Obiective de învățare
Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți fi capabili să:
- Descrieți cele trei componente de bază ale unui sistem modern de măsurare a surselor astronomice
- Descrieți principalele funcții ale unui telescop
- Descrieți cele două tipuri de bază de telescoape pentru lumină vizibilă și modul în care acestea formează imagini
Sisteme de măsurare a radiației
Există trei componente de bază ale unui sistem modern de măsurare a radiației provenite din surse astronomice. În primul rând, există un telescop, care servește ca o „găleată” pentru colectarea luminii vizibile (sau a radiației la alte lungimi de undă, așa cum se arată în figura 1. La fel cum puteți prinde mai multă ploaie cu o pubelă de gunoi decât cu o ceașcă de cafea, telescoapele mari adună mult mai multă lumină decât poate ochiul dumneavoastră. În al doilea rând, există un instrument atașat la telescop care sortează radiația primită în funcție de lungimea de undă. Uneori, sortarea este destul de rudimentară. De exemplu, am putea dori pur și simplu să separăm lumina albastră de cea roșie pentru a putea determina temperatura unei stele. Alteori, însă, dorim să vedem liniile spectrale individuale pentru a determina din ce este alcătuit un obiect sau pentru a-i măsura viteza (după cum se explică în capitolul Radiații și spectre). În al treilea rând, avem nevoie de un anumit tip de detector, un dispozitiv care detectează radiația în regiunile de lungime de undă pe care le-am ales și înregistrează permanent observațiile.
Figura 1: Regiunea Orion la diferite lungimi de undă. Aceeași parte a cerului arată diferit atunci când este observată cu instrumente care sunt sensibile la diferite benzi ale spectrului. (a) Lumina vizibilă: aceasta arată o parte din regiunea Orion așa cum o vede ochiul uman, cu linii punctate adăugate pentru a arăta figura vânătorului mitic, Orion. (b) Raze X: aici, vederea evidențiază sursele punctiforme de raze X din apropiere. Culorile sunt artificiale, trecând de la galben la alb la albastru odată cu creșterea energiei razelor X. Stelele luminoase și fierbinți din Orion sunt încă vizibile în această imagine, dar și multe alte obiecte situate la distanțe foarte diferite, inclusiv alte stele, corpuri stelare și galaxii de la marginea universului observabil. (c) Radiație în infraroșu: aici se vede în principal praful incandescent din această regiune. (credit a: modificare a lucrării de Howard McCallon/NASA/IRAS; credit b: modificare a lucrării de Howard McCallon/NASA/IRAS; credit c: modificare a lucrării de Michael F. Corcoran)
Istoria dezvoltării telescoapelor astronomice se referă la modul în care noile tehnologii au fost aplicate pentru a îmbunătăți eficiența acestor trei componente de bază: telescoapele, dispozitivul de sortare a lungimilor de undă și detectoarele. Să ne uităm mai întâi la dezvoltarea telescopului.
Multe culturi antice au construit locuri speciale pentru observarea cerului (Figura 2). În aceste observatoare antice, ele puteau măsura pozițiile obiectelor cerești, mai ales pentru a ține evidența timpului și a datei. Multe dintre aceste observatoare antice aveau, de asemenea, funcții religioase și rituale. Ochiul era singurul dispozitiv disponibil pentru a aduna lumina, toate culorile din lumină erau observate deodată, iar singura înregistrare permanentă a observațiilor era făcută de ființe umane care scriau sau schițau ceea ce vedeau.
Figura 2: Două observatoare pretelescopice. (a) Machu Picchu este un sit incaș din secolul al XV-lea situat în Peru. (b) Stonehenge, un sit preistoric (3000-2000 î.Hr.), este situat în Anglia. (credit a: modificare a lucrării lui Allard Schmidt)
În timp ce Hans Lippershey, Zaccharias Janssen și Jacob Metius sunt cu toții creditați cu inventarea telescopului în jurul anului 1608 – depunând cereri de brevete la câteva săptămâni distanță unul de celălalt – Galileo a fost cel care, în 1610, a folosit acest simplu tub cu lentile (pe care l-a numit luneta) pentru a observa cerul și a aduna mai multă lumină decât puteau face doar ochii săi. Chiar și micul său telescop – folosit timp de mai multe nopți – a revoluționat ideile despre natura planetelor și poziția Pământului.
Cum funcționează telescoapele
Telescoapele au parcurs un drum lung de pe vremea lui Galileo. Acum tind să fie dispozitive uriașe; cele mai scumpe costă între sute de milioane și miliarde de dolari. (Totuși, pentru a oferi un punct de referință, rețineți că doar renovarea stadioanelor de fotbal universitar costă, de obicei, sute de milioane de dolari – cea mai scumpă renovare recentă, la Kyle Field al Universității Texas A&M, a costat 450 de milioane de dolari). Motivul pentru care astronomii continuă să construiască telescoape din ce în ce mai mari este acela că obiectele cerești – cum ar fi planetele, stelele și galaxiile – trimit spre Pământ mult mai multă lumină decât poate capta orice ochi uman (cu deschiderea sa minusculă), iar telescoapele mai mari pot detecta obiecte mai slabe. Dacă ați privit vreodată stelele împreună cu un grup de prieteni, știți că există destulă lumină stelară pentru toată lumea; fiecare dintre voi poate vedea fiecare dintre stele. Dacă încă o mie de oameni s-ar uita, fiecare dintre ei ar capta, de asemenea, o parte din lumina fiecărei stele. Cu toate acestea, în ceea ce te privește, lumina care nu strălucește în ochiul tău este irosită. Ar fi minunat dacă o parte din această lumină „irosită” ar putea fi, de asemenea, captată și adusă în ochiul dumneavoastră. Acesta este exact ceea ce face un telescop.
Cele mai importante funcții ale unui telescop sunt (1) colectarea luminii slabe de la o sursă astronomică și (2) concentrarea întregii lumini într-un punct sau într-o imagine. Majoritatea obiectelor de interes pentru astronomi sunt extrem de slabe: cu cât putem colecta mai multă lumină, cu atât putem studia mai bine astfel de obiecte. (Și nu uitați, chiar dacă ne concentrăm mai întâi pe lumina vizibilă, există multe telescoape care colectează alte tipuri de radiații electromagnetice.)
Telescoapele care colectează radiația vizibilă folosesc o lentilă sau o oglindă pentru a colecta lumina. Alte tipuri de telescoape pot folosi dispozitive de colectare care arată foarte diferit de lentilele și oglinzile cu care suntem familiarizați, dar ele îndeplinesc aceeași funcție. În toate tipurile de telescoape, capacitatea de colectare a luminii este determinată de suprafața dispozitivului care acționează ca „găleată” de colectare a luminii. Deoarece majoritatea telescoapelor au oglinzi sau lentile, putem compara puterea lor de colectare a luminii comparând deschiderile, sau diametrele deschiderii prin care călătorește sau se reflectă lumina.
Cantitatea de lumină pe care o poate colecta un telescop crește odată cu mărimea deschiderii. 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.
După ce telescopul formează o imagine, avem nevoie de o modalitate de a o detecta și înregistra, astfel încât să putem măsura, reproduce și analiza imaginea în diferite moduri. Înainte de secolul al XIX-lea, astronomii pur și simplu priveau imaginile cu ochii lor și scriau descrieri ale ceea ce vedeau. Acest lucru era foarte ineficient și nu ducea la o înregistrare foarte fiabilă pe termen lung; știți, din emisiunile polițiste de la televizor, că relatările martorilor oculari sunt adesea inexacte.
În secolul al XIX-lea, utilizarea fotografiei a devenit foarte răspândită. În acele vremuri, fotografiile erau o înregistrare chimică a unei imagini pe o placă de sticlă special tratată. Astăzi, imaginea este, în general, detectată cu ajutorul unor senzori asemănători celor din camerele digitale, înregistrată electronic și stocată în computere. Această înregistrare permanentă poate fi apoi utilizată pentru studii detaliate și cantitative. Astronomii profesioniști rareori privesc prin telescoapele mari pe care le folosesc pentru cercetările lor.
Formarea unei imagini de către o lentilă sau o oglindă
Figura 3: Formarea unei imagini de către o lentilă simplă. Razele paralele provenite de la o sursă îndepărtată sunt curbate de lentila convexă astfel încât toate să se întâlnească într-un singur loc (focarul) pentru a forma o imagine.
Chiar dacă purtați sau nu ochelari, vedeți lumea prin intermediul lentilelor; acestea sunt elemente cheie ale ochilor dumneavoastră. O lentilă este o bucată de material transparent care curbează razele de lumină care trec prin ea. Dacă razele de lumină sunt paralele în momentul în care intră, lentila le reunește într-un singur loc pentru a forma o imagine (figura 3). Dacă curburile suprafețelor lentilelor sunt corecte, toate razele de lumină paralele (de exemplu, de la o stea) sunt îndoite sau refractate în așa fel încât converg spre un punct, numit focar al lentilei. La focar, apare o imagine a sursei de lumină. În cazul razelor de lumină paralele, distanța de la lentilă până la locul în care razele de lumină se focalizează, sau imaginea, în spatele lentilei se numește distanța focală a lentilei.
Cum priviți figura 3, vă puteți întreba de ce două raze de lumină provenite de la aceeași stea ar fi paralele între ele. La urma urmei, dacă desenați o imagine a stelei care strălucește în toate direcțiile, razele de lumină care vin de la stea nu par deloc paralele. Dar nu uitați că stelele (și alte obiecte astronomice) sunt toate extrem de îndepărtate. În momentul în care cele câteva raze de lumină îndreptate spre noi ajung efectiv pe Pământ, ele sunt, în toate scopurile practice, paralele între ele. Altfel spus, orice raze care nu erau paralele cu cele îndreptate spre Pământ se îndreaptă acum într-o direcție foarte diferită în univers.
Pentru a vizualiza imaginea formată de lentila unui telescop, folosim o lentilă suplimentară numită ocular. Ocularul focalizează imaginea la o distanță care este fie direct vizibilă de către un om, fie la un loc convenabil pentru un detector. Utilizând oculare diferite, putem modifica mărirea (sau dimensiunea) imaginii și, de asemenea, putem redirecționa lumina către un loc mai accesibil. Stelele arată ca niște puncte de lumină, iar mărirea lor face puțină diferență, dar imaginea unei planete sau a unei galaxii, care are structură, poate beneficia adesea de mărire.
Mulți oameni, atunci când se gândesc la un telescop, își imaginează un tub lung cu o lentilă mare de sticlă la un capăt. Acest model, care folosește o lentilă ca principal element optic pentru a forma o imagine, așa cum am discutat, este cunoscut sub numele de refractor (figura 4), iar un telescop bazat pe acest model se numește telescop refractor. Telescoapele lui Galileo erau refractoare, la fel ca și binoclurile și ochelarii de câmp de astăzi. Cu toate acestea, există o limită în ceea ce privește dimensiunea unui telescop refractant. Cel mai mare telescop construit vreodată a fost un refractor de 49 de inci construit pentru Expoziția de la Paris din 1900, iar acesta a fost demontat după Expoziție. În prezent, cel mai mare telescop refractant este refractorul de 40 de inch de la Observatorul Yerkes din Wisconsin.
Figura 4: Telescoapele cu reflexie și cu refracție. Lumina intră într-un telescop refractant printr-o lentilă la capătul superior, care focalizează lumina în apropierea părții inferioare a telescopului. Un ocular mărește apoi imaginea astfel încât aceasta să poată fi vizualizată cu ochiul liber sau un detector, cum ar fi o placă fotografică, poate fi plasat la focar. Capătul superior al unui telescop reflector este deschis, iar lumina trece prin el spre oglinda situată în partea de jos a telescopului. Oglinda focalizează apoi lumina la capătul superior, unde aceasta poate fi detectată. Alternativ, ca în această schiță, o a doua oglindă poate reflecta lumina într-o poziție în afara structurii telescopului, unde un observator poate avea acces mai ușor la ea. Telescoapele astronomilor profesioniști sunt mai complicate decât aceasta, dar ele urmează aceleași principii de reflexie și refracție.
O problemă cu un telescop refractor este că lumina trebuie să treacă prin lentila unui refractor. Asta înseamnă că sticla trebuie să fie perfectă până la capăt, iar acest lucru s-a dovedit a fi foarte dificil de realizat bucăți mari de sticlă fără defecte și bule în ele. De asemenea, proprietățile optice ale materialelor transparente se modifică puțin în funcție de lungimile de undă (sau culorile) ale luminii, astfel încât există o anumită distorsiune suplimentară, cunoscută sub numele de aberație cromatică. Fiecare lungime de undă se focalizează într-un punct ușor diferit, ceea ce face ca imaginea să pară neclară.
În plus, deoarece lumina trebuie să treacă prin lentilă, aceasta nu poate fi susținută decât în jurul marginilor sale (la fel ca ramele ochelarilor noștri). Forța gravitației va face ca o lentilă mare să se încovoaie și să distorsioneze traiectoria razelor de lumină în timp ce acestea trec prin ea. În cele din urmă, deoarece lumina trece prin ea, ambele părți ale lentilei trebuie să fie fabricate exact în forma corectă pentru a produce o imagine clară.
Un alt tip de telescop utilizează o oglindă primară concavă ca element optic principal. Oglinda este curbată ca suprafața interioară a unei sfere și reflectă lumina pentru a forma o imagine (figura 4). Oglinzile telescoapelor sunt acoperite cu un metal strălucitor, de obicei argint, aluminiu sau, ocazional, aur, pentru a le face foarte reflectorizante. Dacă oglinda are forma corectă, toate razele paralele sunt reflectate în același punct, focarul oglinzii. Astfel, imaginile sunt produse de o oglindă exact așa cum sunt produse de o lentilă.
Figura 5. Dispunerea focalizării pentru telescoapele cu reflexie: Telescoapele reflectorizante au diferite opțiuni pentru locul în care lumina este adusă la focar. În cazul focalizării primare, lumina este detectată acolo unde ajunge la focalizare după ce este reflectată de oglinda primară. În cazul focalizării newtoniene, lumina este reflectată de o oglindă secundară mică într-o parte, unde poate fi detectată (a se vedea și ). Majoritatea telescoapelor profesionale mari au o focalizare Cassegrain, în care lumina este reflectată de oglinda secundară în jos, printr-o gaură din oglinda primară, către o stație de observare aflată sub telescop.
Telescoapele proiectate cu oglinzi evită problemele telescoapelor cu refracție. Deoarece lumina este reflectată doar de pe suprafața frontală, defectele și bulele din sticlă nu afectează traseul luminii. La un telescop proiectat cu oglinzi, doar suprafața frontală trebuie să fie fabricată într-o formă precisă, iar oglinda poate fi susținută din spate. Din aceste motive, majoritatea telescoapelor astronomice din zilele noastre (atât cele de amatori, cât și cele profesionale) folosesc o oglindă mai degrabă decât o lentilă pentru a forma o imagine; acest tip de telescop se numește telescop reflector. Primul telescop cu reflexie reușit a fost construit de Isaac Newton în 1668.
Într-un telescop cu reflexie, oglinda concavă este plasată în partea de jos a unui tub sau a unui cadru deschis. Oglinda reflectă lumina înapoi în tub pentru a forma o imagine lângă capătul din față, într-un loc numit focar principal. Imaginea poate fi observată la focarul principal, sau oglinzi suplimentare pot intercepta lumina și o pot redirecționa către o poziție în care observatorul o poate vedea mai ușor (figura 5). Deoarece un astronom aflat la focarul principal poate bloca o mare parte din lumina care ajunge la oglinda principală, utilizarea unei oglinzi secundare de mici dimensiuni permite ca mai multă lumină să treacă prin sistem.
Celectarea propriului telescop
Dacă cursul de astronomie pe care îl urmați vă trezește apetitul de a explora cerul mai departe, este posibil să vă gândiți să vă cumpărați propriul telescop. Sunt disponibile multe telescoape excelente pentru amatori și este necesară o anumită cercetare pentru a găsi cel mai bun model pentru nevoile dumneavoastră. Unele surse bune de informații despre telescoapele personale sunt cele două reviste populare din SUA destinate astronomilor amatori: Sky & Telescope și Astronomy. Ambele publică în mod regulat articole cu sfaturi, recenzii și reclame de la comercianți de telescoape de renume.
Câțiva dintre factorii care determină ce telescop este potrivit pentru dumneavoastră depind de preferințele dumneavoastră:
- Vreți să instalați telescopul într-un singur loc și să îl lăsați acolo, sau doriți un instrument care să fie portabil și să poată veni cu dumneavoastră în excursii în aer liber? Cât de portabil ar trebui să fie, din punct de vedere al mărimii și greutății?
- Doriți să observați cerul doar cu ochii, sau doriți să faceți fotografii? (Fotografia cu expunere lungă, de exemplu, necesită o unitate de ceas bună pentru a roti telescopul pentru a compensa rotația Pământului.)
- Ce tipuri de obiecte veți observa? Sunteți interesat în primul rând de comete, planete, roiuri de stele sau galaxii, sau doriți să observați toate tipurile de priveliști cerești?
Este posibil să nu cunoașteți încă răspunsurile la unele dintre aceste întrebări. Din acest motiv, este posibil să doriți să „testați” mai întâi câteva telescoape. Majoritatea comunităților au cluburi de astronomie pentru amatori care sponsorizează petreceri stelare deschise publicului. Membrii acestor cluburi știu adesea multe despre telescoape și vă pot împărtăși ideile lor. Este posibil ca instructorul dumneavoastră să știe unde se întâlnește cel mai apropiat club de astronomie pentru amatori; sau, pentru a găsi un club în apropierea dumneavoastră, utilizați site-urile web sugerate în Anexa B.
În plus, este posibil să aveți deja acasă un instrument precum un telescop (sau să aveți acces la unul prin intermediul unei rude sau al unui prieten). Mulți astronomi amatori recomandă să vă începeți studiul cerului cu o pereche bună de binocluri. Acestea sunt ușor de transportat și vă pot arăta multe obiecte care nu sunt vizibile (sau clare) cu ochiul liber.
Când sunteți gata să achiziționați un telescop, s-ar putea să vă fie utile următoarele idei:
- Caracteristica cheie a unui telescop este deschiderea oglinzii principale sau a lentilei; când cineva spune că are un telescop de 6 sau 8 inci, se referă la diametrul suprafeței colectoare. Cu cât este mai mare deschiderea, cu atât mai multă lumină se poate colecta și cu atât mai slabe sunt obiectele pe care le puteți vedea sau fotografia.
- Telescoapele cu o anumită deschidere care folosesc lentile (refractoare) sunt de obicei mai scumpe decât cele care folosesc oglinzi (reflectoare), deoarece ambele părți ale unei lentile trebuie să fie lustruite cu mare precizie. Și, deoarece lumina trece prin ea, lentila trebuie să fie fabricată integral din sticlă de înaltă calitate. În schimb, doar suprafața frontală a unei oglinzi trebuie să fie lustruită cu precizie.
- Magnificarea nu este unul dintre criteriile pe care să vă bazați alegerea unui telescop. După cum am discutat, mărirea imaginii se face cu ajutorul unui ocular mai mic, astfel încât mărirea poate fi ajustată prin schimbarea ocularului. Cu toate acestea, un telescop va mări nu numai obiectul astronomic pe care îl observați, ci și turbulențele din atmosfera terestră. Dacă mărirea este prea mare, imaginea dvs. va străluci și se va agita și va fi dificil de vizualizat. Un telescop bun va fi livrat cu o varietate de oculare care să rămână în intervalul de mărire utilă.
- Montatura unui telescop (structura pe care se sprijină) este unul dintre elementele sale cele mai critice. Deoarece un telescop arată un câmp vizual minuscul, care este mărit semnificativ, chiar și cea mai mică vibrație sau zdruncinătură a telescopului poate muta obiectul pe care îl vizualizați în jurul sau în afara câmpului vizual. O montură robustă și stabilă este esențială pentru vizionarea sau fotografierea serioasă (deși afectează în mod clar cât de portabil poate fi telescopul dvs.).
- Un telescop necesită o anumită practică pentru a fi configurat și utilizat în mod eficient. Nu vă așteptați ca totul să meargă perfect din prima încercare. Luați-vă ceva timp pentru a citi instrucțiunile. Dacă un club local de astronomie pentru amatori se află în apropiere, folosiți-l ca resursă.
Un telescop colectează lumina slabă de la sursele astronomice și o aduce la un focar, unde un instrument poate sorta lumina în funcție de lungimea de undă. Lumina este apoi direcționată către un detector, unde se face o înregistrare permanentă. Puterea de colectare a luminii a unui telescop este determinată de diametrul diafragmei sau al deschiderii sale, adică de suprafața celei mai mari sau primare lentile sau oglinzi. Elementul optic primar al unui telescop este fie o lentilă convexă (în cazul unui telescop refractor), fie o oglindă concavă (în cazul unui reflector) care focalizează lumina. Majoritatea telescoapelor mari sunt reflectoare; este mai ușor de fabricat și de susținut oglinzile mari, deoarece lumina nu trebuie să treacă prin sticlă.
Glosar
deschidere: diametrul lentilei primare sau al oglinzii unui telescop
aberație cromatică: distorsiune care face ca o imagine să apară neclară atunci când fiecare lungime de undă care intră într-un material transparent se focalizează într-un punct diferit
detector: dispozitiv sensibil la radiațiile electromagnetice care înregistrează observațiile astronomice
ochiul: lentilă de mărire folosită pentru a vizualiza imaginea produsă de obiectivul sau oglinda primară a unui telescop
focalizare: (al telescopului) punctul în care se întâlnesc razele de lumină convergente de o oglindă sau de o lentilă
focalizare primară: punctul unui telescop în care obiectivul sau oglinda primară focalizează lumina
telescop cu reflexie: telescop în care principalul colector de lumină este o oglindă concavă
telescop cu refracție: telescop în care principalul colector de lumină este o lentilă sau un sistem de lentile
telescop: instrument pentru colectarea luminii vizibile sau a altor radiații electromagnetice
.