АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Астрономические инструменты применялись с древнейших времён. С началом освоения земледелия, когда нужно было планировать сельскохозяйственные работы. Для этого нужно было определять моменты равноденствий и солнцестояний. Одновременно и нужды кочевого животноводства требовали освоения методов ориентирования. А для этого изучались звёзды, их движение. Движение Солнца и Луны. Примером древнейшей обсерватории может служить культово-астрономическое сооружение под Рязанью. Равноденствия и солнцестояния фиксировались по тени от Солнца и её совпадением с определёнными столбами.

Такие сооружения строились повсеместно, где селились первые земледельцы Арии. Но до нас дошли в наилучшем виде такие древние сооружения, как мегалиты Стоунхенжа.

Древняя астрономическая обсерватория Jantar-Mantar.

В принципе устройство этих обсерваторий одинаков - принцип визирования, то есть определение направления по двум точкам. Однако эти точки были направлены на горизонт. То есть древние обсерватории служили задачам календарного счёта дней.

Однако уже у скотоводов, а особенно с освоением мореплавания возникает потребность изучать и само небо. Так уже во времена древних восточных деспотий (Шумер, Ассирия, Вавилон, Египет) возникают принципы систематизации небесных объектов.  Возникают идеи эклиптики. Она разбивается на 12 частей. Формируются созвездия и даются им названия. И строятся обсерватории. До нас они практически не дошли, но подобная им была обсерватория Улугбека. По сути это вырытая в земле дуга, на которой определялось положение звёзд.

Однако морякам такой инструмент был бесполезен. Потому появляются ручные астрономические инструменты. Из истории известно, что во втором тысячелетии до н.э. народы моря напали на Египет. Народы моря это Пеласги, Лелеги, Этруски и другие народы, которые относились к индоевропейцам Ариям. То есть наши родственники-предки. Они свободно ходили по Средиземному и Чёрному морям. И их умение ориентироваться, в том числе и по Солнцу и звёздам, перешло к грекам.

Так появились: Астрономические инструменты или приборы: гномон, армиллярная сфера, астролябия, квадрант, октант, секстант, хронометр...

Старинные астрономические инструменты
и инструменты навигации

Армиллярная сфера	Астролябия		Гномон	Квадрант
Октант	Секста́нт	Хронометр морской	Морской компас	Универсальный инструмент

Квадрант (лат. quadrans, -antis, от quadrare - сделать четырехугольным) — астрономический инструмент, для определения зенитальных расстояний светил.

Октант (в морском деле — октан) — угломерный астрономический инструмент. Шкала октанта составляет 1/8 часть окружности. Октант применялся в мореходной астрономии; практически вышел из употребления.

Секстант (секстан) — навигационный измерительный инструмент, используемый для измерения высоты светила над горизонтом с целью определения географических координат той местности, в которой производится измерение.

Квадрант, октант и секстант отличаются только долей окружности (четвёртая, восьмая и шестая часть соответственно). В остальном это тот же прибор. Современный секстант имеет оптический визир.

Астрономический компендиум представляет собой набор небольших инструментов для математических расчетов в едином футляре. Он обеспечивал пользователю множество вариантов в готовом формате. Это был не дешевый набор и, очевидно, указывал на богатство владельца. Этот сложный экспонат был изготовлен Джеймсом Кинвином для Роберта Деверю, второго графа Эссекса (1567 – 1601), чье оружие, гребень шлема и девиз выгравированы на внутренней стороны крышки. В компендиум входят пассажный инструмент для определения времени ночи по звездам, перечень широт, магнитный компас, перечень портов и гаваней, вечный календарь и лунный указатель. Компендиум мог использоваться для определения времени, высоты прилива в портах, а также календарных расчетов. Можно сказать, что это древний миникомпьютер.

Оптические инструменты

Подлинная революция в астрономии началась с изобретением Галилеем оптического рефракторного телескопа. Слово «телескоп» образовано из двух греческих корней и может быть переведено на русский язык как «смотрю вдаль». Действительно, это оптическое устройство представляет собой мощную зрительную трубу, предназначенную для наблюдения весьма удаленных объектов – небесных светил. Созданный около четырехсот лет назад, телескоп является своеобразным символом современной науки, воплощая в себе извечное стремление человечества к познанию. Гигантские телескопы и грандиозные обсерватории вносят немалый вклад в развитие целых областей науки, посвященных исследованию структуры и законов нашей Вселенной. Впрочем, 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.

Хотя существуют косвенные свидетельства того, что оптические устройства, предназначенные для изучения звезд, были известны уже некоторым древним цивилизациям, официальной датой рождения телескопа принято считать 1609 год. Именно в этом году Галилео Галилей, экспериментируя с линзами для создания очков, нашел комбинацию, которая обеспечивала многократное приближение. Построенная же учёным первая зрительная труба стала прародительницей современных рефракторов и впоследствии получила название телескопа.

Любительский рефракторный телескоп

Телескоп Галилея представлял собой свинцовую трубу с двумя линзами: плосковыпуклой, которая служила объективом и плосковогнутой, служившей окуляром. Первая зрительная труба Галилея обеспечивала прямое изображение и лишь трёхкратное увеличение, однако впоследствии учёному удалось создать устройство, которое приближало предметы в 30 раз. При помощи своего телескопа Галилей обнаружил четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, неровности (горы, долины, трещины, кратеры) на поверхности Луны, пятна на Солнце. Впоследствии схема галилеевского телескопа была усовершенствована Кеплером, который создал инструмент, предлагающий перевернутое изображение, но зато имеющий значительно большее поле зрения и увеличение. Линзовый телескоп совершенствовался и дальше: чтобы улучшить качество изображения, астрономы использовали новейшие технологии стекловарения, а также увеличивали фокусное расстояние телескопов, что, естественно приводило к увеличению и их физических размеров (например, в конце XVIII века длина телескопа Яна Гевелия достигала 46 м).

Первый зеркальный телескоп также появился в XVII веке. Этот прибор был изобретён сэром Исааком Ньютоном, который, посчитав хроматизм неустранимой проблемой телескопов-рефракторов, решил двигаться в другом направлении. В 1668 году, после долгих экспериментов со сплавами и технологиями полировки зеркал, Ньютон продемонстрировал первый зеркальный телескоп, который, при длине всего 15 см и диаметре зеркала 25 мм действовал ничуть не хуже длинного телескопа-рефрактора. Хотя изображение, создаваемое первым телескопом Ньютона, было тусклым и недостаточно ярким, впоследствии ученому удалось значительно улучшить характеристики своего устройства.

Стремясь усовершенствовать конструкцию телескопа таким образом, чтобы добиться максимально высокого качества изображения, учёные создали несколько оптических схем, использующих как линзы, так и зеркала. Среди таких телескопов наибольшее распространение получили катадиоптрические системы Ньютона, Максутова-Кассегрена и Шмидта-Кассегрена, о которых более подробно будет сказано ниже.

Конструкция телескопа

Телескоп – это оптическая система, которая, «выхватывая» из пространства небольшую область, зрительно приближая расположенные в ней объекты. Телескоп улавливает параллельные своей оптической оси лучи светового потока, собирает их в одну точку (фокус) и увеличивает при помощи линзы или, чаще, системы линз (окуляра), которая одновременно снова преобразует расходящиеся лучи света в параллельные.

По типу элемента, используемого для сбора световых лучей в фокусе, все современные потребительские телескопы подразделяются на линзовые (рефракторы), зеркальные (рефлекторы) и зеркально-линзовые (катадиоптрические). Возможности телескопов каждой группы несколько отличаются, поэтому, чтобы выбрать оптимальный для своих нужд оптический инструмент, начинающий астроном-любитель должен иметь некоторое представление о его устройстве.

Линзовые телескопы (рефракторы)  
 

Вслед за своим созданным Галилеем прародителем, телескопы этой группы фокусируют свет при помощи одной или нескольких линз, вследствие чего называются линзовыми, или рефракторами.

Перед телескопами других систем рефракторы имеют целый ряд преимуществ. Так, закрытая труба телескопа предотвращает проникновение внутрь трубы пыли и влаги, которые оказывают негативное воздействие на полезные свойства телескопа. Кроме того, рефракторы просты в обслуживании и эксплуатации – положение их линз зафиксировано в заводских условиях, что избавляет пользователя от необходимости самостоятельно производить юстировку, то есть тонкую подстройку. Наконец, у линзовых телескопов отсутствует центральное экранирование, которое уменьшает количество поступающего света и ведет к искажению дифракционной картины. Рефракторы обеспечивают высокую контрастность и превосходное разрешение изображений при наблюдении планет. Однако есть у телескопов этой системы и минусы, основным из которых является эффект, известный как хроматическая аберрация. Он возникает вследствие того, что световые лучи разной длины имеют неодинаковую сходимость, то есть точки фокуса для разных составляющих спектра будут находиться на различном расстоянии от преломляющей линзы. Зрительно хроматическая аберрация проявляется как цветные ореолы вокруг ярких объектов. Для устранения этого дефекта должны использоваться дополнительные линзы и оптические элементы из особых видов стекла. А ведь конструкция рефракторов и сама по себе предполагает не менее двух линз, все четыре поверхности которых должны иметь хорошо выверенную кривизну, быть тщательно отполированы и покрыты как минимум одним просветляющим слоем. Другими словами, хороший рефрактор – устройство, достаточно сложное в производстве, а потому, как правило, весьма недешевое.

Зеркальные телескопы (рефлекторы) 
 

Телескопы другой большой группы собирают световой пучок при помощи зеркала, поэтому называются зеркальными телескопами, рефлекторами. Самая популярная конструкция зеркального телескопа называется по имени своего изобретателя, телескопом системы Ньютона.

Зеркало как элемент оптической системы рефлектора представляет собой вогнутую пластину стекла параболической формы, передняя поверхность которого покрыта отражающим материалом. При использовании в подобных конструкциях сферических зеркал, свет, отражаемый их поверхностью, не сходится в одной точке, формируя в фокусе немного размытое пятно. В результате этого изображение теряет контраст, то есть возникает эффект, известный как сферическая аберрация.

Предотвратить ухудшение качества изображения, помогают зеркала параболической формы.  На левой картинке, отражаемый сферическими зеркалами свет не сходится в одной точке, что приводит к ухудшению резкости На правой картинке, параболоидные зеркала собирают все лучи в единую точку фокуса.

Проникающий в телескоп свет попадает на зеркало, которое отражает лучи вверх. В точку фокуса свет отражается при помощи плоского вторичного зеркала эллиптической формы, укрепленного в центре трубы под углом 45 градусов. Разумеется, само вторичное зеркало в окуляр увидеть нельзя, однако оно является препятствием на пути светового потока и экранирует свет, что может изменять дифракционную картину и приводить к небольшой потере контрастности. Среди плюсов рефлекторов – отсутствие хроматизма, ведь лучи света в силу самой конструкции отражаются от стекла, а не проходят сквозь него. К тому же, по сравнению с рефракторами зеркальные телескопы менее дороги в производстве: в конструкции рефлектора присутствуют всего две нуждающиеся в полировке и специальных покрытиях поверхности.

Катадиоптрические телескопы - оптические системы которых комбинируют линзы и зеркала. Здесь представлены катадиоптрические телескопы системы Ньютона, телескопы Шмидта-Кассегрена и Максутова-Кассегрена. 

Зеркально-линзовые телескопы системы Ньютона отличаются от классических представителей своего класса наличием на пути светового потока к точке фокуса корректирующей линзы, которая, при сохранении компактных размеров телескопа, позволяет добиваться большего увеличения. Например, при использовании корректирующей линзы с двукратным увеличением и физической длине системы 500 мм, фокусное расстояние составит 1000 мм. Подобные рефлекторы значительно легче и компактнее «нормальных» телескопов Ньютона того же фокусного расстояния, а, кроме того, просты в эксплуатации, легки в установке и менее подвержены воздействию ветра. Положение корректирующей линзы фиксируется в процессе производства, но зеркала, так же как и в случае с телескопом Ньютона стандартной конструкции, нуждаются в регулярной юстировке. 

Оптические схемы телескопов Шмидта-Кассегрена включают тонкие асферические коррекционные пластинки, которые направляют свет на первичное вогнутое зеркало, обеспечивая исправление сферической аберрации. После этого световые лучи попадают на вторичное зеркало, которое, в свою очередь, отражает их вниз, направляя через отверстие

Любительский рефлекторный телескоп

 в центре первичного зеркала. Непосредственно за первичным зеркалом находится окуляр или диагональное зеркало. Фокусировка производится посредством перемещения первичного зеркала или окуляра. Главным достоинством телескопов подобной конструкции является сочетание портативности и большого фокусного расстояния. Основной минус телескопов Шмидта-Кассегрена – сравнительно большое вторичное зеркало, которое сокращает количество света и может вызывать некоторую потерю контрастности. 

Телескопы системы Максутова-Кассегрена имеют схожую конструкцию. Так же, как системы Шмидта-Кассегрена, эти модели исправляют сферическую аберрацию при помощи корректора, в качестве которого, вместо пластинки Шмидта, используется толстая выпукло-вогнутая линза (мениск). Проходя через вогнутую сторону мениска, свет попадает на первичное зеркало, которое отражает его вверх на вторичное зеркало (как правило, покрытую зеркальным слоем область на выпуклой стороне мениска). Дальше, так же, как и в конструкции Шмидта-Кассегрена, лучи света проходят через отверстие в первичном зеркале и попадают в окуляр. Телескопы системы Максутова-Кассегрена менее сложны в производстве, чем модели Шмидта-Кассегрена, однако использование в оптической схеме толстого мениска увеличивает их вес.

Современные телескопы

Большинство современных телескопов являются рефлекторами.

Крупнейший в Евразии телескоп БТА находится на территории России, в горах Северного Кавказа и имеет диаметр главного зеркала 6 м. Он работает с 1976 и длительное время был крупнейшим телескопом в мире.

На данный момент крупнейшими в мире телескопами-рефлекторами являются два телескопа Кека, расположенные на Гавайях. Keck-I и Keck-II введены в эксплуатацию в 1993 и 1996 соответственно и имеют эффективный диаметр зеркала 9,8 м. Телескопы расположены на одной платформе и могут использоваться совместно в качестве интерферометра, давая разрешение, соответствующее диаметру зеркала 85 м.

Крупнейшим в мире телескопом с цельным зеркалом является Large Binocular Telescope, расположенный на горе Грэхэм (США, штат Аризона). Диаметр обоих зеркал составляет 8,4 метра.

11 октября 2005 года в эксплуатацию был запущен телескоп Southern African Large Telescope в ЮАР с главным зеркалом размером 11 x 9.8 метров, состоящим из 91 одинаковых шестиугольников.

 

 

 

 

 

Очень Большой Телескоп	Канарский телескоп	Телескоп Хобби-Эберли	Джемини	СУБАРУ	SALT

 

Радиотелескопы

 

До конца Великой отечественной войны астрономические исследования велись только в оптическом диапазоне с помощью оптических телескопов. Однако уже во время Второй мировой войны для нужд обнаружения врвжеских самолётов стали разрабатываться радиолокационные станции. После войны было обнаружено, что радиолокационные станции ПВО обнаруживают и какие-то странные сигналы. Было обнаружено, что эти сигналы приходят из космоса. И так началось использование радиоустройств для исследования вселенной. Такие устройства назвали радиотелескопами. С помощью их открыли радиозвёзды - квазары, так открыли реликтовое излучение, излучение от Солнца, центра галлактики и т.д. и т.п. Радиотелескопы стали мощным орудием познания вселенной. И построено их великое множество.

 

Сначала это были небольшие параболические антенны:

Затем побольше на башнях с азимутальными установками:

Затем огромные, с поворачивающимися на рельсах фермах:

Секторные, где прямо на земле монтировалась часть параболоида антенны:

Радиотелескопы стали использовать совместно, когда суммарная мощность отдельных телескопов складывалась, давая мощность и разрешение большего телескопа:

Из отдельных телескопов стали создавать решётки,
что повышало разрешающую способность системы:

Кроме параболических антенн стали делать решётчатые антенны:

Космические радиотелескопы:

Самый большой в мире радио-телескоп

Радиотелескоп, установленный в Аресибо, — в настоящее время, крупнейший в мире (из использующих одну апертуру). Телескоп используется для исследований в области радиоастрономии, физики атмосферы и радиолокационных наблюдений объектов Солнечной системы. Астрономическая обсерватория Аресибо расположена в Пуэрто Рико, в 15 км от Аресибо, на высоте 497 мнад уровнем моря. Исследования проводятся Корнельским университетом в кооперации с Национальным научным фондом.

Особенности конструкции:Рефлектор телескопа расположен в естественной карстовой воронке и покрыт 38778 перфорированными алюминиевыми пластинами (от 1 до 2 м), уложенными на сетку из стальных тросов. Облучатель антенны подвижный, подвешен на 18 тросах к трём башням. Для проведения исследований по программе радиолокационной астрономии в обсерватории имеется передатчик мощностью 0,5 МВт. Строительство радиотелескопа было начато в 1960 году. Первоначальным назначением телескопа были исследования ионосферы Земли. Автор идеи строительства: профессор Корнельского университета Уильям Гордон. Официальное открытие обсерватории Аресибо состоялось 1 ноября 1963 года.

 

Выход за пределы оптического диапазона радиоастрономией сразу же поставил вопрос об использовании и других диапазонов электромагнитного излучения. Вообще информацию о космосе мы можем получать двумя путями - через электромагнитное излучение и корпускулярные потоки (потоки элементарных частиц). Были попытки улавливать и гравитационные волны, но пока безуспешно.

Электромагнитное излучение подразделяют на:

• радиоволны,

• инфракрасное излучение,

• световой диапазон,

• ультрафиолетовое излучение,

• рентгеновское излучение,

• гамма-излучение.

Инфракрасное (тепловое) и ультрафиолетовое излучения могут отражаться обычным зеркалом, поэтому используются обычные рефлекторные телескопы, но воспринимается изображение специальными термочувствительными датчиками и датчиками ультрафиолетового излучения.

Иное дело рентгеновское и гамма излучения. Рентгеновские и гамма- телескопы это особые приборы:

Гамма-телескоп, получивший название MAGIC II	Рентгеновский космический телескоп Chandra

 

Астрономия и космонавтика.

 

Главной проблемой наблюдательной астрономии является земная атмосфера. Она не полностью прозрачна. Она движется, в том числе за счёт тепла. Часты облака и атмосферные осадки. В атмосфере много пыли, насекомые и пр. Поэтому мечтой астрономов всегда была возможность размещать свои приборы как можно выше. Как можно выше в горы, на самолёты и аэростаты. Но подлинный переворот в этой проблемы произошёл с запуском Советским Союзом искусственного спутника Земли. Едва ли не сразу астрономы и астрофизики бросились использовать представившуюся возможность. Прежде всего запуском космических зондов к Луне, Венере, Марсу и далее, и далее.

Кратко об исследовании Луны советскими учёными изложено на странице посвящённой Луне.

Исследование Солнечной системы при помощи автоматических зондов отдельная тема. Здесь приведём наиболее известные астрономические приборы выведенные на орбиты вокруг Земли.

 

Хаббл	Гершель	Чандра	WISE	Спектр-Р	Гранат

 

( источник http://grigam.narod.ru)