Jest to urządzenie (przyrząd optyczny) służące do odbioru promieniowania elektromagnetycznego ciał niebieskich (powiększania odległych obrazów), umożliwiające ogniskowanie wiązki w małym obszarze, w którym to promieniowanie może być analizowane. Zasada działania i konstrukcji teleskopu zależy od zakresu rejestrowanego promieniowania.
Podstawowe parametry optyczne każdego teleskopu to:
- Średnica zwierciadła lub obiektywu (apertura) - decyduje o zdolności rozdzielczej sprzętu, większe instrumenty dają zwykle większe możliwości obserwacyjne, lepszą jakość obrazu i większą ilość szczegółów
- Ogniskowa
- Światłosiła - decyduje o jasności obrazu, wynika ze stosunku średnicy obiektywu i ogniskowej.
- Powiększenie - w praktyce trudno uważać je za parametr teleskopu gdyż zależy od użytego okularu, okulary zaś zwykle są wymienne, co daje możliwość uzyskiwania różnych powiększeń. Można je obliczyć dzieląc ogniskową obiektywu przez ogniskową użytego okularu
Teleskop optyczny
Jest zbudowany z umieszczonych w tubusie: obiektywu – skupiającego światło docierające do obiektywu i okularu – powiększającego otrzymany obraz lub umieszczonych w płaszczyźnie ogniskowej urządzeń rejestrujących obraz. Uzyskany dzięki teleskopowi optycznemu obraz można oglądać bezpośrednio przez okular, utrwalać go na kliszy fotograficznej, albo – ostatnio znacznie częściej – za pomocą detektora CCD [1], można też poddawać go dalszej analizie za pomocą spektrografów [2] i innych instrumentów optycznych.
Teleskop optyczny dzieli się na:
Refraktory (lunety), w których obiektywem jest soczewka lub zestaw soczewek
Reflektory (teleskopy zwierciadlane)
Odpowiednio ukształtowane obiektywy soczewkowe są stosowane w astrografach [3] do fotografowania wycinków nieba.
W teleskopie zwierciadlanym obiektyw jest wklęsłym (na ogół paraboloidalnym) zwierciadłem, kierującym odbite światło ku drugiemu, mniejszemu zwierciadłu, które wyprowadza je poza tubus teleskopu.
W zależności od potrzeb obserwacyjnych wykorzystuje się różne typy teleskopów optycznych, w odmienny sposób wyprowadzających odbite od głównego zwierciadła światło poza tubus:
Teleskop Newtona – przed zwierciadłem głównym umieszcza się małe płaskie zwierciadełko nachylone pod kątem 45 do osi optycznej, które wyprowadza odbite od głównego zwierciadła światło w stronę bocznego otworu w tubusie
Teleskop Cassegraina – odbite od głównego zwierciadła promienie odbijają się następnie od wypukłego hiperboloidalnego zwierciadełka ku otworowi w zwierciadle głównym
Teleskop coud – zawiera układ aż 3 dodatkowych zwierciadeł
Do niektórych zastosowań, np. fotografowania dużych obszarów nieba, gdy niezbędne jest uzyskanie ostrego obrazu o dużych rozmiarach, są stosowane również systemy mieszane, w których światło odbite od zwierciadła przechodzi przez dodatkową szklaną płytkę korygującą:
Teleskop Maksutowa – teleskop soczewkowo–zwierciadlany odznaczający się dużym polem widzenia, zbudowany w 1941 roku niezależnie przez D. Maksutowa i A. Bouwersa. Składa się z wklęsłego zwierciadła sferycznego i – umieszczonej w odległości nieznacznie przekraczającej jego ogniskową – soczewki wypukło-wklęsłej (menisku), służącej do eliminowania aberracji sferycznej zwierciadła [4].
Teleskop Schmidta – teleskop soczewkowo-zwierciadlany o dużym polu widzenia (średnica dochodząca do 25), skonstruowany w 1931 roku przez niemieckiego optyka B.V. Schmidta. Składa się z wklęsłego zwierciadła sferycznego oraz płyty korekcyjnej – umieszczonej w podwójnej odległości ogniskowej przed zwierciadłem – o tak dobranej krzywiźnie powierzchni, aby skompensować aberrację sferyczną zwierciadła. Jest stosowana głównie do fotografowania nieba. Za pomocą 3 teleskopów Schmidta umieszczonych w obserwatoriach: Mount Palomar (USA), La Silla (Chile) i Siding Spring (Australia) wykonano zdjęcia całego nieba, na których są widoczne wszystkie gwiazdy i galaktyki do 23 wielkości gwiazdowej [5].
Teleskop soczewkowy
- achromat - najbardziej popularny, obiektyw zwykle składa się z 2 elementów, jego konstrukcja kładzie nacisk na możliwie najlepszą korekcję aberracji chromatycznej. Achromat koryguje aberrację chromatyczną dla dwóch najważniejszych fragmentów spektrum - (typowo - czerwonej i niebieskiej).
- apochromat - rzadziej spotykany jednak znacznie bardziej zaawansowany optycznie, obiektyw składa się zwykle z większej liczby soczewek (zwykle od 2 do 4, czasem więcej), wykonany jest też często ze specjalnych gatunków szkła np. ED lub fluorytowego (CaF2 - szczególnie wysoko cenione w optyce). Apochromat zapewnia pełniejszą od achromatu korekcję aberracji chromatycznej, sprzęt dobrej klasy o takim układzie optycznym nie powinien pokazywać "kolorystycznych przekłamań" nawet na stosunkowo jasnych obiektach niebieskich (jaśniejsze gwiazdy, planety, księżyc). Apochromat koryguje aberrację chromatyczną dla trzech najważniejszych fragmentów spektrum - (typowo - czerwonej, niebieskiej i zielonej - choć w astrofotografii jedno z pasm może dotyczyć podczerwieni lub ultrafioletu)
- superchromat - koryguje aberrację chromatyczną dla czterech lub więcej najważniejszych fragmentów spektrum dając najlepsze obrazy. Są to jednak konstrukcje wyjątkowo drogie.
- semiapochromat - określenie raczej komercyjne niż naukowe, stosowane przez producentów sprzętu astronomicznego dla określenia refraktorów, których korekcja aberracji jest oceniana jako nieznacznie tylko ustępująca apochromatom (lepsza niż w achromatach). Najczęściej określane są w ten sposób 2-soczewkowe obiektywy ED (3-soczewkowe ED oraz 2 i 3 soczewkowe fluoryty zazwyczaj uznaje się za apochromaty).
Teleskopy wysokoenergetyczne – instrumenty służące do obserwacji obiektów astronomicznych w zakresie promieniowania rentgenowskiego i gamma, charakteryzujące się stosunkowo wysoką kątową zdolnością rozdzielczą. Ze względu na pochłanianie promieniowania rentgenowskiego i gamma przez atmosferę Ziemi, teleskopy umieszcza się na orbicie okołoziemskiej.
Cele
Główne cele stawiane przed teleskopem optycznym to zwiększenie rozdzielczości obrazu oraz jego jasności. Zdolność rozdzielczą teleskopu optycznego ogranicza falowa natura światła. W praktyce większy wpływ na ograniczenie zdolności rozdzielczej teleskopów optycznych naziemnych mają ruchy atmosfery, tzw. seeing. Problem ten rozwiązuje się dwojako: wynosząc teleskop optyczny poza atmosferę ziemską (Teleskop Kosmiczny Hubble’a [2]) lub stosując system optyki adaptacyjnej [3] np. w teleskopach Kecka [4]. Używane w tym systemie dodatkowe giętkie lusterko zmienia kształt przechodzącej przez teleskop optyczny wiązki światła w zależności od chwilowych warunków atmosferycznych. Innym, do niedawna stosowanym sposobem polepszania jakości obrazów jest zastosowanie metod interferometrycznych [9]. Precyzyjne połączenie informacji otrzymanych za pomocą 2 lub większej liczby teleskopów optycznych rozsuniętych na pewną odległość, pozwala na uzyskanie obrazów o rozdzielczości (ale nie jasności) zbliżonej do rozdzielczości pojedynczego teleskopu o średnicy zwierciadła równej tej odległości.
Ze względu na koszt i precyzje niezbędną przy szlifowaniu i późniejszym utrzymywaniu stałego kształtu ciężkiego pojedynczego zwierciadła, w nowoczesnych dużych teleskopach optycznych zastępuje się je zestawami kilku lub kilkunastu mniejszych zwierciadeł.
Montaż
Ze względu na ruch Ziemi wokół osi niezbędny jest ruchomy montaż teleskopu, umożliwiający podążanie za obserwowanym obiektem. W przypadku najprostszych teleskopów optycznych stosuje się na ogół montaż azymutalny, pozwalający na obrót instrumentu wokół osi pionowej i zmianę jego nachylenia do horyzontu.
Największe teleskopy
Największy teleskop optyczny HET (Hobby-Eberly Telescope) działający na Ziemi znajduje się z McDonald Observatory w Teksasie o łącznej średnicy składającej się z 91 segmentów zwierciadła wynoszącej 11 m. W Polsce największym teleskopem optycznym jest teleskop Schmidta o średnicy 90 cm w Piwnicach, należąca do Obserwatorium Astronomicznego UMK.
Historia
Pierwszy teleskop soczewkowy (luneta) zbudowali na początku XVII wieku optycy holenderscy Z. Jansen i H. Lippershey. Ten pomysł wykorzystali w 1609 roku do obserwacji astronomicznych niemal równocześnie T. Harriot i Galileusz, który jako pierwszy opisał w 1610 roku swe odkrycia gór na Księżycu, największych księżyców Jowisza, a potem plam na Słońcu i faz Wenus. Pierwszy użyteczny reflektor został zbudowany w 1670 roku przez I. Newtona, ale ideę teleskopu zwierciadlanego opisał już wcześniej N. Zucchi, M. Mersenne i D. Gregorg.
Przypisy
1 detektor CCD - układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy, dzięki zastosowaniu filtrów barwnych, odczytuje natężenie określonej szerokości spektrum światła w danym punkcie matrycy. Konstrukcja matrycy została przeprowadzona głównie na użytek naukowy, zaś jej pierwsze zastosowania obejmowały astronomię, gdzie do dziś pozostaje podstawowym narzędziem badawczym wypierając w zasadzie klisze fotograficzne
2 spektrograf – przyrząd do otrzymywania i badania widm optycznych metodą fot. Długości fali w widmie dokonuje się zwykle porównując badane widmo z widmem wzorcowym
3 astrograf (astrokamera) – przyrząd do fotografowania nieba. Składa się z kamery fotograficznej (jest nią refraktor o obiektywie z 3 lub 4 soczewkami o ogniskowej do 10 m) oraz lunety wizualnej, służącej do nastawiania kamery na wybrany obiekt i kontroli prowadzenia kamery w ślad za ruchem dziennym nieba
4 aberracja - wada przejawiająca się nieostrością, zniekształceniem lub zabarwieniem obrazu, spowodowana tym, że poszczególne strefy kuliste, na które można podzielić soczewkę, mają różne ogniskowe
5 wielkość gwiazdowa – miara jasności gwiazd. Skala oparta na starej, wprowadzonej przez Klaudiusza Ptolemeusza klasyfikacji gwiazd, polegającej na podziale gwiazd widocznych gołym okiem na 6 grup, przy czym najjaśniejsze zaliczamy do grupy 1 (gwiazda pierwszej wielkości: 1m)
6 Teleskop Kosmiczny Hubble’a – satelitarne obserwatorium astronomiczne skonstruowane przez NASA, wyniesiony 24 IV 1990 na orbitę okołoziemską o wys. 610 km przez wahadłowiec Discovery. Jest wyposażony w zwierciadło o średnicy 2,4 m. Do najważniejszych osiągnięć T.K.H. można zaliczyć obserwacje powstawania i ewolucji gwiazd (szczegółowe obserwacje supernowych i mgławic planetarnych), obserwacje centrów galaktyk, co umożliwiło wykazanie istnienia w nich czarnych dziur, obserwacje obiektów powstałych po rozbłyskach gamma (krótkotrwałe – nie dłużej niż kilkadziesiąt sekund- błyski promieniowania gamma, rejestrowane średnio raz na dobę z różnych kierunków nieba), a także obserwacje morfologii i ewolucji bardzo odległych galaktyk
7 optyka adaptacyjna – wykorzystywanie systemu korygującego jakość obrazu przez ciągłą modyfikację kształtu zwierciadła głównego i dobieranie odpowiedniego położenia zwierciadła wtórnego do szybkich (setne części sekundy) zmian powierzchni zwierciadła teleskopu, w celu uniknięcia szkodliwego wpływu turbulencji atmosfery ziemskiej na obserwacje
8 teleskopy Kecka - dwa największe na świecie teleskopy (Keck I i Keck II) pracujące w zakresie światła widzialnego i podczerwieni z tzw. optyką aktywną. Znajdują się w obserwatorium Mauna Kea na Hawajach na wysokości 4145 m n.p.m. Są oddalone od siebie o 85 metrów. Posiadają segmentowe zwierciadła o średnicy 10 metrów złożone z 36 ściśle przylegających sześciokątnych segmentów o grubości 8 cm. Teleskopy połączone razem tworzą interferometr [9] (układ optyczny służący do pomiarów i obserwacji wykorzystujących zjawisko interferencji fal elektromagnetycznych)
