lectures/AstroCrafts/astrocrafts02.txt

*** 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.