122. Кто изобрел телескоп?
Никто не знает наверняка. Первые примитивные телескопы, возможно, уже были в конце XVI в., может быть, даже раньше. Хотя очень низкого качества.
Первое упоминание о телескопе («трубы, чтобы видеть далеко») — в патентной заявке от 25 сентября 1608, поданной голландцем Гансом Липперхи, изготовителем очков.
Липперхи родился в ~1570 в г. Везель, Германия. Жил/работал в Мидделбурге — голландском портовом городе со знаменитой на весь мир стекольной промышленностью — выгода для торговли.
2 октября 1608 Липперхи продемонстрировал изготовленный им оптический прибор принцу Морицу и Голландским Генеральным Штатам в Гааге. Принц был восхищен.
Основная причина: война между голландской республикой и испанской империей. Телескоп на башне поможет обнаружить войска противника издалека. Также может быть полезен на море.
Но были и другие, кто тоже заявил об изобретении: Захария Янсен (еще один мастер-оптик из Мидделбурга) и ученый Якоб Метиус из Алкмаара.
Результат: патент никому не был выдан. Хотя благодаря демонстрации Липперхи информация об изобретении быстро распространилась по Европе.
Летом 1609 английский астроном Томас Харриет получил первые телескопические изображения Луны. Не опубликованы; обнаружены только в XX в.
Немного позже, итальянский физик/астроном Галилео Галилер, услышал о голландских изобретениях. Он быстро изготовил улучшенные телескопы.
Галилей открыл лунные горы, солнечные пятна, спутники Юпитера, фазы Венеры, «уши» Сатурна (оказавшиеся кольцами этой планеты) и т. д.
Публикация Галилеем его открытия в Sidereus Nuncius («Звездный Вестник», март 1610) знаменует рождение современной телескопической астрономии.
Впоследствии телескоп был значительно улучшен, в частности, Иоганном Кеплером (Германия) и Христианом Гюйгенсом (Нидерланды). Последовало больше открытий.
123. Как работает телескоп?
Телескоп буквально собирает звездный свет в фокусе. Линза (хрусталик) глаза делает то же, но телескоп собирает больше света, поэтому изображение ярче/подробнее.
Первые телескопы использовали вогнутые линзы для фокусировки звездного света. Свет отклоняется или «преломляется» стеклом, так что эти телескопы известны как рефракторы.
Хороший пример: зажигательное стекло. Солнечный свет концентрируется линзой. За счет фокусировки света интенсивность достаточно высока, чтобы зажечь бумагу или фитиль.
Фактически линзы создают маленькое изображение Солнца (или другого источника света) в своей «фокальной плоскости». Проверьте сами с зажигательным стеклом и настольной лампой.
Линзы телескопа также создают изображение наблюдаемого объекта в фокальной плоскости. Чтобы увидеть изображение в деталях, необходимо использовать увеличительное стекло (окуляр).
Так, рефрактор состоит из двух основных элементов: линз объектива для фокусировки света и смотрового отверстия (окуляра) для наблюдения изображения, обычно на конце трубки…
Недостатки рефрактора: разные цвета фокусируются немного по-разному, поэтому изображения звезд окрашены по краям (хроматическая аберрация).
В 1668 Исаак Ньютон изобрел рефлектор (отражатель). Вместо линзы использовал вогнутое зеркало как объектив для фокусировки звездного света, без цветовых дефектов.
Зеркало телескопа искривлено как зеркало для бритья и так же создает изображение источника света в фокальной плоскости Проверьте на себе с лампой в ванной.
Преимущества зеркала: 1) необходима только одна совершенная основная поверхность; 2) может быть большим и не испытывать деформации, так как возможно крепление с обратной стороны.
Поэтому все большие телескопы — рефлекторы. Самый большой линзовый телескоп, со 102-см линзой, был построен в Йеркской обсерватории около Чикаго в 1897.
Маленькие дополнительные плоские зеркала могут использоваться для удобства наблюдения. Но главный принцип телескопа выполняется всегда: объектив + окуляр (или камера).
Телескоп должен: обеспечивать стабильную установку и, в идеале, отслеживать звезду, поскольку вращение Земли заставляет ее перемещаться по небу.
Экваториальная монтировка: легкое отслеживание звезды, но громоздкость конструкции. Альт-азимутальная монтировка: компактность, но необходимость компьютерного управления для контроля перемещения одновременно вокруг двух осей.
124. Почему чем больше, тем всегда лучше для телескопов?
Это хорошо не только потому, что нечто большое всегда вызывает у людей зависть. Большие телескопы (размер линзы/зеркала) выявляют более подробную информацию и позволяют обнаружить слабые объекты.
Зрачок, через который свет проникает в глаз, крошечный (максимум 5 мм). Таким образом, звезда должна быть яркой, чтобы обеспечить достаточно света для фиксации изображения на сетчатке.
Если ваш зрачок оказался гораздо больше, ваши глаза могут собрать больше света звезд и увидеть много слабых звезд. Телескоп представляет собой большой зрачок.
Представьте пустую винную бутылку, оставленную под дождем. Ей нужно время, чтобы заполниться. Поставьте воронку в ее горлышко, теперь она заполняется быстро.
Большие линзы или зеркала собирают больше звездного света, поэтому большие телескопы позволяют видеть слабые объекты, или те же объекты, расположенные гораздо дальше.
Большие телескопы позволяют разглядеть мелкие детали (лучшее пространственное разрешение). Например, одиночная звезда, рассматриваемая в большой телескоп, может оказаться двойной…
…Или детали на поверхности Луны/Марса. Или внутренняя структура (спиральные рукава, газовые облака, звездные скопления) в отдаленной галактике. Больше деталей — всегда лучше.
По существу не столь важно увеличение. Оно позволяет получу большую величину объекта в проекции на вашу сетчатку, но информацию о деталях, которые он содержит.
Так, если вы хотите произвести впечатление на владельца телескопа, не спрашивайте: «Каково увеличение?», а лучше спросите «Какова апертура?» (т. е. каков размер линзы или зеркала).
Кстати, турбулентность в атмосфере ограничивает детали, которые может различить телескоп. Таким образом, собирающая свет область зеркала всегда более важна.
10-метровый телескоп Кек (Keck) на Гавайях — в 650 раз больше, чем первый телескоп Галилея. Видит в 650 раз более мелкие детали и более чем в 400 000 раз слабые звезды.
125. Как астрономы избавляются от мерцания звезд?
Чтобы увидеть звезды, вам потребуется безоблачная ночь. Но даже кристально чистое небо несовершенно. Турбулентность атмосферы Земли ухудшает видимость.
Звездный свет проходит через движущиеся воздушные пузырьки с различными температурами (атмосферная турбулентность). Пузырьки отклоняют свет как линзы.
Результат: звезды мерцают, колеблются, искрятся и, может даже казаться, изменяют цвет. Прекрасно для романтичных влюбленных; катастрофа для астрономов.
Независимо от того, насколько велик ваш телескоп, атмосферная турбулентность ограничивает разрешение 1 угловой секундой в лучшем случае, что эквивалентно 5 мм на расстоянии в 1 км.
Удивительный факт: у приличного любительского телескопа такое же разрешение, как у 10-метрового телескопа Кек. Телескоп Кек, конечно, имеет намного большую светосилу.
Чтобы убрать мерцание звезды, астрономы используют «адаптивную оптику». Идея: отслеживать эффекты турбулентности и моментально корректировать изображение в телескопе.
100 раз в секунду датчик волнового фронта измеряет, как турбулентность влияет на звездный свет. Быстрый компьютер рассчитывает необходимые корректтировки.
Поверхность маленького «гуттаперчивого» (гибкого) зеркала, недалеко от точки фокусировки можно изгибать с помощью пьезоэлектрических кристаллов (которые деформируются в ответ на электрический ток).
Гибкое зеркало колеблется в точном соответствии с требуемой компенсацией искажений, вызванных атмосферой. Это подобно удалению атмосферы!
Используя адаптивную оптику (АО), большие телескопы достигают наилучшего орлиного зрения. В настоящее время почти все крупные телескопы оснащены АО.
Иногда натриевый лазер используется для создания искусственной «путеводной звезды» высоко в атмосфере, чтобы получить информацию об атмосферной турбулентности.
АО первоначально была разработана американскими военными: спутники-шпионы также должны были смотреть через турбулентную атмосферу, но чаще вниз, нежели вверх.
126. Почему астрономы соединяют телескопы вместе?
Большие телескопы обеспечивают более острый взгляд на Вселенную. Тот же результат можно получить, соединив вместе два или более телескопа меньших размеров.
Используется техника интерферометрии. Хитрость в том, чтобы сделать детектор, у которого 2 зеркала телескопа выступали бы как части одного огромного зеркала.
Чтобы понять, представьте себе зеркало с диаметром 100 метров. Будет иметь огромную светосилу и очень высокое разрешение.
Нанесение черных пятен на зеркало уменьшает его светосилу. Но не его разрешение, пока есть еще некоторые рабочие области в 100 м друг от друга.
Далее, покрасим все зеркало черным, за исключением двух круговых 10-метровых пятен на противоположных концах. В результате изображение будет тусклым, но все еще очень резким.
Теперь отрезаем черные части. Остаются две 10-метровые области, в 100 метрах друг от друга. Соединенные вместе, они имеют такую же остроту (четкость) зрения, как воображаемый гигантский телескоп.
Трюк работает только тогда, когда детектор фокусирует звездный свет, приходящий от обеих областей «в фазе» — необходимо, чтобы совпадали гребни/впадины световых волн.
Так, для двух телескопов земного базирования необходима высокотехнологичная «линия задержки» с нанометровой точностью, чтобы приходящий свет звезд всегда был в фазе.
Гораздо меньшая точность необходима для больших длин волн, например радиоволн. Very Large Array (Очень Большой Массив) в Нью-Мексико является примером радиоинтерферометра.
Сегодня интерферометрия также применяется в больших оптических/инфракрасных телескопах. Интерферометр Кек соединяет 2 одинаковых 10-метровых телескопа, находящихся в 85 м друг от друга.
Четыре одинаковых 8,2-метровых телескопа, объединенных в European Very Large Telescope (Европейский Очень Большой Телескоп, Чили), могут привести к общей разрешающей способности как у 120-метрового телескопа.
127. Каковы самые большие телескопы на Земле?
С 2011 существует четырнадцать оптических телескопов земного базирования с апертурой более 8 м. Шесть из них находятся в Южном полушарии.
Самым большим телескопом является Gran Telescopio Canarias (GTC) на испанском острове Ла Пальма. Его 10,4-метровое зеркало состоит из 36 шестиугольных сегментов.
GTC базируется на конструкции из двух 10-метровых телескопов-близнецов Кек на Мауна-Кеа (Гавайи), которые используются двумя калифорнийскими центрами и НАСА.
Кроме того, на 4200-метровой горе Мауна-Кеа расположены японский 8,3-метровый телескоп Subaru («Плеяды») и международный 8,1-метровый телескоп Gemini North.
Как следует из названия, Gemini — это близнецы. Gemini South находится на горе Серро Пачон (Cerro Pachon) на севере Чили. Subaru и Близнецы имеют монолитные (цельные) зеркала.
В нескольких сотнях км к северу от Серро Пачон находится Серро Паранал (Cerro Paranal) (2635 м), где квартирует Very Large Telescope (VLT) — Очень Большой Телескоп Европейской Южной обсерватории.
VLT состоит из четырех идентичных 8,2-метровых телескопов: Antu, Kueyen, Melipal и Yepun (Солнце, Луна, Южный Крест и Сириус — на языке Мапуту).
На Маунт-Грэм, Аризона, расположен Large Binocular Telescope (Большой Бинокулярный Телескоп): два 8,4-метровых зеркала на одной горе работают вместе как интерферометр.
Два оставшихся гигантских телескопа: Hobby-Eberly Telescope — Телескоп Хобби-Эберли (Mt Fowlkes — Маунт Фаулкес, Техас) и Southern African Large Telescope — Южный Африканский Большой Телескоп (Южная Африка).
Оба имеют сегментированные зеркала 11 м в поперечнике, но из-за особенностей их конструкции самое большее — используются лишь 9–10 м. Они также имеют ограниченный обзор неба.
Важно, что большие телескопы располагаются в отдаленных горных районах: небеса ясные, сухие, темные (малое световое загрязнение) и тихие (малая турбулентность).
128. Когда Космический телескоп Хаббл будет заменен?
Космический телескоп Хаббл, который находится на низкой околоземной орбите, назван в честь американского космолога Эдвина Хаббла. Он был запущен в апреле 1990.
Почему космос? 1. Небо черное, 24 часа 7 дней в неделю. 2. Нет атмосферы — означает: нет турбулентности. 3. Над атмосферой могут наблюдаться УФ и ИК излучения, обычно поглощаемые.
Обратная сторона медали: чрезвычайно дорогой; трудности с обслуживанием или ремонтом; из-за ограничений, связанных с запуском — довольно маленький — зеркало составляет только 2,4 м в поперечнике.
Хаббл обслуживался 5 раз астронавтами шаттла. Они заменяли или ремонтировали сломанные детали и устанавливали новые, более чувствительные камеры.
В результате Хаббл теперь более мощный, чем 20 лет назад. Будет справедливо заявить, что он совершил революцию в астрономии. А также сделал потрясающие фото.
Однако миссия обслуживания в мае 2009 была последней. Хаббл может функционировать еще в течение 10 лет, но если что-то важное выйдет из строя, то он погибнет.
Кстати, Хаббл никогда не вернется на Землю. После того как умрет, он совершит управляемый спуск в атмосфере и утонет в океане.
Преемник Хаббла, Космический телескоп Джеймса Вебба, строится НАСА. Высокобюджетный проект на несколько лет.
Вебб имеет намного большее, 6,5-метровое, сегментированное зеркало. Над ним в космическом пространстве будет развернут большой зонт, защищающий его чувствительные зеркала/инструменты.
Вебб не выйдет на орбиту Земли. Вместо этого будет размещен в точке пространства в 1,5 млн км от Земли, в противоположном направлении от Солнца.
Причина: Вебб будет работать в инфракрасной (тепловой) области, поэтому должен быть вдали от горячей Земли. Запуск на европейской ракете-носителе Ариан намечен на 2018.
129. Как будут выглядеть телескопы будущего?
Они не будут очень сильно отличаться от сегодняшних телескопов. Будут больше. Намного, намного больше. По крайней мере, так они выглядят на чертежной доске.
При использовании вращающихся термостатов гигантские зеркала телескопа размером до 8,4 метра могут быть собраны в одном блоке. Для создания больших апертур необходимы соответствующие хитрости.
Один трюк — несколько зеркал на одной горе — будет использован для Гигантского Магелланова телескопа (GMT), который будет построен на Сьерро Лас Кампанас, Чили.
GMT будет состоять из семи 8,4-метровых зеркал: шесть из них окружат центральное, седьмое. Вместе они обладают мощностью 24,5-метрового телескопа.
Вторая группа планируемых будущих телескопов будет иметь сегментированные зеркала, как Кек. Но если Кек имеет 36 сегментов, у этих гигантов будут сотни.
Тридцатиметровый Телескоп (Thirty Meter Telescope, ТМТ) является международным проектом, возглавляемым США и Канадой. Планируемое расположение — Мауна-Кеа, Гавайи, вблизи телескопа Кек.
ESO (Европейская южная обсерватория) планирует еще больший телескоп: 39,2 м в поперечнике — Сьерро Армазонес в северной части Чили, недалеко от Паранала.
ESO уже имеет Очень Большой Телескоп — так они называют этот (Европейский) Extremely Large Telescope (E-ELT). Да здравствует превосходная степень.
Будучи 39,2 м в ширину, E-ELT-зеркало будет обеспечивать площадь поверхности (и соответственно чувствительность) на 70 % больше, чем у Тридцатиметрового телескопа.
Все эти гигантские телескопы будущего планируется завершить в период 2018–2022. Если, конечно, они получат одобрение и соответствующее финансирование.
В далеком будущем, ESO может построить гигантский 100-метровый телескоп. Да, у них уже есть и название для него: Необыкновенно Большой Телескоп (Overwhelmingly Large Telescope).
130. Как работает нейтринный «телескоп»?
Нейтрино: субатомные частицы, возникающие в ядерных реакциях, генерирующих солнечный свет. Поднимите вверх большой палец: 100 млн млн таких частиц пронизывают его каждую секунду.
Определяющая характеристика нейтрино: асоциальные (некоммуникабельные). Не задерживаются атомами обычного вещества. Тем не менее они взаимодействуют — но крайне редко.
Трюк для обнаружения нейтрино: расположите большое количество атомов на их пути. Это повышает вероятность, что одна или две частицы будут остановлены.
Нейтринный «телескоп», подобный Super-Kamiokande расположен глубоко внутри горы в японских Альпах. Это высотой с 10-этажный дом герметичная «кастрюля для запекания фасоли», наполненная водой.
Иногда нейтрино взаимодействует с протоном в молекуле воды. Субатомные осколки в воде создают свет, эквивалентный сверхзвуковому хлопку.
«Черенковское излучение» (подобно голубому свечению, замеченному в ядерных «водоемах») фиксируется световыми детектора-ми, которые расположены внутри «гигантской кастрюли для запекания фасоли».
Нейтринные телескопы должны быть глубоко под землей для того, чтобы оградить их от «мюонов» из космических лучей, которые маскируются под след нейтрино.
Super-Kamiokande «сфотографировал» Солнце — ночью, глядя на Солнце не вверх, а вниз.
Нейтринные эксперименты в Японии и США зафиксировали нейтрино от Сверхновой 1987А — первое нейтрино, из когда-либо обнаруженных за пределами Солнечной системы.
Существует 3 типа, или «аромата», нейтрино. В нейтринной обсерватории Садбери (Sudbury Neutrino Observatory, Канада), подтвердилось, что на пути от Солнца нейтрино трансформируется из одного типа в другой.
Нейтринные «осцилляции» объяснили озадачивающую нехватку частиц, зарегистрированную новаторским детектором Рея Дэвиса, использовавшим «высоко очищенную жидкость». Дэвис получил Нобелевскую премию.
Новейший самый чувствительный нейтринный телескоп IceCube (Ледяной куб) использует в качестве детектора 1 км3 антарктического льда. Строительство завершено в начале 2011.
Большой интерес к нейтринным телескопам: мы знаем, как выглядит видимая Вселенная, но пока еще не знаем, как выглядит нейтринная Вселенная.