Хотя рефлекторные телескопы производят другие типы оптических аберраций, это конструкция, которая позволяет достичь целей большого диаметра. Почти все основные телескопы, используемые в астрономических исследованиях, являются таковыми. Отражающие телескопы бывают разных вариантов дизайна и могут использовать дополнительные оптические элементы для улучшения качества изображения или размещения изображения в механически выгодном положении.

Характеристика рефлекторных телескопов

Идея о том, что изогнутые зеркала ведут себя как линзы, восходит, по крайней мере, к трактату Альфазена XI века по оптике - работе, которая широко распространялась в латинских переводах в Европе раннего модерна. Вскоре после изобретения преломляющего телескопа Галилео, Джованни Франческо Сагредо и другие, вдохновленные их знанием принципов изогнутых зеркал, обсуждали идею построения телескопа с использованием зеркала в качестве инструмента формирования изображения. Сообщалось, что Болоньезе Чезаре Караваджи построил первый рефлекторный телескоп около 1626 года. Итальянский же профессор Никколо Цуччи в более поздней работе написал, что экспериментировал с вогнутым бронзовым зеркалом в 1616 году, но сказал, что он не дает удовлетворительного изображения.

История создания

Потенциальные преимущества использования параболических зеркал, в первую очередь сокращение сферической аберрации без хроматической аберрации, привели ко многим предлагаемым проектам будущих телескопов. Наиболее заметным был Джеймс Грегори, который опубликовал инновационный дизайн для «отражающего» телескопа в 1663 г. Прошло десять лет (1673), прежде чем экспериментальный ученый Роберт Гук смог построить этот тип телескопа, который стал известен как Григорианский телескоп.

Исааку Ньютону, как правило, приписывали создание первого рефлекторно-рефракторного телескопа в 1668 году. В нем использовалось первичное зеркало из сферического металла и небольшое диагональное в оптической конфигурации, получившее название ньютоновского телескопа.

Дальнейшее развитие

Несмотря на теоретические преимущества конструкции рефлектора, сложность конструкции и низкая производительность металлических зеркал, используемых в то время, означали, что потребовалось более 100 лет, чтобы они стали популярными. Многие из достижений в области создания рефлекторных телескопов включали совершенствование изготовления параболического зеркала в XVIII веке, стеклянные зеркала с серебряным покрытием в XIX веке, долговечные алюминиевые покрытия в XX веке, сегментированные зеркала для обеспечения большего диаметра, и активную оптику для компенсации гравитационной деформации. Инновацией середины XX века были катадиоптические телескопы, такие как камера Шмидта, которые используют как сферическое зеркало, так и линзу (называемую корректорной пластиной) в качестве первичных оптических элементов, в основном используемых для широкомасштабной визуализации без сферической аберрации.

В конце XX века развитие адаптивной оптики и удачной визуализации для преодоления проблем, связанных с наблюдением, и отражение телескопов повсеместно распространены на космических телескопах и многих типах средств визуализации космических аппаратов.

Криволинейное первичное зеркало является основным оптическим элементом телескопа, оно и создает изображение в фокальной плоскости. Расстояние от зеркала до фокальной плоскости называется фокусным расстоянием. Цифровой датчик может быть расположен здесь для записи изображения, или дополнительное зеркало может быть добавлено для изменения оптических характеристик и/или перенаправления света на пленку, цифровой датчик или окуляр для визуального наблюдения.

Детальное описание

Первичное зеркало в большинстве современных телескопов состоит из твердого стеклянного цилиндра, передняя поверхность которого измельчена до сферической или параболической формы. Тонкий слой алюминия вакуумируется на линзу, образуя светоотражающее первое поверхностное зеркало.

В некоторых телескопах используются первичные зеркала, которые сделаны по-разному. Расплавленное стекло вращается, чтобы сделать его поверхность параболоидальной, оно остывает и затвердевает. Полученная форма зеркала аппроксимирует желаемую форму параболоида, которая требует минимального шлифования и полировки, чтобы достичь точной цифры.

Качество изображения

Рефлекторные телескопы, как и любая другая оптическая система, не создают «идеальных» изображений. Необходимость фотографировать объекты на расстояниях до бесконечности, просматривать их на разных длинах волн света, а также требовать иметь некоторый способ просмотра изображения, которое производит первичное зеркало, означает, что в оптическом дизайне отражающего телескопа всегда есть какой-то компромисс.

Поскольку основное зеркало фокусирует свет на общую точку перед собственной отражающей поверхностью, почти все отражающие конструкции телескопа имеют вторичное зеркало, держатель пленки или детектор вблизи этой фокальной точки, частично препятствуя свету достичь основного зеркала. Это не только приводит к некоторому уменьшению количества света, которое система собирает, но также приводит к потере контраста в изображении из-за дифракционных эффектов обструкции, а также к дифракционным спайкам, вызванным большинством вторичных опорных структур.

Использование зеркал позволяет избежать хроматической аберрации, но они создают другие типы аберраций. Простое сферическое зеркало не может передать свет от отдаленного объекта к общему фокусу, поскольку отражение световых лучей, поражающих зеркало у его края, не сходится с теми, которые отражают от центра зеркала, дефект, называемый сферической аберрацией. Чтобы избежать этой проблемы, наиболее продвинутые устройства рефлекторных телескопов используют параболические зеркала, которые могут фокусировать весь свет на общий фокус.

Григорианский телескоп

Григорианский телескоп описан шотландским астрономом и математиком Джеймсом Грегори в его книге 1663 года Optica Promota как использующий вогнутое вторичное зеркало, которое отражает изображение через отверстие в первичном зеркале. Это создает вертикальное изображение, полезное для наземных наблюдений. Существует несколько крупных современных телескопов, которые используют григорианскую конфигурацию.

Рефлекторный телескоп Ньютона

Ньютоновский аппарат был первым успешным отражающим телескопом, созданным Исааком в 1668 году. Обычно он имеет параболоидное первичное зеркало, но при фокальных соотношениях f / 8 или более - сферическое первичное зеркало, чего может быть достаточно для высокого визуального разрешения. Плоское вторичное зеркало отражает свет в фокальной плоскости сбоку от верхней части трубки телескопа. Это один из простейших и наименее дорогих дизайнов для данного размера первичного материала, и он распространен среди любительских аппаратов. Ход лучей рефлекторных телескопов впервые был отработан именно на Ньютоновском образце.

Аппарат Кассегрена

Телескоп Кассегрена (иногда называемый «классический Кассегрен») был впервые сконструирован в 1672 году, приписываемый Лорану Кассегрейну. Он имеет параболическое первичное зеркало и гиперболическое вторичное зеркало, которое отражает свет назад и вниз через отверстие в первичном.

Дизайн телескопа Dall-Kirkham Cassegrain был создан Горасом Даллом в 1928 году, и получил название в статье, опубликованной в Scientific American в 1930 году после обсуждения астронома-любителя Аллана Киркхэма и Альберта Г. Ингаллса, (редактора журнала в то время). Он использует вогнутое эллиптическое первичное зеркало и выпуклое вторичное. Хотя эту систему легче измельчить, чем классическую систему Cassegrain или Ritchey-Chrétien, она не подходит для внеосевой комы. Кривизна поля фактически меньше, чем у классического Кассегрена. Сегодня такой дизайн используется во многих сферах применения этих замечательных аппаратов. Но его вытесняют электронные аналоги. Тем не менее именно аппарат этого типа считается самым большим рефлекторным телескопом.

Сэр Исаак Ньютон (1643-1727) - английский ученый

Зеркальный телескоп знаменитого английского ученого-исследователя Исаака Ньютона не принадлежит к числу бесценных сокровищ, которые могут вызвать всеобщее восхищение. Телескоп — научный прибор. Но сегодня это бесценная реликвия, потому что Ньютон смастерил его сам. С его помощью он обогатил науку и все человечество новыми знаниями о звездах, о движении света. Добытые им научные данные трудно переоценить.

Интерес к созданию научных приборов, с помощью которых можно было вести исследования, появился у Ньютона еще в школьные годы. Мальчишкой он любил наблюдать, как трудятся плотники, как они возводят дом, как мастерят крылья ветряной мельницы, как создают колеса для водяной мельницы. Он не просто смотрел, он запоминал, а дома зарисовывал, создавал подобие чертежей, по которым изготовлял действующие модели ветряной и водяной мельниц. Но он не просто копировал,- он вносил в каждую модель определенное новшество.

Его увлечение моделированием отмечали учителя в школе, на это обратили внимание родственники и знакомые семьи Ньютона. Однажды он смастерил часы, которые действовали под напором стекавшей из резервуара воды. Она попадала в воронку и затем вращала колеса. К удивлению взрослых, он изготовил миниатюрную мельницу для помола зерна. В роли же двигателя у него выступила мышка, которая вращала колесо. Добился он этого не дрессировкой, а естественным желанием мышки полакомиться, и подвесил над ней мешочек с зерном.

Ньютон не был изобретателем. Ни один из создаваемых им приборов он не придумал. Он брал готовые, но в каждый вносил усовершенствования. Телескоп ему нужен был, чтобы, наблюдая за звездами, определить свойства света, узнать его скорость, разгадать тайны мироздания.

Первые телескопы, или подзорные трубы, появились в Голландии в XVII веке, хотя увеличительное свойство вогнутых стеклянных линз было известно еще за 2500 лет до нашей эры. В 1610 году итальянский ученый Галилео Галилей при помощи сконструированного им прибора наблюдал за звездами и сделал Ошеломляющий вывод, что Вселенная бесконечна. До Галилея многие природные явления описывались умозрительно, редко на основе опытов. Но Галилей оказался первым, кто на основе наблюдений в телескоп сделал вывод о движении звезд, о бесконечности мироздания. Его сравнивали с Колумбом, открывателем неизвестных ранее земель. Его деятельность стала примером для подражания.

В Голландии, Германии, Англии ученые стали изготавливать свои подзорные трубы. Не избежал этого соблазна и Ньютон. Университетская наука в Кембридже требовала новых приборов, и 22-летний студент Ньютон приступил к созданию своего телескопа. Он собственноручно полировал линзы. Это была тяжелейшая работа. В своих «Лекциях по оптике» он описал суть созданного им прибора и его возможности. Только через несколько лет ему удалось, наконец, реализовать свои идеи в новом телескопе.

В 1б71 году весть о том, что в Кембридже никому не известный молодой изобретатель создал особый телескоп с отражающим сферическим зеркалом, с помощью которого можно приблизить небо и наблюдать за звездами, дошла до Лондона. Ньютона попросили прислать прибор в столицу. Его действие хотели продемонстрировать перед монархом. На престоле находился Карл II, в период правления которого Англия переживала экономический расцвет. Телескоп придирчиво осматривали самые видные ученые того времени, которые являлись членами созданного в 1662 году Королевского математического общества. И все признали большую полезность созданного в Кембридже телескопа. Король согласился с мнением ученых, и в том же году 29-летний Ньютон был принят в члены Королевского математического общества.

Телескопы-рефлекторы, их достоинства и недостатки

Настало время разобраться в том, что же такое рефлектор и чем он принципиально отличается от рефрактора.

Само слово рефлектор произошло от английского «reflect» - отражать. Из этого ясно, что в качестве основного элемента схемы выступает зеркало. Отцом рефлектора стал Исаак Ньютон, который собрал первый такой телескоп в 1688 году. До этого существовала лишь одна схема – созданный Галилеем рефрактор, который сильно грешил хроматической аберрацией (будучи неахроматическим, неспособным собрать в фокус лучи с разной длиной волны, значительно изменяя картинку).

Оптическая схема

До сих пор схема Ньютона остается самой популярной для каждого, кто захочет купить зеркальный телескоп. Суть ее крайне проста: свет попадает на параболическое (иногда — сферическое) главное зеркало, которое, в свою очередь, направляет его на диагональное зеркало (плоское). И уже этот элемент выводит свет на окуляр.

Википедия утверждает, что существует еще 7 различных рефлекторных схем, но изучать их имеет смысл разве что из праздного любопытства. По большей части в промышленных телескопах используется именно схема Ньютона. Если кто-то говорит «рефлектор», то он имеет в виду именно «рефлектор Ньютона», все прочие схемы будут обозначаться по фамилии создателя. Это объясняется тем, что все они значительно менее удобны. Где-то требуется больше зеркал, где-то смотреть приходится под углом. Ньютон – это простая и нестареющая классика.

Достоинства рефлектора

Его создавали для того, чтобы избавиться от хроматических аберраций, которые давали линзовые телескопы. Было бы странно полагать, что они у него остались. Полное отсутствие этого дефекта – главное достоинство рефлекторов. К тому же, они обладают высокой светосилой (до 1:4 в серийных моделях), которая рефракторам не может и присниться. Именно зеркальная схема сделала телескопы с большим диаметром доступными простому обывателю. Из-за большого фокусного расстояния рефрактору с большим диаметром понадобилась бы очень длинная (около 7 метров) труба. К ней, естественно, нужна огромная монтировка. Стоимость такого устройства исчислялась бы, наверное, в миллионах. То, что мы можем купить телескоп с большим диаметром за гораздо меньшие деньги – заслуга исключительно рефлекторов.

Недостатки зеркального телескопа

Формально к ним относятся световые потери из-за наличия второго зеркала (в рефракторе свет идет сразу вам в глаз, а в рефлекторе ему нужно «попутешествовать» между зеркалами), воздушные потоки внутри открытой трубы и прочее. На практике же вам будет портить жизнь лишь одна вещь – необходимость настройки зеркал (юстировки) после любой перевозки. Юстировка отнимает малую часть драгоценного времени наблюдений. При наличии опыта она занимает не более 5 минут.Впрочем, юстировки не нужно бояться – она совсем не сложна, научиться сможет любой.

Вердикт

Начиная с диаметра 110мм, имеет смысл купить рефлектор. Рефрактор, который вы сможете купить за эти деньги, будет иметь значительно меньший диаметр (в районе 90мм). Рефлекторы просты и удобны в настройке, их рекомендуется брать всем, за исключением тех, кому необходимы наземные объекты.

Основные оптические системы зеркальных телескопов

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 одинакового шестиугольника.

13 июля 2007 года первый свет увидел телескоп Gran Telescopio Canarias на Канарских островах с диаметром зеркала 10,4 м, который является самым большим оптическим телескопом в мире по состоянию на первую половину 2009 года .

В современных составных рефлекторах с середины 1990-х годов используются деформируемые зеркала (англ. ) и адаптивная оптика , что позволяет компенсировать атмосферные искажения. Это стало прорывом в телескопостроении и позволило значительно повысить качество работы наземных телескопов.

См. также

Примечания

Литература

• Чикин А. А. «Отражательные телескопы» , Петроград, 1915
• Навашин М. С. Телескоп астронома-любителя. - М .: Наука, 1979.
• Сикорук Л. Л. Телескопы для любителей астрономии.
• Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. - М.-Л.: Наука, 1979.

Ссылки

• Анимационные оптические схемы: Максутова-Касегрена, Максутова - Ньютона, Грегори-Максутова

Wikimedia Foundation . 2010 .