Как работают рефракторы. Преимущества и недостатки

Телескоп-основной инструмент астрономических исследований. Без него наши знания были бы очень ограниченны, тем более что другие приборы, например спектроскопические, связаны с телескопами, собирающими свет от исследуемых объектов. В течение многих лет самым мощным телескопом мира был 508-сантиметровый рефлектор обсерватории Маунт-Паломар, США, построенный благодаря усилиям Джорджа Хейла (1868-1958). Его лозунг «Больше света!» актуален и для современных астрономов, постоянно стремящихся изучать чрезвычайно слабые объекты, находящиеся на громадных расстояниях от Земли, и пытающихся заглянуть все дальше в глубины Вселенной.

Как работают рефракторы. Телескопы бывают двух основных типов: рефракторы и рефлекторы. Каждый тип имеет свои преимущества и, к сожалению, свои недостатки. Сначала, в первом десятилетии XVII в., появились рефракторы; они использовались пионером наблюдательной астрономии Галилеем. В рефракторе свет от исследуемого объекта проходит через специальную линзу, называемую объективом; лучи света собираются в фокусе, а получающееся изображение увеличивается с помощью второй линзы, называемой окуляром. Чем больше объектив, тем больше светособирающая способность телескопа.

Единственное назначение объектива — собирать свет; увеличение осуществляется с помощью окуляра. Каждый астрономический телескоп снабжается несколькими сменными окулярами, которые используются наблюдателем по желанию. Предел увеличения зависит от количества поступающего света. Так, если окуляр, дающий увеличение в 500 раз, использовать с 7,6-см рефрактором, полученное изображение будет настолько слабым, что такое увеличение окажется бесполезным. Увеличение в 500 раз следует использовать только с большими объективами.

Все рефракторы обладают одним недостатком: они создают изображение с ложной окраской. Это объясняется природой самого света, который представляет собой сочетание всех цветов спектра. Когда лучи света проходят через объектив, они преломляются, или отклоняются, и собираются в фокусе, но при этом более длинные волны отклоняются слабее, чем короткие. Красные лучи отклоняются менее, чем синие, поэтому они собираются в фокусе на разных расстояниях от линзы. В результате светящийся объект, такой, как звезда, предстает ложно окрашенным; возможно, это красиво, но для астронома — крайне нежелательно. От этого можно частично избавиться, применяя сложные объективы, в которых одна линза-из кронгласа, а другая-из флинтгласа; эти стекла имеют разные преломляющие свойства и тем самым уменьшают ложную окраску. Ее можно почти полностью исключить (как это делают в фотоаппаратах), увеличивая число линз, однако при этом существенно уменьшается количество света, попадающего в глаз наблюдателя, а это-самое основное в астрономии.

Когда луч белого света проходит через стеклянную призму, он разлагается в спектр (А). Лучи разных цветов по-разному отклоняются призмой. Если затем пропустить луч какого- либо одного цвета через щель и вторую призму, то разложения в спектр не произойдет (Б). Если на пути пучка лучей, выходящего из призмы, поставить вторую призму в перевернутом положении, то вновь получится белый свет (В).

При использовании простой линзы в рефракторах всегда возникает ложная окраска изображения, обусловленная тем, что свет от наблюдаемого объекта, проходя через линзу объектива, частично разлагается в спектр (А). Аналогичная картина наблюдается и в линзах другого типа-вогнутых (Б). При использовании сложного объектива (В), состоящего из двух соединенных линз, эти нежелательные эффекты взаимно уничтожаются и ложная окраска изображения существенно уменьшается. Однако с этой точки зрения рефрактор всегда уступает рефлектору.

Рефлекторы. Телескоп-рефлектор, первый работающий образец которого был построен Исааком Ньютоном в 1671 г., действует по совершенно иному принципу. В ньютоновской системе свет проходит в открытую трубу и падает на зеркало, находящееся на другом ее конце. Зеркало имеет форму вогнутого параболоида. Свет отражается от главного зеркала на вторичное-плоское, расположенное под углом в 45°. При этом свет направляется к стенке трубы, где собирается в фокусе, а полученное изображение увеличивается с помощью окуляра, как в рефракторе. Наличие плоского зеркала несколько уменьшает количество света, поступающего в телескоп, но эти потери невелики и в ньютоновской системе неизбежны. Поскольку зеркало одинаково отражает все цвета, здесь нет хроматической аберрации-хотя некоторая окраска изображения может возникнуть за счет окуляра. Современные зеркала изготавливают из особых сортов стекла и покрывают тонким слоем какого-либо хорошо отражающего вещества, например алюминия или серебра.

Ньютоновская система рефлектора не единственная. В системах Кассегрена или Грегори второе зеркало также имеет кривизну и свет отражается обратно через отверстие в главном зеркале. В рефлекторе системы Гершеля главное зеркало наклонено к оптической оси телескопа, а вторичное отсутствует совсем, однако эта схема дает искажения изображения, поэтому телескопы системы Гершеля ныне не используются.

Рефлекторы бывают разных типов. В рефлекторах системы Ньютона свет собирается параболическим зеркалом и падает на плоское зеркало, расположенное под углом 45°; тем самым он выводится из трубы, вблизи стенки которой формируется и, если нужно, увеличивается изображение. Чтобы избежать в общем-то небольших потерь света, возникающих из-за экранировки главного зеркала плоским, Гершель наклонил главное зеркало и убрал плоское. Однако такое решение оказалось малоудовлетворительным. В кассегреновских телескопах второе зеркало - выпуклое и свет отражается обратно через отверстие в главном зеркале.

Преимущества и недостатки. В рефракторе входное отверстие используется более эффективно, чем в рефлекторе, но и обходится линзовый объектив дороже, так как большие линзы изготовить гораздо труднее, чем большие зеркала. По этой, а также по другим причинам все крупнейшие телескопы мира - рефлекторы. Астрономам-любителям целесообразно иметь рефрактор диаметром не менее 7,6 см или рефлектор с зеркалом диаметром от 15,2 см и выше.

Весьма ответственным для любителя делом является установка телескопа (монтировка). Если монтировка не устойчива, телескоп будет бесполезен. Крайне желательно использовать экваториальную монтировку, когда телескоп поворачивается вокруг оси, параллельной оси вращения Земли. Если добавить привод от часового механизма, то можно компенсировать суточное вращение Земли и постоянно держать объект наблюдения в поле зрения.

508-сантиметровый рефлектор Хейла в течение многих лет был самым большим в мире и не имел себе равных по светособирающей способности. На рисунке показаны основное зеркало (1); кабина наблюдателя (2); кассегреновский фокус (3); фокус Кудэ (4); южный конец полярной оси (5); вторичные зеркала систем Кассегрена и Кудэ (6); привод по прямому восхождению (7); ось склонения (8); люк в куполе размером 9 м (9); сам 42-метровый купол (10); первичный фокус-16,5 м (11); северная опора (12); южная опора (13); пульт управления (14), позволяющий направить телескоп в любую часть неба.

Более современный тип рефлектора- система Кудэ. В ней кроме вторичного есть и дополнительное зеркало, изменяющее направление лучей и помещенное на полярной оси телескопа. В результате свет выходит из телескопа всегда в одном направлении и изображение неподвижно. Это дает большие преимущества, поскольку позволяет при наблюдениях использовать тяжелое и сложное оборудование, которое не приходится перемещать за телескопом. В большинстве современных телескопов система Кудэ может использоваться наряду с несколькими другими комбинациями зеркал. Этим обеспечивается большая гибкость применения инструмента.