Астрономия приобретает все большую популярность среди любителей. Наблюдать за небесными телами становится проще ввиду огромного разнообразия приспособлений, использующихся для этих целей. Прежде всего речь идет о телескопах.
Об их особенностях, разновидностях, параметрах и правилах выбора пойдет речь ниже, а начать хотелось бы с того, что каждому прибору есть свое применение, нужно лишь перед покупкой четко сформулировать требования и задачи.
Актуальные вопросы
Выбор телескопа базируется на изучении множества параметров и технических характеристик, однако прежде, чем перейти к их анализу, необходимо решить базовые вопросы.
Что вы хотите увидеть
С помощью хорошего телескопа можно следить за:
Близкими объектами, расположенными в пределах солнечной системы (кометы, планеты, их спутники, солнце и так далее);
Далекими галактиками, туманностями;
Объектами, расположенными на земле.
Безусловно, универсального прибора, который позволил бы охватить все виды наблюдений, не найти, а значит, нужно решить, что будет для вас в приоритете.
Откуда планируете наблюдать
Наверняка вы замечали, что за городом небо выглядит по-особенному. Это видно без специализированного оборудования. Если же вы хотите сделать поездку невероятно интересной и романтичной, захватите с собой телескоп. Для этих целей подойдет модель, которая легко складывается, имеет компактный размер и помещается в сумку.
Для изучения небесных тел из окна квартиры подойдет прибор для близких исследований - в огнях мегаполиса практически нереально разглядеть далекие галактики и туманности.
Пожалуй, наилучшие условия созданы на даче. В таком случае телескоп может быть достаточно объемным, ведь нет необходимости все время перемещать его. Кроме того, вдали от городской иллюминации можно без труда рассмотреть далекие небесные тела, а значит, лучше приобретать прибор с максимальным приближением.
Теоретический базис
Для понимания того, как функционирует телескоп, стоит разобраться с его строением. В числе главных составляющих
. Тубус (труба) - основная часть телескопа, в которой находится объектив. Она может быть открытой или закрытой. Второй вариант предпочтителен, так как защищает телескоп от пыли. Кроме того, такая конструкция не подвержена влиянию потоков воздуха, которые могут существенно ухудшать качество изображения. Тубусы могут иметь разную длину и вес.
. Объектив - главная деталь телескопа, собирающая свет и детализирующая небесные тела.
. Искатель - уменьшенная копия подзорной трубы, которая используется для предварительного обнаружения небесного тела.
. Окуляры - это своего рода лупы, которые позволяют рассматривать предмет, попавший в объектив телескопа. Они характеризуются различными фокусным расстоянием и углом обзора. Для обычных - 40-55 град., широкоугольных и сверхширокоугольных 55-65 град. и 65-80 град. соответственно, ультраширокоугольных - 80 град. и выше. Наиболее комфортны окуляры с большим выносом зрачка.
. Монтировка - это «фундамент» телескопа, механизм, который позволяет наводить его на разные объекты, обеспечивая неподвижность. Монтировка может быть азимутальной (проста в использовании, не требует долгой настройки, имеет 2 оси, подходит для изучения наземных объектов, обзорных наблюдений за небесными телами) и экваториальной (универсальная, позволяет перемещать объектив по полярной оси, зачастую оснащается электрическим приводом и управляется с пульта).
В отдельную категорию выделяют монтировки Добсона, хотя на самом деле они относятся к азимутальным. Они обеспечивают наилучшую апертуру и при этом остаются достаточно компактными и доступными по цене. Наиболее дискуссионные механизмы - так называемые Go-To монтировки. Они создают компьютеризированное наблюдение за небесными телами, что вызывает негодование у многих астрономов, ведь истинное удовольствие приносит поиск объектов по картам и координатам. С другой стороны, автоматизированный подход существенно экономит время.
. Линза Барлоу - оптика, увеличивающая эффективное фокусное расстояние телескопа посредством уменьшения сходимости конуса светового пучка. Это полезный аксессуар, который чаще всего используется с короткофокусными устройствами.
Существует распространенное заблуждение касательно того, что работа телескопа основана на приближении объектов. Это не совсем верно. Принцип его функционирования - в сборе света и направлении его в фокус. Из этого следует, что главный критерий - площадь светоаккумулирующего элемента. Чем она больше, тем больше света собирает телескоп, что в конечном счете обеспечивает лучшую детализацию небесных тел. Именно размер линзы или зеркала влияет на качество изображения, а не сила телескопа или увеличение, хотя эти параметры также важны.
Апертура
Диаметр объектива телескопа - ключевой показатель, отвечающий за детализацию изображения. Чем больше апертура, тем ярче будут небесные тела, даже те, которые расположены совсем далеко и выглядят тускло. При использовании телескопа в городских условиях достаточно линзы или зеркала диаметром 120-150 мм. С таким устройством удастся понаблюдать за объектами Солнечной системы.
Разглядеть туманности и галактики позволит телескоп с апертурой от 200 мм и более. Самые большие модели (по диаметру объектива) идеально подходят для наблюдения за звездами вдали от города, где достаточно темно и нет преград для наслаждения небесными просторами. Такие устройства наиболее дорогие.
Фокусное расстояние
Одна из главных характеристик - расстояние между самим объективом и главным фокусом, измеряемое в миллиметрах. На основании фокусного расстояния окуляра и непосредственно телескопа рассчитывают увеличение (путем деления второго на первое). Предпочтение следует отдавать моделям с большим значением параметра. На телескопах с маленьким фокусным расстоянием труднее получить большое увеличение и обеспечить хорошее качество изображения.
Относительное отверстие
Рассматривая основные параметры, наряду с диаметром объектива и фокусным расстоянием, следует выделить еще один - относительное отверстие. Это величина, равная отношению фокусного к диаметру. Так, для телескопа с диаметром объектива 200 мм и фокусным расстоянием в 1200 мм, относительное отверстие составит 1/6. От этого значения и более телескоп считается быстрым, менее 1/9 - медленным, в диапазоне 1/6-1/9 - средним. При равной апертуре у телескопа с меньшим отверстием будет более длинный тубус, что, в свою очередь, увеличит габариты. Быстрые телескопы более требовательны к окулярам, в то время как с медленными и средними удается получить хорошее изображение при использовании среднестатистического широкоугольного окуляра.
Понятие термостабилизации
Четкий снимок возможен лишь в том случае, если предварительно привести прибор в температурный баланс с окружающей средой. Сколько времени потребуется для этого? Все зависит от параметров телескопа. Временной интервал (при иных равных условиях) увеличивается по мере увеличения апертуры.
Виды телескопов
Исходя из оптической схемы, все приборы делят на три группы:
Рефракторы. Устройства с линзовыми объективами до 120 мм, оптимальны для изучения Луны. Они дают хорошую детализацию и не требуют пошаговой настройки. Главный недостаток - появление хроматической аберрации. Устранить искажение позволит точный расчет параметров линз, расстояния между ними и оправы объектива. Для этих же целей рекомендуют низкодисперсные стекла.
Рефлекторы. Роль объектива в таком приборе выполняет вогнутое стекло. Световой поток отражается, затем собирается главным зеркалом. Устройство требует грамотной настройки, подходит для слежения за далекими небесными телами и туманностями. В числе наиболее популярных - системы Кассегрена и Ньютона.
Катадиоптрики. Это зеркально-линзовые устройства с коротким тубусом и неограниченной апертурой. Они объединили достоинства первых двух разновидностей. В таких моделях компенсированы искажения небесных тел. Телескопы подходят для астрографии и изучения глубокого космоса.
Телескопы для астрофотографии
Устройства, применяемые в астрофотографии, имеют специфические характеристики. В приоритете качество оптической схемы и грамотность настроек. Диаметр объектива должен быть максимальным. Даже при короткой выдержке можно получить качественный снимок за счет аккумуляции большего количества света. Рекомендуют использовать телескопы с экваториальной монтировкой, автоматический привод которых поможет удержать в поле зрения движущиеся тела.
Для астрофотографии подойдут приборы зеркально-линзового типа. У них больше длина фокуса, апертура, а значит, снимок получится более четким.
Детские телескопы
Астрономией интересуются не только взрослые, но и дети. Безусловно, основы выбора телескопов для них несколько отличаются от стандартных «взрослых» критериев. Первый прибор можно смело приобретать ребенку уже в возрасте 8-10 лет. Это должно быть простое устройство, с которым малыш справится самостоятельно.
Оптимален - рефрактор. Он надежен, не требователен в уходе и доступен по цене. Азимутальная монтировка позволит рассмотреть как небо, так и наземные объекты. Для этих целей будет достаточно объектива с апертурой 70 мм. У большинства производителей есть отдельные линейки для юных астрономов.
Распространенные ошибки
В сознании многих неопытных астрономов укрепилось не совсем корректное правило «больше - лучше». Крупногабаритные телескопы далеко не всегда дают хороший результат, в особенности в условиях квартирного использования. В такой ситуации стоит приобрести компактную модель, которую без труда можно будет перемещать в разные точки дома, выбирая оптимальное место для наблюдения.
Еще одна распространенная ошибка - покупка прибора «раз и навсегда». Универсальных устройств не бывает и не стоит пытаться купить телескоп на перспективу. Каждый прибор хорош для определенных целей. Пока вы только осваиваете процесс, стоит присмотреться и задуматься о покупке компактной модели, которая не требует настройки (например, рефрактор с диаметром 90-120 мм). Со временем можно четче сформировать свои потребности и купить более дорогую и функциональную модель телескопа.
Лупой называют собирающую короткофокусную линзу. Угловое увеличение - это отношение углов зрения, которое получено с помощью оптического прибора, и угла зрения невооруженного глаза на расстоянии наилучшего зрения.
2. Из каких оптических элементов состоит микроскоп? Объясните назначение объектива и окуляра.
Микроскоп состоит из двух короткофокусных линз - окуляра (ближайшая линза к глазу наблюдателя) и объектива (ближайшая к предмету линза). Окуляр выполняет роль лупы.3. Объясните ход лучей в микроскопе. Напишите выражение для углового увеличения микроскопа. В каких пределах оно может изменяться?
Оно изменяется от 15 до 1200.
Объектив создает перед окуляром увеличенное изображение предмета, а затем окуляр увеличивает это изображение. (Рис. 222 б учебника.)
4. Из каких оптических элементов состоит телескоп-рефрактор? Объясните назначение объектива и окуляра.
Телескоп-рефрактор состоит из объектива и окуляра.
Окуляр выполняет роль лупы, обеспечивая угловое увеличение предмета. Фокусы объектива и окуляра практически совпадают. В окуляре образуется прямое, мнимое, увеличенное изображение.
5. Объясните ход лучей в телескопе-рефракторе. Напишите выражение для углового увеличения телескопа-рефрактора. Чем ограничено применение таких телескопов?
Окуляр обеспечивает угловое увеличение предмета. Фокусы объектива и окуляра практически совпадают. В окуляре образуется прямое, мнимое, увеличенное изображение.
Главные части в телескопе - объектив и окуляр. Объектив направляют в сторону объекта, который хотят наблюдать, а в окуляр смотрят глазом.
Существует три основных типа оптических систем телескопов – рефрактор (с линзовым объективом), рефлектор (с зеркальным объективом) и зеркально-линзовый телескоп.
Телескоп-рефрактор имеет в качестве объектива линзу в передней части трубы. Чем больше диаметр линзы, тем ярче кажется небесный объект в поле зрения, тем более слабый объект можно заметить в этот телескоп. Как правило, объектив рефрактора представляет собой не одиночную линзу, а систему линз. Они изготовляются из разных сортов стекла и склеиваются между собой специальным клеем. Это делается для того, чтобы уменьшить искажения в изображении. Эти искажения называются аберрациями. Аберрациями обладает любая линза. Главные из них – сферическая аберрация и хроматическая аберрация.
Сферическая аберрация заключается в том, что края линзы сильнее отклоняют световые лучи, чем середина. Иными словами, лучи света, пройдя через линзу, не сходятся в одном месте. А нам очень важно, чтобы лучи сходились в одной точке. Ведь от этого зависит чёткость изображения. Но это еще полбеды. Ты знаешь, что белый свет является составным – в него входят лучи всех цветов радуги. В этом легко убедиться с помощью стеклянной призмы. Направим на неё узкий луч белого света. Мы увидим, что белый луч, во-первых, разложится на несколько цветных лучей, и, во-вторых преломится, т.е. изменит направление. Но самое важное то, что лучи разного цвета преломляются по-разному – красные отклоняются меньше, а синие – больше. Линза тоже своего рода призма. И она неодинаково фокусирует лучи разных цветов – синие собираются в точку ближе к линзе, красные – дальше от неё.
Изображение, даваемое линзой, всегда слегка окрашено по краям радужной каймой. Так проявляет себя хроматическая аберрация.
Чтобы уменьшить сферическую и хроматическую аберрации, средневековые астрономы придумали делать линзы с очень большим фокусным расстоянием. Фокусное расстояние
– это расстояние от центра линзы до фокуса
, т.е. точки, где происходит пересечение преломленных лучей света (на самом деле в фокусе получается крошечное изображение предмета). Задача объектива - собрать побольше света от небесного объекта и построить крошечное и чёткое изображение этого предмета в фокусе.
Польский астроном XVII века Ян Гевелий изготавливал телескопы длиной 50 метров. Зачем? Чтобы не так сильно сказывались аберрации, т.е. чтобы получить возможно более чёткое и неокрашенное изображение небесного объекта. Конечно, работать с таким рефрактором было очень неудобно. Поэтому Гевелий, хотя и был трудолюбивым астрономом, многого не смог открыть.
Впоследствии оптики придумали делать объектив не из одной, а из двух линз. Причём так подбирали сорта стекол и кривизну их поверхностей, что аберрации одной линзы гасили, компенсировали аберрации другой линзы.
Так появился сложный объектив. Рефракторы сразу уменьшились в размерах. Зачем делать длинный телескоп, если качественный объектив можно сделать более короткофокусным? Именно поэтому в детских телескопах такое плохое изображение – ведь там используется в качестве объектива всего одна линза. А нужно минимум две. Одна линза стоит дешевле, чем две, поэтому детские телескопы так дешевы. Но всё-таки, какие бы стёкла оптики ни подбирали для объективов, совсем избежать хроматической аберрации не удаётся. Поэтому в рефракторах всегда есть небольшой синий ореол вокруг изображения. Однако в целом, рефракторы среди телескопов других систем дают самое чёткое изображение.
Ты должен остановить свой выбор на рефракторе, если собираешься наблюдать подробности небесных объектов – горы и кратеры на Луне, полосы и Большое Красное Пятно на Юпитере, кольца Сатурна, двойные звёзды, шаровые звёздные скопления и т.п. Бледные, размытые объекты – туманности, галактики, кометы – нужно наблюдать в телескоп-рефлектор .
В рефлекторе свет собирается не линзой, а вогнутым зеркалом определённой кривизны. Зеркало изготовить проще, чем линзу, потому что приходится шлифовать только одну поверхность. К тому же, для линз нужно особое качественное стекло, а для зеркал подходит любое стекло. Поэтому рефлекторы в целом стоят дешевле рефракторов с таким же диаметром линзы. Многие любители астрономии сами строят неплохие рефлекторы. Главное преимущество рефлектора в том, что зеркало не даёт хроматической аберрации. Первый в истории рефлектор создал Исаак Ньютон в XVIII веке. Этот английский учёный первым заметил, что вогнутое зеркало одинаково отражает лучи всех цветов и может создавать неокрашенное изображение. Ньютон разработал оптическую систему телескопа, которую принято называть Ньютоновской. Рефлекторы системы Ньютона изготовляются сегодня промышленным способом во многих странах мира.
Самый большой рефлектор системы Ньютона в XVIII веке построил английский астроном Вильям Гершель. Диаметр вогнутого зеркала был 122 см, а длина трубы телескопа – 12 метров. Конечно, телескоп неуклюжий, но всё-таки это уже не 50-метровый рефрактор Гевелия. Со своим телескопом Гершель совершил много замечательных открытий. Одно из самых важных – открытие планеты Уран.
Посмотрим на ход лучей в системе рефрактора и рефлектора.
В рефракторе свет проходит через линзу и непосредственно попадает в окуляр и дальше в глаз наблюдателя. В рефлекторе свет отражается от вогнутого зеркала и направляется сначала на плоское зеркало, установленное в верхней части трубы, и только потом попадает в окуляр и глаз. В рефлекторе, таким образом, работает два зеркала – одно вогнутое (главное), другое плоское (диагональное). Задача главного зеркала такая же, как у линзового объектива - собирать свет и строить крошечное и чёткое изображение в фокусе.
Плоское (диагональное) зеркало держится на специальных растяжках (как правило, их 4 штуки) в передней части трубы. А теперь представь: свет попадает в трубу телескопа, часть света загораживает плоское зеркало и растяжки. В результате на главное вогнутое зеркало попадает меньше света, чем могло попасть. Это называется центральным экранированием. Центральное экранирование приводит к потере чёткости изображения.
Наконец, познакомимся с зеркально-линзовыми телескопами . Они сочетают в себе элементы и рефрактора и рефлектора. Там есть и вогнутое зеркало, и линза в передней части трубы. Как правило, задняя часть этой линзы посеребрена. Этот серебристый кружок играет роль дополнительного зеркала. Ход световых лучей в зеркально-линзовых телескопах сложнее. Свет проходит через переднюю линзу, затем попадает на вогнутое зеркало, отражается от него, идёт обратно к передней линзе, отражается от серебристого кружка, идёт обратно к вогнутому зеркалу и проходит сквозь отверстие в этом зеркале. И только после этого свет попадает в окуляр и глаз наблюдателя. Световой поток внутри трубы три раза меняет направление. Поэтому зеркально-линзовые телескопы так компактны. Если у тебя мало места на балконе, то свой выбор нужно остановить именно на таком телескопе.
Существует несколько оптических систем зеркально-линзовых телескопов. Например, телескоп системы Максутова, Шмидта, Кассегрена, Клевцова. Каждый из этих оптиков по-своему решает основные недостатки зеркально-линзового телескопа. Что же это за недостатки? Во-первых, много оптических поверхностей. Давай посчитаем: как минимум 6, и на каждой из них теряется часть света (к сведению, в рефракторе и рефлекторе их по 4). В нутри такого телескопа теряется много света. Если рефрактор способен пропускать 92% попадающего в него света от небесного объекта, то через зеркально-линзовый телескоп проходит только 55% света. Иными словами, объекты в такой телескоп выглядят более тусклыми по сравнению с рефрактором с таким же диаметром объектива. Поэтому зеркально-линзовые телескопы лучше использовать для ярких объектов – Луны и планет. Но, учитывая центральное экранирование из-за зеркала на передней линзе, приходится признать, что чёткость изображения также ниже, чем в рефракторе. Во-вторых, и линза, и вогнутое зеркало создают свои аберрации. Поэтому качественный зеркально-линзовый телескоп стоит довольно дорого.
Увеличение телескопа. Чтобы найти увеличение телескопа, нужно фокусное расстояние объектива разделить на фокусное расстояние окуляра. Например, объектив имеет фокусное расстояние 1 м (1 000 мм), при этом у нас в распоряжении три окуляра с фокусными расстояниями 5 см (50 мм), 2 см (20 мм) и 1 см (10 мм). Меняя эти окуляры, мы получим три увеличения:
Обрати внимание, если мы берём фокусное расстояние объектива в мм, то и фокусное расстояние окуляра тоже в мм.
Казалось бы, если брать всё более короткофокусные окуляры, то можно получать всё большие увеличения. Например, окуляр с фокусным расстоянием 1 мм дал бы с нашим объективом увеличение 1 000 крат. Однако изготовить такой окуляр с высокой точностью очень сложно, да и нет необходимости. При наземных наблюдениях использовать увеличение более 500 крат не удаётся из-за атмосферных помех. Даже если поставить увеличение в 500 крат, атмосферные течения так сильно портят изображение, что на нём нельзя рассмотреть ничего нового. Как правило, наблюдения проводят с увеличением максимум 200-300 крат.
Несмотря на применение больших увеличений, звёзды в телескоп всё равно выглядят точками . Причина - колоссальная удалённость звёзд от Земли. Однако, телескоп позволяет увидеть невидимые глазом звёзды, т.к. собирает больше света, чем человеческий глаз. Звёзды в телескоп выглядят ярче, у них лучше различаются оттенки, а также сильнее заметно мерцание, вызываемое земной атмосферой.
Максимальное и минимальное полезные увеличения телескопа.
Одно из назначений телескопа в том, чтобы собрать побольше света от небесного объекта. Чем больше света пройдёт через объектив телескопа, тем ярче будет выглядеть объект в поле зрения. Это особенно важно при наблюдении туманных объектов - туманностей, галактик, комет. При этом нужно, чтобы весь собранный свет попал в глаз наблюдателя.
Максимальный диаметр зрачка человеческого глаза 6 мм. Если выходящий из окуляра световой пучок (т.н. выходной зрачок ) будет шире 6 мм, значит, часть света в глаз не попадёт. Следовательно, нужно использовать такой окуляр, который даёт выходной зрачок не шире 6 мм. При этом телескоп даст минимальное полезное увеличение. Его рассчитывают так: диаметр объектива (в мм) делят на 6 мм. Например, если диаметр объектива 120 мм, то минимальное полезное увеличение будет 20 крат. Ещё меньшее увеличение на этом телескопе использовать нерационально, так как выходной зрачок будет больше 6 мм.
Запомни закономерность: чем меньше увеличение телескопа, тем больше выходной зрачок (и наоборот).
Минимальное полезное увеличение телескопа ещё называют равнозрачковым
, потому что выходной зрачок окуляра совпадает с максимальным диаметром зрачка человека - 6 мм.
Чтобы найти максимальное полезное увеличение телескопа,
нужно диаметр объектива (в мм) умножить на 1,5. Если диаметр объектива 120 мм, то получим максимальное полезное увеличение 180 крат. Большее увеличение на этом телескопе получить можно, но это будет бесполезно, т.к. новых деталей выявить не удастся из-за появления дифракционных картин. При наблюдении двойных звёзд иногда используют увеличение, численно равное удвоенному диаметру объектива (в мм).
Таким образом, на телескопе с диаметром объектива 120 мм имеет смысл использовать увеличения от 20 до 180 крат.
Существует т.н. проницающее увеличение.
Считают, что при его использовании достигается наилучшее проницание - становятся видны самые слабые звёзды, доступные для данного телескопа. Проницающее увеличение используют для наблюдения звёздных скоплений и спутников планет. Чтобы его найти, нужно диаметр объектива (в мм) разделить на 0,7.
В телескопах совместно с окуляром иногда применяют т.н. линзу Барлоу
, представляющую собой рассеивающую линзу. Если линза Барлоу двухкратная (2х), то она как бы увеличивает фокусное расстояние объектива в 2 раза (3-кратная линза Барлоу - в 3 раза). Если, например, у объектива фокусное расстояние равно 1 000 мм, то с использованием 2-кратной линзы Барлоу и окуляра с фокусным рассоянием 10 мм мы получим увеличение 200 крат. Таким образом, линза Барлоу служит для повышения увеличения. Конечно, эта линза вносит в общую картину свои аберрации, поэтому при выявлении мелких деталей на Луне, Солнце, планетах от этой линзы лучше отказаться.
Подробнее смотри
Телескоп, оборудованный для фотографии небесных объектов, называется астрографом
. В нём вместо окуляра используется приёмник излучения (раньше это была фотопластинка, фотоплёнка, сегодня - приборы с зарядовой связью). Светочувствительный элемент приёмника излучения располагается в фокусе объектива, так что крошечное изображение предмета запечатлевается. Сегодня астрограф непременно используется в сочетании с компьютером.
