Opticheskii teleskop

1. Vvedenie
2. Optika teleskopa
3. Mehanika teleskopa
4. Bashnya teleskopa
5. Perspektivy razvitiya opticheskih teleskopov

1. Vvedenie

Effektivnost' O. t. opredelyaetsya predel'noi zvezdnoi velichinoi, dostizhimoi s dannym optich. kompleksom,
, (1)
gde D - diametr zerkala O. t., - diametr izobrazheniya zvezdy, K - kvantovyi vyhod, ravnyi otnosheniyu zaregistrirovannyh fotonov k chislu prishedshih na priemnik izlucheniya, t - vremya ekspozicii, s - yarkost' fona nochnogo neba.

2. Optika teleskopa

Ris. 1. Opticheskie shemy teleskopov: M1 - glavnoe zerkalo, D - ego diametr, M2 - vtorichnoe zerkalo, M3, ..., M6 - diagonal'nye ploskie zerkala; a - pryamoi fokus F1. Dvuh-trehlinzovyi korrektor K1 uvelichivaet poleznoe pole zreniya do 0,3-1,0. V opticheskih teleskopah srednih razmerov nablyudeniya vedutsya v fokuse N'yutona F1. Svetosila D:F = 1:3 - 1:5; b - kassegrenovskii fokus F2. Smennoe zerkalo M3 mozhet napravlyat' svet v fokus Mersenna F2. Svetosila D:F = 1:15 - 1:30; v - fokus kude F3. S pomosh'yu ploskih zerkal svet napravlyaetsya vdol' polyarnoi osi teleskopa. Izobrazhenie zvezdy v fokuse kude nepodvizhno pri lyubom polozhenii truby opticheskogo teleskopa. Svetosila D:F =1:30 - 1:50. Prakticheski vse opticheskie teleskopy s zerkalami krupnee 2 m imeyut fokus kude; g - fokus Richi-Kret'ena F4. Korrektor K4 uvelichivaet poleznoe pole zreniya do 1-3. Svetosila D:F = 1:7 - 1:9; d - shema teleskopa Shmidta. V centre krivizny glavnogo sfericheskogo zerkala M1 stoit korrekcionnaya linza Shmidta K5, opredelyayushaya diametr svetovogo puchka. Dlya togo chtoby ne bylo ekranirovaniya sveta na krayu polya zreniya (punktirnaya liniya), diametr M1 prevyshaet diametr K5. Dlina truby teleskopa v dva raza bol'she ego fokusnogo rasstoyaniya F5. Svetosila D:F = 1:2,5 - 1:3, pole zreniya 3-5.

Pri sozdanii O. t. naibolee slozhnoi i dlitel'noi operaciei yavlyaetsya izgotovlenie opticheskoi poverhnosti glavnogo zerkala, t.k. otklonenie ee ot teoreticheski rasschitannoi formy ne dolzhno po amplitude prevyshat' 1/8 rabochei dliny volny (kriterii Releya). Dlya rascheta optich. shemy neobhodimo zadat' svetosilu instrumenta (otnoshenie diametra teleskopa D k ego fokusnomu rasstoyaniyu F). Svetosila dolzhna byt' takoi, chtoby pri proektiruemyh priemnikah izobrazheniya fon ot nochnogo neba vyyavlyalsya na priemnike za 2 ch. Uvelichenie vremeni ekspozicii svyshe 2 ch dlya ryadovyh eksperimentov svyazano s neopravdannymi tehnich. trudnostyami. Umen'shenie ekspozicii, soglasno f-le (1), vedet k potere informacii. Nailuchshim obrazom etim usloviyam udovletvoryaet svetosila osn. fokusa Richi-Kret'ena 1:8 (ris. 1, g). Krome nablyudenii v osn. fokuse so svetosiloi 1:8 na vseh krupnyh O. t. mozhno proizvodit' nablyudeniya v pryamom fokuse so svetosiloi 1:3 (ris. 1,a) i v fokuse kude so svetosiloi 1:30 - 1:45 (ris. 1,v).

Razmer polya zreniya instrumenta opredelyaetsya ego naznacheniem. Do poslednego vremeni bol'shoe pole zreniya trebovalos' v osnovnom tol'ko dlya poiskovyh programm. Primerom takoi programmy mozhet sluzhit' sostavlenie "Palomarskogo atlasa zvezdnogo neba" po fotografiyam, poluchennym na 1,2-metrovom teleskope sistemy Shmidta (ris. 1,d). Pri detal'nom issledovanii individual'nyh ob'ektov ispol'zuyut nebol'shoe pole zreniya okolo optich. osi teleskopa. Odnako sovr. fotometry i spektrografy imeyut stol' vysokuyu chuvstvitel'nost', chto sposobny zaregistrirovat' ob'ekt, k-ryi ne nablyudaetsya vizual'no v dannyi teleskop. Kontrol' za navedeniem O. t. na takie ob'ekty mozhno osushestvlyat' lish' po dvum (ili bolee) yarkim zvezdam, raspolozhennym na znachit. rasstoyanii ot optich. osi teleskopa, dlya chego i neobhodimo bol'shoe pole zreniya. Nailuchshim obrazom etomu trebovaniyu otvechaet optich. shema Richi-Kret'ena (ris. 1,g), k-raya soedinyaet v sebe dostoinstva klassich. shemy Kassegrena (horoshie izobrazheniya na osi dlya fotometrii i spektroskopii odinochnyh ob'ektov, ris. 1,6) i kamery Shmidta (bol'shoe pole zreniya dlya polucheniya pryamyh fotografii neba, ris. 1,d). Raschet optich. shemy dlya kazhdogo teleskopa proizvoditsya s pomosh'yu EVM. Soglasno raschetam, v pryamom fokuse pole zreniya mozhet imet' uglovoi razmer 0,3-1,0, v fokuse Richi-Kret'ena - uglovoi razmer 1-3, a lineinyi - ot 30 do 50 sm, chto sootvetstvuet samym bol'shim astronomich. fotoplastinkam. Na krayu polya zreniya raschetnyi diametr izobrazheniya ne prevyshaet 0,5". Fokus kude prednaznachen dlya raboty s odinochnymi ob'ektami, i razmer polya v nem raven nesk. uglovym minutam.

Raschetnoe izobrazhenie vo vseh fokusah na osi delaetsya men'she teoretich. predela, opredelyaemogo difrakciei. Diametr central'nogo maksimuma difrakcionnogo izobrazheniya zvezdy teoreticheski raven:
(sekund dugi), (2)
gde - rabochaya dlina volny.

V kruzhke takogo diametra zerkalo s ideal'noi poverhnost'yu sobiraet 83% sveta ot zvezdy. Real'nye zerkala iz-za otklonenii ot teoreticheski rasschitannoi formy poverhnosti huzhe koncentriruyut svet. Tak, glavnoe zerkalo 3,6-metrovogo O. t. sistemy Richi-Kret'ena Evropeiskoi yuzhnoi observatorii v Chili sobiraet v kruzhke diametrom 0,1" 60% sveta, chto primerno v 2 raza nizhe teoretich. predela, opredelyaemogo f-loi (2).

3. Mehanika teleskopa

Vysokaya tochnost' optich. poverhnostei pred'yavlyaet stol' zhe vysokie trebovaniya k tochnosti mehaniki sovr. O. t. Bol'shoe zerkalo ne obladaet dostatochnoi zhestkost'yu i progibaetsya pod deistviem sobstv. vesa. Eti deformacii kompensiruyutsya sistemoi razgruzki, ustanavlivaemoi v oprave zerkala. V rezul'tate zerkalo kak by plavaet v oprave i ego otrazhayushaya poverhnost' sohranyaet svoyu formu s trebuemoi tochnost'yu pri vseh polozheniyah instrumenta.

Ris. 2. Krupneishii v mire, 6-metrovyi zerkal'nyi opticheskii teleskop Special'noi astronomicheskoi observatorii AN SSSR s al'tazimutal'noi ustanovkoi; imeet pryamoi fokus so svetosiloi 1:4, fokus Mersenna - so svetosiloi 1:30.

Optich. osi glavnogo i vtorichnogo zerkal teleskopa ne dolzhny smeshat'sya drug otnositel'no druga na velichinu bolee 0,1 mm. Izgotovit' zhestkuyu trubu, izgibayushuyusya ne bolee chem na 0,1 mm pri vese glavnogo zerkala v nesk. desyatkov tonn, v principe nevozmozhno. Vliyanie deformacii ustranyayut pri pomoshi spec. fermy, zakreplennoi v centre tyazhesti. Dlinnyi konec ee neset legkoe vtorichnoe zerkalo, a korotkii - tyazheloe glavnoe. Zhestkost' fermy rasschityvaetsya tak, chto oba konca truby progibayutsya na odinakovuyu velichinu i vzaimnoe polozhenie zerkal ne menyaetsya.

O. t. s zerkalami diametrom 4-5 m imeyut simmetrichnuyu polyarnuyu montirovku: slezhenie za nebesnym ob'ektom (kompensaciya sutochnogo dvizheniya ob'ekta) osushestvlyaetsya vrasheniem teleskopa vokrug osi, napravlennoi v polyus mira. Odnako dlya bolee krupnyh teleskopov, diametrom 6 m i bolee, vygodno delat' t.n. al'tazimutal'nuyu montirovku, odna iz osei k-roi vertikal'na, a drugaya gorizontal'na (ris. 2). V takoi montirovke slezhenie za zvezdoi trebuet vrasheniya instrumenta vokrug dvuh osei odnovremenno po programme, zadavaemoi EVM.

Mehanich. osi O. t. zakrepleny v maslyanyh podshipnikah. Maslyanaya plenka tolshinoi 100 mkm rezko snizhaet trenie, i truba teleskopa, kak i vsya konstrukciya (montirovka) v celom, legko povorachivaetsya. Napr., 530-tonnyi 5-metrovyi O. t. Palomarskoi observatorii (SShA) bez osobyh usilii povorachivayut rukoi, a slezhenie za zvezdami osushestvlyaetsya malomoshnym dvigatelem (60 Vt).

4. Bashnya teleskopa

Sovremennye dostizheniya v raschetah i izgotovlenii O.t. pozvolyayut sozdavat' instrumenty s razresheniem (v cehovyh usloviyah) 0,1". No dobit'sya stol' zhe vysokogo razresheniya v real'nyh usloviyah nablyudenii meshayut dva faktora: astroklimat mesta ustanovki i bashnya teleskopa.

Bashnya iz-za neravnomernogo nagreva ili ostyvaniya v techenie nochi sozdaet temperaturnye neodnorodnosti vozduha, a sledovatel'no, i neodnorodnosti ego pokazatelya prelomleniya na luche zreniya. Eti neodnorodnosti privodyat k razmytiyu izobrazheniya zvezdy v fokal'noi ploskosti O. t.: diametr izobrazheniya mozhet uvelichit'sya vdvoe i dazhe v bol'shee chislo raz. Vydelyayut dva osn. istochnika temperaturnyh neodnorodnostei: 1) radiacionnoe vyholazhivanie poverhnosti kupola v techenie nochi (bez prinyatiya spec. mer ego temp-ra opuskaetsya na 3-10 S nizhe temp-ry okruzhayushego vozduha, chto sozdaet v oblasti smotrovoi sheli znachit. optich. neodnorodnosti); 2) nagrev vozduha v bashne rabotayushei apparaturoi upravleniya (nagrevaemyi vozduh podnimaetsya vverh i, vyhodya cherez smotrovuyu shel', sozdaet na luche zreniya optich. neodnorodnosti).

Dlya predotvrasheniya vyholazhivaniya kupola ego delayut dvoinym, mezhdu obolochkami raspolagayut sistemu podogreva, k-raya podderzhivaet temp-ru naruzhnoi obolochki kupola na urovne temp-ry okruzhayushego vozduha. Dnem pri zakrytom kupole eta zhe sistema vypolnyaet pryamo protivopolozhnuyu funkciyu. Ona otvodit teplotu ot naruzhnoi poverhnosti kupola, prepyatstvuya proniknoveniyu teplovyh potokov vnutr' kupola i sohranyaya v podkupol'nom prostranstve temp-ru nochnogo vozduha. Podderzhanie postoyannoi temp-ry v bashne isklyuchaet termich. deformacii optiki i mehaniki O. t.

Otvod teploty ot razlichnyh priborov, nahodyashihsya v bashne, osushestvlyaetsya moshnoi sistemoi ventilyacii, k-raya zasasyvaet vozduh izvne cherez otkrytuyu shel' kupola i po ventilyac. kanalu, prohodyashemu cherez vsyu bashnyu sverhu vniz, vybrasyvaet teplyi vozduh na rasstoyanii 50-100 m ot bashni.

5. Perspektivy razvitiya opticheskih teleskopov

Kompleksnoe reshenie zadach konstruirovaniya, razmesheniya i ekspluatacii O. t. mozhet dat' summarnyi vyigrysh v pronicayushei sile v 2-3^m. Etot podhod k probleme povysheniya effektivnosti O. t. naibolee ekonomichen.

Povyshenie effektivnosti O. t. za schet uvelicheniya diametra zerkala teleskopa svyazano s krupnymi kapitalovlozheniyami i tehnich. trudnostyami. Odnako dlya issledovaniya svetovogo potoka ot slabogo kosmich. ob'ekta za strogo ogranichennoe vremya takoi teleskop budet imet' preimushestva dazhe pered kosmich. teleskopom s ne ochen' bol'shoi sobirayushei ploshad'yu.

Nametilsya progress v razrabotke sleduyushego pokoleniya O. t. s effektivnoi ploshad'yu zerkal 500 m², chto ekvivalentno odinochnomu O. t. s diametrom zerkala 25 m. Zerkalo takogo teleskopa nel'zya sdelat' monolitnym diskom. Soglasno odnomu iz proektov, glavnoe zerkalo dolzhno sostoyat' iz mnozhestva (ot 40 do 500) zerkal men'shego diametra, ustanovlennyh v edinoi oprave. Vneshne konstrukciya montirovki pohozha na al'tazimutal'nuyu montirovku 6-metrovogo O. t. V drugom proekte 6 trub teleskopov diametrom 4-10 m ustanavlivayutsya na edinoi montirovke s obshim fokusom kude [deistvuyushii prototip - mnogozerkal'nyi teleskop na gore Hopkins (SShA), imeyushii 6 teleskopov diametrom 1,8 m s obshim fokusom]. V tret'em proekte 40 otdel'no stoyashih 4-metrovyh O. t. dolzhny imet' obshii fokus kude.

S poyavleniem radiointerferometrov so sverhdlinnoi bazoi uglovoe razreshenie v radiodiapazone stalo na dva poryadka vyshe razresheniya v optich. diapazone. V svyazi s razvitiem elektroniki i tehniki registracii sveta, a takzhe progressom v issledovanii atmosfernoi turbulentnosti poyavilas' vozmozhnost' sozdaniya optich. interferometra s deistvuyushim otverstiem (aperturoi) 1,5 m, bazoi ot 100 m do 1 km i razresheniem 0,001-0,0001". Deistvuyushii prototip takogo interferometra s aperturoi 25 sm i bazoi 20 m dokazyvaet vozmozhnost' realizacii proekta krupnogo nazemnogo interferometra (sm. Interferometriya).

V 70-e gg. 20 v. poluchili razvitie adaptivnye optich. sistemy, k-rye pozvolyayut ispravlyat' deformacii volnovogo fronta, voznikayushie na puti ot istochnika do O. t. (gl. obr. v atmosfere). Teoreticheski adaptivnaya optika mozhet dovesti razreshenie O. t. do predel'no vozmozhnogo (t.e. razresheniya, obuslovlennogo difrakciei sveta v O. t.). V obozrimom budushem eta zadacha mozhet byt' reshena tol'ko dlya yarkih zvezd. No esli ogranichit' zadachu tol'ko kompensaciei naklonov volnovogo fronta, to mozhno primerno v dva raza uluchshit' razreshenie O. t. i pri nablyudenii slabyh zvezd. Takie adaptivnye sistemy uzhe realizovany na malyh instrumentah i skoro naidut primenenie v krupnyh O. t. Vazhnyh rezul'tatov zhdut ot O. t., k-rye namechaetsya vynesti za predely atmosfery pri pomoshi kosmich. apparatov. O. t. diametrom 2,4 m, zapusk k-rogo planiruetsya v SShA v 1986 g., pozvolit provodit' kak nablyudeniya v UF-oblasti spektra, tak i v optich. oblasti, gde ego razreshenie budet luchshe 0,2", a pronicayushaya sila na 2-Z^m bol'she ego nazemnogo analoga.

Lit.:
Metody astronomii, per. s angl., M., 1967; Opticheskie teleskopy budushego, per. s angl., M., 1981; Opticheskie i infrakrasnye teleskopy 90-h gg., per. s angl., M., 1983.

(S.B. Novikov)