Во сколько раз телескоп увеличивает угол зрения

Основные формулы, показывающие на что примерно способен телескоп.
Не забывайте только, что это теория, на деле всё сильно зависит от качества изделия, правильности настройки и состояния атмосферы.

Г=F/f, где F — фокусное расстояние объектива, f — фокусное расстояние окуляра.
F вы изменить чаще всего не можете, но имея окуляры с разным f, вы сможете менять кратность или увеличение телескопа Г.

Максимальное увеличение (Г max)

Максимальное увеличение телескопа ограничено диаметром объектива. Принято считать, что Г max=2*D, но из-за поправок на искажения, точности изготовления и настройки, лучше немного занизить эту величину:
Г max=1,5*D, где D — фокусное расстояние объектива.
А если труба окажется способна на большее — пусть это лучше сюрпризом будет, чем наоборот. Используя линзу Барлоу, можно поднять максимальное увеличение телескопа в разы, но в итоге вы получите всего-лишь размытое пятно больших размеров и никаких дополнительных деталей.
Есть, правда, другой подход: немного более крупные размеры часто позволяют лучше расмотреть тот же объект, несмотря на то, что деталей на нём не прибавится. Наверное поэтому и советуют обычную формулу: Г max=2*D. То есть, это зависит от объекта и вашего вкуса.

Светосила телескопа определяется в виде отношения D:F. Если не особо заморачиваться, то чем меньше это отношение, тем лучше телескоп подходит для наблюдения галактик и туманностей (например 1:5). А более длиннофокусный телескоп с соотношением вроде 1:12 лучше подходит для наблюдения Луны.

Разрешающая способность (b)

Разрешающая способность телескопа — наименьший угол между такими двумя близкими звездами, когда они уже видны как две, а не сливаются зрительно в одну. Проще говоря, под разрешающей способностью можно понимать «чёткость» изображения (да простят меня профессионалы-оптики. ).
b=138/D, где D — апертура объектива. Измеряется в секундах (точнее в секундах дуги).
Из-за атмосферы эта величина нечасто бывает меньше 1″ (1 секунды). Например, на Луне 1″ соответствует кратеру диаметром около 2 км.
Для длиннофокусных объективов, со значением светосилы 1:12 и более длинных, формула немного другая: b=116/D (по Данлопу).

Из сказанного выше видно, что в обычных условиях минимальная разрешающая способность в 1″ достигается при апертуре 150мм у рефлекторов и около 125мм у планетников-рефракторов. Более апертуристые телескопы дают более чёткое изображение только в теории, ну или высоко в горах, где чистая атмосфера, либо в те редкие дни, когда «с погодой везёт».
Однако, не забывайте, что чем больше телескоп, тем ярче изображение, тем виднее более тусклые детали и объекты. Поэтому, с точки зрения обычного наблюдателя, изображение у больших телескопов всё равно оказывается лучше, чем у маленьких.
Вдобавок, в короткие промежутки времени атмосфера над вами может успокоиться настолько, что большой телескоп покажет картинку более чёткую, чем при том самом пределе в 1″, а вот маленький телескоп упрётся в это ограничение и будет очень обидно.
Так что, нет особого смысла ограничиваться 150-ю миллиметрами 😉

Предельная звёздная величина (m)

Предельная звёздная величина, которая видна в телескоп, в зависимости от апертуры:
m=2.1+5*lg(D), где D – диаметр телескопа в мм., lg — логарифм.
Если возьмётесь расчитывать, то увидите, что предельная звёздная величина, доступная нашему глазу через самый большой «магазинный» телескоп с апертурой 300мм — около 14,5 m . Более слабые объекты ищутся через фотографирование и последующую компьютерную обработку кадров.

Приведу для справки таблицу соответствия апертуры телескопа D и предельной звёздной величины:

На деле значения будут немного отличаться из-за разницы световых потерь в разных конструкция телескопов.
При одинаковой апертуре D, выше всего предельная звёздная величина в линзовых телекопах-рефракторах.
В зеркальных рефлекторах потери выше — очень грубо можно отнять 10-15%.
В катадиопртиках потери самые большие, соответственно и предельная звёздная величина самая маленькая.
Также велики потери в биноклях из-за наличия нескольких преломляющих призм — их я имел ввиду, дав диаметры 32 и 50 мм. То есть, в биноклях предельная звёздная величина будет гораздо меньше табличной. На сколько — зависит от качества марки бинокля, в частности от качества просветляющего покрытия всех поверхностей — это нельзя предсказать для всех моделей.
Сложные и дорогие окуляры тоже задерживают свет за счёт большего количества линз — неизбежная плата за качество изображения (хотя, их качественные просветляющие покрытия частично снижают этот недостаток).
То есть, при одинаковой апертуре, в линзовый телескоп-рефрактор с самым простеньким окуляром вы увидите максимум возможного при данном D.
Но, поскольку, рефракторы больших диаметров дороги, то за те же деньги можно взять гораздо более апертуристый рефлектор и увидеть значительно больше.

Выходной зрачок

Выходной зрачок телескопа = D/Г
Хорошо, когда выходной зрачок телескопа равен 6 мм., это значит, что весь свет собираемый объективом попадёт в глаз (6 мм. — примерный диаметр человеческого зрачка в темноте). Если выходной зрачок окажется больше, то часть света потеряется, подобно тому, как если бы мы задиафрагмировали объектив.
На деле удобнее считать «от обратного». Например:
Для моего телескопа с апертурой D=250мм, максимальное увеличение без потери яркости = 250мм/6мм = 41,67 крат. То есть, при увеличении 41,67 выходной зрачок будет равен 6 мм.
Ну, и какой окуляр мне нужен для этого телескопа, чтобы получить это самое «равнозрачковое увеличение»? f=F/Г. Фокусное расстояние F моего Добсона»: 1255мм. Г уже нашли: 41,67 крат. Получается, что мне нужен окуляр f=30,1мм. Ну, примерно такой окуляр и шёл в комплекте.
42 крата — это совсем немного, но достаточно для рассматривания звёздных полей, а вот уже для Андромеды маловато.
(Берём окуляр с фокусом покороче. Ура — получается крупнее(!), но. темнее. И чем больше кратность, тем темнее будет картинка.)
Это был расчёт для довольно апертуристого телескопа, а какая будет кратность для равнозрачковости в рядовые телескопы — посчитайте сами: одни слёзы. Поэтому и говорят, что «апертура рулит» — чем она выше, там картинка ярче при одинаковой кратности (при одинаковой конструкции телескопов).

Поле зрения телескопа

Поле зрения телескопа = поле зрения окуляра / Г
Поле зрения окуляра указано в его паспорте, а увеличение Г телескопа с данным окуляром мы уже знаем как расчитать: Г=F/f.
Чем полезно знание поля зрения телескопа?
Чем больше поле зрения телескопа, тем больший кусок неба виден, но тем мельче объекты.
Зная какое поле (угол) захватит ваш телескоп при заданном увеличении, и зная уговые размеры искомого объекта, можно прикинуть какую часть поля зрения займёт этот объект, то есть прикинуть общий вид того, что вы увидите в окуляре.
Если вы ищете объект не по координатам, а по картам, то полезно сделать из проволоки колечки, которые соответствуют на карте угловым полям зрения ваших окуляров в составе данного телескопа. Тогда гораздо легче ориентироваться: двигая телескоп от звезды к звезде и одновременно перемещая колечко на карте, вы легко можете сверять оба изображения.

Теперь, когда примерно ясна взаимосвязь характеристик телескопа, можно другими глазами посмотреть на то, что можно увидеть в телескопы разных размеров.

Андрей, 24 ноября 2018 г.

Очень интересно и подробно всё описано. Для меня это очень нужная статья, т.к. недавно начал заниматься астрономией. Мой телескоп: Sturman HQ1400150EQ. Спасибо вам большое!

Виктор, 9 ноября 2018 г.

Ответ:
Пожалуйста 🙂 У вас аппертура 150 мм и экваториальная монтировка — хорошее начало для дипская. Главное чтобы место наблюдения было без сильной засветки. Успехов!
Николай. 

Как рассчитать увеличение телескопа

Домашняя астрономия является относительно новым способом научных развлечений. Однако, в последнее время она обрела широкую популярность. Ведь это увлекательно и познавательно, в то же время весьма просто. Методику расчета увеличения телескопов легко освоить всем желающим, в том числе даже детям или начинающим астрономам. Умелое применение этих знаний на практике позволит увидеть даже в слабенькие приборы много интересного. В этой статье мы расскажем о тонкостях применения того или иного метода и рекомендуем кратко законспектировать в свой астрономический дневник.

Увеличение телескопа – это его способность приближать с помощью оптики изображение космических объектов, которое характеризуется прежде всего угловыми размерами (угол, соединяющий две крайние точки наблюдаемого тела и глаз наблюдателя). Оно выражается кратностью, которая показывает во сколько раз конечная картинка больше исходной.

Принцип пошагового увеличения – основа поиска объектов на небе.

Исходя из определения, озвученного в предыдущем абзаце, необходимо запомнить важный закон, который во многом предопределит понимание всего остального: чем выше кратность, тем меньше угол обзора. И наоборот.

Отсюда вытекает основной принцип увеличения телескопа – в отличие от биноклей или зрительных труб с плавным изменением, здесь оно должно быть ступенчатым:
1) В самом начале наблюдений используется слабое приближение, благодаря чему видна большая часть небесной сферы.

2) Затем астроном выбирает интересующую планету или туманность (прикидывая, в какой именно части полушария она находится), наводится видоискателем на данную область небесного пространства, используя различные ориентиры (например, туманность Ориона располагается практически по центру меча в созвездии Ориона, которое хорошо заметно невооруженным глазом).

3) Вставляет более мощный окуляр, фокусируется и корректирует наведение монтировкой. На данном этапе обзор сократился, но зато желанный объект появился в поле зрения.

4) Далее, повторяя описанную процедуру, мы добиваемся максимального приближения.

Различают следующие виды увеличений телескопа:

Теоретическое (используемое) увеличение.

В самом названии или характеристиках телескопа можно посмотреть фокусное расстояние (F), оно измеряется в миллиметрах. В рефракторах или рефлекторах оно практически идентично длине оптической трубы. А если присмотреться к маркировке окуляра, то можно заметить определенную цифру, после которой написано mm – это фокусное окуляра (Fok). Берем простую формулу и рассчитаем кратность:

Увеличение с помощью линзы Барлоу (ЛБ).

Этот нехитрый аксессуар входит в комплектацию многих любительских аппаратов (а если нет, то можно приобрести ее отдельно) и напрямую влияет на кратность, так как делает фокусное расстояние больше в определенное количество раз. Самые распространенные – двукратные и трехкратные. Линза может обладать стандартной посадкой (1.25 или два дюйма) и вставляется в окулярную группу прямо под окуляр, который вы собрались задействовать. Поэтому наша формула теперь будет выглядеть так:

Х= F*A/Fok, где А – кратность ЛБ.

Полезное увеличение. То, что важнее всего!

Почему оно называется полезным – да потому что происходит без потери качества изображения. На рисунке ниже представлен одно и то же астрономическое тело, вы сами все поймете, как только посмотрите.

Как правильно рассчитать полезную кратность применительно к конкретному прибору? Для этого понадобится значение его апертуры (то есть диаметр объектива). Формула проста: X= D*2, где D – Апертура в миллиметрах.

Пример расчета на конкретной модели.

Допустим, в вашем случае D=90mm, F=700mm, а в комплекте окуляры 25mm, 10mm и 4mm. Значит имеем три варианта кратности:

• 700/25= 28 крат (самое малое, с него начинаем приближать).
• 70
• 175

Проверяем – в пределах ли полезного они находятся: 90*2=180крат, да все перечисленные приближения удовлетворяют критерию полезности!

Теперь, к примеру, мы обзавелись Барлоу 2x. Какие комбинации добавляются к предыдущим трем:

• 700*2/25= 56
• 140
• 350 – это больше, чем 180, значит в данном случае Барлоу в совокупности с окуляром 4mm использовать нельзя – вместо красоты вы увидите муть, от которой устают глаза.

Подбор оптимального увеличения телескопа под тот или иной объект – очень увлекательное занятие. От этого во многом зависит успех астронома, тем более начинающего, ведь самая большая кратность — это не всегда хорошо и не обязательно качественно.

Надеемся, что эти теоретические выкладки во многом прояснили для вас базовые принципы приближения. Желаем хорошей погоды и звездного неба, приятных путешествий по Вселенной!

Вычисление увеличения телескопа, угла поля зрения и других величин

Дам совсем немного теории, которая позволит ответить на популярные вопросы, касаемые вычисления полезного увеличения телескопа, определения угла поля зрения, чему равен диаметр выходного зрачка, а также в двух словах расскажу про «увеличение» (масштаб) телескопа при фотографировании в прямом фокусе.

Вычисление полезного увеличения

Известно, что увеличение телескопа напрямую зависит от фокусного расстояния как самого телескопа, так и окуляра. Формула, по которой можно вычислить увеличение элементарная — отношение фокусного расстояния телескопа к фокусному расстоянию окуляра есть искомое увеличение телескопа:

Увеличение = Фокусное расстояние телескопа / Фокусное расстояние окуляра

Приведу простой пример: если для телескопа Sky-Watcher BK Dob 10″ Retractable с фокусным расстоянием 1200 мм использовать 25 мм окуляр, то получим полезное увеличение равное 1200/25 = 48 крат. Верно?

Замечу, что максимальное увеличение телескопа определяется как 2*D, где D — диаметр главного зеркала или апертура. В некоторых учебниках можно встретить правило, которое звучит следующим образом: в идеальных условиях полезное увеличение телескопа равно около 2 крат на один миллиметр апертуры. Но из-за разных внешних факторов, которые сильно влияют на увеличение и качество изображения, для городских или в непосредственной близости от города наблюдений максимальное увеличение телескопа примерно равно 1,3*D. Если 10-дюймовый телескоп имеет апертуру 254 мм, то в теории максимальное полезное увеличение равно 2*254 = 508 крат, а реальное на практике примерно 1,3*254 = 330 крат.

Вычисление угла поля зрения

Область, которая видна при наблюдении через телескоп, называется действительным полем зрения и напрямую зависит от конструкции окуляра. На каждом окуляре завод-производитель указывает характеристику, которая называется видимое поле зрения. Поле зрения, как правило, измеряется в градусах или в угловых минутах. Запомните, в одном градусе 60 угловых минут. Для определения действительного угла поля зрения необходимо разделить видимое (относительное) поле зрения окуляра на полезное увеличение телескопа, формула которого дана выше:

Действительный угол поля зрения = Относительное поле зрения / Полезное увеличение

Пример для ясности: используем 25 мм окуляр с видимым полем зрения равным 52° (указано на упаковке), его действительный угол поля зрения 52/48 = 1,083° или 65′ (угловых минут).

Вспомните, в статьях неоднократно писал, что угловые размеры полной Луны равны 30′, а крупнейшей планеты Солнечной системы Юпитера 40″ (угловых секунд). Всегда начинайте визуальное наблюдение с небольших увеличений, а после меняйте окуляры, увеличивая кратность и рассматривая всё больше деталей.

Вычисление диаметра выходного зрачка

Ещё одной важной астрономической величиной является диаметр выходного зрачка, который измеряется в миллиметрах и характеризует диаметр светового потока, покидающего телескоп. Эта величина даёт нам представление о том, сколько глаз наблюдателя получит света, собранного зеркалом или линзами. Диаметр зрачка человека примерно может изменяться от 1,1 до 8 мм. Чем дольше человек находится в темноте и его глаза адаптируются к темноте, тем больше диаметр зрачка и больше света он может получить. Вот поэтому так важно вместе с термостабилизацией телескопа дать своим глазам «ночной покой» и избегать прямого попадания яркого света. К сожалению, с возрастом диаметр зрачка уменьшается.

Для вычисления диаметра выходного зрачка необходимо найти отношение диаметра главного зеркала (апертуру) к полезному увеличению телескопа:

Диаметр выходного зрачка = Апертура / Полезное увеличение

Пример: телескоп Sky-Watcher BK Dob 254 мм f/4,7 с окуляром 25 мм имеет полезное увеличение 45 крат (вычислили по первой формуле), а диаметр выходного зрачка составляет 254/45 = 5,64 мм. Такое увеличение хорошо подойдёт для глаз, которые привыкли к темноте. Если использовать 10 мм окуляр, получим 254/120 = 2,1 мм, что подходит для всех астролюбителей.

Увеличение (масштаб) изображения в прямом фокусе

Здесь всё несколько сложнее, но мы ведь не учебник по физике пишем. Поэтому я попробую пояснить «на пальцах» что есть что. Многие задаются вопросом «Подключил свой фотоаппарат к телескопу в прямом фокусе, какое теперь у меня увеличение?». Так вот, этот вопрос некорректен. Правильно заменить слово «увеличение» на масштаб, т.е. речь вести о масштабе изображения в фокальной плоскости телескопа. Наверное, ни для кого не секрет, что фотографы делают грубое допущение, когда говорят «объектив с фокусом 50 мм даёт изображение аналогичное как мы видим невооружённым глазом». Ну что ж, для первого подсчёта нам может подойти, таким образом делим фокусное расстояние телескопа на 50 и умножаем на кроп-фактор матрицы вашего фотоаппарата:

Масштаб изображения = Фокусное расстояние телескопа / 50 * Кроп-фактор матрицы фотоаппарата

Пробуем на примере: телескоп Sky-Watcher BK Dob 10″ Retractable имеет фокусное расстояние 1200 и мой фотоаппарат Pentax K-50 матрицу с кроп-фактором 1,5: 1200/50*1,5 = 36 крат. Плюс/минус это значение очень близко к правде. Ведь проверить не составит труда: вставляю 32 мм окуляр, получаю полезное увеличение телескопа 37,5 крат и сравниваю со снимком, сделанным на фотоаппарат (одного и того же объекта). Результат ожидаемо близок к идентичному.

На этой формуле в рамках блога 2i.by я предлагаю остановиться. И, пожалуйста, не надо засыпать комментариями на тему «В астрофото понятия увеличение не существует», знаю и вкратце написал про взаимозаменяемый термин «масштаб». Если есть что добавить без примешивания арктангенсов или частоты Найквиста, или ещё каких других физических величин — всегда готов выслушать.

В заключение добавлю, для увеличения этого самого масштаба, т.е. получения большего масштаба для конечной фотографии самый простой способ — изменение фокусного расстояния трубы телескопа. Как это сделать? Используем линзу Барлоу (с Т-адаптером) — отрицательная линза, которая увеличивает фокусное расстояние до окуляра в 2, 3, 4, 5 раз.

Увеличение телескопа

Каждый, кто выбирает свой первый телескоп, обращает внимание на такую характеристику как увеличение телескопа. Как узнать какое увеличение дает телескоп? Какое увеличение нужно, чтобы рассмотреть кратеры на Луне, кольца Сатурна, спутники Юпитера? Что такое максимально полезное увеличение? На все эти важные вопросы мы постараемся ответить в данной статье.

Увеличение — самая ли важная характеристика телескопа?

Детали поверхности Марса при одинаковом увеличении с телескопом различных апертур.

Практически каждый начинающий любитель космоса, считает, что увеличение телескопа это его главная характеристика и старается подобрать телескоп с максимально возможным увеличением. Но так ли важно увеличение телескопа? Несомненно, увеличение телескопа является одной из основных характеристик телескопа, но не единственной значимой. Чтобы получить изображение объекта через телескоп не только большим, но максимально детальным, необходимо, чтобы в телескопе использовалась высококачественная стеклянная оптика, в рефракторах — сложные просветленные линзы, а в рефлекторах — параболические зеркала. Также важно и качество окуляров, которые Вы используете.

Как рассчитать увеличение телескопа?

Вид Сатурна при увеличении 200 и 50 крат.

Возможное увеличение телескопа зависит от его первоначальных параметров: диаметра апертуры, фокусного расстояния и применяемых окуляров. Смена увеличения достигается путем смены окуляров и их комбинацией с линзой Барлоу. Чтобы рассчитать увеличение телескопа, нужно воспользоваться нехитрой формулой: Г=F/f , где Г — увеличение телескопа, F – фокусное расстояние телескопа, f – фокусное расстояние окуляра. Фокусное расстояние телескопа обычно указано на его корпусе или в его описании, а фокусное расстояние окуляра всегда написано на его корпусе. Приведем пример. Фокусное расстояние телескопа Sky-Watcher 707AZ2 – 700 мм, при наблюдении с окуляром с фокусным расстоянием 10 мм дает увеличение — 70 крат(700/10 = 70). Если поставить окуляр с фокусным расстоянием 25 мм, то мы получим увеличение — 28 крат(700/25 = 28). При использовании линзы Барлоу, можно достигнуть больших увеличений, т. к. линза Барлоу увеличивает фокусное расстояние телескопа в несколько раз, в зависимости от кратности самой линзы Барлоу. Например, при использовании 2-кратной линзы Барлоу с телескопом Sky-Watcher 707AZ2 и окуляром с фокусным расстоянием 10 мм, мы получим увеличение уже не 70, а 140 крат.

Максимальное полезное увеличение телескопа.

Фокусное расстояние окуляра указано на его корпусе.

В оптике есть такое понятие как максимальное полезное увеличение телескопа. Это значения увеличений, которые позволяет достигнуть оптическая система телескопа без потери качества изображения. Теоретически, при использовании комбинаций короткофокусных окуляров и мощных линз Барлоу даже на небольших телескопах можно получить очень большие значения увеличений, но такие манипуляции не имеют смысла, т. к. оптическая система телескопа ограничена его диаметром и качеством оптики.

Вид Сатурна при недостаточном, оптимальном и чрезмерном увеличении.

При очень больших увеличениях Вы не получите достаточно яркую и четкую картинку. Поэтому при выборе телескопа, важно обращать внимание на такую характеристику как — максимально полезное увеличение. Максимально полезное увеличение рассчитывается для каждого телескопа индивидуально по простой формуле Г max=2*D , где Г max — максимальное полезное увеличение, а D – апертура(диаметр объектива или главного зеркала). Для примера, если телескоп имеет апертуру 130 мм, то максимальное полезное увеличение для такого телескопа составит 260 крат.

Луна при увеличение 50 крат.

Будьте внимательны при изучении параметров телескопа в его описании. Иногда производители заявляют слишком завышенные цифры, например увеличения до 600 крат. Надо понимать, что таких величин можно достигнуть при диаметре апертуры не менее 300 мм, и то скорее всего на таком увеличении Вы столкнетесь с другой проблемой — сильными искажениями от земной атмосферы.

Что можно увидеть в телескоп при различных увеличениях?

Лунный рельеф при увеличение в 350 крат.

• Для наблюдения полной Луны, чтобы ее диск полностью умещался в поле зрения достаточно увеличения — 30-40 крат. Луна является очень близким и крупным объектом, на небе полный лунный диск занимает 0,5 градуса, и если поставить окуляр дающий 100 крат и больше, то Вы будете иметь возможность рассматривать Лунный рельеф в достаточно мелких подробностях — увидите кратеры различного диаметра, горные цепочки и моря.
• Для рассмотрения деталей на поверхности планет, следует применять уже большие увеличения — от 100 крат и больше, т.к. диски планет имеют небольшие угловые размеры. С увеличением от 100 крат возможно рассмотреть диск Сатурна и его кольца с крупнейшими спутниками, облачный покров Юпитера и 4 его крупнейших спутника, увидеть Марсианскую поверхность с темными областями и полярными шапками.
• Для того, чтобы рассматривать объекты дальнего космоса, такие как звездные скопления, водородные туманности и галактики понадобятся разные увеличения — для протяженных слабых объектов, например туманностей — широкоугольные окуляры с полем зрения от 60 градусов и дополнительные светофильтры для большей контрастности.
• Если же Вы выбрали для наблюдения яркий компактный объект, такой как планетарная туманность, например туманность М57 «Кольцо», то понадобятся большие увеличения от 200 крат и больше, а также, фильтры для наблюдения туманностей.
• При наблюдении одиночных звезд в телескоп не имеет смысл ставить большие увеличения, т. к. при любом увеличении — звезда в телескоп выглядит как сияющая точка. Если звезда выглядит как блин или кольцо, значит фокусировка сделана неправильно или ваш телескоп имеет не достаточно качественную оптику.
• Большие увеличение необходимо применять, если Вы хотите наблюдать двойные и кратные звездные системы, с различимыми компонентами в телескоп.

Совет:

При выборе телескопа — обращайте внимание на его комплектацию. Необходимо, чтобы в комплекте были различные окуляры, позволяющие достигнуть различных увеличений, в том числе и максимально полезного. Иногда производители экономят на аксессуарах, делая упор на качество самого телескопа. В таком случае, необходимо самостоятельно докупать окуляры. Обычно это бывает у высококлассных моделей с дорогой оптикой, с которыми необходимо использовать окуляры такого же высокого класса.

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Тестирование

Урок 01. Предмет астрономии. Наблюдения — основа астрономии.

1.1.5 Телескопы

Чтобы исследования были точными, необходимы специальные инструменты, приборы.

1). Установлено, Фалес Милетский в 595 г. до н.э. впервые использовал гномон ( древнейший астрономический инструмент, вертикальный предмет (стержень обелиск, колонна, шест), позволяющий по наименьшей длине его тени (в полдень) определить угловую высоту Солнца. Это позволило использовать этот инструмент и как солнечные часы, и определить этапы солнцестояния, равноденствия, продолжительность года, широту наблюдателя и многое другое.

Гномоны-обелиски царицы Хатшепсут в Карнаке, Египет.

2). Гиппарх (180-125г, Др. Греция) использовал астролябию, что позволило ему измерить параллакс Луны, в 129г до н.э., установить продолжительность года в 365,25сут, определить процессию и составить в 130г до н.э. звездный каталог на 1008 звезд и т.д.

В различное время существовали и астрономический посох и астролабон (это первая разновидность теодолита), квадрант и многие друге приборы и инструменты. Наблюдения за небесными телами и объектами проводятся в специальных учреждениях — обсерваториях, которые возникли в самом начале развития астрономии до н. э.

Для возможных исследований и наблюдений в разных странах были созданы астрономические обсерватории. В нашей стране их порядка двух десятков: Главная Пулковская астрономическая обсерватория РАН (ГАО РАН), Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга (ГАИШ), Кавказская горная обсерватория (КГО ГАИШ) и пр.

Настоящее астрономическое исследование началось, когда в 1609 г. изобрели телескоп.

Переворот в астрономии произошёл в 1608 году, после того как голландский мастер по изготовлению очков Иоанн Липперсгей обнаружил, что две линзы, расположенные на одной прямой, могут увеличивать предметы. Так была изобретена зрительная труба.

Этой идеей сразу же воспользовался Галилей. В 1609 году он сконструировал свою первую зрительную трубу с трёхкратным увеличением и направил её в небо. Так зрительная труба превратилась в телескоп.

Телескоп стал основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приема и анализа приходящего от них излучения. Слово это происходит от двух греческих слов: tele – далеко и skopeo – смотрю.

Телескоп — оптический прибор, увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела (разрешающая способность), и собирает во много раз больше света, чем глаз наблюдателя (проникающая сила).

Телескоп применяют, во-первых, для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от исследуемого объекта, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооруженному глазу. Чем более слабые объекты дает возможность увидеть телескоп, тем больше его проницающая сила. Возможность различать мелкие детали характеризует разрешающую способность телескопа. Обе эти характеристики телескопа зависят от диаметра его объектива.

Количество света, собираемого объективом, возрастает пропорционально его площади (квадрату диаметра). Диаметр зрачка человеческого глаза даже в полной темноте не превышает 8 мм. Объектив телескопа может превышать по диаметру зрачок глаза в десятки и сотни раз. Это позволяет с помощью телескопа обнаружить звезды и другие объекты, которые в 100 млн. раз слабее объектов, видимых невооруженным глазом.

Принцип работы телескопа:

Параллельные лучи света (например, от звезды) падают на объектив. Объектив строит изображение в фокальной плоскости. Лучи света, параллельные главной оптической оси, собираются в фокусе F, лежащем на этой оси. Другие пучки света собираются вблизи фокуса – выше или ниже. Это изображение с помощью окуляра рассматривает наблюдатель.

Принципиальная схема телескопа

Как известно, если предмет находится дальше двойного фокусного расстояния, она дает уменьшенное, перевернутое и действительное его изображение. Это изображение располагается между точками фокуса и двойного фокуса линзы. Расстояния до Луны, планет, а тем более звезд так велики, что лучи, приходящие от них, можно считать параллельными. Следовательно, изображение объекта будет располагаться в фокальной плоскости.

Диаметры входного и выходного пучков сильно различаются (входной имеет диаметр объектива, а выходной – диаметр изображения объектива, построенного окуляром). В правильно настроенном телескопе весь свет, собранный объективом, попадает в зрачок наблюдателя. При этом выигрыш пропорционален квадрату отношения диаметров объектива и зрачка. Для крупных телескопов эта величина составляет десятки тысяч раз. Так решается одна из основных задач телескопа – собрать больше света от наблюдаемых объектов. Если речь идет о фотографическом телескопе – астрографе, то в нем увеличивается освещенность фотопластинки.

Основные характеристики телескопов.

1) Апертура телескопа (D) — это диаметр главного зеркала телескопа или его собирающей линзы.

Чем больше апертура, тем больше света соберёт объектив и тем более слабые объекты вы увидите.

2) Фокусное расстояние телескопа — это расстояние, на котором зеркало или линза объектива строит изображение бесконечно удаленного объект.

Обычно имеется ввиду фокусное расстояние объектива (F), поскольку окуляры сменные, и у каждого из них фокусное расстояние своё.

От фокусного расстояния зависит не только увеличение, но и качество изображения. Чем больше фокусное расстояние, тем качественнее изображение. От фокусного расстояния телескопа зависит и его длина, особенно рефлекторов Ньютона и рефракторов.

3) Увеличение (или кратность) телескопа (W) показывает, во сколько раз телескоп может увеличить объект или угол, под которым наблюдатель видит объект. Оно равно отношению фокусных расстояний объектива F и окуляра f.

Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны, планет и деталей на них, но звезды из-за их колоссальной удаленности все равно видны в телескоп, как светящиеся точки.

F вы изменить чаще всего не можете, но имея окуляры с разным f, вы сможете менять кратность или увеличение телескопа Г. Имея сменные окуляры, можно с одним и тем же объективом получать различное увеличение. Поэтому возможности телескопа в астрономии принято характеризовать не увеличением, а диаметром его объектива. В астрономии, как правило, используют увеличения менее 500 раз. Применять большие увеличения мешает атмосфера Земли. Движение воздуха, незаметное невооруженным глазом (или при малых увеличениях), приводит к тому, что мелкие детали изображения становятся нерезкими, размытыми. Астрономические обсерватории, на которых используются крупные телескопы с диаметром зеркала 2–3 м, стараются разместить в районах с хорошим астроклиматом: большим количеством ясных дней и ночей, с высокой прозрачностью атмосферы.

4) Разрешающая способность – минимальный угол между двумя звездами, видимыми раздельно. Проще говоря, под разрешающей способностью можно понимать «чёткость» изображения.

Разрешающая способность можно вычислить по формуле:

где δ – угловое разрешение в секундах, D – диаметр объектива в миллиметрах.

Расстояние между объектами на небе в астрономии измеряются углом, который образовывается лучами, проведенными из точки, в которой находится наблюдатель к объектам. Это расстояние называют угловым, и выражают в градусах и долях градуса:

градусы – 5 о , минуты – 13′, секунды – 21″

Человеческий глаз без специальных приборов различает 2 звезды отдельно друг от друга, если их угловое расстояние не менее 1-2′. Телескоп позволяет уменьшить этот предел в несколько раз. В самые крупные телескопы можно видеть раздельные звезды, угловые расстояния которых могут составлять сотые и тысячные доли.

Угол, под которым мы видим диаметр Солнца и Луны

Ограничение на предельное увеличение накладывает явление дифракции – огибание световыми волнами краев объектива. Из-за дифракции вместо изображения точки получаются кольца. Угловой размер центрального пятна (теоретическое угловое разрешение):

где δ – угловое разрешение в секундах, λ — длина волны излучения, D – диаметр объектива в миллиметрах.

Чем меньше размер изображения светящейся точки (звезды), которое дает объектив телескопа, тем лучше его разрешающая способность. Если расстояние между изображениями двух звезд меньше размера самого изображения, то они сливаются в одно. Минимальный размер изображения звезды (в секундах дуги) можно рассчитать по формуле:

Где λ – длина световой волны, a D – диаметр объектива. У школьного телескопа, диаметр объектива которого составляет 60 мм, теоретическая разрешающая способность будет равна примерно 2Ѕ. Напомним, что это превышает разрешающую способность невооруженного глаза (2′) в 60 раз. Реальная разрешающая способность телескопа будет меньше, поскольку на качество изображения существенно влияет состояние атмосферы, движение воздуха.

Для видимых длин волн при λ = 550 нм на телескопе с диаметром D = 1 м теоретическое угловое разрешение будет равно δ = 0,1″. Практически угловое разрешение больших телескопов ограничивается атмосферным дрожанием. При фотографических наблюдениях разрешающая способность всегда ограничена земной атмосферой и погрешностями гидирования и не бывает лучше 0,3″. При наблюдениях глазом из-за того, что можно попытаться поймать момент, когда атмосфера относительно спокойна (достаточно нескольких секунд), разрешающая способность у телескопов с диаметром D, большим 2 м, может быть близка к теоретической. Хорошим считается телескоп, собирающий более 50 % излучения в кружке 0,5″.

Пути повышения разрешающей способности телескопа:

1) увеличение диаметра телескопа

2) уменьшение длины волны изучаемого излучения

5) Проницающая сила телескопа характеризуется предельной звездной величиной m самой слабой звезды, которую можно увидеть в данный инструмент при наилучших условиях наблюдений. Для таких условий проницающую силу можно определить по формуле:

где D – диаметр объектива в миллиметрах, m — предельная звездная величина.

Диаметр объектива, мм

Предельная звездная величина

6) Относительное отверстие – отношение диаметра D к фокусному расстоянию F:

У телескопов для визуальных наблюдений типичное значение относительного отверстия 1/10 и меньше. У современных телескопов она равна 1/4 и больше.

7) Часто вместо относительного отверстия используется понятие светосилы, равной (D/F) 2 . Светосила характеризует освещенность, создаваемую объективом в фокальной плоскости.

8) Относительным фокусным расстоянием телескопа (обозначается перевернутой буквой А) называется величина, обратная относительному отверстию:

В фотографии эта величина часто называется диафрагмой.

Относительное отверстие и относительное фокусное расстояним являются важными характеристиками объектива телескопа. Это обратные друг другу величины. Чем больше относительное отверстие, тем меньше относительное фокусное расстояние и тем больше освещённость в фокальной плоскости объектива телескопа, что выгодно при фотоработах (позволяет уменьшить выдержку при сохранении экспозиции). Но при этом на кадре фотоприёмника получается меньший масштаб изображения.

Построим изображение Луны, которое дает объектив с фокусным расстоянием F (рис. 1.6). Из рисунка видно, что угловых размеров наблюдаемого объекта – угол α – объектив не изменяет. Воспользуемся теперь еще одной линзой – окуляром 2, поместив ее от изображения Луны (точка F₁) на расстоянии, равном фокусному расстоянию этой линзы – f, в точку F₂. Фокусное расстояние окуляра должно быть меньше, чем фокусное расстояние объектива. Построив изображение, которое дает окуляр, мы убедимся, что он увеличивает угловые размеры Луны: угол β заметно больше угла α.

Виды телескопов:

1. Оптические телескопы
   1. Рефрактор.
   2. Рефлектор.
   3. Зеркально – линзовый.
2. Радиотелескопы

Если в качестве объектива телескопа используется линза, то он называется рефрактор (от латинского слова refracto – преломляю), а если вогнутое зеркало, – то рефлектор (reflecto – отражаю). В зеркально-линзовых телескопах используется комбинация зеркала и линз.

Телескоп – рефрактор использует преломление света. Лучи, которые идут от небесных светил собираются линзой или системой линз.

Схема устройства телескопа – рефрактора

Главная часть простейшего рефрактора – объектив – двояковыпуклая линза, установленная в передней части телескопа. Объектив собирает излучение. Чем больше размеры объектива D, тем больше собирает излучения телескоп, тем более слабые источники могут быть обнаружены им. Чтобы избежать хроматической аберрации, линзовые объективы делают составными. Однако в случаях, когда требуется свести к минимуму рассеяние в системе, приходится использовать и одиночную линзу. Расстояние от объектива до главного фокуса называется главным фокусным расстоянием F.

Телескоп – рефлектор использует отражение света. В них используют вогнутое зеркало, способное фокусировать отраженные лучи.

Схема устройства телескопа – рефлектора

Основным элементом рефлектора является зеркало – отражающая поверхность сферической, параболической или гиперболической формы. Обычно оно делается из стеклянной или кварцевой заготовки круглой формы и затем покрывается отражающим покрытием (тонкий слой серебра или алюминия). Точность изготовления поверхности зеркала, т.е. максимально допустимые отклонения от заданной формы, зависит от длины волны света, на которой будет работать зеркало. Точность должна быть лучше, чем λ/8. К примеру, зеркало, работающее в видимом свете (длина волны λ = 0,5 микрона), должно быть изготовлено с точностью 0,06 мкм (0,00006 мм).

Обращенная к глазу наблюдателя оптическая система называется окуляром. В простейшем случае окуляр может состоять только из одной положительной линзы (в этом случае мы получим сильно искаженное хроматической аберрацией изображение).

Помимо рефракторов и рефлекторов в настоящее время используются различные типы зеркально-линзовых телескопов.

Школьные телескопы по большей части являются рефракторами, их объективом, как правило, служит двояковыпуклая собирающая линза.

В нынешних обсерваториях мы можем увидеть крупные оптические телескопы. Крупнейший в России телескоп-рефлектор, который имеет зеркало диаметром 6 м, сконструирован и построен Ленинградским оптико-механическим объединением. Он называется «Большой телескоп азимутальный» (сокращённо БТА).

Его огромное вогнутое зеркало, которое имеет массу около 40 т, отшлифовано с точностью до долей микрометра. Фокусное расстояние зеркала 24 м. Масса всей установки телескопа более 850 т, а высота 42 м. Управление телескопом осуществляется с помощью компьютера, который позволяет точно навести телескоп на изучаемый объект и длительное время удерживать его в поле зрения, плавно поворачивая телескоп вслед за вращением Земли. Телескоп входит в состав Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук и установлен на Северном Кавказе (близ станицы Зеленчукская в Карачаево-Черкесской Республике) на высоте 2100 м над уровнем моря.

В настоящее время появилась возможность использовать в наземных телескопах не монолитные зеркала, а зеркала, состоящие из отдельных фрагментов. Уже построены и работают два телескопа, каждый из которых имеет объектив диаметром 10 м, состоящий из 36 отдельных зеркал шестиугольной формы. Управляя этими зеркалами с помощью компьютера, можно всегда расположить их так, чтобы все они собирали свет от наблюдаемого объекта в едином фокусе. Предполагается создать телескоп с составным зеркалом диаметром 32 м, работающим по тому же принципу.

Телескопы бывают самыми разными — оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи:

• создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);
• собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов.

Современные телескопы часто используются для того, чтобы сфотографировать изображение, которое дает объектив. Именно так получены те фотографии Солнца, галактик и других объектов, которые вы увидите на страницах учебника, в популярных книгах и журналах, на сайтах в интернете. Телескопы, приспособленные для фотографирования небесных объектов, называются астрографами. Фотографические наблюдения имеют ряд преимуществ перед визуальными. К основным преимуществам относятся:

1. документальность – способность фиксировать происходящие явления и процессы, и долгое время сохранять полученную информацию;
2. моментальность – способность регистрировать кратковременные явления, происходящие в данный момент;
3. панорамность – способность запечатлевать на фотопластинке одновременно несколько объектов и их взаимное расположение;
4. интегральность – способность накапливать свет от слабых источников; детальность получаемого изображения.

С помощью телескопов производятся не толь визуальные и фотографические наблюдения, но преимущественно высокочастотные фотоэлектрические и спектральные наблюдения. Сведения о температуре, химическом составе, магнитных полях небесных тел, а также об их движении получают из спектральных наблюдений. Кроме света, небесные тела излучают электромагнитные волны большей длины волны, чем свет (инфракрасное излучение, радиоволны), или меньшей (УФ, рентгеновское излучение и гамма лучи).

Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий, но вплоть до середины прошлого века исследования были исключительно в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Поэтому доступной областью излучения был диапазон от 400 до 700 нм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими, изучалось только расположение планет, звёзд и их видимое движение на небесной сфере.

Но небесные тела дают различное излучение: видимый свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоволны, рентгеновское, гамма – излучения. В XX веке астрономия стала всеволновой. Астрономию называют всеволновой, поскольку наблюдения за объектами ведутся не только в оптическом диапазоне. В настоящее время излучение от космических объектов регистрируется во всем диапазоне электромагнитного спектра от длинноволнового радиоизлучения (частота 10 7 , длина волны l = 30 м) до гамма-излучения (частота 10 27 Гц, длина волны l = 3∙10 –19 ×м = 3∙10 –10 нм). Для этой цели используются различные приборы, каждый из которых способен принимать излучение в определенном диапазоне электромагнитных волн: инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма- и радиоизлучение.

Астрономические наблюдения проводятся во всем диапазоне электромагнитных волн.

Для приема и анализа оптического и других видов излучения в современной астрономии используется весь арсенал достижений физики и техники – фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и др. В настоящее время наиболее чувствительными приемниками света являются приборы с зарядовой связью (ПЗС), позволяющие регистрировать отдельные кванты света. Они представляют собой сложную систему полупроводников (полупроводниковые матрицы), в которых используется внутренний фотоэффект. В этом и в других случаях полученные данные можно воспроизвести на дисплее компьютера или представить для обработки и анализа в цифровой форме.

Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Сначала были изобретены радиотелескопы. Радиоизлучение из космоса достигает поверхности Земли без значительного поглощения. Для его приема построены самые крупные астрономические инструменты – радиотелескопы.

Радиотелескоп

Их металлические зеркала-антенны, которые достигают в диаметре нескольких десятков метров, отражают радиоволны и собирают их подобно оптическому телескопу-рефлектору. Для регистрации радиоизлучения используются особые чувствительные радиоприемники. Любой радиотелескоп по принципу своего действия похож на оптический: он собирает излучение и фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, а затем преобразует этот сигнал, показывая условно раскрашенное изображение неба или объекта.

Так, радиоволны принесли информацию о наличии крупных молекул в холодных молекулярных облаках, об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе и нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью.

Чтобы существенно улучшить угловое разрешение, в радиоастрономии используют радиоинтерферометры. Простейший радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, разнесенных на расстояние, называемое базой интерферометра. Радиотелескопы, находящиеся в разных странах и даже на разных континентах, также могут соединяться в единую систему наблюдений. Такие системы получили название радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ). Такие системы дают максимально возможное угловое разрешение, в несколько тысяч раз лучше, чем у любого оптического телескопа.