротких портативных оптических труб.
Параметры телескопов
Диаметр и увеличение
При выборе телескопа важно знать о диаметре объектива, разрешении, увеличении и качеству конструкции и составляющих.
Количество света, собираемого телескопа, напрямую зависит от диаметра (D) главного зеркала или линзы. Количество света, проходящего через объектив, пропорционально его площади.
Кроме диаметра, для характеристики объектива важна величина относительного отверстия (А), равная отношению диаметра к фокусному расстоянию (его еще называют светосилой).
Относительным фокусом называют величину, обратную величине относительного отверстия.
Разрешение - это способность отображения деталей - т.е. чем больше разрешение, тем лучше изображение. Телескоп с высоким разрешением способен разделить два удаленных близких объекта, в то время как в телескоп с низким разрешением будет виден только один, смешанный из двух, объект. Звезды являются точечными источниками света, поэтому наблюдать их сложно, и в телескопе можно увидеть только дифракционное изображение звезды в виде диска с кольцом света вокруг него. Официально предельным разрешением визуального телескопа называют минимальный угловой промежуток между парой одинаковых по яркости звезд, когда они еще видны при достаточном увеличении и отсутствие помех со стороны атмосферы раздельно. Эта величина для хороших инструментов примерно равна 120/D угловых секунд, где D - апертура телескопа (диаметр) в мм.
Увеличения телескопа должны лежать в диапазоне от D/7 до 1,5D, где D - диаметр апертуры объектива телескопа. То есть для трубы с диаметром 100 мм окуляры надо подбирать так, чтобы они обеспечивали увеличения от 15х до 150х.
При увеличении численно равном диаметру объектива, выраженному в миллиметрах, появляются первые признаки дифракционной картины, и дальнейший рост увеличения только ухудшит качество изображения, не давая различить мелкие детали. Помимо этого стоит помнить о дрожании телескопа, атмосферной турбулентности и т.д. Поэтому, при наблюдениях Луны и планет обычно не используют увеличения, превышающие 1,4D - 1,7D.В любом случае, хороший инструмент должен "вытягивать" до 1,5D без существенного ухудшения качества изображения. Лучше всего с этим справляются рефракторы, а рефлекторы с их центральным экранированием уже не могут уверенно работать на таких увеличениях, поэтому, использовать их для наблюдений Луны и планет нецелесообразно.
Верхняя граница рациональных увеличений определяется эмпирически и связана с влиянием дифракционных явлений (при росте увеличения уменьшается размер выходного зрачка телескопа - его выходная апертура). Оказалось, что наивысшее разрешение достигается при выходных зрачках менее 0.7 мм и дальнейший рост увеличения не приводит к увеличению числа подробностей. Напротив, рыхлое, мутное и неяркое изображение создает иллюзию уменьшения детализации. Увеличения большие 1,5D имеют смысл как более комфортные, особенно для людей с дефектами зрения и только по ярким контрастным объектам.
Нижняя граница разумного диапазона увеличений определяется тем, что отношение диаметра объектива к диаметру выходного зрачка (т.е. диаметру выходящего из окуляра пучка света) равно отношению их фокусных расстояний, т.е. увеличению. Если диаметр пучка, выходящего из окуляра, превысит диаметр зрачка наблюдателя, часть лучей будет обрезана, и глаз наблюдателя увидит меньше света - и меньшую часть изображения.
Таким образом вырисовывается следующий ряд рекомендуемых увеличений 2D, 1,4D, 1D, 0,7D, D/7. Увеличение в D/2..D/3 полезно для наблюдения обычных по размерам скоплений и неярких туманных объектов.
Монтировки
Монтировка телескопа - часть телескопа, на которой укрепляется его оптическая труба. Позволяет направить его в наблюдаемую область неба, обеспечивает стабильность его установки в рабочем положении, удобство выполнения наблюдений различного типа. Монтировка состоит из основания (или колонны), двух взаимно перпендикулярных осей для поворотов трубы телескопа, привода и системы отсчёта углов поворота.
В экваториальной монтировке первая ось направлена в полюс мира и называется полярной (или часовой) осью, а вторая лежит в плоскости экватора и называется осью склонений; с нею скреплена труба телескопа. При повороте телескопа вокруг 1-й оси меняется его часовой угол при постоянном склонении; при повороте вокруг 2-й оси изменяется склонение при постоянном часовом угле. Если телескоп установлен на такой монтировке, слежение за небесным телом, движущимся вследствие видимого суточного вращения неба, осуществляется путём поворота телескопа с постоянной скоростью вокруг одной полярной оси.
В азимутальной монтировке первая ось вертикальная, а вторая, несущая трубу, лежит в плоскости горизонта. Первая ось служит для поворота телескопа по азимуту, вторая - по высоте (зенитному расстоянию). При наблюдениях звёзд в телескоп, установленный на азимутальной монтировке, его необходимо непрерывно и с высокой степенью точности поворачивать одновременно вокруг двух осей, причём со скоростями, меняющимися по сложному закону.
