Современные наземные и космические телескопы

К настоящему времени развитие оптики и астрономии привело к разнообразию и применяемых систем телескопов. Виды телескопов различают по назначению, по применяемой оптической схеме и по устройству монтировки.

По назначению телескопы бывают визуальные и фотографические, последние подразделяются на инфракрасные, телескопы видимого диапазона, ультрафиолетовые и рентгеновские. Существуют также солнечные телескопы и внезатменные коронографы – инструменты, позволяющие получить изображение солнечной короны. По применяемой оптической схеме все разновидности телескопов можно разделить на линзовые (рефракторы), зеркальные (рефлекторы) и зеркально-линзовые (катадиоптрики). Монтировка телескопа бывает неподвижная (с внешним перенаправлением света), азимутальная (с вертикальным и горизонтальным поворотом) и экваториальная (с поворотом относительно небесной сферы). Кроме оптических, возможны также радио- и нейтринные телескопы, но смотреть ни в те, ни в другие нельзя и вся информация получается электронной обработкой сигналов с различных датчиков.

Звёздные телескопы профессиональной астрономии в настоящее время достигли апертуры 8 – 11 м. По своему конструктивному исполнению это рефлекторы для съемки в прямом фокусе, из-за малых полей не оснащенные никакой промежуточной оптикой. Целью их является наивысшее разрешение при как можно большей светосиле, что ведет к необходимости подстраивать форму главного зеркала под атмосферные флуктуации.

Такая, как её называют, адаптивная оптика, впервые возникла в 1980-е годы применительно к боевым лазерным системам, предназначенным для уничтожения спутников, гражданское её применение началось в телескопах VLT Европейской Южной обсерватории, установленных в Чили. Зеркала всех пяти телескопов этой группы, имеющие апертуру 8,3 метра могут быстро деформироваться на небольшую величину с помощью системы гидравлических домкратов, размещенных с их тыльной стороны. Величина деформаций рассчитывается ЭВМ в реальном времени исходя из искажений тестового изображения “искусственной звезды”, создаваемой в верхних слоях атмосферы установленным на телескопе инфракрасным лазером.

Чуть в стороне от тестового изображения тем же зеркалом создается рабочее, идущее на исследовательские задачи.
В двух телескопах имени Кека, установленных на гавайской обсерватории США и имеющих апертуру свыше 11 м применяется аналогичный принцип компенсации атмосферных искажений, но вместо цельного зеркала изображение на фотоприемнике создается целой системой из десятков сегментов, каждый из которых поворачивается собственным домкратом. Эти инструменты уже превзошли по разрешающей способности орбитальный телескоп имени Хаббла, но существуют европейские и американские проекты телескопов с сегментированными зеркалами апертурой 30 – 60 метров.

Тем не менее, если в общем случае апертура в 20 метров для оптического телескопа пока недостижима, то для некоторых частных задач она может составлять десятки и сотни метров. Речь о сведении в одну точку изображений с двух разных телескопов, нацеленных на один и тот же участок неба. Такой принцип, называемый в астрономии фокусом Кудэ, используется в задачах звёздной интерферометрии, позволяющей восстанавливать изображения отдельных звёзд и точно измерять диаметр их дисков, недостижимый никакими другими способами. Тем не менее, ни простая фотосъёмка, ни тем более визуальное наблюдение по такой схеме ничего не даст – необходима компьютерная обработка серии снимков. Примером действующего звёздного интерферометра является австралийская система с расстоянием 188 метров между телескопами.

Для широкопольных наблюдений и целенаправленного поиска новых объектов, таких как новые звёзды, астероиды и транснептуновые объекты применяются виды телескопов преимущественно катадиоптрической схемы – Шмидта, Гамильтона или Максутова. Не последнюю роль в организации подобных поисков играет и скорость экспозиции, передачи данных и их обработки на ЭВМ. Определенный шанс на успех есть и у любителя, вооруженного цифровой зеркальной фотокамерой с 200 – 300 мм телеобъективом. Причем по фокусному расстоянию, а не по апертуре – профессионалы никогда не смогут одновременно наблюдать везде, а вспыхнувшая Новая часто видна и в обыкновенный бинокль.

Рефракторы в профессиональной звёздной астрономии остались теперь только в виде упомянутых телеобъективов и искателей более крупных инструментов. Огромные ахроматы прошлого и визуально и фотографически полностью перекрываются более чем скромными рефлекторами и катадиоптриками. Апохроматы в основном задействуют на поиске космического мусора и околоземных объектов в диапазоне самых малых апертур – здесь они оказываются выигрышными.

Солнечные телескопы, как следует из их названия, предназначены для наблюдения одного-единственного космического объекта. Наблюдения по понятным причинам ведутся днем и имеют свою специфику. Прежде всего, необходимо ослабить яркость создаваемого солнечным телескопом изображения в несколько сот тысяч раз. Эта задача решается установкой апертурных солнечных фильтров.

Кроме того, вся оптика отражательных солнечных телескопов не имеет покрытия, что однако, обеспечивает ослабление яркости только в десятки раз. Другая часть достигается применением сверхнизкой светосилы, растягивающей итоговое изображение в круг диаметром до метра и выше при умеренной апертуре самого телескопа. Последняя впрочем не должна быть слишком малой величиной и обеспечивать разрешающую способность, достаточную для различения объектов на поверхности Солнца, разделенных промежутком не более нескольких сотен километров.

Сочетание этих, во многом противоречивых требований, приводит к тому, что солнечный телескоп часто выполняют неподвижным, для чего строится специальная башня. В этом случае лучи дневного светила направляются в башню с помощью целостата – специальной системы из двух плоских зеркал превосходящих по размеру апертуру телескопа.

Специфика наблюдений с Земли приводит к тому, что мы не можем наблюдать обратную сторону Солнца пока она не повернется к нам примерно через 29 дней. Этот недостаток полностью устранен в космической системе SOHO, в которой три солнечных телескопа размещены на станциях, выведенных на гелиоцентрическую орбиту и размещенных в вершинах подвижного равностороннего треугольника.

“Родственниками” солнечных телескопов являются внезатменные коронографы – устройства еще более узкой специализации. Ни солнечные пятна ни гранулы в них смотреть нельзя, зато тусклое сияние короны отсекается одновременно и от атмосферной засветки и от мощного свечения самого диска.

Коронограф был изобретен французским оптиком Лио в 1862 году, но по-настоящему им заинтересовались в годы Второй мировой войны, когда по форме солнечной короны предсказывали магнитные бури. Реализация порядком забытой идеи стала секретной – до начала 50-х годов. С изобретением узкополосных фильтров, настроенных на линии поглощения спектров водорода и кальция коронограф стал общедоступным и может быть продан любому желающему.

Ультрафиолетовые телескопы по устройству близки к обычным рефлекторам. Земная атмосфера пропускает ультрафиолетовое излучение ближней области, с длиной волны до 350 нм, поэтому наземные ультрафиолетовые телескопы размещают в высокогорных районах. Объектами их исследования могу быть как отдельные звёзды, так и галактики, которые регистрируются по выбросам ультрафиолетового излучения при процессах, происходящих в их ядрах. Вследствие меньшей длины волны оптика ультрафиолетовых телескопов должна быть выполнена с большей точностью, чем телескопов видимого диапазона.

Лимитирующим элементом по светопропусканию являются преломляющие детали, которые в случае небольших объективов выполняются из плавленого кварца. В этом случае допускается остаточный хроматизм. Создание широкопольных ультрафиолетовых телескопов представляет собой серьезную технологическую проблему, так как в обычных камерах Шмидта и Ричи-Кретьена используются корректирующие линзы, которые из кварца изготовить затруднительно. Одним из путей решения является т.н. зеркальная камера Шмидта, в которой корректирующий элемент выполнен в виде наклонно установленного зеркала с профилем, близким к плоскому. Такая система иногда устанавливается на спутниках, но очень чувствительна к разъюстировке.

Инфракрасные телескопы дают уникальную возможность наблюдать звёзды сквозь пылевые облака, ослабляющие их видимый блеск в видимом диапазоне на несколько сот звёздных величин. Это связано с тем, что излучение нагревает частицы пыли и переизлучается ей уже в инфракрасном диапазоне. В частности, такой метод наблюдений позволил построить замкнутую орбиту звезды, близко обращающейся вокруг центра нашей Галактики, что дало достоверное доказательство того, что центральный объект является черной дырой.

Кроме звёзд, объектами наблюдений в такие телескопы могут являться планеты солнечной системы и их спутники, что дает возможность уточнить структуру их поверхности по характеру её теплового излучения. Большая проницающая способность позволяет использовать инфракрасные телескопы для поиска транснептуновых объектов и околоземных астероидов.

Вследствие специфики теплового излучения инфракрасный телескоп всегда должен быть сильно охлажден. Криостат – устройство, поддерживающее телескоп при постоянной отрицательной температуре, ранее выполнялось на основе “сухого льда” - твердой углекислоты, затем стал использоваться жидкий азот и в настоящее время – жидкий гелий. Инфракрасная матрица – очень дорогостоящее устройство, стоимость которого доходит до миллионов $. Оптика инфракрасных телескопов преимущественно зеркальная, вследствие большей длины волны теплового излучения чем видимого, оптика может быть выполнена с меньшей степенью точности. Крупнейший наземный инфракрасный телескоп установлен на Европейской Южной Обсерватории в Чили и имеет алюминиевое зеркало с адаптивной оптикой общей апертурой 12 м.

Рентгеновские телескопы в большинстве случаев выводятся в космос, так как земная атмосфера сильно ослабляет рентгеновские лучи. Другой спецификой принимаемого излучения является практическое отсутствие его преломления большинством прозрачных материалов и отражение металлами только под очень острым углом. Это вынуждает применять фокусирование высокоэнергетических рентгеновских квантов либо с помощью внеосевых параболических зеркал со специальным покрытием, либо использовать принцип кодирующей апертуры.

В первом случае зеркало размещается почти по касательной к падающему волновому фронту и в большинстве случаев покрывается золотом или иридием. Иногда может использоваться диэлектрическое покрытие, доходящее до нескольких сотен слоёв. При использовании кодирующей апертуры изображение на фотоприемнике создается пропусканием исследуемого излучения через матрицу, образованную прозрачными и непрозрачными ячейками, размещенными в определенной последовательности. Восстанавливает полученное изображение бортовая ЭВМ космического аппарата.

Таким образом, виды телескопов современной астрономия представляют собой мощные средства наблюдений, которые в последние годы приводят к поистине революционным открытиям.