Проектная работа «Современные наземные оптические телескопы

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Гимназия № 64 имени В.А. Котельникова» города Липецка

Астрономия

Проектная работа

«Современные наземные оптические телескопы»

выполнил: Внуков М. Ю.

руководитель:  Мызникова Е.И.

г. Липецк, 2021 г.

Оглавление

Карточка проекта. 3

Введение. 4

Цель проекта: 4

Задачи: 5

О проекте. 6

Вывод. 7

Список используемой литературы.. 8

Приложения. 9

Карточка проекта

Название исследовательского проекта

Современные наземные оптические телескопы

1. Краткая аннотация проекта

В проекте рассматривается устройство, назначение, преимущества и недостатки современных наземных телескопов

2. Основная цель проекта

Целью проекта является подробное рассмотрение устройства, структуры, видов и назначения современных наземных оптических телескопов в астрономии

3. Задачи проекта

1. Ознакомится с устройством современных наземных телескопов. 2. Разделить современные наземные телескопы на виды по структуре и назначение. 3. Выделить преимущества и недостатки каждого вида наземных телескопов.

4. Описание проблемы, решению/снижению остроты которой посвящен проект

В настоящее время в связи с развитием оптической промышленности возможности ученых-астрофизиков любителей астрономии возросли. Несмотря на развитие космонавтики в наше время строятся крупнейшие в истории оптические телескопы и будущее астрономии все таки связано во многом с нашей планетой. На бытовом уровне люди могут приобретать профессиональную оптическую технику в личное пользование. СМИ активно ведут популяризацию научной информации что стимулирует интерес к науке и в том числе астрономии. Следовательно возникает необходимость в выборе и приобретении оптических приборов (телескопов) для наблюдений.

5. Актуальность проекта для города Липецка

Проект будет актуален для любителей астрономии, школьников и студентов желающих самостоятельно проводить наблюдения звездного неба, как справочная информация для размещения в СМИ и интернет источниках Липецкой области.

6. Основные целевые группы, на которые направлен проект

Астрономы-любители,  школьники и учащиеся изучающие предмет астрономия.

7. Планируемые партнеры проектного мероприятия

нет партнеров

8. Возможность привлечения СМИ к проекту (имеется/ не имеется/перечислить)

Материалы данной работы могут быть использованы в новостных и развлекательных телерадиопередачах, а также в интернет и печатных СМИ как статья рассказ с элементами рекомендаций для широкого круга лиц.

7. Календарный план реализации проекта  (Последовательное перечисление действий, ведущих к реализации проекта)
Этап	Действие	Сроки (дд.мм.гг)
Подготовительный
Организационный
Основной
Аналитический

8. Ожидаемые  результаты, эффект от проекта (Описание позитивных изменений, которые произойдут в результате реализации проекта по его завершению)
Количественные показатели (указать подробно количественные результаты, включая численность вовлечения граждан в мероприятия проекта)
Качественные показатели (указать подробно качественные изменения)

7. Смета проекта (перечень предметов, необходимые закупить для реализации проекта)
№	Предмет	Цена (в рублях)
1.
2.
3.
4.

Введение

Цель проекта: Целью проекта является подробное рассмотрение устройства, структуры, видов и назначения современных наземных телескопов в астрономии

Задачи:

Чтобы установить особенности современных наземных оптических телескопов нам необходимо выполнить следующие шаги:

1. Ознакомится с устройством современных наземных телескопов.

2. Разделить современные наземные телескопы на виды по структуре и назначению.

3. Выделить преимущества и недостатки каждого вида наземных телескопов.

О проекте

В настоящее время наземная астрономия представлена целым рядом приборов работающих во всех диапазонах электромагнитного спектра.

Как известно история астрономических наблюдений с помощью оптических приборов началась в 17 ого века. Вплоть до 20 ого века наблюдения проводились в видимой части электромагнитного спектра. Как известно диапазон  волн видимого спектра довольно узок – 0,000039 см. до 0,000076 см., а этого оказалось недостаточно для решения многих научных проблем современной астрономии и астрофизики.

Именно поэтому в настоящее время наземные телескопы представляют целый ряд устройств различного строения и функционала способных решить не только современные научные проблемы, но и быть полезными в будущих исследованиях космоса и вселенной.

Виды оптических телескопов.

Существуют различные виды обсерваторий, сочетающие ряд приборов работающих в разных спектрах излучений. Наземная обсерватория видимой части спектра включает в себя: оптические системы (телескопы). Основным инструментом любителя-астронома является оптический телескоп.

Ниже приведу перечень типов современных оптических приборов для астрономических наблюдений.

Линзовый рефрактор (диоптрический)

Рефлектор (параболический)

Зеркально-линзовые системы Шмидта – Кассегрена

Солнечный телескоп (коронограф)

Устройство телескопа

Общая схема устройства оптического телескопа и астрографа.

Телескоп представляет собой трубу (сплошную, каркасную), установленную на монтировке, снабжённой осями для наведения на объект наблюдения и слежения за ним.

Визуальный телескоп имеет объектив и окуляр. Задняя фокальная плоскость объектива совмещена с передней фокальной плоскостью окуляра [5]. В фокальную плоскость объектива вместо окуляра может помещаться фотоплёнка или матричный приёмник излучения. В таком случае объектив телескопа, с точки зрения оптики, является фотообъективом [6], а сам телескоп превращается в астрограф. Телескоп фокусируется при помощи фокусёра (фокусировочного устройства).

Телескоп-рефрактор

История телескопа началась именно с телескопа рефрактора который изготовил Галилео Галилей в 1609 году. С помощью этого простого прибора он смог сделать ряд важных научных открытий, такие как спутники Юпитера, Лунные кратеры и Солнечные пятна

Зрительная труба Галилея имела в качестве объектива одну собирающую линзу, а окуляром была одна рассеивающая линза. Такая оптическая схема даёт неперевёрнутое (земное) изображение. Главными недостатками галилеевского телескопа являются очень малое поле зрения и сильная хроматическая аберрация. Такая система всё ещё используется в театральных биноклях, и иногда в самодельных любительских телескопах

Позже Иоганн Кеплер  усовершенствовал систему телескопа, заменив рассеивающую линзу в окуляре собирающей. Это увеличило поле зрения, но система Кеплера несмотря на преимущество даёт перевёрнутое изображение. Подобная система и до сих пор используется на телескопах на окулярах с большим увеличением. Даже карты Луны чаще встречаются в перевернутом изображении делая наблюдения более удобными.

Телескоп-рефрактор претерпел множество изменений. Это были самые различные приборы от метровой трубы гениального оптика Христиана Гюйгенса до 40 метрового «воздушного» телескопа Яна Гевелия.

В настоящее время используется система ахроматических линз объектива и окуляра что позволяет телескопу рефрактору избавиться от ряда проблем.

Распространение апохроматических рефракторов в астрономической оптике произошло во второй половине XX века. Их развитие и сдерживалось высокой стоимостью флюоритовой оптики или специальных стёкол. В 90-е годы, благодаря широкому внедрению в оптической промышленности стёкол со сверхнизкой дисперсией, (близких к флюориту по свойствам), апохроматические рефракторы стали значительно более доступны и популярны, в том числе и в любительской астрономии, где занимают важную нишу и в настоящее время. [2]

В наши дни телескопы рефракторы используются в работе многих обсерваторий мира и Российской Академии Наук: это приборы Крымской лаборатории ГАИШ ГАО НАНУ, Ужгородская АО, ГАИШ, Обсерватория МГДДЮТ,
ГАИШ, ДтДМ г.Твери, Минский планетарий, Звенигородская АО,
СКАС, Гиссарская АО

Самый большой рефрактор мира принадлежит Йеркской обсерватории (США) и имеет диаметр объектива 102 см.

Конструкция телескопа рефрактора

Телескоп-рефрактор содержит два основных узла: линзовый объектив и окуляр. Объектив создаёт действительное уменьшенное обратное изображение бесконечно удалённого предмета в фокальной плоскости. Это изображение рассматривается в окуляр как в лупу. В силу того, что каждая отдельно взятая линза обладает различными аберрациями (хроматической, сферической и проч.), обычно используются сложные ахроматические и апохроматические объективы. Такие объективы представляют собой выпуклые и вогнутые линзы, составленные и склеенные с тем, чтобы минимизировать аберрации.

Джон Доллонд предложил внедрять в систему призмы из венецианского стекла (крона) и английского флинтгласа, а также изготовлять из них системы линз. С тех пор начали производить ахроматические рефракторы. Такая система позволила избавиться от эффекта хроматической абберации на рефракторе. Немецкий оптик Йозеф Фраунгофер существенное доработал данную систему доведя поверхность линзы до практически идеальной. [1]

Современный телескоп-рефрактор имеет  апохроматический  объектив хроматическая аберрация которого, исправлены значительно лучше, чем в ахроматической системе. Как правило (хотя и не во всех случаях), В конструкции объектива используются составные элементы из флюорита или стекла со сверхнизкой дисперсией. Объектив — содержит две или три линзы. По сравнению с ахроматами апохроматы могут иметь большую светосилу и значительно превосходят ахроматы по качеству изображения.

Солнечные телескопы

Солнечные телескопы в отличие от обычных рефракторов и рефлекторов имеют в своей системе линзы сравнительно малого диаметра, а также особый светофильтр позволяющий не только поглощать мощное солнечное излучение, но и оставлять видимую часть спектра для наблюдения солнечной короны и протуберанцев на солнечном диске. [3]

Подобные системы доступны в настоящее время не только ученым, но и любителям астрономии. Давая возможность фотографировать диск Солнца. Фирма Coronado изготовляет денные системы для любителей астрономии.

Преимущества системы:

Закрытая система в хорошей защитой «просветленных» линз

Возможность использовать в качестве солнечного телескопа – коронографа.

Апохроматические системы лишены ахроматической абберации.

Возможность наблюдений и фотографии в прямом фокусе без отражающих элементов.

Недостатки системы:

Таким образом, телескоп рефрактор имеет несколько недостатков, которые не позволяют создавать этот прибор размером объектива больше 1-ого метра. Во-первых собственный вес линзы под действием силы тяжести приводит к деформации и искажениям оптической оси.

Во-вторых несмотря на наличие систем апохроматических линз явления абберации все же присутствуют, что затрудняет

Телескоп рефлектор

Первым человеком создавшим телескоп рефлектор по праву является английский физик Исаак Ньютон. В этом открытии воплотились многогранные знания ученого энциклопедиста. Ньютон-физик рассчитал точно параметры оптической системы, Ньютон – химик и металлург сварил необходимый состав «зеркальной» бронзы.

С тех пор система Ньютона и по настоящее время используется в изготовлении телескопов. Система телескопа была доработана такими учеными как Уильям Гершель, который с его помощью открыл планету Уран.

Конструкция телескопа-рефлектора

Телескоп – рефлектор представляет собою оптический прибор, собирающий световой пучок с помощью зеркала. В подобных системах зеркало представляет собою вогнутую платину из стекла покрытую зеркальным материалом сферической или параболической формы.

Телескоп системы Ньютона имеет вогнутое сферическое либо параболическое зеркало свет от которого отражается на плоское зеркало и направляется для фокусировки на стенку трубы телескопа, где располагается окуляр. Изображение в таком телескопе будет перевернутое. Современные ньютоновские системы вместо зеркала используют призму, что позволяет получить естественное изображение без перевернутости.

Подобные системы нашло свое применение не только в науке, но и широкое распространение в любительской астрономии.

Преимущества системы:

Простота изготовления зеркала.

Малое время термостабилизации

Отсутствие хроматической абберации

Широкое поле зрения и возможность использовать короткофокусные-панорамные системы

Недостатки системы:

Возможная сферическая абберация

Открытая система без использования корпуса (трубы у систем диаметром зеркала свыше 200мм), отсутсвие защиты от вихревых потоков.

Вторичное зеркало держится на трёх-четырёх растяжках, что может приводить к разъюстировке и портит дифракционную картину.

Помимо Ньютоновской системы в современных телескопах используются и другие комбинированные зеркально-линзовые системы.

Зеркально-линзовые телескопы 

Зеркально-линзовые телескопы или катадиоптрические — в качестве объектива используется сферическое или параболическое главное зеркало, а для компенсации его аберраций служат линзы. Подобная система была предложена впервые Бернхардом Шмидтом.

Система Шмидта — Кассегрена

В наше время используется модернизированная система Шмидта — Кассегрена, которая даёт дифракционное качество изображения. В качестве вторичного зеркала обычно используется алюминированная центральная часть обратной стороны корректора.

В центре кривизны сферического зеркала установлена диафрагма, для устранения комы, и астигматизма. Для устранения сферической аберрации в диафрагме размещают линзу специальной формы, которая представляет собой поверхность 4-го порядка. Получается система с единственной аберрацией — кривизной поля и удивительными качествами: чем больше светосила камеры, тем лучше изображения, которые она даёт, и больше поле зрения.

Система Масутова — Кассегрена

В системе Максутова, диафрагма с зеркалом заменена на мениск (в фокальной плоскости установлена плоско-выпуклую линзу — так называемую линзу Пиацци-Смита) на котором располагается линза. Таким образом, Максутов сумел избавиться от комы и астигматизма.

Преимущества:

Простота изготовления зеркала.

Труба телескопа закрытая, предотвращая загрязнение внутренних оптических элементов и снижая образование воздушных потоков внутри телескопа

Корректор избавляет систему от сферической аберрации, изменяя её в аберрацию кривизны поля.

Вторичное зеркало-корректор. жёстко зафиксировано в оправе,.

Труба  телескопа компактна по сравнению с другими типами

Недостатки:

Сложность изготовления корректора больших размеров.

Большой фокус.

Фокус полностью связан с длиной трубы, относительное отверстие ограничено остаточными аберрациями.

Большое время термостабилизации оптики.

Разнообразие систем велико. Это могут быть одиночные  линзы (системыГельмута), или система линз (Волосова-Гальперна-Печатниковой, Бэйкер-Нана), ахроматический мениск Максутова, или планоидная асферическая пластина (системы Шмидта, Райта)

Крупнейшие оптические телескопы России и мира

В наше время оптическая астрономия переживает очередное свое рождение. Благодаря телескопам 4-ого поколения становится возможным строить новые приборы поистине колоссальных размеров. Передний край науки это поиск экзопланет. Открытие их произошло благодаря космическому телескопу «Кеплер». Как оказалось подобные наблюдения возможно проводить и с Земли. Причем размер системы может быть воистину огромным.

БТА САО РАН

В России самый крупный телескоп это БТА 6-метровый САО РАН расположенный в горах Кавказа. Долгое время это был самый крупный телескоп в мире. Этот телескоп имеет азимунтальную монтировку опоры и относится к системам второго поколения. И в наше время его работе не прекращается в связи с другими обсерваториями Кавказа и России проходят регулярные наблюдения звездного неба.

Среди крупнейших обсерваторий современности можно отметить рад зарубежных комплексов.

Large Synoptic Survey Telescope

Располагается обсерватория в Чили, пик горы Серо-Пачон 2682 м. н.у.м.

Построенный  на средства США и лично Билла Гейтса, телескоп имеет диаметр главного зеркала 8,4 м. Конструкция включает три зеркала. Используется для фотографирования звездного неба.

Научные цели: поиск и появления темной материи и энергии, картографирование Млечного пути, регистрация малых объектов, планетоидов, комет, астероидов Солнечной системы, в т.ч. в поясе Койпера.

South African Large Telescope

Располагается обсерватория в ЮАР, вершина холма у поселения Сутерланд 1798 м. н.у.м.

Оптический рефлектор. Самый большой телескоп Южного полушария. Страны участница проекта (Польша, Германия, Великобритания, Новая Зеландия и США).

Телескоп 4-ого поколения состоит из 91-ого шестиугольного зеркала. Общий диаметр 11,4 м.

Научные задачи:

Визуальное наблюдение объектов недоступных телескопам северного полушария, квазаров, галактик, эволюции звезд

Конструкция полностью повторяет Hobby-Eberly Telescope в Техасе США.

Keck I  и  Keck II

Располагается в США Гавайи, Мануа Кеа 4145 м. н.у.м.     

Рефлектор оптический 10 м. 4-ого поколения состоящий и 36 подвижных малых зеркал.

Два телескопа в единой системе. Высокогорье, лучший климат для наблюдений.

Научные задачи: Наблюдение и поиск экзопланет, наблюдение в инфракрасном диапазоне.

Gran telescope Canarias

Испания, Канарские острова, остров Ла Пальма, 2267 м. н.у.м.

Проект Испании, Мексики, и университета Флориды.

Рефлектор, оптический. Диаметр зеркала 10.4 м.

Научные задачи: Спектрометрия, поляриметрия, коронография астрономических объектов.

Giant Magellan telescope

Чили, обсерватория Лас-Кампанас. 2516 м. н.у.м.

Рефлектор, оптический, инфракрасный. Диаметр зеркала 25,4 м.

Предполагается получение снимков в 10 раз более четких чем с помощью космического телескопа Хаббл. Имеет в числе перимуществ новейшую оптику для устранения атмосферных помех.

Научные задачи: поиск и снимки экзопланет, исследование планетарной, звездной, галактической эволюции, изучение ченых дыр, проявлений темной материи, наблюдение самого первого поколения галактик.

Thirty Meter Telescope

(Находится на стадии строительства.)

Рефлектор, оптический, инфракрасный. Диаметр зеркала 30 м.

Располагается в США Гавайи, Мануа Кеа 4050 м. н.у.м.     

Рефлектор оптический 30 м. 4-ого поколения состоящий из подвижных малых зеркал.

Научные задачи: Наблюдение квазаров на «краю вселенной», поиск и снимки экзопланет, исследование планетарной, звездной, галактической эволюции, изучение ченых дыр, проявлений темной материи, наблюдение самого первого поколения галактик.

European Extremely Large Telescope E-ELT

Диаметр главного зеркала 39,3 м.

Располагается в Чили, вершина горы Серро Армазонес 3060 м.

Рефлетор, оптический, состящий из 798 подвижных элементов 1,45 метра каждый. Эту систему зеркал поддерживает современная система адаптивной оптики. Ученые прогнозируют что аппарат сможет не только находить экзопланеты, но и изучать состав из атмосферы. Это нас подведет вплотную к разгадке тайн существования обитаемых планет у других звездных систем.

Научные задачи:

Поиск экзопланет, наблюдение ранних стадий формирования вселенной, измерит точное ускорение расширения вселенной, проверит физические константы на постоянство и неизменность во времени, откроет тайны формирования планет и  их первичны состав, займется поисками воды и органики, подведет нас плотнее к тайне возникновения жизни.

[10]

Таким образов в наше время наземные телескопы работающие в видимом спектре стали мощной «научной силой» позволяющей решить загадки вселенной. Новейшие открытия в физике и химии сплавов и полупроводников, развитие технологий, материаловедения, мощные компьютерные системы, сверхмалые процессоры и конечно колоссальный объем знаний всего человечества приблизил нас к моменту величайших открытий связанными со вселенной. Телескоп это окно в буждущее от трубы Галилея до E-ELT.

 

Вывод

(экономическая выгода, что получилось, что не получилось, подведение итогов реализации проекта)

По итогу нашей работы я могу сделать ряд выводов. Проанализировав информацию об оптических телескопах, я пришел к выводу, что в настоящее время оптический телескоп это по прежнему важнейший инструмент в астрономии и астрофизике. Открытия, связанные с ним являются актуальными в настоящее время.

С помощью телескопа ищут жизнь на других планетах, обнаруживают движущиеся в стону Земли астероиды, ищут воду и кислород в других мирах,  наблюдают зарождение планет и даже черные дыры.

Помимо крупнейших оптических систем в настоящее время производится множество разновидностей телескопов для любителей астрономии. Они имеют различные схемы строения (Рефлектор Ньютона, система Шмидта — Кассегрена, рефракторы, солнечные - телескопы  и пр.) и функционал.

Многие современные открытия в наблюдательной астрономии сделаны благодаря подобным любителям астрономии и их телескопам.

Назначение данных приборов различное. Это могут быть наблюдения переменных звезд, комет, планет солнечной системы, астероидов, галактик, Солнца, Луны, которые доступны обывателям.

Телескоп это одно из величайших изобретений человечества, это окно во вселенную от трубы Галилея до E-ELT.

Список используемой литературы

1. Белонучкин В., Козел С. Оптический телескоп // Квант. — М., 1972. — № 4. — С. 10—18.

2. Дагаев М. М., Чаругин В. М. Астрофизика : книга для чтения по астрономии. — Просвещение, 1988.

3. Климишин И.А. Элементарная Астрономия. – М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1991. – 464 с.

4. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. — 2-е. — Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1979. — 395 с. — 2500 экз.

5. Панов В. А. Справочник конструктора оптико-механических приборов. — 1-е изд. — Л.: Машиностроение, 1991. — С. 81.

6. Турыгин И. А. Прикладная оптика. — 1-е изд. — М.: Машиностроение, 1966.

7. Энциклопедия для детей Т. 8 Астрономия – 2-е изд.,Э68 испр./глав.ред. М.Д. Аксенова. – М.: Аванта + , 1998 -688с.

8. Astronet. http://www.astronet.ru/db/msg/1237382

9.Astronet. В.Г. Сурдин, Н.Л. Васильева. Телескоп Галилея. Астронет (16 декабря 2009) http://www.astronet.ru

10. Naked science. http://www.naked-science.ru

Приложения(таблицы, диаграммы, коды программ и пр.)