Сучасні наземні та космічні телескопи

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

З фізики на тему «Сучасні наземні та космічні телескопи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учениці 11-Б класу

Спеціалізованої школи №196

Голубєвої Валерії

 

 

 

 

 

Оптичні телескопи

Телескоп — це оптичний прилад для спостереження віддалених об'єктів.

Візуальний телескоп складається з об’єктива (лінзового, дзеркального або дзеркально-лінзового) і окуляра. Об’єктив будує зображення певного об’єкта (планети, зірки і т.п.) або ділянки зоряного неба у фокальній площині. Окуляр, який виконує роль лупи, дає змогу наблизитися до зображення цього об’єкта ближче - на відстань найліпшого бачення (25 см) - і розглядати його під більшим кутом, ніж є сам об’єкт.

Основними характеристиками телескопа є:

• діаметр вхідного отвору D (тобто діаметр об’єктива – лінзового або дзеркального) або ж апертура та

• фокусна відстань об’єктива F.

 

Ці два параметри визначають інші характеристики телескопа. Зокрема:

• Роздільна здатність r залежить від апертури. Приблизно визначається за формулою r = 140/ D, де розмірність r задано у секундах, а D - у міліметрах.

• Оптичне збільшення Г визначається з відношення Г = F / f , де F і f - фокусні відстані об'єктива і окуляра відповідно.

• Проникна сила m – зоряна величина найбільш слабких зірок, які можна побачити за допомогою телескопа при спостереженні у зеніті. Для візуального телескопа m може бути оцінена за допомогою формули Боуена

m = 3,0 + 2,5lgD + 2,5lgГ .

 

Проникна сила телескопа  залежить від якості оптики, яскравості неба, прозорості та турбулентності атмосфери.

Відношення A = D/F називається відносним отвором, а величина A² - геометричною світлосилою об’єктива. Від неї залежить освітленість у фокальній площині, яку створює протяжний об’єкт.

Астрономічні телескопи - у залежності від того, в якому  діапазоні електромагнітних хвиль  вони працюють - називаються інфрачервоними, ультрафіолетовими, рентгенівськіми, гамма- або радіотелескопами. Для реєстрації випромінювання, відмінного від електромагнітного, створюються нейтринні та гравітаційні телескопи.

 

 

 

 

Типи телескопів

Оптичні телескопи поділяються на два типи — рефрактори і рефлектори. Рефрактор — це прилад, у якому в якості об'єктива слугує лінза. У рефлекторі, на відміну від рефрактора, для концентрування електромагнітного випромінювання використовується дзеркало.

Рефрактор

Рефрактор - телескоп, в якому для фокусування світла використовується система лінз, яка називається об'єктивом. Робота таких телескопів грунтується на явищі рефракції.

Внаслідок того, що кожна  окремо взята лінза має різну  аберацію (хроматичну, сферичну та інш.), зазвичай використовуються складні ахроматичні і апохроматичні об'єктиви. Такими об'єктивами є опуклі і увігнуті лінзи, складені і склеєні згідно розрахунків так, щоб мінімізувати аберацію.

Першим оптичним приладом для астрономічних спостережень був телескоп-рефрактор системи Галілея (початок 17-го століття). Найпростіший телескоп (системи Галілея складається з двох лінз: об'єктивом служить двовипукла лінза (збиральна лінза), а окуляром двовігнута лінза (розсіювальна лінза).

Сучасні астрономічні телескопи є переважно рефлекторами.

Найбільший у світі  рефрактор належить Йєркській обсерваторії (США) і має діаметр об'єктива 102 см. Більші рефрактори не будувались. Це пов'язано з тим, що якісні великі лінзи дорогі у виробництві, а  також дуже важкі, що призводить до деформації і погіршення якості зображення. Крупні телескопи зазвичай є рефлекторами.

Один з перших телескопів рефракторів: 40-футовий телескоп Гершеля

Рефлектор

Рефлектор — оптичний телескоп, в якому використовуються дзеркала для фокусування світла і побудови зображень. Вперше рефлектор був побудований Ісаком Ньютоном у 1670 р. Телескопи-рефрактори із простих лінз, які будувалися до цього, мали хроматичну аберацію, рефлектор ж принципово не має хроматизму. Якість дзеркальних телескопів, якщо мати на увазі абераціі, суттєво поліпшилася після того, як почали шліфувати параболічні дзеркала. Однак тут була ще одна не менш важлива проблема. Спочатку дзеркала для телескопів виготовляли з дзеркальної бронзи, поверхня якої після свіжої відшліфовки відбивала до 90% світла. Однак вона дуже швидко тьмяніла (буквально через декілька місяців), і її коефіціент відбивання різко зменшувався. Телескоп-рефлектор ніби заново народився у другій половині 19-го століття, коли розробили метод зовнішнього сріблення скляних дзеркал. Свіжа срібна плівка відбивала до 96% видимого світла, її можна було відновлювати декілька разів. А у 1930 р. скляні дзеркала почали алюмініювати.

Більшість сучасних телескопів є рефлекторами.

Сучасні наземні телескопи

На даний час найбільшими  в світі телескопами-рефлекторами є два телескопа, що розташовані  на Гавайях. KECK-I і KECK-II введено в експлуатацію у 1993 і 1996 роках відповідно; вони мають ефективний діаметр дзеркал 9.8 м. Телескопи розташовані на одній платформі і можуть використовуватися разом в якості інтерферометра, забезпечуючи при цьому кутову роздільну здатність (по одній координаті), яка відповідає дзеркалу з діаметром 85 м.

Телескопи Кека [1]

Найбільший  в Євразії телескоп БТА знаходиться на території Росії, у горах Північного Кавказу, і має діаметр головного дзеркала 6 м. Він працює з 1976 р. і тривалий час був найбільшим телескопом у світі [2].

 

Космічні телескопи 

Космічний телескоп Хаббла

Космічний телескоп “Хаббл” (англ. Hubble Space Telescope, HST) — автоматична обсерваторія на орбіті навколо Землі, яку назвали на честь відомого астронома Едвіна Хаббла. Цей телескоп є спільним проектом NASA і Європейського космічного агентства ESA.

Розміщення телескопа в космосі  дає можливість реєструвати електромагнітне  випромінювання у тих діапазонах, для яких земна атмосфера непрозора, у першу чергу в інфрачервоному діапазоні. Через відсутність впливу атмосфери роздільна здатність  телескопа у 7—10 разів більша, ніж у аналогічного телескопа, розташованого на Землі.

Космічний телескоп «Хаббл»  у космосі 

Деякі характеристики телескопаМаса:	11 тонн
Тип:	рефлектор системи Річі—Крет’єна
Діаметр:	2.4 метра

Складною інженерною проблемою було, зокрема, створення космічного корабля для телескопа та інших приладів. До основних вимог належали: були захист устаткування від постійних перепадів температур при нагріві від прямого сонячного освітлення і охолоджування у тіні Землі, і – особливо! – забезпечення точної орієнтації телескопа. Телескоп змонтовано всередині легкої алюмінієвої капсули, яка покрита багатошаровою термоізоляцією - такою, що забезпечує стабільність температури всередині. Жорсткість капсули і кріплення приладів забезпечує внутрішня просторова рама з вуглецевого волокна.

Запуск і початок  роботи

Спочатку запуск телескопа  на орбіту планувався на жовтень 1986 року, але 28 січня того року катастрофа космічного човника «Челленджера» призупинила  програму «Спейс Шаттл» на декілька років, і запуск довелося відкласти. Вимушена затримка дозволила провести ряд удосконалень: сонячні батареї було замінено на ефективніші; було модернізовано бортовий обчислювальний комплекс та системи зв'язку, а також змінено конструкцію кормового захисного кожуха з метою полегшення обслуговування телескопа на орбіті. Весь цей час

частини телескопа зберігалися  у приміщеннях зі штучно очищеною атмосферою, що значно збільшило витрати  на проект. Після відновлення польотів космічних шатлів у 1988 році запуск було остаточно призначено на 1990 рік. Перед запуском пил, що накопичився на дзеркалі, було видалено за допомогою стиснутого азоту, а всі системи пройшли ретельне тестування.

Космічний корабель «Діскавері» STS-31 стартував 24 квітня 1990 року, а наступного дня вивів телескоп на розрахункову орбіту.

Від початку проектування до запуску  було витрачено 2,5 млрд. доларів США  при початковому бюджеті у 400 млн. Загальні витрати на проект, за оцінкою  на 1999 рік, становили 6 млрд. доларів  з американського боку і 593 мільйони євро, сплачених ESA

Технічне обслуговування телескопа 

Обслуговування «Хаббла» проводиться  під час виходів у відкритий  космос з космічних кораблів багаторазового використання типу «Спейс Шаттл»

Всього було здійснено чотири експедиції з обслуговування телескопа «Хаббл».

Прилади

Телескоп має модульну структуру  і містить п'ять відсіків для  оптичних приладів. Один з відсіків займає оптична система, встановлена  під час першої експедиції обслуговування у 1993р. для компенсації неточності виготовлення головного дзеркала.

За станом на 2004 рік  на телескопі функціонували:

• Ширококутна і планетна камера-2

• Камера близького інфрачервоного діапазону і багатооб'єктний спектрометр

• Спектрограф

• Вдосконалена оглядова камера.

 

 

 

Досягнення 

За 15 років роботи на навколоземній орбіті «Хаббл» отримав 700 тисяч зображень від 22 тисяч небесних об'єктів — зірок, туманностей, галактик, планет. Потік даних, які він щоденно накопичує в процесі спостережень, становить близько 15 Гб. Загальний їх об'єм, накопичений за весь час роботи телескопа, перевищує 20 терабайтів. Більше 3900 астрономів мали можливість використовувати цей телескоп для спостережень, за результатами опубліковано близько 4000 статей у наукових журналах. Встановлено, що у середньому індекс цитування астрономічних статей, написаних на основі даних телескопа, у два рази більший, ніж статей з результатами обробки інших даних. Щорічно у списку з

200 найбільш цитованих  статей не менше 10% займають  роботи, які виконані на основі  матеріалів «Хаббла».

Стовпи  творіння, один з найвідоміших знімків, отриманих телескопом. Це область у Туманності Оріона, де формуються нові зірки.

Космічний телескоп Spitzer

Космічний інфрачервоний телескоп Spitzer було запущено у космос ракетою Delta з мису Канаверал, Флорида, 25 серпня 2003р. Spitzer отримує зображення і спектри в інфрачервоному діапазоні з довжинами хвиль 3 і 180 мікрон. Більшість з цього інфрачервоного випромінювання блокується земною атмосферою, що унеможливлює спостереження у цьому діапазоні з поверхні Землі.

 

Spitzer має діаметр 0.85м.  Це найбільший інфрачервоний  телескоп, що його було коли-небудь  запущено у космос. Його високочутливі  інструменти надають нам унікальний вид Всесвіту в невидимому діапазоні довжин хвиль, прихованому від оптичних телескопів. Багато областей простору наповнені величезними щільними хмарами газу і пилу. Інфрачервоне випромінювання може проникати крізь ці хмари, дозволяючи бачити області утворення зірок. Інфрачервоне випромінювання також приносить нам інформацію про планети навколо інших зірок, про гігантські молекулярні хмари. Багато молекул у космосі, зокрема органічні молекули, залишають свої сліди в інфрачервоній області.

Телескоп повинен бути охолоджений до температури, близької до абсолютного нуля (мінус 273 градуси за шкалою Цельсія), щоб виключити інфрачервоне випромінювання самого телескопа. Крім того, телескоп повинен бути захищений від тепла Сонця і інфрачервоного випромінювання Землі. Щоб добитися цього, Spitzer обладнано спеціальним щитом.

Spitzer буде завершальною  місією NASA - сімейства чотирьох орбітальних  обсерваторій, які ведуть спостереження  Всесвіту в різних діапазонах  довжин хвиль (видимий, рентгенівський, гамма- та інфрачервоний діапазони). Spitzer забезпечить учених інформацією, яка допоможе зрозуміти походження та еволюцію галактик, зірок і планет.