Lärandemål
I slutet av detta avsnitt kommer du att kunna:
- Beskriv de tre grundläggande komponenterna i ett modernt system för mätning av astronomiska källor
- Beskriv de viktigaste funktionerna hos ett teleskop
- Beskriv de två grundläggande typerna av teleskop för synligt ljus och hur de bildar bilder
System för mätning av strålning
Det finns tre grundläggande komponenter i ett modernt system för mätning av strålning från astronomiska källor. För det första finns det ett teleskop, som fungerar som en ”hink” för att samla in synligt ljus (eller strålning vid andra våglängder, vilket visas i figur 1). Precis som du kan fånga mer regn med en soptunna än med en kaffekopp, samlar stora teleskop in mycket mer ljus än vad ditt öga kan. För det andra finns det ett instrument som är fäst vid teleskopet och som sorterar den inkommande strålningen efter våglängd. Ibland är sorteringen ganska grov. Till exempel kan vi helt enkelt vilja separera blått ljus från rött ljus så att vi kan bestämma temperaturen på en stjärna. Men vid andra tillfällen vill vi se enskilda spektrallinjer för att avgöra vad ett föremål består av, eller för att mäta dess hastighet (vilket förklaras i kapitlet Strålning och spektrum). För det tredje behöver vi någon typ av detektor, en anordning som känner av strålningen i de våglängdsområden vi har valt och som permanent registrerar observationerna.
Figur 1: Orionregionen vid olika våglängder. Samma del av himlen ser olika ut när den observeras med instrument som är känsliga för olika band i spektrumet. (a) Synligt ljus: Detta visar en del av Orionregionen så som det mänskliga ögat ser den, med streckade linjer som lagts till för att visa figuren av den mytiska jägaren Orion. (b) Röntgenstrålning: Här framhäver vyn de punktliknande röntgenkällorna i närheten. Färgerna är konstgjorda och skiftar från gult till vitt till blått med ökande energi hos röntgenstrålarna. De ljusa, heta stjärnorna i Orion syns fortfarande på den här bilden, men det gör också många andra objekt som befinner sig på mycket olika avstånd, inklusive andra stjärnor, stjärnkroppar och galaxer i utkanten av det observerbara universum. (c) Infraröd strålning: Här ser vi främst det glödande dammet i denna region. (kredit a: ändring av arbete av Howard McCallon/NASA/IRAS; kredit b: ändring av arbete av Howard McCallon/NASA/IRAS; kredit c: ändring av arbete av Michael F. Corcoran)
Historien om utvecklingen av astronomiska teleskop handlar om hur ny teknik har tillämpats för att förbättra effektiviteten hos dessa tre grundläggande komponenter: teleskopen, våglängdsorteringsanordningen och detektorerna. Låt oss först titta på teleskopets utveckling.
Många forntida kulturer byggde särskilda platser för att observera himlen (figur 2). Vid dessa forntida observatorier kunde de mäta himlaobjektens positioner, oftast för att hålla reda på tid och datum. Många av dessa forntida observatorier hade också religiösa och rituella funktioner. Ögat var den enda anordning som fanns tillgänglig för att samla in ljus, alla färger i ljuset observerades samtidigt och den enda permanenta registreringen av observationerna gjordes av människor som skrev ner eller skissade vad de såg.
Figur 2: Två pre-teleskopiska observatorier. (a) Machu Picchu är en inka-station från femtonde århundradet som ligger i Peru. (b) Stonehenge, en förhistorisk plats (3000-2000 f.Kr.), ligger i England. (kredit a: modifiering av arbete av Allard Schmidt)
Men även om Hans Lippershey, Zaccharias Janssen och Jacob Metius alla tillskrivs uppfinningen av teleskopet runt 1608 och ansökte om patent inom några veckor efter varandra var det Galileo som 1610 använde detta enkla rör med linser (som han kallade spionglas) för att observera himlen och samla in mer ljus än vad hans ögon ensamma kunde göra. Även hans lilla teleskop – som han använde under många nätter – revolutionerade idéerna om planeternas natur och jordens position.
Hur teleskop fungerar
Teleskop har kommit långt sedan Galileos tid. Nu tenderar de att vara enorma apparater; de dyraste kostar hundratals miljoner till miljarder dollar. (För att ge en viss referenspunkt kan man dock komma ihåg att bara en renovering av fotbollsarenor på universitet vanligtvis kostar hundratals miljoner dollar – den dyraste renoveringen nyligen, vid Texas A&M University’s Kyle Field, kostade 450 miljoner dollar). Anledningen till att astronomer fortsätter att bygga större och större teleskop är att himmelsobjekt – såsom planeter, stjärnor och galaxer – sänder mycket mer ljus till jorden än vad ett mänskligt öga (med sin lilla öppning) kan fånga upp, och större teleskop kan upptäcka svagare objekt. Om du någonsin har tittat på stjärnorna tillsammans med en grupp vänner vet du att det finns gott om stjärnljus att fördela; var och en av er kan se var och en av stjärnorna. Om ytterligare tusen personer tittade skulle var och en av dem också fånga upp en del av varje stjärnas ljus. Ändå är det ljus som inte lyser in i ditt öga för dig bortkastat. Det skulle vara bra om en del av detta ”bortkastade” ljus också kunde fångas upp och föras till ditt öga. Detta är precis vad ett teleskop gör.
De viktigaste funktionerna hos ett teleskop är (1) att samla in det svaga ljuset från en astronomisk källa och (2) att fokusera allt ljus till en punkt eller en bild. De flesta objekt av intresse för astronomer är extremt svaga: ju mer ljus vi kan samla in, desto bättre kan vi studera sådana objekt. (Och kom ihåg att även om vi först fokuserar på synligt ljus finns det många teleskop som samlar in andra typer av elektromagnetisk strålning.)
Teleskop som samlar in synlig strålning använder en lins eller spegel för att samla in ljuset. Andra typer av teleskop kan använda uppsamlingsanordningar som ser väldigt annorlunda ut än de linser och speglar som vi är bekanta med, men de fyller samma funktion. I alla typer av teleskop bestäms ljusinsamlingsförmågan av ytan på den anordning som fungerar som ljusinsamlande ”hink”. Eftersom de flesta teleskop har speglar eller linser kan vi jämföra deras ljusinsamlingsförmåga genom att jämföra öppningarna, eller diametrarna, för den öppning genom vilken ljuset färdas eller reflekteras.
Mängden ljus som ett teleskop kan samla in ökar med storleken på öppningen. 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.
När teleskopet bildar en bild behöver vi något sätt att upptäcka och registrera den så att vi kan mäta, reproducera och analysera bilden på olika sätt. Före 1800-talet betraktade astronomer helt enkelt bilder med sina ögon och skrev beskrivningar av vad de såg. Detta var mycket ineffektivt och ledde inte till en särskilt tillförlitlig långsiktig registrering; du vet från kriminalserier på tv att ögonvittnesskildringar ofta är felaktiga.
Under 1800-talet blev användningen av fotografi utbredd. På den tiden var fotografier en kemisk registrering av en bild på en specialbehandlad glasplatta. I dag registreras bilden i allmänhet med sensorer som liknar dem i digitalkameror, registreras elektroniskt och lagras i datorer. Denna permanenta registrering kan sedan användas för detaljerade och kvantitativa studier. Professionella astronomer tittar sällan genom de stora teleskop som de använder för sin forskning.
Formning av en bild med hjälp av en lins eller en spegel
Figur 3: Bildbildning med en enkel lins. Parallella strålar från en avlägsen källa böjs av den konvexa linsen så att de alla samlas på ett enda ställe (fokus) för att bilda en bild.
Oavsett om du bär glasögon eller inte ser du världen genom linser; de är viktiga delar av dina ögon. En lins är ett genomskinligt material som böjer ljusstrålarna som passerar genom den. Om ljusstrålarna är parallella när de passerar in, samlar linsen dem på ett ställe för att bilda en bild (figur 3). Om linsytornas krökning är lagom, böjs eller bryts alla parallella ljusstrålar (t.ex. från en stjärna) på ett sådant sätt att de konvergerar mot en punkt som kallas linsens fokus. Vid brännpunkten uppstår en bild av ljuskällan. När det gäller parallella ljusstrålar kallas avståndet från linsen till den plats där ljusstrålarna fokuserar, eller bildas, bakom linsen för linsens brännvidd.
När du tittar på figur 3 kanske du frågar dig varför två ljusstrålar från samma stjärna skulle vara parallella med varandra. Om man trots allt ritar en bild av en stjärna som lyser i alla riktningar ser ljusstrålarna som kommer från stjärnan inte alls parallella ut. Men kom ihåg att stjärnorna (och andra astronomiska objekt) alla är extremt långt borta. När de få ljusstrålar som är riktade mot oss faktiskt kommer fram till jorden är de i praktiken parallella med varandra. Med andra ord är alla strålar som inte var parallella med de som pekade mot jorden nu på väg i någon helt annan riktning i universum.
För att se den bild som bildas av linsen i ett teleskop använder vi ytterligare en lins som kallas okular. Okularet fokuserar bilden på ett avstånd som antingen är direkt synligt för en människa eller på en lämplig plats för en detektor. Genom att använda olika okular kan vi ändra förstoringen (eller storleken) av bilden och även styra om ljuset till en mer lättillgänglig plats. Stjärnor ser ut som ljuspunkter och att förstora dem gör liten skillnad, men bilden av en planet eller en galax, som har struktur, kan ofta ha nytta av att förstoras.
Väldigt många människor föreställer sig, när de tänker på ett teleskop, ett långt rör med en stor glaslins i ena änden. Denna konstruktion, som använder en lins som sitt huvudsakliga optiska element för att bilda en bild, som vi har diskuterat, är känd som en refraktor (figur 4) och ett teleskop som bygger på denna konstruktion kallas för ett refraktorteleskop. Galileos teleskop var refraktorer, liksom dagens kikare och fältglas. Det finns dock en gräns för storleken på ett refraktorteleskop. Det största som någonsin byggdes var en 49-tums refraktor som byggdes för 1900 års utställning i Paris, och det monterades ned efter utställningen. För närvarande är det största refraktorteleskopet en 40-tumsrefraktor vid Yerkes-observatoriet i Wisconsin.
Figur 4: Brytande och reflekterande teleskop. Ljuset kommer in i ett refraktorteleskop genom en lins i den övre änden, som fokuserar ljuset nära teleskopets botten. Ett okular förstorar sedan bilden så att den kan ses med ögat, eller så kan en detektor som en fotografisk platta placeras i fokus. Den övre änden av ett reflekterande teleskop är öppen, och ljuset passerar igenom till spegeln som är placerad i botten av teleskopet. Spegeln fokuserar sedan ljuset i den övre änden, där det kan detekteras. Alternativt, som i denna skiss, kan en andra spegel reflektera ljuset till en plats utanför teleskopkonstruktionen, där en observatör har lättare tillgång till det. Professionella astronomers teleskop är mer komplicerade än så här, men de följer samma principer för reflektion och refraktion.
Ett problem med ett refraktorteleskop är att ljuset måste passera genom linsen på en refraktor. Det innebär att glaset måste vara perfekt hela vägen igenom, och det har visat sig vara mycket svårt att tillverka stora glasbitar utan brister och bubblor i dem. De optiska egenskaperna hos transparenta material förändras också lite med ljusets våglängder (eller färger), så det uppstår ytterligare en viss förvrängning, så kallad kromatisk aberration. Varje våglängd fokuserar på en något annorlunda plats, vilket gör att bilden ser suddig ut.
Därtill kommer att eftersom ljuset måste passera genom linsen kan linsen bara stödjas runt sina kanter (precis som ramarna på våra glasögon). Gravitationskraften gör att en stor lins hänger ihop och förvränger ljusstrålarnas väg när de passerar genom den. Slutligen, eftersom ljuset passerar genom den måste båda sidorna av linsen tillverkas till exakt rätt form för att ge en skarp bild.
En annan typ av teleskop använder en konkav primärspegel som sitt huvudsakliga optiska element. Spegeln är böjd som den inre ytan på en sfär, och den reflekterar ljuset för att bilda en bild (figur 4). Teleskopspeglar är belagda med en glänsande metall, vanligtvis silver, aluminium eller ibland guld, för att göra dem mycket reflekterande. Om spegeln har rätt form reflekteras alla parallella strålar tillbaka till samma punkt, spegelns fokus. Bilder produceras alltså av en spegel precis som av en lins.
Figur 5. Fokusarrangemang för reflekterande teleskop: Reflekterande teleskop har olika alternativ för var ljuset förs till ett fokus. Med primärfokus upptäcks ljuset där det kommer i fokus efter att ha reflekterats från primärspegeln. Med newtonsk fokus reflekteras ljuset av en liten sekundärspegel vid sidan om, där det kan detekteras (se även ). De flesta stora professionella teleskop har Cassegrain-fokus där ljuset reflekteras av sekundärspegeln ner genom ett hål i primärspegeln till en observationsstation nedanför teleskopet.
Teleskop som är konstruerade med speglar undviker problemen med brytande teleskop. Eftersom ljuset endast reflekteras från den främre ytan påverkar inte brister och bubblor i glaset ljusets väg. I ett teleskop som är konstruerat med speglar behöver endast den främre ytan tillverkas till en exakt form, och spegeln kan stödjas från baksidan. Av dessa skäl använder de flesta astronomiska teleskop idag (både amatörer och professionella) en spegel i stället för en lins för att bilda en bild; denna typ av teleskop kallas reflekterande teleskop. Det första lyckade reflekterande teleskopet byggdes av Isaac Newton 1668.
I ett reflekterande teleskop är den konkava spegeln placerad i botten av ett rör eller en öppen ram. Spegeln reflekterar ljuset tillbaka uppåt i röret för att bilda en bild nära den främre änden på en plats som kallas primfokus. Bilden kan observeras vid huvudfokus, eller så kan ytterligare speglar fånga upp ljuset och omdirigera det till en plats där observatören lättare kan se det (figur 5). Eftersom en astronom vid huvudfokus kan blockera mycket av det ljus som kommer till huvudspegeln, gör användningen av en liten sekundärspegel att mer ljus kan passera genom systemet.
Välja eget teleskop
Om astronomikursen du läser väcker din aptit för att utforska himlen ytterligare, kanske du funderar på att köpa ditt eget teleskop. Det finns många utmärkta amatörteleskop att tillgå, och det krävs lite forskning för att hitta den bästa modellen för dina behov. Några bra källor till information om personliga teleskop är de två populära amerikanska tidskrifter som riktar sig till amatörastronomer: Sky & Telescope och Astronomy. Båda har regelbundna artiklar med råd, recensioner och annonser från välrenommerade teleskophandlare.
Några av de faktorer som avgör vilket teleskop som är rätt för dig beror på dina preferenser:
- Kommer du att ställa upp teleskopet på ett ställe och lämna det där, eller vill du ha ett instrument som är bärbart och kan följa med på utflykter utomhus? Hur bärbart ska det vara, när det gäller storlek och vikt?
- Vill du observera himlen enbart med ögonen, eller vill du fotografera? (Långtidsfotografering, till exempel, kräver en bra klockdrift för att vrida teleskopet så att det kompenserar för jordens rotation.)
- Vilka typer av objekt kommer du att observera? Är du främst intresserad av kometer, planeter, stjärnhopar eller galaxer, eller vill du observera alla typer av himmelska sevärdheter?
Du kanske inte vet svaren på några av dessa frågor ännu. Därför kanske du vill ”testa” några teleskop först. De flesta samhällen har amatörastronomiklubbar som sponsrar stjärnfester som är öppna för allmänheten. Medlemmarna i dessa klubbar vet ofta mycket om teleskop och kan dela med sig av sina idéer till dig. Din lärare kanske vet var den närmaste amatörastronomiklubben träffas; om du vill hitta en klubb i din närhet kan du använda de webbplatser som föreslås i bilaga B.
Det kan också hända att du redan har ett instrument, t.ex. ett teleskop, hemma (eller att du har tillgång till ett genom en släkting eller vän). Många amatörastronomer rekommenderar att du börjar din undersökning av himlen med en bra kikare. Dessa är lätta att bära med sig och kan visa dig många objekt som inte är synliga (eller tydliga) för det okända ögat.
När du är redo att köpa ett teleskop kan du finna följande idéer användbara:
- Den viktigaste egenskapen hos ett teleskop är huvudspegelns eller linsens öppning; när någon säger att han eller hon har ett teleskop med en diameter på 6 eller 8 tum, menar han eller hon diametern på den uppsamlande ytan. Ju större öppning, desto mer ljus kan du samla in, och desto svagare objekt kan du se eller fotografera.
- Teleskop med en given öppning som använder linser (refraktorer) är vanligtvis dyrare än de som använder speglar (reflektorer) eftersom båda sidorna av en lins måste poleras med stor noggrannhet. Och eftersom ljuset passerar genom den måste linsen genomgående vara tillverkad av glas av hög kvalitet. Däremot måste endast den främre ytan på en spegel poleras med noggrannhet.
- Förstoring är inte ett av de kriterier som ska ligga till grund för ditt val av teleskop. Som vi diskuterade sker förstoringen av bilden genom ett mindre okular, så förstoringen kan justeras genom att byta okular. Ett teleskop förstorar dock inte bara det astronomiska objektet du betraktar utan även turbulensen i jordens atmosfär. Om förstoringen är för hög kommer bilden att skimra och skaka och bli svår att se. Ett bra teleskop kommer med en mängd olika okular som håller sig inom det användbara förstoringsområdet.
- Fästet på ett teleskop (konstruktionen som det vilar på) är en av dess mest kritiska delar. Eftersom ett teleskop visar ett litet synfält, som förstoras avsevärt, kan minsta vibration eller ryckning av teleskopet förflytta objektet du betraktar runt eller ut ur synfältet. Ett robust och stabilt fäste är viktigt för seriös betraktning eller fotografering (även om det klart påverkar hur portabelt ditt teleskop kan vara).
- Ett teleskop kräver en viss övning för att ställas in och användas effektivt. Förvänta dig inte att allt ska gå perfekt vid första försöket. Ta dig tid att läsa igenom instruktionerna. Om det finns en lokal amatörastronomiklubb i närheten, använd den som en resurs.
Ett teleskop samlar in det svaga ljuset från astronomiska källor och för det till ett fokus, där ett instrument kan sortera ljuset efter våglängd. Ljuset leds sedan till en detektor där en permanent registrering görs. Ett teleskops ljusinsamlingskraft bestäms av diametern på dess apertur, eller öppning – det vill säga av ytan på dess största eller primära lins eller spegel. Det primära optiska elementet i ett teleskop är antingen en konvex lins (i ett refraktorteleskop) eller en konkav spegel (i en reflektor) som fokuserar ljuset. De flesta stora teleskop är reflektorer; det är lättare att tillverka och stödja stora speglar eftersom ljuset inte behöver passera genom glas.
Glossar
Apertur: Diametern på den primära linsen eller spegeln i ett teleskop
Kromatisk aberration: Förvrängning som gör att en bild framstår som suddig när varje våglängd som kommer in i ett genomskinligt material fokuserar på en annan punkt
Detektor: Enhet som är känslig för elektromagnetisk strålning och som registrerar astronomiska observationer
Okular: Förstoringslins som används för att se den bild som produceras av objektivet eller den primära spegeln i ett teleskop
Fokus: Enhet som är känslig för elektromagnetisk strålning och som registrerar astronomiska observationer
Fokusering: (i teleskop) punkt där de ljusstrålar som konvergeras av en spegel eller lins möts
primärfokus: punkt i ett teleskop där objektivlinsen eller huvudspegeln fokuserar ljuset
reflekterande teleskop: teleskop där den huvudsakliga ljusinsamlaren är en konkav spegel
refrakterande teleskop: teleskop där den huvudsakliga ljusinsamlaren är en lins eller ett system av linser
teleskop: instrument för insamling av synligt ljus eller annan elektromagnetisk strålning
.