Tanulmányi célok
A fejezet végére képes leszel:
- A csillagászati források mérésére szolgáló modern rendszer három alapvető összetevőjét
- A távcső fő funkcióinak ismertetése
- A látható fényű távcsövek két alapvető típusának ismertetése és a képalkotás módja
Sugárzásmérési rendszerek
A csillagászati források sugárzásának mérésére szolgáló modern rendszereknek három alapvető összetevője van. Először is van egy távcső, amely “vödörként” szolgál a látható fény (vagy más hullámhosszúságú sugárzás, ahogy az 1. ábrán látható) összegyűjtésére. Ahogyan egy szemetesládával több esőt lehet felfogni, mint egy kávéscsészével, úgy a nagy távcsövek is sokkal több fényt gyűjtenek össze, mint amennyire a szemünk képes. Másodszor, a távcsőhöz egy műszer van csatlakoztatva, amely a beérkező sugárzást hullámhossz szerint szortírozza. Néha a szortírozás meglehetősen durva. Például egyszerűen csak szét akarjuk választani a kék fényt a vörös fénytől, hogy meg tudjuk határozni egy csillag hőmérsékletét. Máskor viszont az egyes színképvonalakat szeretnénk látni, hogy meghatározzuk, miből áll egy objektum, vagy hogy megmérjük a sebességét (amint azt a Sugárzás és spektrumok fejezetben kifejtettük). Harmadszor, szükségünk van valamilyen detektorra, egy olyan eszközre, amely érzékeli a sugárzást az általunk kiválasztott hullámhosszú tartományokban, és tartósan rögzíti a megfigyeléseket.
1. ábra: Az Orion régiója különböző hullámhosszakon. Az égbolt ugyanazon része másképp néz ki, ha olyan műszerekkel figyeljük meg, amelyek a spektrum különböző sávjaira érzékenyek. (a) Látható fény: ez az Orion régió egy részét mutatja úgy, ahogy az emberi szem látja, szaggatott vonalakkal kiegészítve, hogy a mitikus vadász, az Orion alakja látható legyen. (b) Röntgensugárzás: itt a nézet a közeli pontszerű röntgenforrásokat hangsúlyozza. A színek mesterségesek, a röntgensugárzás energiájának növekedésével sárgáról fehérről kékre változnak. Az Orion fényes, forró csillagai még látszanak ezen a képen, de sok más, nagyon különböző távolságban lévő objektum is, köztük más csillagok, csillagtestek és a megfigyelhető világegyetem szélén lévő galaxisok. (c) Infravörös sugárzás: itt elsősorban az izzó port látjuk ebben a régióban. (credit a: Howard McCallon/NASA/IRAS munkájának módosítása; credit b: Howard McCallon/NASA/IRAS munkájának módosítása; credit c: Michael F. Corcoran munkájának módosítása)
A csillagászati távcsövek fejlődésének története arról szól, hogy az új technológiákat hogyan alkalmazták e három alapvető összetevő: a távcsövek, a hullámhossz-válogató berendezés és a detektorok hatékonyságának javítására. Nézzük először a távcső fejlődését.
Sok ősi kultúra épített speciális helyeket az égbolt megfigyelésére (2. ábra). Ezekben az ősi obszervatóriumokban meg tudták mérni az égi objektumok helyzetét, főként azért, hogy nyomon kövessék az időt és a dátumot. Sok ilyen ősi csillagvizsgálónak vallási és rituális funkciója is volt. A szem volt az egyetlen rendelkezésre álló eszköz a fény összegyűjtésére, a fény minden színét egyszerre figyelték meg, és a megfigyelések egyetlen maradandó feljegyzése úgy történt, hogy az emberek leírták vagy lerajzolták, amit láttak.
2. ábra: Két teleszkóp előtti obszervatórium. (a) Machu Picchu egy tizenötödik századi inka hely Peruban. (b) Stonehenge, egy őskori (Kr. e. 3000-2000) lelőhely, Angliában található. (credit a: Allard Schmidt munkájának módosítása)
Míg Hans Lippershey, Zaccharias Janssen és Jacob Metius nevéhez fűződik a távcső 1608 körüli feltalálása – heteken belül egymás után adták be a szabadalmi kérelmüket -, addig Galilei volt az, aki 1610-ben ezt az egyszerű, lencsékkel ellátott csövet (amit ő távcsőnek nevezett) arra használta, hogy megfigyelje az eget, és több fényt gyűjtsön, mint amennyire a szeme önmagában képes volt. Már az ő kis távcsöve is – amelyet sok éjszakán át használt – forradalmasította a bolygók természetéről és a Föld helyzetéről alkotott elképzeléseket.
Hogyan működnek a távcsövek
A távcsövek hosszú utat tettek meg Galilei kora óta. Ma már általában hatalmas eszközök; a legdrágábbak több százmillió és milliárd dollár közötti összegekbe kerülnek. (Hogy némi viszonyítási alapot adjunk, ne feledjük azonban, hogy csak az egyetemi futballstadionok felújítása általában több százmillió dollárba kerül – a legdrágább legutóbbi felújítás a Texas A&M University Kyle Fieldjén történt, és 450 millió dollárba került). A csillagászok azért építenek egyre nagyobb és nagyobb távcsöveket, mert az égi objektumok – például a bolygók, csillagok és galaxisok – sokkal több fényt küldenek a Földre, mint amennyit az emberi szem (a maga apró nyílásával) felfogni képes, és a nagyobb távcsövekkel a halványabb objektumok is észlelhetők. Ha valaha is figyelted a csillagokat egy baráti társasággal, akkor tudod, hogy a csillagok fénye bőven elegendő; mindegyikőtök minden csillagot láthat. Ha még ezer ember nézné, mindegyikük szintén elkapna valamennyit az egyes csillagok fényéből. Mégis, ami téged illet, az a fény, ami nem ragyog a szemedbe, kárba vész. Jó lenne, ha ennek az “elpazarolt” fénynek egy részét is fel lehetne fogni és a szemedbe juttatni. A távcső pontosan ezt teszi.
A távcső legfontosabb funkciói: (1) összegyűjti a csillagászati forrásból érkező halvány fényt, és (2) az összes fényt egy pontba vagy képbe fókuszálja. A csillagászok érdeklődésére számot tartó legtöbb objektum rendkívül halvány: minél több fényt tudunk összegyűjteni, annál jobban tudjuk tanulmányozni az ilyen objektumokat. (És ne feledjük, hogy bár először a látható fényre összpontosítunk, sok olyan távcső van, amely másfajta elektromágneses sugárzást is gyűjt.)
A látható sugárzást gyűjtő távcsövek lencsét vagy tükröt használnak a fény összegyűjtéséhez. Más típusú távcsövek olyan gyűjtőeszközöket használhatnak, amelyek nagyon másképp néznek ki, mint az általunk ismert lencsék és tükrök, de ugyanazt a funkciót szolgálják. A távcsövek minden típusánál a fénygyűjtő képességet a fénygyűjtő “vödörként” működő eszköz területe határozza meg. Mivel a legtöbb távcső tükörrel vagy lencsével rendelkezik, fénygyűjtő képességüket úgy tudjuk összehasonlítani, hogy összehasonlítjuk a nyílás átmérőjét, vagyis a nyílás átmérőjét, amelyen a fény áthalad vagy visszaverődik.
A nyílás méretével nő a távcső által összegyűjthető fény mennyisége. A telescope with a mirror that is 4 meters in diameter can collect 16 times as much light as a telescope that is 1 meter in diameter. (The diameter is squared because the area of a circle equals πd2/4, where d is the diameter of the circle.)
Example 1: Calculating the Light-Collecting Area
What is the area of a 1-m diameter telescope? A 4-m diameter one?
Check Your Learning
Show that the ratio of the two areas is 16:1.
Miután a távcső képet alkot, valamilyen módon érzékelnünk és rögzítenünk kell azt, hogy a képet különböző módon mérni, reprodukálni és elemezni tudjuk. A tizenkilencedik század előtt a csillagászok egyszerűen a szemükkel nézték a képeket, és leírást írtak arról, amit láttak. Ez nagyon kevéssé volt hatékony, és nem vezetett túl megbízható hosszú távú feljegyzéshez; a televíziós bűnügyi műsorokból tudjuk, hogy a szemtanúk beszámolói gyakran pontatlanok.
A tizenkilencedik században széles körben elterjedt a fényképezés. Akkoriban a fényképek egy kép kémiai rögzítését jelentették egy speciálisan kezelt üveglemezen. Manapság a képet általában a digitális fényképezőgépekhez hasonló érzékelőkkel érzékelik, elektronikusan rögzítik és számítógépekben tárolják. Ez az állandó felvétel aztán részletes és mennyiségi vizsgálatokhoz használható. A hivatásos csillagászok ritkán néznek át a kutatásaikhoz használt nagy távcsöveken.
Képalkotás lencsével vagy tükörrel
3. ábra: Képalkotás egy egyszerű lencsével. A távoli forrásból érkező párhuzamos sugarakat a domború lencse úgy hajlítja meg, hogy azok mind egyetlen helyen (a fókuszpontban) találkoznak, és így képet alkotnak.
Hogy akár viselsz szemüveget, akár nem, a világot lencséken keresztül látod; ezek a lencsék a szemed kulcsfontosságú elemei. A lencse egy átlátszó anyagdarab, amely elhajlítja a rajta áthaladó fénysugarakat. Ha a fénysugarak párhuzamosak, amikor belépnek, a lencse egy helyre tereli őket, hogy képet alkossanak (3. ábra). Ha a lencse felületének görbületei éppen megfelelőek, a párhuzamos fénysugarak (mondjuk egy csillagból) úgy hajlítódnak meg, vagy törnek meg, hogy egy pont, a lencse fókuszpontja felé konvergálnak. A fókuszban a fényforrás képe jelenik meg. Párhuzamos fénysugarak esetén a lencsétől a fénysugarak fókuszpontjának, vagyis a lencse mögötti képnek a távolságát nevezzük a lencse fókusztávolságának.
A 3. ábrát nézve felmerülhet benned a kérdés, hogy miért lehet két, ugyanabból a csillagból érkező fénysugár párhuzamos egymással. Hiszen ha minden irányban ragyogó csillagról rajzolsz egy képet, a csillagból érkező fénysugarak egyáltalán nem tűnnek párhuzamosnak. De ne feledjük, hogy a csillagok (és más csillagászati objektumok) mind rendkívül messze vannak. Mire a felénk irányított néhány fénysugár ténylegesen megérkezik a Földre, addigra gyakorlatilag párhuzamosak egymással. Másképpen fogalmazva, azok a sugarak, amelyek nem voltak párhuzamosak a Földre irányítottakkal, most az univerzumban valami egészen más irányba tartanak.
A távcső lencséje által alkotott kép megtekintéséhez egy további lencsét, az okulárt használjuk. Az okulár a képet olyan távolságra fókuszálja, amely vagy közvetlenül az ember által látható, vagy egy detektor számára megfelelő helyre. Különböző okulárok használatával megváltoztathatjuk a kép nagyítását (vagy méretét), és a fényt is átirányíthatjuk egy jobban elérhető helyre. A csillagok fénypontoknak tűnnek, és nagyításuk nem sokat számít, de egy bolygó vagy egy galaxis képe, amely struktúrával rendelkezik, gyakran profitálhat a nagyításból.
Sok ember, amikor a távcsőre gondol, egy hosszú csövet képzel el, amelynek egyik végén egy nagy üveglencse van. Ezt a kialakítást, amely a lencsét használja fő optikai elemként a kép kialakításához, amint azt már tárgyaltuk, refraktornak nevezzük (4. ábra), és az ilyen kialakításon alapuló távcsövet refraktív távcsőnek nevezzük. Galilei távcsövei refraktorok voltak, akárcsak a mai távcsövek és távcsövek. A fénytörő távcsövek méretének azonban van egy határa. A valaha épített legnagyobb egy 49 hüvelykes refraktor volt, amelyet az 1900-as párizsi kiállításra építettek, és a kiállítás után szétszerelték. Jelenleg a legnagyobb fénytörő távcső a wisconsini Yerkes Obszervatórium 40 hüvelykes refraktora.
4. ábra: Tükrös és tükrös távcsövek. A fény a fénytörő távcső felső végén lévő lencsén keresztül jut be, amely a távcső aljának közelében fókuszálja a fényt. Ezután egy okulár felnagyítja a képet, hogy szemmel is láthatóvá váljon, vagy egy fotólemezhez hasonló detektort helyezhetünk a fókuszba. A tükrös távcső felső vége nyitott, és a fény a távcső alján található tükörbe jut. A tükör ezután a fényt a felső végén fókuszálja, ahol az detektálható. Alternatív megoldásként, mint ezen a vázlaton, egy második tükör visszaveri a fényt a távcső szerkezetén kívüli helyre, ahol a megfigyelő könnyebben hozzáférhet. A hivatásos csillagászok távcsövei ennél bonyolultabbak, de ugyanazokat a reflexiós és fénytörési elveket követik.
A fénytörő távcsövek egyik problémája, hogy a fénynek át kell haladnia a refraktor lencséjén. Ez azt jelenti, hogy az üvegnek végig tökéletesnek kell lennie, és nagyon nehéznek bizonyult olyan nagy üvegdarabokat készíteni, amelyekben nincsenek hibák és buborékok. Az átlátszó anyagok optikai tulajdonságai is változnak egy kicsit a fény hullámhosszának (vagy színének) függvényében, így további torzulás lép fel, amelyet kromatikus aberrációnak nevezünk. Minden egyes hullámhossz kissé eltérő ponton fókuszál, ami miatt a kép homályosnak tűnik.
Ezeken kívül, mivel a fénynek át kell haladnia a lencsén, a lencse csak a széleinél tud megtámaszkodni (akárcsak a szemüvegünk keretei). A gravitációs erő hatására a nagyméretű lencse megereszkedik, és eltorzítja a fénysugarak útját, miközben áthaladnak rajta. Végül, mivel a fény áthalad rajta, a lencse mindkét oldalát pontosan a megfelelő alakúra kell gyártani ahhoz, hogy éles képet kapjunk.
A távcső egy másik típusa homorú főtükröt használ fő optikai elemként. A tükör görbe, mint egy gömb belső felülete, és visszaveri a fényt, hogy képet alkosson (4. ábra). A távcsőtükröket fényes fémmel, általában ezüsttel, alumíniummal vagy esetenként arannyal vonják be, hogy erősen tükröződővé tegyék őket. Ha a tükör megfelelő alakú, akkor minden párhuzamos sugár ugyanabba a pontba, a tükör fókuszába verődik vissza. Így a képeket a tükör pontosan úgy állítja elő, mint a lencse.
5. ábra. Fókuszelrendezések tükrös távcsövekhez: A tükrös távcsöveknél különböző lehetőségek vannak arra, hogy a fény hol kerül fókuszba. A főfókusz esetén a fényt ott észlelik, ahol az a főtükörről való visszaverődés után fókuszba kerül. Newton-fókusz esetén a fény egy kis másodlagos tükörről verődik vissza az egyik oldalra, ahol észlelhető (lásd még ). A legtöbb nagy professzionális távcső Cassegrain fókusszal rendelkezik, amelyben a fény a másodlagos tükörről a főtükrön lévő lyukon keresztül a távcső alatti megfigyelőállomásra verődik vissza.
A tükrökkel tervezett távcsövekkel elkerülhetők a fénytörő távcsövek problémái. Mivel a fény csak az elülső felületről verődik vissza, az üvegben lévő hibák és buborékok nem befolyásolják a fény útját. A tükrökkel tervezett távcsöveknél csak az elülső felületet kell pontos formára gyártani, és a tükör hátulról is alátámasztható. Ezen okok miatt a legtöbb mai csillagászati távcső (amatőr és professzionális egyaránt) lencse helyett tükröt használ a kép kialakításához; az ilyen típusú távcsövet tükrös távcsőnek nevezik. Az első sikeres tükrös távcsövet Isaac Newton építette 1668-ban.
A tükrös távcsőben a homorú tükör egy cső vagy nyitott keret alján helyezkedik el. A tükör visszatükrözi a fényt a csőben, hogy az elülső végéhez közel, a fókuszpontnak nevezett helyen képet alkosson. A képet a főfókuszban lehet megfigyelni, vagy további tükrökkel meg lehet fogni a fényt, és át lehet irányítani egy olyan helyre, ahol a megfigyelő könnyebben láthatja (5. ábra). Mivel a csillagász a főfókuszban a főtükörre érkező fény nagy részét elzárhatja, egy kis másodlagos tükör használatával több fény juthat át a rendszeren.
A saját távcső kiválasztása
Ha a csillagászati kurzus, amelyen részt vesz, kedvet csinál az égbolt további felfedezéséhez, akkor talán saját távcső vásárlásán gondolkodik. Számos kiváló amatőr távcső áll rendelkezésre, és némi kutatásra van szükség ahhoz, hogy megtaláld az igényeidnek legmegfelelőbb modellt. A személyes távcsövekkel kapcsolatos információk jó forrása az amatőr csillagászoknak szóló két népszerű amerikai magazin: Sky & Telescope és Astronomy. Mindkettő rendszeresen közöl cikkeket tanácsokkal, ismertetőkkel és neves távcső-kereskedők hirdetéseivel.
Az Ön preferenciáitól függ, hogy melyik távcső a megfelelő az Ön számára:
- A távcsövet egy helyen fogja felállítani és otthagyni, vagy olyan műszert szeretne, amely hordozható és magával viheti a szabadtéri kirándulásokra? Mennyire legyen hordozható a mérete és a súlya szempontjából?
- Az égboltot csak a szemével szeretné megfigyelni, vagy fotózni is szeretne? (A hosszú expozíciós fotózás például jó óraműhajtást igényel, hogy a távcsövet elfordítsa a Föld forgásának kiegyenlítése érdekében)
- Milyen típusú objektumokat fog megfigyelni? Elsősorban üstökösök, bolygók, csillaghalmazok vagy galaxisok érdeklik, vagy mindenféle égi látványosságot szeretne megfigyelni?
Ezek közül néhány kérdésre talán még nem tudja a választ. Emiatt lehet, hogy először néhány távcsövet szeretne “kipróbálni”. A legtöbb közösségben vannak amatőr csillagászati klubok, amelyek a nyilvánosság számára nyitott csillagpartikat szponzorálnak. Ezeknek a kluboknak a tagjai gyakran sokat tudnak a távcsövekről, és megoszthatják önnel az ötleteiket. Az oktatója talán tudja, hol találkozik a legközelebbi amatőrcsillagászati klub; vagy a B. függelékben javasolt weboldalak segítségével találhat egy önhöz közeli klubot.
Ezeken túlmenően lehet, hogy már van otthon egy olyan műszere, mint például egy távcső (vagy egy rokon vagy barát révén hozzáférhet egyhez). Sok amatőr csillagász azt ajánlja, hogy az égbolt felmérését egy jó távcsővel kezdje. Ezeket könnyen magunkkal vihetjük, és sok olyan objektumot megmutathatunk velük, amelyek szabad szemmel nem láthatók (vagy nem tiszták).
Ha készen áll egy távcső megvásárlására, hasznosnak találhatja a következő gondolatokat:
- A távcső legfontosabb jellemzője a főtükör vagy a lencse apertúrája; amikor valaki azt mondja, hogy 6 hüvelykes vagy 8 hüvelykes távcsöve van, akkor a gyűjtőfelület átmérőjére gondol. Minél nagyobb a rekesznyílás, annál több fényt lehet összegyűjteni, és annál halványabb objektumokat lehet látni vagy fényképezni.
- A lencséket (refraktorokat) használó, adott rekesznyílású távcsövek általában drágábbak, mint a tükröket (reflektorokat) használók, mivel a lencsék mindkét oldalát nagy pontossággal kell csiszolni. És mivel a fény áthalad rajta, a lencsének végig kiváló minőségű üvegből kell készülnie. Ezzel szemben egy tükörnek csak az elülső felületét kell pontosan csiszolni.
- A nagyítás nem az egyik olyan kritérium, amelyre a távcső kiválasztása alapozható. Mint megbeszéltük, a kép nagyítása egy kisebb okulárral történik, így a nagyítás okulárcserével állítható. Egy távcső azonban nem csak a megfigyelt csillagászati objektumot nagyítja fel, hanem a Föld légkörének turbulenciáját is. Ha a nagyítás túl nagy, a képe csillogni és remegni fog, és nehezen lesz látható. Egy jó távcsőhöz többféle okulár tartozik, amelyek a hasznos nagyítás tartományán belül maradnak.
- A távcső foglalata (a szerkezet, amelyen nyugszik) az egyik legkritikusabb eleme. Mivel egy távcső egy apró látómezőt mutat, amelyet jelentősen felnagyítanak, a távcső legkisebb rezgése vagy rázkódása is elmozdíthatja a megfigyelt objektumot a látómező körül vagy a látómezőből. Komoly megfigyeléshez vagy fényképezéshez elengedhetetlen egy stabil és stabil tartó (bár ez egyértelműen befolyásolja, hogy mennyire hordozható a távcső).
- A távcső beállítása és hatékony használata némi gyakorlatot igényel. Ne várja el, hogy minden tökéletesen menjen az első próbálkozásra. Szánjon egy kis időt az utasítások elolvasására. Ha van a közelben egy helyi amatőrcsillagászati klub, használd forrásként.
A távcső összegyűjti a csillagászati forrásokból érkező halvány fényt, és fókuszba állítja, ahol egy műszer hullámhossz szerint szétválogatja a fényt. A fényt ezután egy detektorra irányítják, ahol állandó felvétel készül. A távcső fénygyűjtő erejét az apertúra vagy nyílás átmérője határozza meg, vagyis a legnagyobb vagy elsődleges lencse vagy tükör területe. A távcső elsődleges optikai eleme vagy egy domború lencse (fénytörő távcsőben) vagy egy homorú tükör (reflektorban), amely a fényt fókuszba állítja. A legtöbb nagy távcső reflektor; a nagy tükröket könnyebb legyártani és megtámasztani, mert a fénynek nem kell üveglapon áthaladnia.
Glosszárium
apertúra: a távcső elsődleges lencséjének vagy tükrének átmérője
kromatikus aberráció: torzítás, amely miatt a kép homályosnak tűnik, amikor egy átlátszó anyagba érkező minden egyes hullámhossz más-más ponton fókuszál
detektor: Az elektromágneses sugárzásra érzékeny eszköz, amely a csillagászati megfigyelésekről felvételt készít
szemüveg: a távcső objektívje vagy főtükre által keltett kép megtekintésére használt nagyító lencse
fókusz: (távcsőben) az a pont, ahol a tükör vagy lencse által összefogott fénysugarak találkoznak
fókuszpont: a távcső azon pontja, ahol az objektív vagy a főtükör a fényt fókuszálja
tükrös távcső: olyan távcső, amelyben a fő fénygyűjtő egy homorú tükör
törő távcső: olyan távcső, amelyben a fő fénygyűjtő egy lencse vagy lencserendszer
teleszkóp: a látható fény vagy más elektromágneses sugárzás összegyűjtésére szolgáló eszköz