diff --git a/AstroCrafts/04/Aphens_sp.jpg b/AstroCrafts/04/Aphens_sp.jpg new file mode 100644 index 0000000..dde5a1e Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/Aphens_sp.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/Aphens_spcon.jpg b/AstroCrafts/04/Aphens_spcon.jpg new file mode 100644 index 0000000..3714c25 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/Aphens_spcon.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/BTA.png b/AstroCrafts/04/BTA.png new file mode 100644 index 0000000..64809f1 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/BTA.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/ESI.png b/AstroCrafts/04/ESI.png new file mode 100644 index 0000000..ab00dfe Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/ESI.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/Hectospec.jpg b/AstroCrafts/04/Hectospec.jpg new file mode 100644 index 0000000..4d321e6 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/Hectospec.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/Hectospec_focal_plane.jpg b/AstroCrafts/04/Hectospec_focal_plane.jpg new file mode 100644 index 0000000..6ae544e Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/Hectospec_focal_plane.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/SAMI_GUI.png b/AstroCrafts/04/SAMI_GUI.png new file mode 100644 index 0000000..173ee54 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/SAMI_GUI.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/Zeiss_1000.png b/AstroCrafts/04/Zeiss_1000.png new file mode 100644 index 0000000..4ef0fb2 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/Zeiss_1000.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/calar_alto.png b/AstroCrafts/04/calar_alto.png new file mode 100644 index 0000000..11ff466 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/calar_alto.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/goodman_GUI.jpg b/AstroCrafts/04/goodman_GUI.jpg new file mode 100644 index 0000000..3b1d40b Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/goodman_GUI.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/horror1.jpg b/AstroCrafts/04/horror1.jpg new file mode 100644 index 0000000..03b419d Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/horror1.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/horror2.jpg b/AstroCrafts/04/horror2.jpg new file mode 100644 index 0000000..60971ff Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/horror2.jpg differ diff --git a/AstroCrafts/04/radio1.png b/AstroCrafts/04/radio1.png new file mode 100644 index 0000000..db71b8c Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/radio1.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/tcsscreen.png b/AstroCrafts/04/tcsscreen.png new file mode 100644 index 0000000..4114525 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/tcsscreen.png differ diff --git a/AstroCrafts/04/telconsys.png b/AstroCrafts/04/telconsys.png new file mode 100644 index 0000000..1660822 Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/04/telconsys.png differ diff --git a/AstroCrafts/Makefile b/AstroCrafts/Makefile new file mode 100644 index 0000000..ae084fc --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/Makefile @@ -0,0 +1,11 @@ +SRCS = $(wildcard *.tex) +PDFS = $(SRCS:.tex=.pdf) + + +all: $(PDFS) + +%.pdf : %.tex + latexmk --pdf $< + +clean: + rm -f *.aux *.log *.nav *.out *.snm *.backup *.toc *~ *.fls *.fdb_latexmk diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts.sty b/AstroCrafts/astrocrafts.sty new file mode 100644 index 0000000..2ac63f5 --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/astrocrafts.sty @@ -0,0 +1,49 @@ +\usepackage[T2A]{fontenc} %поддержка кириллицы +\usepackage[koi8-r]{inputenc} +\usepackage[english,russian]{babel} +\graphicspath{{./pic/}{./04/}} +\usetheme{Boadilla} +\usefonttheme{structurebold} +\usefonttheme[onlymath]{serif} +\setbeamercovered{transparent} + +\newenvironment{pict}% + {\begin{figure}[!h]\begin{center}\noindent}% + {\end{center}\end{figure}} + +\setbeamercolor{color1}{bg=blue!50!black,fg=white} +\setbeamercolor{normal text}{bg=blue!20!black,fg=cyan!70!white} +\setbeamercolor{frametitle}{fg=red,bg=blue!40!black} +\setbeamercolor{title}{fg=red,bg=blue!40!black} +\setbeamercolor{block title}{fg=cyan,bg=blue!40!black} +\newenvironment{defin}{\begin{beamercolorbox}[shadow=true, rounded=true]{color1}}% +{\end{beamercolorbox}} +\newcommand{\img}[2][]{\begin{pict}\includegraphics[width=#1\columnwidth]{#2}\end{pict}} +\newcommand{\smimg}[2][]{\includegraphics[width=#1\columnwidth]{#2}} +\logo{\includegraphics[width=1cm,height=1cm,keepaspectratio]{saologo.jpg}} + +\def\daterussian{ % fix for iюня and iюля + \def\today{\number\day~\ifcase\month\or + \cyrya\cyrn\cyrv\cyra\cyrr\cyrya\or + \cyrf\cyre\cyrv\cyrr\cyra\cyrl\cyrya\or + \cyrm\cyra\cyrr\cyrt\cyra\or + \cyra\cyrp\cyrr\cyre\cyrl\cyrya\or + \cyrm\cyra\cyrya\or + \cyri\cyryu\cyrn\cyrya\or + \cyri\cyryu\cyrl\cyrya\or + \cyra\cyrv\cyrg\cyru\cyrs\cyrt\cyra\or + \cyrs\cyre\cyrn\cyrt\cyrya\cyrb\cyrr\cyrya\or + \cyro\cyrk\cyrt\cyrya\cyrb\cyrr\cyrya\or + \cyrn\cyro\cyrya\cyrb\cyrr\cyrya\or + \cyrd\cyre\cyrk\cyra\cyrb\cyrr\cyrya\fi + \space \number\year~\cyrg.}} + +\author[Емельянов Э.В.]{Емельянов Эдуард Владимирович} +\institute[САО РАН]{Специальная астрофизическая обсерватория РАН\\ + {\tiny Лаборатория обеспечения наблюдений}\\ +} + +\newenvironment{lightframe}{\bgroup\setbeamercolor{normal text}% +{bg=blue}\begin{frame}}{\end{frame}\egroup} +\newenvironment{blueframe}{\bgroup\setbeamercolor{normal text}% +{bg=cyan!70!white}\begin{frame}}{\end{frame}\egroup} diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts01.pdf b/AstroCrafts/astrocrafts01.pdf new file mode 100644 index 0000000..3de6b4c Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/astrocrafts01.pdf differ diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts01.tex b/AstroCrafts/astrocrafts01.tex new file mode 100644 index 0000000..81d69f4 --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/astrocrafts01.tex @@ -0,0 +1,154 @@ +\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer} +\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen} +\usepackage{astrocrafts} + +\title[Оборудование. 1. До телескопов]{Астрофизическое оборудование} +\subtitle[1. До телескопов]{1. Дотелескопная эпоха} +\date{23 мая 2016 года} + +\begin{document} +% Титул +\begin{frame} +\maketitle +\end{frame} +% Содержание +\begin{frame} +\tableofcontents +\end{frame} + +\section{Археоастрономия} +\begin{frame}{Археоастрономия} +\begin{defin} +\textbf{Археоастрономия} "--- наука, сформировавшаяся во второй половине XX века, предметом +изучения которой служат астрономические представления людей древности. +\end{defin} +\img[0.7]{Stonehenge2007_07_30} +\end{frame} + +\begin{frame} +\begin{block}{} + \begin{itemize} + \item Норман Локьер <<Заря астрономии>> (1894) + \item<2> Термин "--- 1973, Элизабет Бэйти + \item<2> Шанталь Жегес-Волькевич и многие другие + \end{itemize} +\end{block} +\only<1>{\img[0.9]{karnak2}} +\only<2>{\img[0.5]{Lascaux}} +\end{frame} + +\begin{frame}{Пещера Ласк\'о (15-19 тыс. лет назад)} +\vspace*{-1em}\img[0.95]{lascaux_cave} +\end{frame} + +\begin{frame}{Стоунхендж} +\vspace*{-1em}\img[0.87]{Stonehenge_render} +\end{frame} + +\begin{frame} +\vspace*{-1em}\img[0.85]{stoneh_2} +\end{frame} + +\begin{frame}{Храмы Луксора и Карнака} +\vspace*{-1em}\img[0.55]{luxortemple} +\end{frame} + +\begin{frame}{Пирамиды Гизы и Орион в 105\,в. до н.э.} +\vspace*{-1em}\img[0.8]{giza_orion} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\vspace*{-1em}\img[0.55]{pyramids_milky_way} +\end{frame} + +\begin{frame}{Прецессия ($T=25800\,$лет)} +\vspace*{-0.8em}\img[0.6]{Precession_N} +\small (2000) 365.2422 дня "--- тропический год, %365.2424 "--- повтор равноденствий, +365.2564 "--- сидерический год. Сотический цикл "--- 1460 лет. +\end{frame} + +\section{Историческое время} +\begin{frame}{Эратосфен} +\img[0.45]{eratosp} +\end{frame} + +\begin{frame}{Гн\'омон (Анаксимандр Милетский, 6в до н.э.)} +\img{sp_sq} +\small Обелиск площади св.~Петра в Ватикане как гномон. +\end{frame} + +\begin{frame}{Армиллярная сфера (Эратосфен?)} +\img[0.5]{Armillary_sphere} +\end{frame} + +\begin{frame}{Антикитерский механизм} +\vspace*{-0.5em}\img[0.75]{Anticythere_1} +\end{frame} + +\begin{frame} +\img[0.5]{Antikythera_2007} +\end{frame} + +\begin{frame}{Экваториальное кольцо (Гиппарх)} +Открытие предварений равноденствий (Аристарх Самосский?). $1^\circ$ в столетие (реально~-- за 72 +года). Звездный каталог. Звездные величины. +\img[0.5]{Equatorial_ring} +\end{frame} + +\begin{frame}{Астролябия} +\img[0.7]{Astrolabe-Persian-18C} +\end{frame} + +\begin{frame}{Трикв\'етрум} +\vspace*{-0.5em}\img[0.85]{triquetrum} +\end{frame} + +\begin{frame}{Квадрант, секстант} +\vspace*{-0.7em}\img[0.6]{Sextant_Ulug} +\end{frame} + +\begin{frame} +\vspace*{-0.7em}\img[0.95]{Stark-quadrant} +\end{frame} + +\begin{frame}{Торкв\'етум} +\vspace*{-0.8em}\img[0.5]{Torquetum} +\end{frame} + +\begin{frame}{<<Послы>> Ганса Гольбейна Младшего (1533)} +\vspace*{-2em} +\begin{columns}\column{0.6\textwidth} +\img{Ambassadors} +\column{0.4\textwidth}\small +\begin{block}{Предметы} +\begin{itemize} +\item звездный глобус +\item местные солнечные часы +\item универсальные морские часы +\item квадрант +\item многогранные часы +\item торкветум +\item глобус +\item арифметика Петера Апиана +\item лютня +\item псалмы (ноты) +\item анаморфный череп +\end{itemize} +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{Теллурий} +\vspace*{-1.5em}\img{Tellurian} +\end{frame} + +\begin{frame}{Спасибо за внимание!} +\centering +\begin{minipage}{5cm} +\begin{block}{mailto} +eddy@sao.ru\\ +edward.emelianoff@gmail.com +\end{block}\end{minipage} +\end{frame} + +\end{document} diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts01.txt b/AstroCrafts/astrocrafts01.txt new file mode 100644 index 0000000..8bf12df --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/astrocrafts01.txt @@ -0,0 +1,321 @@ +*** "дотелескопная" эпоха *** +3. Археоастрономия. + +4. Норман Локьер "Заря астрономии" (1894). + +5. Пещера Ласко во Франции (15-19 тыс. лет назад). Шанталь Жегес Волькевич (археоастроном) считает, что там изображены созвездия того времени. +На кадре в правом верхнем углу - козерог ~18тыс лет назад; в левом нижнем - лев; в правом нижнем - возничий и телец. + +6,7. Стоунхендж (3тыс лет до н.э., неоднократно достраивался вплоть до 1600 до н.э.). В нем захоронено около 240 кремированных трупов. Именно радиоуглеродный анализ пепла позволил определить возраст сооружения. +Крупные оси ориентированы на восход и закат Солнца в дни равноденствий и солнцестояний. Основная ось - восход Солнца в день летнего солнцестояния (северо-восток). Дополнительные камни - восход и закат Луны. +Возможно, стоунхендж позволял также определять лунные и солнечные затмения. + + +8. Карнакский комплекс храмов (~2тыс до н.э.). Основная галерея изначально была рассчитана на то, что заходящее солнце в день летнего солнцестояния озарит статую Амона-Ра. +С другой стороны, храм мог быть ориентирован на восходящее Солнце в день зимнего солнцестояния. +Интересно, что соседний Луксорский храм представляет собой более древнее сооружение, судя по +надстройке с измененным направлением оси. +Сторонники теории инверсии (мухлюют на обратном вращении Венеры и ее резонансе с Землей - 13 +венерианских лет == 5 земных, хотя, возможно, это объясняется тем, что Венера когда-то потеряла +спутника - Меркурия) МП считают, что Солнце тогда восходило на западе, пока в 17в до н.э. не +произошла "инверсия" (потом были еще инверсии в 13в до н.э. и 9 в до н.э.). + + +9,10. Три главные Пирамиды Гизы расположены относительно долины Нила так, чтобы точно воспроизвести положение трех звезд Пояса Ориона относительно Млечного Пути в 105 веке до н.э. +Древняя религия египтян и египетский сотический календарь базировались на гелиакическом восходе Сириуса, предвещавшем разлив Нила. + + +11. Вследствие прецессии гелиакический восход Сириуса медленно сдвигается по отношению к временам года. Сегодня это событие наблюдается в августе, то есть в конце лета. В 2781 году до н.э. гелиакический восход Сириуса приходился на 21 июня, день летнего солнцестояния. Такое совпадение должно было произвести огромное впечатление на древних астрономов, живших на берегах Нила. Еще удивительнее это совпадение становилось из-за того, что именно в это время начинала прибывать вода в Ниле. Это тройное совпадение - летнее солнцестояние, гелиакический восход Сириуса и разлив Нила - неизбежно подталкивало к выводу, что одновременное восхождение солнца и Сириуса является космическим пусковым механизмом, дающим начало разливу Нила. +Неудивительно, что египтяне считали эти загадочные 70 дней (период невидимости Сириуса), предшествующие возрождению великой реки, магическим превращением в преисподней Дуат, ведущим от смерти к возрождению. +Календарь египтян был основан на "подвижном" годе в 365 дней, который на 1/4 суток меньше истинного, поэтому гелиакический восход Сириуса (первый восход после некоторого периода невидимости) постепенно смещался. Каждые 4 года накапливался один день разницы, а через 1460 лет Сириус снова появлялся в тот же календарный день. Это т.н. сотический цикл. +Вследствие прецессии земной оси северный и южный полюсы мира вращаются вокруг полюсов эклиптики с +периодом 25800 лет. Северный полюс эклиптики находится в созвездии Дракона. +Совершенно случайно прецессия и собственное движение Сириуса (RA: -546.05mas в год, Dec: +-1223.14mas в год) привели к тому, что гелиактические восходы Сириуса повторялись почти точно +каждые 365.25 лет (что и привело к введению юлианского календаря), а гелиактический восход в +равноденствие повторялся каждые ~1460 лет. + + +Жрецы-вавилоняне оставили множество астрономических таблиц[8]. Они же выделили основные созвездия и +зодиак[8], ввели деление полного угла на 360[9], развили тригонометрию[9]. +Во II тыс. до н. э. у шумеров появился лунный календарь[8], усовершенствованный в I тыс. до н. э. +Год состоял из 12 синодических месяцев -- шесть по 29 дней и шесть по 30 дней, всего 354 дня[9]. +Сначала для согласования с солнечным годом (продолжительность которого они определили в 365 \frac +{1} {4} дней) делали вставку 13-го месяца, но потом перестали это делать.[9] +Обработав свои таблицы наблюдений, жрецы открыли многие законы движения планет, Луны и Солнца, +смогли предсказывать затмения[9]. В 450 году до н. э. вавилоняне уже знали <<метонов цикл>> (235 +месяцев с большой точностью совпадают с 19 солнечными годами)[9]. Впрочем, китайцы открыли его ещё +раньше. + +Уже во время легендарной династии Ся (конец III -- начало II тыс. до н. э.) в Китае были две +должности придворных астрономов. По легенде, в 2137 г. до н. э. были казнены астрономы Хо и Хи, не +сумевшие предсказать затмение. +Китайские Обсерватории появились в XII веке до н. э. +Первая запись о появлении кометы относится к 631 г. до н. э.[14], о лунном затмении -- к 1137 г. до +н. э., о солнечном -- к 1328 году до н. э.[15], первый метеорный поток описан в 687 г. до н. э. +Самое раннее однозначно идентифицируемое сообщение о комете Галлея датируется 240 г. до н. э. +Возможно, что наблюдавшаяся комета 466 г. до н. э. также являются появлением кометы Галлея. Начиная +с 87 г. до н. э.[14] отмечены все последующие появления. В 301 г. впервые замечены пятна на +Солнце[12]; позже они регистрировались неоднократно. +Из других достижений китайской астрономии отметим правильное объяснение причины солнечных и лунных +затмений, открытие неравномерности движения Луны[15], измерение сидерического периода сначала для +Юпитера (12 лет, точное значение: 11.86), а с III века до н. э. -- и для всех прочих планет, как +сидерические, так и синодические, с хорошей точностью. + + +Предварение равноденствий (лат. praecessio aequinoctiorum) +Нутация открыта в 1728 году Джеймсом Бредли. Ее амплитуда - около 17'', а возникает она из-за асимметрии Земли и влияния других планет. + + +12, 13. Гномон позволяет определить: + астрономический полдень -- момент, когда длина его тени наименьшая. + направление на север -- по направлению тени в астрономический полдень. + широта места -- по длине тени в астрономический полдень. +Тем не менее точность гномона в принципе невелика, так как угловой диаметр Солнца приблизительно равен 30', использовать же гномон для измерения по звёздам невозможно. +Принято считать, что гномон изобрёл древнегреческий философ и астроном Анаксимандр Милетский (6в до н.э.). +Эратосфен в 240 г. до н. э. довольно точно измерил длину земной окружности и наклон эклиптики к +экватору (т.е наклон земной оси); он также предложил систему високосов, позже названную юлианским +календарём. + измерение эратосфеном: в Сиене (совр. Асуан) в летнее солнцестояние Солнце в зените, в Александрии +высота Солнца 1/50 окружности. Расстояние - 5000 стадий -> окружность Земли 250000 стадий (в +зависимости от типа стадии ошибка 8-44%). Если бы Эратосфен знал верное расстояние между Сиеной и +Александрией (а не заплатил человеку, считавшему шаги) получил бы ошибку в 0.16%! +Проблема - стадий: вавилонский = 194 м, греческий = 178 м, египетский = 172,5 м , стадий системы +фараонов = 209,4 м, птолемеевский и римский = 185 м, стадий ассиро-халдейско-персидской системы = +230,4 м + изучая записи путешественников, Эратосфен попытался составить первую карту мира. Проблема - +хреновое измерение расстояний + Кроме этих изобретений: "решето Эратосфена" для определения простых чисел, мезолабий для решения +проблемы удвоения куба. + +В 432 г. до н.э. Метоном был построен на площади в Афинах гномон для наблюдения солнцестояний. + +14. Армиллярная сфера +Её изобретение приписывают древнегреческому геометру Эратосфену (III в. до н. э.). +Впоследствии армиллярная сфера использовалась также как наглядное учебное пособие -- в качестве +модели небесной сферы. +к началу XX века, армиллярная сфера практически не использовалась, прибор был вытеснен более точными +астрономическими инструментами. +изображена на гербе Португалии + +15,16. Антикитерский механизм +The Antikythera mechanism is an ancient analog computer designed to predict astronomical positions +and eclipses for calendrical and astrological purposes, as well as the Olympiads, the cycles of the +ancient Olympic Games. The artifact was recovered probably in July 1901 from the Antikythera +shipwreck off the Greek island of Antikythera. Believed to have been designed and constructed by +Greek scientists, the instrument has been dated either between 150 and 100 BC, or, according to a +more recent view, at 205 BC. +Механизм содержал 37 бронзовых шестерён в деревянном корпусе, на котором были размещены циферблаты +со стрелками и, по реконструкции, использовался для расчёта движения небесных тел. Другие устройства +подобной сложности неизвестны в эллинистической культуре. +Множество циферблатов, метонов цикл (6939 дней 14 часов 15 минут ~19 лет, для согласования +продолжительности лунного месяца и солнечного года в лунно-солнечном календаре; Цикл, предложенный в +432 году до н. э. афинским астрономом Метоном, лёг в основу древнегреческого календаря), положение +Луны (сидерический месяц), фазы Луны (синодический месяц), олимпиады, египетский календарь, с'арос +(6585.3213 дня ~18 лет), Калиппов цикл, экселигмос (три сароса); солнечный диск и планетные диски +(т.е. все 7 известных светил) +In short, the Antikythera Mechanism was a machine designed to predict celestial phenomena according +to the sophisticated astronomical theories current in its day, the sole witness to a lost history of +brilliant engineering, a conception of pure genius, one of the great wonders of the ancient +world--but it didn't really work very well! +Впервые предсказывать лунные затмения с помощью сароса научились в древнем Вавилоне +Калиппов цикл (330bc) - совершенствование Метонова (в метоновом цикле год ~365.26316, в Калипповом +год ~365.25 суток). Калипп умножил Метонов цикл на 4 и вычел один день. +Экселигмос (греч. -- поворот колеса) -- период, равный примерно 19756 суткам или трем саросам, по +прошествии которого затмения Луны и Солнца повторяются примерно при одних и тех же условиях. В +отличие от сароса, экселигмос содержит в себе не только приблизительно целое число синодических +месяцев (669), драконических месяцев (726), аномалистических месяцев (717), но и приблизительно +целое количество суток (19756). Поэтому через экселигмос можно наблюдать затмения в одной и той же +местности, в одних и тех же условиях. + +17. Гиппах, 190-120 до н.э. Главной заслугой Гиппарха считается то, что он привнёс в греческие +геометрические модели движения небесных тел предсказательную точность астрономии Древнего Вавилона. +Гиппарх открыл отличие тропического и сидерического годов, уточнил длину года (365.25 +- 1/300 дней). Использовал экваториальное кольцо для точного определения равноденствий. Открыл +предварение равноденствий вследствие прецессии. Определил скорость прецессии (1 градус в год, в +реале - 1 градус за 72 года) на основании разности тропического и сидерического лет. Ввел понятие +звездной величины. На основании своего определения длины тропического года, Гиппарх внёс очередное +усовершенствование в лунно-солнечный календарный цикл: 1 цикл Гиппарха составляет 4 цикла Каллиппа +(304 года) без одного дня, то есть 111 035 дней, или 3760 синодических месяцев. +Гиппарх пытался измерить расстояния до Солнца и Луны. В результате получается, что минимальное +расстояние до Луны составляет 67 1/3, максимальное 72 2/3 радиусов Земли; расстояние до Солнца, +соответствующее суточному параллаксу 7?, составляет 490 радиусов Земли. В первой книге пытался +определить расстояния по анализу солнечных затмений, во второй - лунных. +Он впервые стал использовать градусную сетку, первый предложил определять широту не только по +Солнцу, как это делали уже задолго до него, но и по звёздам, а для +определения долготы предложил использовать наблюдения за лунными затмениями +Гиппарх составил первый в Европе звёздный каталог, включивший точные значения координат около +тысячи звёзд (работу по определению звёздных координат начали ещё в первой половине III века до н. +э. Тимохарис и Аристилл в Александрии). +Плиний Старший писал, что непосредственным поводом к составлению каталога явилась новая звезда в +Скорпионe, вспыхнувшая в 134 г. до н. э. +Другим новшеством Гиппарха при составлении каталога явилась система звёздных величин: звёзды первой +величины самые яркие и шестой - самый слабые, видимые невооружённым взглядом. Эта система в +усовершенствованном виде используется в настоящее время. + +18. Астролябия +прибор для определения широты, один из старейших астрономических инструментов. Основан на принципе +стереографической проекции [центральная проекция, отображающая двумерную сферу (с одной выколотой +точкой) на плоскость.] +Принцип стереографической проекции, переводящей окружности на сфере в окружности на плоскости открыл +Аполоний Перский. +Окончательный вид астролябии был разработан в IV в. н. э. Теоном Александрийским, который называл +это устройство <<малый астролабон>>. +Пика своей популярности в Европе астролябия достигла в эпоху Возрождения, в XV--XVI столетиях, она +наряду с армиллярной сферой была одним из основных инструментальных средств астрономического +образования. +Современным потомком астролябии является планисфера -- подвижная карта звёздного неба, используемая +в учебных целях. + +19. Трикветрум (от лат. triquetrus -- треугольный) (трикветр, линейка параллактическая) -- древний +астрономический угломерный инструмент, применявшийся для измерения зенитных расстояний небесных +светил и параллакса Луны. +Применение трикветра было описано Птолемеем в Альмагесте (V.12) и Коперником в книге О вращениях +небесных сфер (IV.15). +Мерой угла служила длина стержня с нанесёнными на него делениями, находившегося в основании +треугольника. Трикветрум использовался при астрономических наблюдениях вплоть до XVI века. + + +20, 21. Секстант/квадрант +секстант позволяет точно измерять угол между двумя направлениями +В секстанте используется принцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отражения +одного из них. +Секстант вытеснил астролябию как главный навигационный инструмент. +Квадрант -- ранний прототип секстанта + В странах исламского мира самыми крупными были стенные квадранты ал-Бируни (R = 7,5 м), Насир +ад-Дина ат-Туси в Марагинской обсерватории (R = 6,5 м), а также гигантский инструмент обсерватории +Улугбека в Самарканде (R = 40 м) +Главная особенность секстанта, которая позволила ему вытеснить астролябию, состоит в том, что при +его использовании высота светила измеряется относительно горизонта, а не относительно самого +инструмента. Это даёт б\'oльшую точность. + + +22. Торкв'етум -- астрономический инструмент, позволяющий производить измерения в различных системах +небесных координат -- горизонтальной, экваториальной и эклиптической. С его помощью можно также +осуществлять переходы между этими координатными системами, так что торкветум можно считать +аналоговым вычислительным устройством. Был изобретён западноарабским астрономом Джабиром ибн Афлахом +в первой половине XII столетия. + + +23. Картина Ганса Гольбейна Младшего "послы" (The Ambassadors, 1533) отображает множество +астрономических инструментов: местные солнечные часы (цилиндр), универсальные морские часы +(правее, за квадрантом), квадрант, многогранные солнечные часы, торкветум; в нижней части - череп в +анаморфной проекции (смотреть вблизи с правого верхнего угла) + + +24. Теллурий (середина 18 века) -- прибор для наглядной демонстрации годового движения Земли вокруг +Солнца и суточного вращения Земли вокруг своей оси. подвид Orrery (модель солнечной системы). + + + + ========== немного по истории ============= +ДРЕВНЯЯ ГРЕЦИЯ + +Венера считались разными светилами (Фосфор и Геспер); уже шумеры знали, что это одно и то же +светило. Исправление ошибки <<раздвоения Венеры>> приписывают Пифагору и Пармениду +Полюс мира в это время уже ушёл от Альфы Дракона, но ещё не придвинулся к Полярной; может быть, +поэтому в Одиссее ни разу не упоминается направление на север. +Пифагорейцы предложили пироцентрическую модель Вселенной, в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть +планет обращаются вокруг Центрального Огня (Гестии) +Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) придерживались гелиоцентрической системы +Платон, ученик Сократа, уже не сомневался в шарообразности Земли (даже Демокрит считал её диском) +Аристарх впервые пытался также измерить расстояние до Солнца и Луны и их диаметры; для Солнца он +ошибся на порядок (получилось, что диаметр Солнца в 250 раз больше земного), но до Аристарха все +полагали, что Солнце меньше Земли. Именно поэтому он и решил, что в центре мира находится Солнце. +Будучи принципиально неверной, система Птолемея, тем не менее, позволяла с достаточной для того +времени точностью предвычислять положения планет на небе и потому удовлетворяла, до известной +степени, практическим запросам в течение многих веков. + +Возрождение научной астрономии в Европе началось на Пиренейском полуострове, на стыке арабского и +христианского мира. Вначале определяющую роль играли проникавшие с арабского Востока трактаты -- +зиджи. + +В XV веке немецкий философ, кардинал Николай Кузанский, заметно опередив своё время, высказал +мнение, что Вселенная бесконечна, и у неё вообще нет центра -- ни Земля, ни Солнце, ни что-либо иное +не занимают особого положения. Все небесные тела состоят из той же материи, что и Земля, и, вполне +возможно, обитаемы. За век до Галилея он утверждал: все светила, включая Землю, движутся в +пространстве, и каждое находящийся на нём наблюдатель вправе считать неподвижным. + +В XV веке большую роль в развитии наблюдательной астрономии сыграли труды Георга Пурбаха, а также +его ученика и друга Иоганна Мюллера (Региомонтана). +Региомонтан (лат. Regiomontanus, подлинное имя -- Йоганн Мюллер, нем. Johannes Muller) (6 июня 1436, +Кёнигсберг Баварский, Священная Римская империя -- 6 июля 1476, Рим, Священная Римская империя) -- +выдающийся немецкий астролог, астроном и математик. Имя Региомонтан, которое представляет собой +латинизированное название родного города Йоганна Мюллера (лат. Regiomontanus = нем. Konigsberg), +После серии наблюдений они убедились, что все имевшиеся астрономические таблицы, включая +Альфонсинские, устарели: положение Марса давалось с ошибкой на 2, а лунное затмение опоздало на +целый час! Для повышения точности расчётов Региомонтан составил новую таблицу синусов (через 1') и +таблицу тангенсов. Только что появившееся книгопечатание способствовало тому, что исправленный +учебник Пурбаха и <<Эфемериды>> Региомонтана в течение десятилетий были основными астрономическими +руководствами для европейцев. Таблицы Региомонтана были намного точнее прежних и исправно служили +вплоть до Коперника. Их использовали Колумб и Америго Веспуччи. Позже таблицы некоторое время +использовались даже для расчётов по гелиоцентрической модели. +Региомонтан также предложил метод определения долготы по разнице табличного и местного времени, +соответствующего заданному положению Луны. Он констатировал расхождение юлианского календаря с +солнечным годом почти на 10 дней, что заставило церковь задуматься о календарной реформе. Такая +реформа обсуждалась на Латеранском соборе (Рим, 1512--1517) и была реализована в 1582 году. + + +Главный труд Коперника -- <<О вращении небесных сфер>> (лат. De Revolutionibus Orbium Coelestium) -- +был в основном завершён в 1530 году, но только перед смертью Коперник решился опубликовать его. +Впрочем, в 1503--1512 годах Коперник распространял среди друзей рукописный конспект своей теории +(<<Малый комментарий о гипотезах, относящихся к небесным движениям>>), а его ученик Ретик +опубликовал ясное изложение гелиоцентрической системы в 1539 году. По-видимому, слухи о новой теории +широко разошлись уже в 1520-х годах. +По структуре главный труд Коперника почти повторяет <<Альмагест>> в несколько сокращённом виде (6 +книг вместо 13). В первой книге также приведены аксиомы, но вместо положения о неподвижности Земли +помещена иная аксиома -- Земля и другие планеты вращаются вокруг оси и вокруг Солнца. Эта концепция +подробно аргументируется, а <<мнение древних>> более или менее убедительно опровергается. Коперник +упоминает как своих союзников только античных философов Филолая и Никетаса. + книге III, посвящённой годовому движению Земли, Коперник делает эпохальное открытие: объясняет +<<предварение равноденствий>> смещением направления земной оси. + В книгах V и VI, посвящённых движению планет, благодаря гелиоцентрическому подходу стало возможно +оценить средние расстояния планет от Солнца, и Коперник приводит эти данные, довольно близкие к +современным. + Система мира Коперника, с современной точки зрения, ещё недостаточно радикальна. Все орбиты +круговые, движение по ним равномерное, так что эпициклы пришлось сохранить -- правда, вместо 80 их +стало 34. Механизм вращения планет сохранён прежним -- вращение сфер, к которым прикреплены планеты. +Но тогда ось Земли в ходе годичного вращения должна поворачиваться, описывая конус; чтобы объяснить +смену времён года, Копернику пришлось ввести третье (обратное) вращение Земли вокруг оси, +перпендикулярной эклиптике, которое использовал также для объяснения прецессии. На границу мира +Коперник поместил сферу неподвижных звёзд. +Католическая церковь вначале отнеслась к возрождению <<пифагорейства>> благодушно, отдельные её +столпы даже покровительствовали Копернику. Папа Климент VII, озабоченный уточнением календаря, +поручил кардиналу Вигманштадту прочитать высшему клиру лекцию о новой теории, которая и была со +вниманием выслушана. Появились, однако, среди католиков и ярые противники гелиоцентризма. Однако уже +с 1560-х годов в нескольких университетах Швейцарии и Италии начались лекции по системе Коперника. +Математическая основа модели Коперника была несколько проще, чем у птолемеевой, и этим сразу +воспользовались в практических целях: были выпущены уточнённые астрономические (<<Прусские>>) +таблицы (1551, Э. Рейнгольд). + Из других событий бурного XVI века отметим, что 5 октября 1582 года была проведена давно +запланированная календарная реформа (5 октября стало 15-м). Новый календарь был назван григорианским +в честь папы Григория XIII, но настоящим автором проекта был итальянский астроном и врач Луиджи +Лиллио. + + +Великий итальянский учёный Галилео Галилей систему Коперника принял с энтузиазмом, причём сразу +отверг фиктивное <<третье движение>>, показав на опыте, что ось движущегося волчка сохраняет своё +направление сама собой[44][45]. Для доказательства правоты Коперника он использовал телескоп. +Шлифованные стеклянные линзы были известны ещё вавилонянам[46]; наиболее древняя из найденных при +раскопках линз относится к VII веку до н. э.[47] В 1608 году в Голландии была изобретена зрительная +труба; узнав об этом летом 1609 года, Галилей самостоятельно построил значительно +усовершенствованный её вариант, создав первый в мире телескоп-рефрактор[48]. Увеличение телескопа +сначала было трёхкратным, позднее Галилей довёл его до 32-кратного +Галилей отметил, что диаметр звёзд, в отличие от планет, в телескопе не увеличивается, а некоторые +туманности, даже в увеличенном виде, не распадаются на звёзды; это явный признак, что расстояния до +звёзд колоссальны даже по сравнению с расстояниями в Солнечной системе. +Галилей обнаружил у Сатурна выступы, которые принял за два спутника. Потом выступы исчезли (кольцо +повернулось), Галилей посчитал своё наблюдение иллюзией и не возвращался более к этой теме; кольцо +Сатурна открыл в 1656 году Христиан Гюйгенс. +Изображение в телескопе Галилея было не очень чётким, в основном по причине хроматической аберрации. +По этой и по другим причинам сообщение об открытиях Галилея вызвало у многих недоверие и даже +насмешки. Галилея также, что было куда неприятнее, обвинили в ереси. Он неоднократно был вынужден +ездить в Рим, лично и письменно объясняться с высшим духовенством и инквизицией. 5 марта 1616 года +римская конгрегация официально запрещает гелиоцентризм, как опасную ересь +Процесс Галилея продолжался до июня 1633 года. По приговору, Галилей был признан виновным в том, что +он поддерживал и распространял ложное, еретическое и противное Св. Писанию учение. Учёного заставили +публично покаяться и отречься от <<ереси>>[52]. Затем его направили в тюрьму, но несколько дней +спустя папа Урбан разрешил отпустить Галилея под надзор инквизиции. В декабре он вернулся на родину, +в деревню близ Флоренции, где и провёл остаток жизни в режиме домашнего ареста. + + diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts02.pdf b/AstroCrafts/astrocrafts02.pdf new file mode 100644 index 0000000..0d7a35c Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/astrocrafts02.pdf differ diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts02.tex b/AstroCrafts/astrocrafts02.tex new file mode 100644 index 0000000..b83a928 --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/astrocrafts02.tex @@ -0,0 +1,304 @@ +\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer} +\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen} +\usepackage{astrocrafts} + +\title[Оборудование. 2. Расцвет]{Астрофизическое оборудование} +\subtitle[2. Расцвет]{2. Расцвет астрофизики} +\date{24 мая 2016 года} + +\begin{document} +\begin{frame} +\maketitle +\end{frame} +\begin{frame} +\tableofcontents +\end{frame} + +\section{Появление телескопов} +\subsection{Рефракторы} +\begin{frame}{Рефракторы} +\begin{defin} +\textbf{Рефрактор} "--- оптический телескоп, в котором в качестве объектива выступает линза или +система линз. Галилео Галилей, 1609~г. +\end{defin} +\img[0.7]{galileo_telescope} +\end{frame} + +\begin{frame}{Аберрации} +\only<1>{ +\begin{columns} +\column{0.7\textwidth}\img{chromatic}\column{0.3\textwidth} +\begin{block}{Хроматическая аберрация} +Невозможно построить однолинзовые объективы, лишенные хроматической аберрации. +\end{block}\end{columns}} +\only<2>{\begin{block}{Сферическая аберрация} +Свойственна толстым линзам.\end{block} +\img{sph_aberr}} +\only<3>{\begin{block}{Апохромат}Коррекция сферической аберрации и хроматической для трех и более +цветов\end{block}\img[0.8]{Apochromat}} +\end{frame} + +\begin{frame}{Телескоп Яна Гевелия} +\vspace*{-1em}\img[0.8]{hevelius_scope} +\end{frame} + +\begin{frame}{Христиан Гюйгенс} +\begin{columns}\column{0.6\textwidth} +\img[0.8]{Huygens_broths_scope} +\column{0.4\textwidth}\begin{block}{} +1655 "--- кольца Сатурна, Титан;\\ +1657 "--- маятниковые часы;\\ +1659 "--- туманность Ориона;\\ +1675 "--- часовая спираль. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\subsection{Рефлекторы} +\begin{frame}{Рефлекторы}\begin{columns} +\column{0.6\textwidth}\img{NewtonsTelescopeReplica} +\column{0.4\textwidth}\begin{defin} +\textbf{Рефлектор} "--- оптический телескоп, в котором в качестве объектива выступает зеркало. +Исаак Ньютон, 1668. +\end{defin} +\begin{block}{} +1663 "--- система Грегори.\\ +1672 "--- система Кассегрена.\\ +1721 "--- рефлектор Хэдли на альт-азимутальной монтировке. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{Уильям Гершель, 1785} +\img[0.66]{early-herschel-40ft} +\end{frame} + +\section{Монтировки телескопов} +\subsection{Экваториальная монтировка} +\begin{frame}{Экваториальная монтировка} +\begin{columns} +\column{0.6\textwidth}\vspace*{-1.4em}\img[0.9]{fraunh_tel} +\column{0.4\textwidth}\begin{block}{1824, Йозеф фон Фраунгофер} +Телескоп обсерватории Тарту. Германская монтировка. + +В 1853 г. Юстус фон Либих предложил метод выделения металлического серебра из раствора +нитрата серебра для серебрения стекла. В 1856-57~гг. Карл Август фон Штайнхейль и Леон Фуко +(независимо) впервые использовали этот метод. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\vspace*{-1.4em} +\img{100_inch_Hooker_Telescope} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{Телескоп Хукера} +100 дюймов, 1917~г. Английская монтировка <<с ярмом>>. +Обсерватория Маунт Вилсон. +Крупнейший до 1949~г. + +В 1935~г. серебряное покрытие сменено алюминиевым (Джон Донаван +Стронг, калтех, 1932~г.).\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\vspace*{-1.4em} +\img{zeiss} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{Zeiss-1000, Италия}Асимметрическая английска монтировка "--- фокус +Куде.\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{block}{Телескоп Хейла} +200 дюймов, 1949~г. Прямой фокус, Куде и Несмит. + +Первый гидравлический подшипник. Пирексовое зеркало (14.5~тонн). +Первая в мире труба Серрюрьера. + +Полярная монтировка <<седло>>. +\end{block} +\img[0.7]{hale-telescope} +\end{frame} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue,fg=cyan!70!white} +\begin{frame}{Труба Серрюрьера} +\img{Serrurier_truss} +\end{frame} +} + +\subsection{Альт-азимутальная монтировка} +\begin{frame}{Альт-азимутальная монтировка} +\img[0.9]{bta_telescope} +\end{frame} + +\section{Астрофизика} +\begin{frame}{Астрофизика} +\begin{defin}\textbf{Астрофизика} "--- раздел астрономии, тесно переплетенный с химией и физикой. +<> (1897, Джеймс Килер). +\vspace{1em} + +Основоположники "--- Вильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер. + +Сам термин <<астрофизика>> предложен Иоганном Карлом Фридрихом Ц\"eлльнером (известен по точной +фотометрии) в 1865~г. + +Астрофизика делится на наблюдательную и теоретическую, находящиеся в тесной взаимосвязи. +\end{defin} +\end{frame} + +\subsection{Фотометрия} +\begin{frame}{Фотометрия}\vspace*{-1em} +\begin{block}{Фотометр Ц\"елльнера} +1861~г. "--- первый фотометр с эталонным источником. Газовая горелка, призмы Волластона, +плоскопараллельная пластинка. +\end{block} +\img{zollner_photometer} +\end{frame} + +\begin{frame}{Фотография}\vspace*{-1em} +\begin{block}{} +В 1822~г. Нисефор Ньепс изобрел гелиографию. +Луи Дагер в 1837~г. разработал дагеротипию. +1840~г Джон Уильям Дрэпер (отец Генри Дрэпера) "--- первое астрофото Луны. +\end{block} +\img[0.6]{Henry_Draper} +\end{frame} + +\begin{frame}{}\vspace*{-1em} +\img[0.75]{Orion-Nebula_A_A_Common} +\vspace*{-1.5em}\centering\begin{minipage}{0.7\textwidth} +\begin{block}{} +Эндрю Эйнсли Камэн (Andrew Ainslie Common), 1883~г. "--- туманность Ориона. +\end{block}\end{minipage} +\end{frame} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue,fg=cyan!70!white} +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\img{Bolometer_conceptual_schematic} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{} +1878~г. Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные ламповой сажей, +включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру. + +Болометр Лэнгли чувствовал корову за милю! + +Расширение диапазона до ИК. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame}} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue,fg=cyan!70!white} +\subsection{Спектроскопия} +\begin{frame}{Спектроскопия} +\begin{block}{Земная атмосфера} +Наземная астрофизика сильно сжата в спектральном диапазоне земной атмосферой. +\end{block} +\img{Atmospheric_electromagnetic_opacity} +\end{frame}} + +\begin{frame}{Йозеф фон Фраунгофер} +\img[0.8]{Fraunhofer_spectroscope} +\end{frame} + +\begin{frame} +\begin{block}{} +В 1860~г. Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен обнаружили, что многим темным фраунгоферовым линиям +соответсвуют светлые линии спектров сжигаемых металлов. Кирхгофф объяснил происхождение +фраунгоферовых линий поглощением света в атмосфере Солнца. + +В 1868~г. Норман Локьер (пионер археоастрономии) и Пьер Жансен обнаружили гелий. + +Спектральные наблюдения с использованием призмы проводил еще Исаак Ньютон в 1666--1672~гг., он и +предложил термин <<спектр>>. + +Применение спектрального анализа к звездам начато работами Анджело Секки (ватиканская обсерватория) +и Уильяма Хаггинса (частная обсерватория в Англии) в 1863~г. Секки первым доказал, что Солнце "--- +звезда, первым предложил спектральную классификацию (4 класса). +\end{block} +\end{frame} + +\begin{frame}{Генри Дрэпер} +\begin{block}{} +1872, первый спектр Веги на фотопластинке. С 1918 по 1924~г. вышел каталог HD в честь Дрэпера +(изначально 225300 звезд, Эдвард Пикеринг сотоварищи, наблюдения в гарвардской обсерватории с +объективной призмой). +\end{block} +\img{Drapers_spectra} +\end{frame} + +\begin{frame}{Бесщелевые спектры} +\only<1>{\begin{block}{} +Николас Мейол, 1930-е. +\end{block} +\img{slitless_schematic}} +\only<2>{\img{slitless}} +\end{frame} + +\begin{frame}{Дифракционная решетка} +\begin{block}{} +Середина 18 века, Джеймс Грегори "--- принцип построения дифракционной решетки. + +1785, Дэвид Риттенхаус (Филадельфия) "--- первая дифракционная решетка (почти 4 линии на мм). +Аналог "--- Йозеф Фраунгофер, 1821~г. + +Нарезные решетки. Предел "--- около 4.7/мм (1899, Генри Джозеф Грейсон). +\end{block} +\img[0.5]{Blazed_grating} +\end{frame} + +\begin{frame}{Дифракция и дисперсия} +\img[0.4]{Comparison_refraction_diffraction_spectra} +\end{frame} + + +\begin{frame}{Эшелле} +\begin{block}{} +1898, Альберт Михельсон (стопка тонких зеркал). +1923 "--- первый эшелле-спектрограф. + +Автоколлимационная конфигурация Литтрова (Йозеф Йоханн фон Литтроу), угол блеска +больше $45^\circ$ ($\theta_B=\arcsin\frac{m\lambda}{2d}$). Кросс--дисперсор. +\end{block} +\img[0.7]{echellogram_large} +\end{frame} + +\begin{frame}{ОФГР} +\begin{block}{} +Дифракция Брэгга: $2d\sin(\theta+\phi)=m\lambda$, + +Периодическая структура изменяющегося показателя преломления. +$1/d$ до 6000! $d<\lambda$!!! +\end{block} +\img{VPHG} +\end{frame} + +\begin{frame}{Спектрограф} +\img[0.89]{spectrograph} +\end{frame} + +\begin{frame}{Интерферометр Фабри--Перо}\vspace*{-1em} +\only<1>{\img[0.8]{ifp_theor}} +\only<2>{\img[0.37]{IFP_datacube}} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\img[0.85]{optelcomp} +\end{frame} + +\begin{frame}{Спасибо за внимание!} +\centering +\begin{minipage}{5cm} +\begin{block}{mailto} +eddy@sao.ru\\ +edward.emelianoff@gmail.com +\end{block}\end{minipage} +\end{frame} +\end{document} diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts02.txt b/AstroCrafts/astrocrafts02.txt new file mode 100644 index 0000000..5b6ad7d --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/astrocrafts02.txt @@ -0,0 +1,235 @@ +*** От малых телескопов к большим *** + + +3. ** Рефракторы ** +Галилео Галилей занялся экспериментами с линзами в середине 1609 г., после того как узнал, что в +Голландии для потребностей мореплавания была изобретена зрительная труба. +к январю 1610 г. создал несколько инструментов с увеличением от 20 до 33 раз. +Третий телескоп Галилея: 58мм диаметр объектива, диафрагмированный до 38мм, F=1710мм, F окуляра +-47.6мм (т.е. по сути это была подзорная труба), малое поле зрения - всего 10' +В совершенствовании конструкций телескопов-рефракторов, имеющих линзовые объективы, +большие заслуги принадлежат И. Кеплеру. + +4. Первые телескопы были еще крайне несовершенны, давали нечеткое изображение, окрашенное радужным +ореолом. Избавиться от недостатков пытались, увеличивая длину телескопов. Так появились огромные +инструменты, вроде того, который в 1664 г. был построен во Франции А. Озу. Этот телескоп имел длину +98 м и в этом отношении остался чемпионом и доныне. Однако наиболее эффективными и удобными +оказались ахроматические телескопы-рефракторы, которые начали изготовляться в середине 18 века Д. +Доллондом в Англии. + +В 1729 (или 1733?) Честер Мур Холл сконструировал ахроматические системы. Один из его телескопов +имел ахроматический объектив D=6.4см, F=51см. Открыл он возможность построения ахроматических +систем на том основании, что зрачок человеческого глаза строит ахроматическое изображение. + +5. Телескоп Яна Гевелия (F=46м), наблюдательная способность сомнительна. С помощью своего секстанта +составил каталог 1564 звезд с точностью до 1'. К оптическим инструментам для астрометрии в то время +относились с недоверием, полагая, что оптика может внести погрешности в измерения. + +6. Появились также телескопы без трубы (Христиан Гюйгенс). +1655 - кольца Сатурна, Титан. 1659 - первое изображение туманности Ориона. +В 1657 году Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. +Изобретение Гюйгенсом часовой спирали (патент 1675г, Роберт Гук предложил на 15 лет раньше!) +позволило создать карманные и корабельные часы. + +1897 большой рефрактор Йеркской обсерватории (102см == 40 дюймов, чикагский университет), +построенный Алваном Кларком с сыновьями. Предыдущий его телескоп - 91-см рефрактор Ликской +обсерватории (калифорнийский университет). Наибольший рефрактор - 1.25м - демонстрировался в Париже на выставке в 1900г., но не использовался в дальнейшем. + + +7. ** Рефлекторы ** +Способность вогнутых зеркал строить изображения была известна еще Евклиду. + +В 1668 г.И. Ньютон построил телескоп-рефлектор, который был свободен от многих +оптических недостатков, свойственных рефракторам. + +1663 - Джеймс Грегори в книге Optica Promota предложил такую конструкцию: главное - вогнутый +параболоид с отверстием, вторичное - вогнутый эллипсоид. Расстояние между зеркалами больше +фокусного расстояния главного зеркала, поэтому изображение получается прямое (в отличие от +перевёрнутого в телескопе Ньютона). Построен в 1673 Робертом Хуком. + +В 1672г Кассегрен предложил свою систему (параболоид- выпуклый гиперболоид, +предфокально-удлиняющая, не свободна от комы). + +Джон Хэдли в 1721г создал первый ньютоновский рефлектор на основе параболического зеркала на +альт-азимутальной монтировке (D150мм, F=157см). + +8. Ещё в 1616 году Н. Цукки предложил заменить линзу вогнутым зеркалом, наклонённым к оптической оси +телескопа. Подобный телескоп-рефлектор был сконструирован Уильямом Гершелем в 1772 году (на 10 лет +раньше данную оптическую схему реализовал М. В. Ломоносов, но не опубликовал). В нём первичное +зеркало имеет форму внеосевого параболоида и наклонено так, что фокус находится вне главной трубы +телескопа, и наблюдатель не закрывает собой поступающий свет. Недостатком такой схемы является +большая кома, но при малом относительном отверстии она почти незаметна. + +Постепенно увеличивая диаметры изготавливаемых зеркал, В. Гершель в 1789 г. отшлифовал +для своего телескопа самое большое зеркало (диаметром 122 см). В то время это был величайший в мире +рефлектор. +В 1785 Вильям Гершель построил 40-футовый (помимо 20-футового, построенного в 1783г) рефлектор. +Бронзовые зеркала часто надо было переполировать. Наблюдения с верхней части трубы (платформа). +Зеркало было немного наклонено, поэтому окуляр монтировался на краю трубы. + +1927 - Ричи-Кретьен (вогнутый и выпуклый гиперболоиды, свободна от комы и сферической аберрации). + +В XX в. получили распространение зеркально-линзовые телескопы, конструкции которых были разработаны +немецким оптиком Б. Шмидтом (1931) и советским оптиком Д.Д. Максутовым (1941). + +9. ** монтировки ** +Только во второй половине 17в появились полярные монтировки с часовым механизмом. +1674 - Роберт Хук предложил часовым приводом вращать телескоп на полярной монтировке. +1685 - объектив воздушного телескопа Джованни Доменико Кассини вращался при помощи часового +механизма. +1824 - первый полноценный телескоп на часовом приводе (Йозеф фон Фраунгофер, ахромат, германская +монтировка). Использование пробного стекла для контроля поверхностей линз посредством наблюдения +интерференционных "колец Ньютона" является одним из первых методов контроля качества обработки линз. +Открытие Фраунгофером темных линий в солнечном спектре и использование их для точных измерений +показателя преломления впервые создали реальную возможность использования уже довольно точных +методов расчета аберраций оптических систем в практических целях. + +10. 1917 - 100-дюймовый телескоп Хукера (обсерватория Маунт Вилсон), Хаббл измерил на нем скорость +разбегания галактик. + + +В 1856-57 Карл Август фон Штайнхейль и Леон Фуко разработали методику серебрения стеклянных зеркал, +телескопы стало проще эксплуатировать. + +Джон Донаван Стронг (Калифорнийский технологический институт) предложил технологию алюминирования. +В 1932г он представил первое алюминированное зеркало. Три года спустя зеркала телескопов Хейла (60 +дюймов) и 100-дюймового Хукера были алюминированы. + +11. Пример телескопа на полярной монтировке. + +12. 1949 - 200-дюймовый телескоп Хейла с алюминизированным зеркалом. Первое использование +гидравлического подшипника. +Грант Рокфеллера (1928г) 8мегабаксов. +Первая в мире труба Серрюрьера (гравитация не влияет на оптическую ось телескопа, переднее и заднее +кольца остаются параллельными). Зеркало из пирекса (боросиликатное стекло), 14.5 тонн. +36 шестигранных углублений под разгрузки (были заложены в форму отливки, а не вырезаны, как у нас). +Отверстие работает в схеме Кассегрена. Каждые полтора-два года зеркало переалюминируется. +Полярная монтировка "лошадиное седло". +Больше - проблема с разгрузками + +13. Труба Серрюрьера + +14. БТА, 1976 + + + +15. ** Становление астрофизики ** +Долгое время астрономия занималась лишь расчетами положений светил (астрометрия). Астрофизика была +зарождена Вильямом Хайдом Волластоном и Йозефом фон Фраунгофером. А сам термин "астрофизика" +предложен Иоганном Карлом Фридрихом Цёлльнером (известен по точной фотометрии) в 1865. +Астрофизика делится на наблюдательную и теоретическу, находящиеся в тесной взаимосвязи. + +16. * фотометрия * +Прямые снимки с фильтрами - фотометрия. + +В 1861г Иоганн Карл Фридрих Цёлльнер изобрел первый фотометр. Наблюдения проводились визуально, но +по сравнению с эталоном. Для изменения яркости эталона использовалось две призмы Волластона. + +17. В 1822г. Нисефор Ньепс изобрел гелиографию - стеклянные или металлические пластинки покрывались +тонким слоем битума, длительное время экспонировались, затем травились смесью нефти и лавандового +масла. Экспонированный битум полимеризовался и не смывался. Получался негатив, который травился +кислотой, а остатки битума смывались спиртом. Крайне низкое качество и очень длительная экспозиция. +Использовалась для тиражирования готовых снимков. +Далее он работал совместно с Луи Дагером. После смерти Ньепса тот 1837г обнаружил возможность +фиксации изображения на серебряной пластинке, обработанной парами йода. Фиксатором и проявителем +выступали пары ртути. В 1839г доложил об изобретении на заседании парижской АН. +В 1839г. Дагер впервые попытался получить астрофото Луны (смазал из-за плохого гидирования), а в +1840 Джон Уильям Дрэпер использовал 13-см телескоп для получения даггеротипа Луны с экспозицией 20 +минут (первое удачное астрофото). +// на фото слайда - Генри Дрэпер у рефрактора с фотопластинкой, 1860-1870г + + +В 1851г. Фредерик Скотт Арчер изобрел мокрый коллоидный процесс. К концу XIX века коллодионный +процесс был вытеснен более технологичными фотоматериалами с желатиносеребряной фотоэмульсией +(Технология разработана Ричардом Меддоксом в 1871 году и усовершенствована Чарльзом Беннетом в 1878 +году). +Фотопластинки сыграли большую роль в астрономии, например обнаружение малых планет в 1891 году. +Широко стали применяться в астрономии с 1870-х гг. + +18. Первое фото туманности Ориона + +19. 1878 Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные ламповой сажей, +включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру. Болометр Лэнгли +чувствовал корову за милю! Болометр позволил открыть спектральные линии в невидимом ИК диапазоне. +В наше время широко используются для детектирования субмиллиметровых волн (200мкм..1мм). Для +избавления от шумов эти болометры охлаждаются до 50..300мК. + + +20. * спектроскопия * +Диапазон длин волн, доступных для наблюдения на Земле, не так уж и велик (см. рис.). По понятным +причинам первой была оптическая спектроскопия. + +21. Спектроскоп Фраунгофера. + +22. В 1860 Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен обнаружили, что многим темным фраунгоферовым линиям +соответсвуют светлые линии спектров сжигаемых металлов. Кирхгофф объяснил происхождение +фраунгоферовых линий поглощением света в атмосфере Солнца. +В 1868г Норман Локьер и Пьер Жансен обнаружили гелий. Норман Локьер считается пионером +археоастрономии (изучал астрономическую ориентацию объектов древних цивилизаций). Написал книгу +"Заря астрономии". + +Спектральные наблюдения с использованием призмы проводил еще Исаак Ньютон в 1666-1672, он и +предложил термин "спектр". + +Применение спектрального анализа к звездам начато работами Анджело Секки (ватиканская обсерватория) +и Уильяма Хаггинса (частная обсерватория в Англии) в 1863г. Секки первым доказал, что Солнце - +звезда. Секки первым предложил спектральную классификацию (4 класса). + +23. В 1872г. Генри Дрэпер получил первый спектр Веги на фотопластинку (умер в 1882). С 1918 по +1924 вышел каталог HD в честь Дрэпера (изначально 225300 звезд). Каталог опубликован Эдвардом +Пикерингом сотоварищи, использовали наблюдения в гарвардской обсерватории с объективной призмой +(первые результаты опубликовали уже в 1890). + + +В наше время существует множество видов призм: дисперсионные, отражающие, разделяющие пучки, +поляризующие, гризмы... + +24. Бесщелевая спектроскопия: Николас Мейол, 1930-е годы. 36-дюймовый рефлектор Кроссли. 1990-е - KISS +survey (KPNO International Spectroscopic Survey ) на 24'' шмидтовском телескопе Китт Пик - поиск +галактик со звездообразованием. + + +25. Через небольшой промежуток времени после Ньютона Джеймс Грегори, изучая прохождение света через +птичьи перья, открыл принцип построения дифракционной решетки. +В 1785г филадельфийский изобретатель Дэвид Риттенхаус создал первую дифракционную решетку, натянув +50 волосинок между двумя винтами с шагом резьбы 100 на 1 дюйм (почти 4 линии на мм). По +аналогичному принципу Йозеф Фраунгофер изготовил свою дифракционную решетку в 1821г. +d(\sin\theta_i+\sin\theta_m)=m\lambda + +Изначально дифракционные решетки нарезали на стекле. Предел - около 4.7 штрихов на мм (1899, Генри +Джозеф Грейсон). Им на смену пришли фотолитографические и голографические решетки (в т.ч. VPHG). + +26. Разница дисперсии и дифракции. + +27. В 1898 Альберт Михельсон предложил нарезать решетки так, чтобы формировать отражающие поверхности +под определенным углом к плоскости решетки (угол блеска) - эшелле. Его первая эшелле - стопка +тонких зеркал. В результате основная энергия идет в высшие порядки, а не первые, как у обычной +решетки. Только в 1923г появился первый эшелле-спектрограф. + +В конфигурации Литтрова (автоколлимация) угол блеска выбирается таким, чтобы дифрагирующий луч +выходил под тем же углом, что и падающий. Т.е. в конфигурации Литтрова 2d\sin\theta_B=m\lambda -> +\theta_B=\arcsin\frac{m\lambda}{2d}. Таким образом, для получения высоких m угол блеска эшелле +должен быть большим (>45\degr), т.е. рабочая поверхность - более короткая. +d обычно небольшое (~50). Дисперсия: \frac{d\lambda}{d\beta}=\frac{d\cos\beta}{n}. Спектральное +разрешение: R=\lambda/\Delta\lambda=c/\Delta v - точность определения скоростей. +Понятно, что из-за наложения порядков, нужен кросс-дисперсор. Однако, благодаря тому, что спектр +нарезается на полосы, расположенные друг над другом, рационально используется площадь +светоприемника. + +28. VPHG работают по принципу аналогичному дифракции Брегга: 2m\Lambda\sin(\theta+\phi)=\lambda_B, +\Lambda-шаг решетки, \theta - угол падения, \phi - угол между нормалью и вектором решетки. +Изготавливаются голографически, т.е. VPHG - это периодическая структура изменяющегося показателя +преломления. +У отражающих решеток предел 1/d - 1000 штрихов/мм. У VPHG - вплоть до 6000! Кроме того, в отличие +от отражающих решетог, у VPHG d может быть меньше \lambda! + +29. Схема длиннощелевого спектрографа + +Помимо эшелле-спектроскопии можно по-другому рационально использовать площадь светоприемника: +мультиобъектная спектроскопия. + +30. Еще больше возможностей дает эталон Фабри-Перо: повышение спектрального разрешения (но более узкий +спектральный диапазон). После обработки кубов данных можно получить детальное распределение, +скажем, скоростей вращения галактик. + +31. // конечное изображение - сравнение диаметров зеркал современных телескопов. diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts03.pdf b/AstroCrafts/astrocrafts03.pdf new file mode 100644 index 0000000..03ff35d Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/astrocrafts03.pdf differ diff --git a/AstroCrafts/astrocrafts03.tex b/AstroCrafts/astrocrafts03.tex new file mode 100644 index 0000000..ad80eb6 --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/astrocrafts03.tex @@ -0,0 +1,265 @@ +\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer} +\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen} +\usepackage{astrocrafts} + +\title[Оборудование. 3. Наше время]{Астрофизическое оборудование} +\subtitle{3. Наше время} +\author[Емельянов Э.В.]{Емельянов Эдуард Владимирович} +\institute[САО РАН]{Специальная астрофизическая обсерватория РАН\\ + {\tiny Лаборатория обеспечения наблюдений}\\ +} +\date{23 мая 2016 года} +\begin{document} +% Титул +\begin{frame} +\maketitle +\end{frame} +% Содержание +\begin{frame} +\tableofcontents +\end{frame} + +\section{Наземная астрофизика} +\subsection{Большие телескопы} +\begin{frame}{} +\img[0.85]{optelcomp} +\end{frame} + +\begin{frame}{Зачем такие большие?} +\begin{block}{Задачи, требующие построения гигантских телескопов} +\begin{itemize} +\item происхождение Вселенной; +\item механизмы образования и эволюции звезд, галактик и планетных систем; +\item физические свойства материи в экстремальных астрофизических условиях; +\item астрофизические аспекты зарождения и существования жизни во Вселенной. +\end{itemize} +\end{block} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\vspace*{-1em} +\only<1>{\img{KeckTel}} +\only<2>{\img{gtc_cleaning}} +\column{0.5\textwidth} +\only<1>{\begin{block}{Телескопы Кека} +1993 "--- Кек-1 (Мауна Кеа), 10~м, 36 сегментов из церодура, площадь рабочей поверхности +$75.76\,$м${}^2$ "--- крупнейшие в мире! +\end{block}} +\only<2>{\begin{block}{Большой Канарский} +2007 (2009), ла Пальма, 10.4~м, 36 сегментов из церодура, площадь рабочей поверхности +$74.14\,$м${}^2$. +\end{block}} +\end{columns} +\end{frame} + +\subsection{Детекторы изображений} +\begin{frame}{Детекторы изображений} +\vspace*{-2em}\begin{block}{ФЭУ} +1940-е годы. Счет фотонов. Большие "--- потому одноканальные. +\end{block} +\img{PhotoMultiplierTubeAndScintillator} +\end{frame} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue!50!white,fg=cyan!70!white} +\begin{frame}{} +\vspace*{-2em}\begin{block}{ЭЛТ} +1964, E. Luedicke, A. D. Cope, and L. E. Flory. Astronomical Image-Integration System Using a +Television Camera Tube. + +На $3^m\div4^m$ чувствительнее фотопластинок. +\end{block} +\img{Orthicon} +\end{frame}} + +\begin{frame}{} +\begin{block}{МКП + КПА} +Конец 1970-х "--- микроканальные пластины. + +1983, Siegmund, O.H.W. et al. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with +microchannel plates and proportional counters". + +1986, Siegmund, O.H.W. et al. "Wedge and strip image readout systems for photon-counting detectors +in space astronomy". +\end{block} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\img{MCP} +\column{0.4\textwidth} +\img[0.8]{WSA} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\img{ccdintro} +\column{0.5\textwidth} +\begin{block}{ПЗС} +1969, Уиллард Бойл и Джордж Смит, лаборатории Белла. + +1975 "--- первая ПЗС 100x100 (Steven Sasson, Kodak). + +1976 "--- запуск спутника--шпиона с ПЗС 800x800. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\only<1>{\img{SDSSFaceplate}} +\only<2>{\img{frame_transfer_CCD}} +\column{0.5\textwidth} +\begin{block}{} +\only<1>{Слоановский обзор SDSS, 30 ПЗС 2048x2048 в сканирующем режиме.} +\only<2>{ПЗС с переносом заряда позволяют уменьшить воздействие посторонней засветки во время +экспозиции.} +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.7\textwidth} +\only<1>{\img{CCD-VS-CMOS}} +\only<2>{\img{HgCdTe_ULBcam}} +\column{0.3\textwidth} +\begin{block}{КМОП} +Конец 1980-х "--- <<активно-пиксельные датчики>>. Недеструктивное считывание, произвольный доступ. +Но низкая квантовая эффективность. + +\onslide<2>{ИК-детекторы на HgCdTe} +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue!50!white,fg=cyan!70!white} +\begin{frame}{КМОП} +\img[0.7]{Aps_pd_pixel_schematic} +\end{frame}} + +\begin{frame} +\begin{block}{СТП} +Два сверхпроводника, разделенных тонким изолятором. + +Алюминий (1.2К), ниобий (4.2К). + +100..1000ГГц "--- радиоастрономия. Счетчик фотонов в широком диапазоне. +\end{block} +\img[0.6]{Josephson} +\end{frame} + +\section{Космическая астрофизика} +\begin{frame}{Космическая астрофизика} +\begin{columns} +\column{0.6\textwidth} +\img{Hipparcos-testing-estec} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{} +1989, Hipparcos "--- High Precision Parallax Collecting Satellite. + +1mas. Каталоги Hipparcos и Tycho. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\vspace*{-1em} +\img[0.6]{HST-SM4}\vspace*{-1em} +\begin{block}{Телескоп им.~Хаббла} +2.4~м зеркало. + +1978 "--- стартовое финансирование, 36~млн.длр. + +1986 "--- общий бюджет проекта вырос до 1.175~млрд.длр. + +25 апреля 1990~г. "--- 2.5~млрд.длр. + +1999 "--- около 6~млрд.длр. + 593~млн.евр. от ЕКА. + +Четыре экспедиции. +\end{block} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\img{Hubble_Probes_the_Early_Universe} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\only<1>{\begin{columns} +\column{0.6\textwidth}\vspace*{-2em} +\img{Kepler_Space_Telescope} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{Телескоп Кеплера} +2009, поиск экзопланет. 0.95~м апертура, зеркало 1.4~м. + +42 ПЗС 2200x1024. + +$\sim0.5$~млрд.длр. +\end{block} +\end{columns}} +\only<2>{\img[0.85]{Kepler_CCD_matrix}} +\end{frame} + +\section{Современные направления} +\subsection{Активная оптика} +\begin{frame}{Активная оптика} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\only<1>{\img{VLT-active}} +\only<2>{\img{GTC_Active_Optics_Acutators}} +\column{0.4\textwidth}\only<1>{\begin{block}{VLT} +VLT: 150 актуаторов на зеркале, управляемое вторичное зеркало. 1 сет "--- 30 секунд (для +избавления от атмосферных эффектов). В случае отсутствия опорной звезды в кадре сигналы вычисляются +по модели (учитывающей наклон оси и температуры).\end{block}} +\only<2>{\begin{block}{GTC} +Зеркало "--- 17т. +\end{block}} +\end{columns} +\end{frame} + +\subsection{Спекл--интерферометрия} +\begin{frame}{Спекл--интерферометрия} +\only<1>{\img{speckles}} +\only<2>{\img[0.6]{WR_speckle_restored}} +\end{frame} + +\subsection{Адаптивная оптика} +\begin{frame}{Адаптивная оптика} +\only<1>{\vspace*{-1em}\begin{block}{} +$30\div60\,$mas. Искусственные звезды: звезды Рэлея (ближний ИК, $15\div25$~км) и +натриевые ($80\div100$~км, 589~нм). +\end{block}\vspace*{-1em} +\img{cfht_adaptive_optics}} +\only<2>{\img{wavefront_SHA}} +\only<3>{\img[0.85]{VLT_artif_star}} +\end{frame} + +\subsection{Lucky-imaging, Superresolution} +\begin{frame}{Lucky-imaging, Superresolution} +\smimg[0.33]{Lucky_Single_Exposure_Strehl_16Percent}\hfil +\smimg[0.33]{Lucky_sum_all}\hfil +\smimg[0.33]{Lucky_best_1percent_averaging} +\begin{block}{} +Куб данных с экспозициями $10\div50\,$мс. + +Совмещение снимков с наименьшим числом Штреля. + +Усреднение. + +Итог: было 900\,mas, стало 40! + +Для малых телескопов ($ получать изображения очень слабых объектов. +МКП использовались в астрофизике с 1974 года преимущественно в УФ и рентгеновском диапазоне +(космос). +1983, Siegmund, O. H. W.; Clothier, S.; Thornton, J.; Lemen, J.; Harper, R.; Mason, I. M.; Culhane, +J. L. "Application of the wedge and strip anode to position sensing with microchannel plates and +proportional counters". +1986, O. H. W. Siegmund, M. Lampton, J. Bixler, S. Chakrabarti, J. Vallerga, S. Bowyer, and R. F. +Malina, "Wedge and strip image readout systems for photon-counting detectors in space astronomy". +Микроканальные пластины планируется использовать в двух каналах (ближний и дальний УФ) космического +телескопа "ВКО-УФ" (всемирная космическая обсерватория, 1.7м зеркало f/10, геосинхронная орбита). + + +9. ПЗС изобретен в 1969г Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). +Работая над полупроводниковой "пузырьковой" памятью они и изобрели устройство, способное работать +как аналоговый сдвиговый регистр. +В 1975 появилась первая цифровая камера 100х100 пикселей (Steven Sasson, Kodak). +The first KH-11 KENNAN reconnaissance satellite equipped with charge-coupled device array (800 x +800 pixels) technology for imaging was launched in December 1976. + +10. Слоановский обзор SDSS (2.5м широкоугольный телескоп в Нью Мексико, снимки - 2000..2009, спектры - +с 2000 по сей день) - массив из 30 ПЗС 2kx2k, работающих в режиме скана, пока телескоп перемещается +по большим кругам на небе. +ПЗС с переносом заряда позволяют уменьшить воздействие посторонней засветки во время экспозиции: +изображение быстро перемещается в скрытую область, а затем уже стандартно считывается. + +11. В конце 1980-х на базе КМОП-технологии были разработаны "активно-пиксельные" датчики. +Основное преимущество - дешевизна. Еще плюсы - отсутствие размазывания при считывании перекопов или +через горячие пиксели. Недеструктивное считывание, произвольный доступ. Однако, квантовая +эффективность ниже, чем у ПЗС (меньше полезный размер пикселя). +ИК-детекторы на HgCdTe - КМОП. + +12. Каждая ячейка - обедненный фотодиод, ключ повтора (sf - для недеструктивного считывания), ключ +сброса, ключ выбора. + + +13. СТП - сверхпроводящие туннельные переходы - представляют собой два сверхпроводника, разделенных +тонким изолятором. Ток проходит сквозь изолятор за счет квантового тунеллирования (джозефсоновская +ячейка). +Туннельный ток при попадании в переход фотона испытывает скачок, пропорциональный частоте фотона. +Обычно используется алюминий (температура сверхпроводимости 1.2К), а изоляцию получают простым +окислением. Используя вместо алюминия ниобий, можно повысить T до жидкого гелия (4.2К). +СТП - наиболее чувствительный приемник в диапазоне 100..1000ГГц - радиоастрономия. Кроме того, он +может работать как детектор частиц от рентгена до ИК. С начала этого века активно разрабатываются +астрономические применения. + + +** космическая астрофизика ** +14. Если рентгеновские и гамма-телескопы запускали уже в 1970-х, то первый телескоп видимого диапазона +- только в 1989 (Hipparcos - High Precision Parallax Collecting Satellite) +за 37 месяцев работы собрал информацию более чем о миллионе звёзд. +Точность измерений для основного эксперимента (более 100 тыс. звёзд) составила 1 миллисекунду дуги. +По его данным составили каталоги Hipparcos и Tycho + +15. Самым известным, конечно, является телескоп Хаббла. Начальное (1978) финансирование в размере 36 +млн долл. +К 1986 общий бюджет проекта вырос до 1.175 млрд долл +Шаттл <<Дискавери>> STS-31 стартовал 24 апреля 1990 года и на следующий день вывел телескоп на +расчётную орбиту. От начала проектирования до запуска было затрачено 2.5 млрд долл. общие расходы +на проект, по оценке на 1999 год, составили 6 млрд долл. с американской стороны и 593 млн евро, +оплаченных ЕКА (европейское космическое агентство). +Обслуживание <<Хаббла>> производилось во время выходов в открытый космос с космических кораблей +многоразового использования типа <<Спейс шаттл>>. +Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа <<Хаббл>>, одна из которых была +разбита на два вылета. + +16. Куда телескопы позволяют "заглянуть" + +17. Телескоп "Кеплер" был создан исключительно для поиска экзопланет. Запущен в марте 2009. Система +Шмидта, апертура 0.95м, диаметр первичного зеркала 1.4м. +Фотометр состоит из 42 ПЗС-матриц 2200x1024 пикселей. +Общая стоимость миссии составила приблизительно 467 миллионов долларов. +Обнаружено несколько тысяч экзопланет, в т.ч. земного типа в обитаемой зоне. + +Еще есть УФ, ИК и микроволновые телескопы. + + + +** перспективные методы и направления ** +* активная оптика * +18. Начиная с телескопа Кека большинство современных крупных телескопов оснащаются активной оптикой, а +среди сегментарных зеркал - 100%. +Зеркала имеют активную систему разгрузки, контролирующую общую форму зеркала при помощи детектора +качества изображения. +Детектор отслеживает опорную звезду (датчик Шака-Гартманна) и в случае изменения волнового фронта +генерирует соответствующие управляющие сигналы. +VLT: 150 актуаторов на зеркале, управляемое вторичное зеркало.. 1 сет анализа == 30 секунд (для +избавления от атмосферных эффектов). В случае отсутствия опорной звезды в кадре сигналы вычисляются +по модели (учитывающей наклон оси и температуры). + +19. * спекл-интерферометрия * +Спекл-интерферометрия - предшествующий адаптивной оптике метод повышения качества изображений. +Предложен в 1970 году Антуаном Лабейри. +Как пример - восстановленное изображение "хвоста" звезды Вольфа-Райе (телескоп Кека). + +20. * адаптивная оптика * +Простейший вариант - tip/tilt коррекция. Еще можно добавить коррекцию расфокусировки, если +использовать не tip-tilt зеркало или плоскопараллельную пластину, а вогнутое зеркало или линзу. +Современный использует быстрое вторичное зеркало с изменяемым профилем поверхности, датчик +Шака-Гартманна и опорную звезду. На телескопах вроде Кека можно получить качество изображени до +30-60mas. +Канадско-французско-гавайский телескоп, 3.6м. +Искусственные звезды: звезды Рэлея (ближний ИК, 15-25км высота, рассеяние Рэлея) и натриевые +(80-100км, 589нм, люминесценция натрия). + +21. * Lucky imaging * +Похожа на спекл-интерферометрию короткими экспозициями, но не используется деконволюция. +1) накапливаем куб данных с экспозициями 10..50мс, 2) выбираем мгновенные снимки с наименьшим +числом Штреля, 3) корректируем tip-tilt, совмещая снимки по наиболее ярким областям, 4) усредняем. И +вместо 0.9'' получаем 40mas. + + +* Superresolution * +"Сверхразрешение" применяется на малых телескопах с апертурами не более характерного диаметра +атмосферных неоднородностей, в этом случае изображение хорошее, но пляшет. Это позволяет повысить +качество изображения ярких объектов лучше размера пикселя (вплоть до дифракционного предела). +Каждое изображение куба данных увеличивается (upsampling), изображения совмещаются и усредняются. diff --git a/AstroCrafts/for_scholars.pdf b/AstroCrafts/for_scholars.pdf new file mode 100644 index 0000000..8240cba Binary files /dev/null and b/AstroCrafts/for_scholars.pdf differ diff --git a/AstroCrafts/for_scholars.tex b/AstroCrafts/for_scholars.tex new file mode 100644 index 0000000..bcff57d --- /dev/null +++ b/AstroCrafts/for_scholars.tex @@ -0,0 +1,592 @@ +\documentclass[10pt,pdf,hyperref={unicode}]{beamer} +\hypersetup{pdfpagemode=FullScreen} +\usepackage{astrocrafts} + +\title[Оборудование]{Астрофизическое оборудование} +\subtitle[]{От древности и до наших дней} +\date{22 июня 2016 года} + +\begin{document} +% Титул +\begin{frame} +\maketitle +\end{frame} +% Содержание +\begin{frame} +\tableofcontents +\end{frame} + +\section{Археоастрономия} +\begin{frame}{Археоастрономия} +\begin{defin} +\textbf{Археоастрономия} "--- наука, сформировавшаяся во второй половине XX века, предметом +изучения которой служат астрономические представления людей древности. +\end{defin} +\begin{block}{} + \begin{itemize} + \item Норман Локьер <<Заря астрономии>> (1894) + \item Термин "--- 1973, Элизабет Бэйти + \item Шанталь Жегес-Волькевич и многие другие + \end{itemize} +\end{block} +\img[0.4]{Lascaux} +\end{frame} + +\begin{frame}{Пещера Ласк\'о (15-19 тыс. лет назад)} +\vspace*{-1em}\img[0.95]{lascaux_cave} +\end{frame} + +\begin{frame}{Стоунхендж} +\vspace*{-1em}\img[0.87]{Stonehenge_render} +\end{frame} + +\begin{frame}{Храмы Луксора и Карнака} +\vspace*{-1em}\img[0.55]{luxortemple} +\end{frame} + +\begin{frame}{Пирамиды Гизы и Орион в 105\,в. до н.э.} +\vspace*{-1em}\img[0.8]{giza_orion} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\vspace*{-1em}\img[0.55]{pyramids_milky_way} +\end{frame} + +\begin{frame}{Прецессия ($T=25800\,$лет)} +\vspace*{-0.8em}\img[0.6]{Precession_N} +\small (2000) 365.2422 дня "--- тропический год, % 365.2424 "--- повтор равноденствий, +365.2564 "--- сидерический год. Сотический цикл "--- 1460 лет. +\end{frame} + +\section{Историческое время} +\begin{frame}{Эратосфен} +\img[0.45]{eratosp} +\end{frame} + +\begin{frame}{Гн\'омон (Анаксимандр Милетский, 6в до н.э.)} +\img{sp_sq} +\small Обелиск площади св.~Петра в Ватикане как гномон. +\end{frame} + +\begin{frame}{Армиллярная сфера (Эратосфен?)} +\img[0.5]{Armillary_sphere} +\end{frame} + +\begin{frame}{Антикитерский механизм} +\vspace*{-0.5em}\img[0.75]{Anticythere_1} +\end{frame} + +\begin{frame} +\img[0.5]{Antikythera_2007} +\end{frame} + +\begin{frame}{Экваториальное кольцо (Гиппарх)} +Открытие предварений равноденствий (Аристарх Самосский?). $1^\circ$ в столетие (реально~-- за 72 +года). Звездный каталог. Звездные величины. +\img[0.5]{Equatorial_ring} +\end{frame} + +\begin{frame}{Астролябия} +\img[0.7]{Astrolabe-Persian-18C} +\end{frame} + +\begin{frame}{Трикв\'етрум} +\vspace*{-0.5em}\img[0.85]{triquetrum} +\end{frame} + +\begin{frame}{Квадрант, секстант} +\vspace*{-0.7em}\img[0.6]{Sextant_Ulug} +\end{frame} + +\begin{frame} +\vspace*{-0.7em}\img[0.95]{Stark-quadrant} +\end{frame} + +\begin{frame}{Торкв\'етум} +\vspace*{-0.8em}\img[0.5]{Torquetum} +\end{frame} + +\begin{frame}{<<Послы>> Ганса Гольбейна Младшего (1533)} +\vspace*{-2em} +\begin{columns}\column{0.6\textwidth} +\img{Ambassadors} +\column{0.4\textwidth}\small +\begin{block}{Предметы} +\begin{itemize} +\item звездный глобус +\item местные солнечные часы +\item универсальные морские часы +\item квадрант +\item многогранные часы +\item торкветум +\item глобус +\item арифметика Петера Апиана +\item лютня +\item псалмы (ноты) +\item анаморфный череп +\end{itemize} +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + + +\section{Появление телескопов} +\subsection{Рефракторы} +\begin{frame}{Рефракторы} +\begin{defin} +\textbf{Рефрактор} "--- оптический телескоп, в котором в качестве объектива выступает линза или +система линз. Галилео Галилей, 1609~г. +\end{defin} +\img[0.7]{galileo_telescope} +\end{frame} + +\begin{frame}{Христиан Гюйгенс} +\begin{columns}\column{0.6\textwidth} +\img[0.8]{Huygens_broths_scope} +\column{0.4\textwidth}\begin{block}{} +1655 "--- кольца Сатурна, Титан;\\ +1657 "--- маятниковые часы;\\ +1659 "--- туманность Ориона;\\ +1675 "--- часовая спираль. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\subsection{Рефлекторы} +\begin{frame}{Рефлекторы}\begin{columns} +\column{0.6\textwidth}\img{NewtonsTelescopeReplica} +\column{0.4\textwidth}\begin{defin} +\textbf{Рефлектор} "--- оптический телескоп, в котором в качестве объектива выступает зеркало. +Исаак Ньютон, 1668. +\end{defin} +\begin{block}{} +1663 "--- система Грегори.\\ +1672 "--- система Кассегрена.\\ +1721 "--- рефлектор Хэдли на альт-азимутальной монтировке. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{Уильям Гершель, 1785} +\img[0.66]{early-herschel-40ft} +\end{frame} + +\section{Монтировки телескопов} +\subsection{Экваториальная монтировка} +\begin{frame}{Экваториальная монтировка} +\begin{columns} +\column{0.6\textwidth}\vspace*{-1.4em}\img[0.9]{fraunh_tel} +\column{0.4\textwidth}\begin{block}{1824, Йозеф фон Фраунгофер} +Телескоп обсерватории Тарту. Германская монтировка. + +В 1853 г. Юстус фон Либих предложил метод выделения металлического серебра из раствора +нитрата серебра для алюминирования стекла. В 1856-57~гг. Карл Август фон Штайнхейль и Леон Фуко +(независимо) впервые использовали этот метод. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\vspace*{-1.4em} +\img{100_inch_Hooker_Telescope} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{Телескоп Хукера} +100 дюймов, 1917~г. Английская монтировка <<с ярмом>>. +Обсерватория Маунт Вилсон. +Крупнейший до 1949~г. + +В 1935~г. серебряное покрытие сменено алюминиевым (Джон Донаван +Стронг, калтех, 1932~г.).\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\vspace*{-1.4em} +\img{zeiss} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{Zeiss-1000, Италия}Немецкая монтировка с фокусом Куде.\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{block}{Телескоп Хейла} +200 дюймов, 1949~г. Прямой фокус, Куде и Несмит. + +Первый гидравлический подшипник. Пирексовое зеркало (14.5~тонн). +Первая в мире труба Серрюрьера. + +Полярная монтировка <<седло>>. +\end{block} +\img[0.7]{hale-telescope} +\end{frame} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue,fg=cyan!70!white} +\begin{frame}{Труба Серрюрьера} +\img{Serrurier_truss} +\end{frame} +} + +\subsection{Альт-азимутальная монтировка} +\begin{frame}{Альт-азимутальная монтировка} +\img[0.9]{bta_telescope} +\end{frame} + +\section{Астрофизика} +\begin{frame}{Астрофизика} +\begin{defin}\textbf{Астрофизика} "--- раздел астрономии, тесно переплетенный с химией и физикой. +<> (1897, Джеймс Килер). +\vspace{1em} + +Основоположники "--- Вильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер. + +Сам термин <<астрофизика>> предложен Иоганном Карлом Фридрихом Ц\"eлльнером (известен по точной +фотометрии) в 1865~г. + +Астрофизика делится на наблюдательную и теоретическую, находящиеся в тесной взаимосвязи. +\end{defin} +\end{frame} + +\subsection{Фотометрия} +\begin{frame}{Фотометрия}\vspace*{-1em} +\begin{block}{Фотометр Ц\"елльнера} +1861~г. "--- первый фотометр с эталонным источником. Газовая горелка, призмы Волластона, +плоскопараллельная пластинка. +\end{block} +\img{zollner_photometer} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Область применения фотометрии} + \begin{columns} + \column{0.5\textwidth} + \begin{block}{} + \begin{itemize} + \item Астрометрические задачи. + \item Определение светимости объекта. + \item Классификация объекта (и предположение о его свойствах). + \item<2-> Космология: отождествление галактик. + \item<3-> Определение параметров переменных объектов. + \item<3-> Поиск крупных экзопланет. + \item<4-> Измерение расстояний (цефеиды, сверхновые). + \end{itemize} + \end{block} + + \column{0.5\textwidth} + \begin{pict}\vbox to 0pt{\vspace*{-0.35\textheight} + \only<1>{\includegraphics[width=0.9\columnwidth]{HRDiagram}} + \only<2>{\includegraphics[width=\columnwidth]{hubble}} + \only<3>{\includegraphics[width=\columnwidth]{exoplanet}} + \only<4>{\includegraphics[width=\columnwidth]{supernova}} + } + \end{pict} + \end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{Фотография}\vspace*{-1em} +\begin{block}{} +В 1822~г. Нисефор Ньепс изобрел гелиографию. +Луи Дагер в 1837~г. разработал дагеротипию. +1840~г Джон Уильям Дрэпер (отец Генри Дрэпера) "--- первое астрофото Луны. +\end{block} +\img[0.6]{Henry_Draper} +\end{frame} + +\begin{frame}{}\vspace*{-1em} +\img[0.75]{Orion-Nebula_A_A_Common} +\vspace*{-1.5em}\centering\begin{minipage}{0.7\textwidth} +\begin{block}{} +Эндрю Эйнсли Камэн (Andrew Ainslie Common), 1883~г. "--- туманность Ориона. +\end{block}\end{minipage} +\end{frame} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue,fg=cyan!70!white} +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\img{Bolometer_conceptual_schematic} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{} +1878~г. Сэмюэль Лэнгли изобрел болометр: две платиновые полоски, зачерненные ламповой сажей, +включенные по схеме моста Уитсона и подключенные к чувствительному гальванометру. + +Болометр Лэнгли чувствовал корову за милю! + +Расширение диапазона до ИК. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame}} + +{\setbeamercolor{normal text}{bg=blue,fg=cyan!70!white} +\subsection{Спектроскопия} +\begin{frame}{Спектроскопия} +\begin{block}{Земная атмосфера} +Наземная астрофизика сильно сжата в спектральном диапазоне земной атмосферой. +\end{block} +\img{Atmospheric_electromagnetic_opacity} +\end{frame}} + +\begin{frame} + \frametitle{Область применения спектроскопии} + \begin{columns} + \column{0.4\textwidth} + \begin{block}{} + \begin{itemize} + \item Эквивалентные ширины: скорость вращения, спектрополяриметрия, + \onslide<2->{определение химического состава звезд.} + \item<3-> Строгая спектральная классификация, определение возраста скоплений. + \item<4-> Определение скорости движения объектов. + \item<5-> Космология. + \end{itemize} + \end{block} + + \column{0.6\textwidth} + \begin{pict}\vbox to 0pt{\vspace*{-0.3\textheight} + \only<1>{\includegraphics[width=\columnwidth]{equiv_width}} + \only<2>{\includegraphics[width=\columnwidth]{solar_spectra}} + \only<3>{\vspace*{-0.1\textheight} + \includegraphics[width=0.8\columnwidth]{SpectralLines}} + \only<4>{\includegraphics[width=\columnwidth]{doppler}} + \only<5>{\includegraphics[width=\columnwidth]{galaxy_doppler}} + } + \end{pict} + \end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{Йозеф фон Фраунгофер} +\img[0.8]{Fraunhofer_spectroscope} +\end{frame} + +\begin{frame} +\begin{block}{} +В 1860~г. Густав Кирхгофф и Роберт Бунзен обнаружили, что многим темным фраунгоферовым линиям +соответсвуют светлые линии спектров сжигаемых металлов. Кирхгофф объяснил происхождение +фраунгоферовых линий поглощением света в атмосфере Солнца. + +В 1868~г. Норман Локьер (пионер археоастрономии) и Пьер Жансен обнаружили гелий. + +Спектральные наблюдения с использованием призмы проводил еще Исаак Ньютон в 1666--1672~гг., он и +предложил термин <<спектр>>. + +Применение спектрального анализа к звездам начато работами Анджело Секки (ватиканская обсерватория) +и Уильяма Хаггинса (частная обсерватория в Англии) в 1863~г. Секки первым доказал, что Солнце "--- +звезда, первым предложил спектральную классификацию (4 класса). +\end{block} +\end{frame} + +\begin{frame}{Генри Дрэпер} +\begin{block}{} +1872, первый спектр Веги на фотопластинке. С 1918 по 1924~г. вышел каталог HD в честь Дрэпера +(изначально 225300 звезд, Эдвард Пикеринг сотоварищи, наблюдения в гарвардской обсерватории с +объективной призмой). +\end{block} +\img{Drapers_spectra} +\end{frame} + +\begin{frame}{Бесщелевые спектры} +\only<1>{\begin{block}{} +Николас Мейол, 1930-е. +\end{block} +\img{slitless_schematic}} +\only<2>{\img{slitless}} +\end{frame} + +\begin{frame}{Дифракционная решетка} +\begin{block}{} +Середина 18 века, Джеймс Грегори "--- принцип построения дифракционной решетки. + +1785, Дэвид Риттенхаус (Филадельфия) "--- первая дифракционная решетка (почти 4 линии на мм). +Аналог "--- Йозеф Фраунгофер, 1821~г. + +Нарезные решетки. Предел "--- около 4.7/мм (1899, Генри Джозеф Грейсон). +\end{block} +\img[0.5]{Blazed_grating} +\end{frame} + +\begin{frame}{Дифракция и дисперсия} +\img[0.4]{Comparison_refraction_diffraction_spectra} +\end{frame} + + + +\begin{frame}{Спектрограф} +\img[0.89]{spectrograph} +\end{frame} + +\section{Наземная астрофизика} +\subsection{Большие телескопы} +\begin{frame}{Большие телескопы} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\vspace*{-1em} +\only<1>{\img{KeckTel}} +\only<2>{\img{gtc_cleaning}} +\column{0.5\textwidth} +\only<1>{\begin{block}{Телескопы Кека} +1993 "--- Кек-1 (Мауна Кеа), 10~м, 36 сегментов из церодура, площадь рабочей поверхности +$75.76\,$м${}^2$ "--- крупнейшие в мире! +\end{block}} +\only<2>{\begin{block}{Большой Канарский} +2007 (2009), ла Пальма, 10.4~м, 36 сегментов из церодура, площадь рабочей поверхности +$74.14\,$м${}^2$. +\end{block}} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\img[0.85]{optelcomp} +\end{frame} + +\begin{frame}{Зачем такие большие?} +\begin{block}{Задачи, требующие построения гигантских телескопов} +\begin{itemize} +\item происхождение Вселенной; +\item механизмы образования и эволюции звезд, галактик и планетных систем; +\item физические свойства материи в экстремальных астрофизических условиях; +\item астрофизические аспекты зарождения и существования жизни во Вселенной. +\end{itemize} +\end{block} +\end{frame} + +\subsection{Детекторы изображений} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\img{ccdintro} +\column{0.5\textwidth} +\begin{block}{ПЗС} +1969, Уиллард Бойл и Джордж Смит, лаборатории Белла. + +1975 "--- первая ПЗС 100x100 (Steven Sasson, Kodak). + +1976 "--- запуск спутника--шпиона с ПЗС 800x800. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth} +\img{SDSSFaceplate} +\column{0.5\textwidth} +\begin{block}{} +Слоановский обзор SDSS, 30 ПЗС 2048x2048 в сканирующем режиме. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + + +\section{Космическая астрофизика} +\begin{frame}{Космическая астрофизика} +\begin{columns} +\column{0.6\textwidth} +\img{Hipparcos-testing-estec} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{} +1989, Hipparcos "--- High Precision Parallax Collecting Satellite. + +1mas. Каталоги Hipparcos и Tycho. +\end{block} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\vspace*{-1em} +\img[0.6]{HST-SM4}\vspace*{-1em} +\begin{block}{Телескоп им.~Хаббла} +2.4~м зеркало. + +1978 "--- стартовое финансирование, 36~млн.длр. + +1986 "--- общий бюджет проекта вырос до 1.175~млрд.длр. + +25 апреля 1990~г. "--- 2.5~млрд.длр. + +1999 "--- около 6~млрд.длр. + 593~млн.евр. от ЕКА. + +Четыре экспедиции. +\end{block} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\img{Hubble_Probes_the_Early_Universe} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\only<1>{\begin{columns} +\column{0.6\textwidth}\vspace*{-2em} +\img{Kepler_Space_Telescope} +\column{0.4\textwidth} +\begin{block}{Телескоп Кеплера} +2009, поиск экзопланет. 0.95~м апертура, зеркало 1.4~м. + +42 ПЗС 2200x1024. + +$\sim0.5$~млрд.длр. +\end{block} +\end{columns}} +\only<2>{\img[0.85]{Kepler_CCD_matrix}} +\end{frame} + +\section{Современные направления} +\subsection{Активная оптика} +\begin{frame}{Активная оптика} +\begin{columns} +\column{0.5\textwidth}\only<1>{\img{VLT-active}} +\only<2>{\img{GTC_Active_Optics_Acutators}} +\column{0.4\textwidth}\only<1>{\begin{block}{VLT} +VLT: 150 актуаторов на зеркале, управляемое вторичное зеркало. 1 сет "--- 30 секунд (для +избавления от атмосферных эффектов). В случае отсутствия опорной звезды в кадре сигналы вычисляются +по модели (учитывающей наклон оси и температуры).\end{block}} +\only<2>{\begin{block}{GTC} +Зеркало "--- 17т. +\end{block}} +\end{columns} +\end{frame} + +\subsection{Спекл--интерферометрия} +\begin{frame}{Спекл--интерферометрия} +\only<1>{\img{speckles}} +\only<2>{\img[0.6]{WR_speckle_restored}} +\end{frame} + +\subsection{Адаптивная оптика} +\begin{frame}{Адаптивная оптика} +\only<1>{\vspace*{-1em}\begin{block}{} +$30\div60\,$mas. Искусственные звезды: звезды Рэлея (ближний ИК, $15\div25$~км) и +натриевые ($80\div100$~км, 589~нм). +\end{block}\vspace*{-1em} +\img{cfht_adaptive_optics}} +\only<2>{\img{wavefront_SHA}} +\only<3>{\img[0.85]{VLT_artif_star}} +\end{frame} + +\subsection{Lucky-imaging, Superresolution} +\begin{frame}{Lucky-imaging, Superresolution} +\smimg[0.33]{Lucky_Single_Exposure_Strehl_16Percent}\hfil +\smimg[0.33]{Lucky_sum_all}\hfil +\smimg[0.33]{Lucky_best_1percent_averaging} +\begin{block}{} +Куб данных с экспозициями $10\div50\,$мс. + +Совмещение снимков с наименьшим числом Штреля. + +Усреднение. + +Итог: было 900\,mas, стало 40! + +Для малых телескопов ($>} +\makeatletter +\renewcommand{\@oddfoot}{\vbox{\hbox to\textwidth{\hfil\thepage\hfil}}} +\renewcommand{\@evenfoot}{\vbox{\hbox to\textwidth{\hfil\thepage\hfil}}} +\def\V{\ensuremath{\mathfrak{N}}\xspace} +\makeatother +\begin{document} +\maketitle +Внимание! Во всех заданиях вместо $\V$ необходимо вставить число, соответствующее номеру вашего варианта. + +Для решения заданий может использоваться любая привычная вам среда обработки данных. В качестве отчета +требуется предоставить архив с исходным файлом в формате \LaTeX и сопутствующими файлами (графика, +собственный стилевой файл и т.п.). В отчете привести полученные графики, изображения и численные результаты, +при необходимости сделать краткий вывод. + +\section{Статистика и вероятность. Случайные величины и распределения} +\begin{enumerate} +\item Найдите сумму, разность, произведение и частное матриц +$$A=\begin{pmatrix}1&2&3\\6&\V&4\\9&8&7\end{pmatrix},\qquad +B=\begin{pmatrix}9&8&7\\5&\V&1\\0&2&6\end{pmatrix}.$$ +Найдите определители исходных и получившихся матриц (команда \verb'det(A)'). + +\item +\label{noicy_AM} +Получите сигнал с амплитудной модуляцией (из примера). Добавьте к нему гауссов +белый шум с SNR $15+5\cdot\V$~дБ. Постройте отдельно графики всех +полученных сигналов. + +Для полученного сигнала найдите следующие характеристики: математическое ожидание +(\verb'mean'), среднее квадратичное отклонение (\verb'std'), медиану (\verb'median') +и моду (\verb'mode'). Найдите аналогичные величины для разности между зашумленным +и оригинальным сигналом. Сравните полученные величины с теоретическими. +\end{enumerate} + +\section{Теория физических измерений. Систематические и случайные погрешности} +\begin{enumerate} +\item +Известно, что некоторая зависимость (см. таблицу ниже) имеет вид +$y=ax\sin(x)-b\ln(x)$. Определите коэффициенты~$a$ и~$b$ и постройте +данную кривую с более детальным отображением (на векторе \verb'[1:0.05:10]'). +Подсказка: сразу же задайте вектора~$x$ и~$y$ как столбцы; матрица~$X$ задается +командой \verb'X=[x.*sin(x) -log(x)]'. +\begin{center} +\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} +\hline +\bf x&1&2&3&4&5&6&7&8&9&10\\ +\hline +\bf y&-0.68 & 8.41 & -23.0 & -37.2 & -73.2 & -39.7 & 9.14 & 21.0 & +7.97 & -72.5\\ +\hline +\end{tabular} +\end{center} +($a=7.72$, $b=14.8$). + +\item +Промоделируйте эксперимент измерения ста значений функции $y=\V x^3+3.4x^2-1.1\V x+9.2$ +и восстановления коэффициентов зависимости. Для этого создайте вектор аргумента +\verb'x=[1:100]', получите по формуле соответствующий вектор функции \verb'y_ideal', +а из него~--- зашумленный результат \verb'y' с SNR=25\,дБ. + +Методом \verb'polyfit'~---~\verb'polyval' получите значения коэффициентов. +Отобразите на графике точками исходные данные и непрерывной линией полученный +аппроксимацией результат. + +\item +Аналогично предыдущему заданию составьте модель эксперимента по измерению +амплитуды напряжения в контуре, испытывающем колебания с основной частотой +$\Omega=1000\,$Гц и двумя гармониками $\Omega\pm\omega$, где $\omega=74\,$Гц. +Известно, что суммарное колебание описывается приближенной +формулой $U=100\V\sin(\Omega t)+50\V\sin(\omega t)-33\V\cos(\omega t)$. +Создайте интервал времен {\tt t=[0: 0.06: 120]}. Для получения идеальных +значений~$U$ положите $a=361$, $b=117$, $c=92$. Отношение сигнал/шум при +получении зашумленного сигнала выберите равным~20\,дБ. + +Восстановите значения коэффициентов~$a$, $b$ и~$c$. +\end{enumerate} + +\section{Теория оценок} +\begin{enumerate} +\item +Определите давление в цилиндре с газом, исходя из закона Менделеева--Клапейрона: +$pV=mRT/\mu$, если известно, что масса газа $m=2\V\,$грамм, $\mu=29\,$г/моль, $R=8.31$, а объем и +температуру газа измеряли в течение минуты, получив следующие значения: +\begin{center}\small +\begin{tabular}{|c||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} +\hline +Величина &\multicolumn{10}{|c|}{Значение}\\ +\hline +$V$, л&2.27&2.27&2.26&2.25&2.26&2.27&2.29&2.28&2.25&2.28\\ +$T$, К&399.4&399.1&399.3&396.8&399.5&400.2&400.6&403.0&399.2&401.3\\ +\hline +\end{tabular} +\end{center} +Считайте, что за это время давление газа не успело сколь-нибудь значительно измениться. +Определите погрешности измерения величин~$V$ и~$T$. Считая, что остальные величины являются +постоянными, определите косвенную погрешность измерения~$p$. + +Для удобства вычислений\к создайте скрипт, позволяющий для заданного ряда данных +получить математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение и относительную +ошибку\н. + +Запишите результат в виде $p=\mean{p}\pm\sigma_p$. + +\item +Для определения емкости~$C$ неизвестного конденсатора при помощи осциллографа исследовали +затухающий импульс, возникающий при разрядке конденсатора через резистор~$R=\V\,$кОм. +По показаниям осциллографа были записаны следующие значения тока: +\begin{center}\small +\begin{tabular}{|c||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} +\hline +$t$, с&0.0&0.1&0.2&0.3&0.4&0.5&0.6&0.7&0.8&0.9&1.0\\ +$I$, А&1.00&0.72&0.52&0.37&0.26&0.19&0.14&0.10&0.07&0.04&0.03\\ +\hline +\end{tabular} +\end{center} +Известно, что погрешность считывания значений тока с экрана осциллографа составляет +$\sigma_I=(0.01/\V)\,$А. Кроме того, известно что сопротивление резистора известно с точностью~5\%. +Из формулы $I=I_0\exp(-t/[RC])$ определите погрешность измерения емкости конденсатора. + +Методом наименьших квадратов определите значение емкости конденсатора, исходя из +уравнения $t=-RC\ln I$ (составьте матрицу \verb"X=-R*log(I')" и найдите решение: +\verb'C=X\t'. Запишите ответ в виде $C=\mean{C}\pm\sigma_C$. + +Для увеличения точности эксперимента было проведено еще одно измерение, результаты +которого несколько отличались от предыдущих: +\begin{center}\small +\begin{tabular}{|c||c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} +\hline +$t$, с&0.0&0.1&0.2&0.3&0.4&0.5&0.6&0.7&0.8&0.9&1.0\\ +$I$, А&1.00&0.75&0.56&0.41&0.30&0.23&0.17&0.12&0.10&0.07&0.05\\ +\hline +\end{tabular} +\end{center} +Проверьте нулевую гипотезу о равенстве средних в обоих опытах. Определите величину емкости +во втором случае. + +Столь большое различие емкостей, полученных в результате двух независимых экспериментов, +заставило предположить, что в результате длительной эксплуатации резистор~$R$ нагрелся, что +вызвало увеличение его сопротивления. Считая емкость конденсатора прежней, определите сопротивление +резистора во втором случае. + +\end{enumerate} + +\section{Системы линейных уравнений. Степенные уравнения. Дифференциальные уравнения} +\begin{enumerate} +\item +Решите систему уравнений +$$\left\{\begin{aligned} +x_1+2x_2+3x_3&=\V;\\ +2x_1-x_2+4x_3&=2;\\ +x_1-3x_2+\V x_3&=3. +\end{aligned}\right. +$$ + +\item +Решите (аналитически) уравнение $x^3+ax^2+bx+c=0$. + +Найдите решение этого уравнения при $a=\V$, $b=2$, $c=3$ двумя способами: +при помощи функции~\verb'subs' и функции~\verb'roots'. + +\item +Найдите решение уравнения +$$ +(1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}-2x\frac{dy}{dx}+12y=0 +$$ +с начальными условиями $y(0)=0$, $y'(0)=\V$. Попробуйте решить, используя преобразования Лапласа. + +\end{enumerate} + + +\section{Анализ временных рядов. Фурье и вейвлет-анализ} +\begin{enumerate} +\item +Затабулируйте функцию $y=10^x$ на отрезке $[2,4]$ с шагом~0.05. +Вычислите теперь при помощи этой таблицы значение произведения $X=1097\cdot(2500+100\V)$ +(воспользуйтесь свойством логарифмов). Для нахождения +значений $\ln1097$ и $\ln1013$ воспользуйтесь аппроксимацией сплайнами. +Аналогично, при помощи аппроксимации сплайнами вычислите~$X$. + +\item +Создайте вектор--сигнал, представляющий собой сумму двух синусоид с~$\nu_1=(50+\V)$\,Гц +и~$\nu_2=(170-2\V)\,$Гц на промежутке $t\in[0,0.25]\,$с с периодом +дискретизации~$0.001\,$с. Добавьте к нему аддитивного нормального шума: +\begin{verbatim} +y = y + 2*randn(size(t)); +\end{verbatim} +Постройте спектр итогового сигнала, определите по спектру частоты исходных +сигналов. + +\item +Создайте зашумленную копию лабораторного сигнала с $S/N=-10\,$дБ. Выделите полезный сигнал при +помощи вейвлет-фильтрации (подходящий базис подберите самостоятельно). +\end{enumerate} + + +\section{Обработка изображений} +\begin{enumerate} +\item Для пробного изображения постройте преобразования методом эквализации +гистограммы с функциональными зависимостями для функции $f(x)$ (\verb'x = [1:256]'). + +Значения $f(x)$ по вариантам: $\sin(x)$~(1, 6), $\cos(x)$~(2, 7), $\exp(x)$~(3, 8), $\ln(x)$~(4, 9), $\exp(-x^2)$~(5, 10). + +\item Создайте изображение шахматной доски с размером ячейки $20\times20$ +пикселей. Смажьте изображение на 2\V~точек под углом~$45\degr$. Добавьте +гауссова шума с математическим ожиданием~0 и среднеквадратичным отклонением~$0.01$. +Отфильтруйте изображение при помощи простого винеровского фильтра и винеровского +фильтра с учетом автокорреляционных функций. +Сравните результаты. + +\item Для пробного изображения постройте маску, выделяющую протяженные объекты (туманности, ядра галактик и +скоплений) при помощи морфологических преобразований. Определите количество найденных объектов методом +поиска 8-связных областей. Умножьте исходное изображение на маску и сохраните результат. + +\item Постройте фильтр лапласиана гауссианы $50\times50\,$ пикселей с полушириной \V пикселей. Сравните +производительность свертки пробного изображения с этим фильтром непосредственной реализацей свертки и +реализацией свертки через преобразование Фурье. + +Примените к пробному изображению наиболее подходящий с вашей точки зрения фильтр в частотной области для +улучшения его визуализации. + +\end{enumerate} + +\end{document}