Презентация на тему «Телескопы и методы астрономических наблюдений»

Слайд 1. Телескопы и методы астрономических наблюдений

• Устройство и типы телескопов, наблюдения во всех диапазонах спектра и способы изучения небесных тел

Доклад: Здравствуйте! Тема моего выступления — «Телескопы и методы астрономических наблюдений». Я расскажу, как устроен телескоп, чем отличаются его основные типы и какими способами астрономы получают сведения о небесных телах. Отдельно остановлюсь на наблюдениях в невидимых диапазонах и на роли космических обсерваторий.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Основные понятия
• Как устроен телескоп
• Увеличение телескопа
• Что определяет качество телескопа
• Рефракторы — линзовые телескопы
• Рефлекторы — зеркальные телескопы
• Рефрактор или рефлектор
• Монтировки телескопов
• История телескопа
• Создатели телескопов
• Окна прозрачности атмосферы
• Радиоастрономия
• Космические телескопы
• Крупнейшие телескопы мира
• Приёмники излучения
• Методы астрономических наблюдений
• Спектральный анализ
• Что мешает наблюдениям
• Выводы
• Список литературы

Доклад: На слайде представлено содержание работы. Сначала мы разберём устройство и характеристики телескопа, затем типы инструментов и их историю. Вторая половина посвящена наблюдениям во всех диапазонах спектра, приёмникам излучения и методам исследования.

Слайд 3. Введение

• Астрономия — наука, в которой почти всё знание получено из света: до подавляющего большинства изучаемых объектов невозможно долететь и взять пробу.
• Телескоп собирает свет и позволяет увидеть то, что недоступно невооружённому глазу: за четыре века апертура выросла с нескольких сантиметров до десятков метров.
• Современные обсерватории работают во всех диапазонах — от радиоволн до гамма-излучения, а часть инструментов вынесена в космос.
• Понимание того, как устроен телескоп и какими методами получают данные, необходимо, чтобы правильно читать любую астрономическую новость.

Доклад: Астрономия почти целиком построена на анализе света: до подавляющего большинства изучаемых объектов невозможно долететь и взять пробу вещества. Телескоп собирает этот свет и открывает то, что недоступно глазу, — за четыре века апертура выросла с нескольких сантиметров до десятков метров. На снимке — обсерватория Параналь в Чили, где работает Очень большой телескоп.

Слайд 4. Основные понятия

• Телескоп — прибор для сбора излучения небесных тел и получения их изображения или спектра.
• Объектив — линза или зеркало, собирающее свет; его диаметр называют апертурой.
• Окуляр — линзовая система, через которую рассматривают изображение при визуальных наблюдениях.
• Разрешающая способность — наименьший угол между деталями, которые видны раздельно.
• Проницающая сила — звёздная величина самых слабых звёзд, доступных данному телескопу.

Доклад: Договоримся о терминах. Объектив телескопа — это линза или зеркало, собирающее свет, а его диаметр называют апертурой. Разрешающая способность показывает, насколько мелкие детали инструмент различает раздельно, а проницающая сила — насколько слабые звёзды он способен показать.

Слайд 5. Как устроен телескоп

• Главная задача телескопа — не «приблизить», а собрать как можно больше света: количество собранного излучения пропорционально площади объектива.
• Объектив строит изображение в фокальной плоскости, где раньше ставили глаз и фотопластинку, а теперь — приёмники излучения.
• Труба задаёт взаимное положение оптических деталей и защищает ход лучей от засветки и потоков тёплого воздуха.
• Монтировка удерживает трубу и позволяет плавно вести её вслед за суточным вращением неба.
• Купол или защитное укрытие оберегает инструмент от погоды и лишнего света, а щель открывается только на время наблюдений.

Доклад: Главное заблуждение о телескопе — будто он нужен, чтобы «приблизить» объект. На самом деле его основная задача — собрать как можно больше света, а количество собранного излучения пропорционально площади объектива. Труба, монтировка и купол обеспечивают устойчивость, точное ведение за небом и защиту от засветки и погоды.

Слайд 6. Увеличение телескопа

• Г = F / f
• Г — увеличение телескопа, во сколько раз возрастает угловой размер объекта
• F — фокусное расстояние объектива
• f — фокусное расстояние окуляра

Доклад: Увеличение телескопа считается очень просто: фокусное расстояние объектива делится на фокусное расстояние окуляра. Меняя окуляр, наблюдатель меняет увеличение, но бесконечно наращивать его бессмысленно: изображение становится тусклым и размытым. Реальный предел ставят апертура и состояние атмосферы.

Слайд 7. Что определяет качество телескопа

Доклад: В таблице собраны основные характеристики телескопа. Обратите внимание на две формулы: разрешение примерно равно ста сорока угловым секундам, делённым на диаметр в миллиметрах, а проницающая сила растёт с апертурой логарифмически. Именно апертура, а не увеличение определяет реальные возможности инструмента.

Слайд 8. Рефракторы — линзовые телескопы

• В рефракторе свет собирает объектив из двух и более линз; именно такой была зрительная труба Галилея.
• Закрытая труба защищает оптику от пыли и воздушных потоков, поэтому изображение получается спокойным и контрастным.
• Главный недостаток — хроматическая аберрация: лучи разного цвета сходятся в разных точках, и вокруг ярких объектов появляется цветная кайма.
• Её уменьшают, комбинируя линзы из разных сортов стекла, но крупные однородные заготовки изготовить очень сложно.
• Предел этой схемы достигнут в 1897 году: Йеркский рефрактор с объективом 1,02 метра остаётся крупнейшим в мире линзовым телескопом.

Доклад: Рефрактор — телескоп, где свет собирает система линз; именно такой была труба Галилея. Закрытая труба даёт спокойное контрастное изображение, отличное для наблюдений Луны и планет. Но линзы страдают хроматической аберрацией, а крупные однородные заготовки стекла изготовить крайне сложно: предел схемы достигнут ещё в 1897 году Йеркским рефрактором с объективом 1,02 метра.

Слайд 9. Рефлекторы — зеркальные телескопы

• В рефлекторе свет собирает вогнутое зеркало, поэтому хроматической аберрации нет в принципе: все лучи отражаются одинаково.
• Первый такой телескоп построил Исаак Ньютон в 1668 году, отведя пучок в сторону плоским диагональным зеркалом.
• Зеркало можно опирать по всей задней поверхности, поэтому изготавливают инструменты огромных размеров.
• Крупнейший телескоп России — Большой телескоп азимутальный с зеркалом 6 метров, работающий в Специальной астрофизической обсерватории с 1975 года.
• Современные гиганты используют составные зеркала из десятков сегментов, которые компьютер удерживает в единой форме.

Доклад: В рефлекторе свет собирает вогнутое зеркало, поэтому хроматической аберрации нет в принципе. Первый такой телескоп построил Ньютон в 1668 году. Зеркало можно опирать по всей задней поверхности, а значит, строить инструменты огромных размеров: на снимке — башня шестиметрового Большого телескопа азимутального, работающего в Специальной астрофизической обсерватории с 1975 года.

Слайд 10. Рефрактор или рефлектор

• Обе схемы применяются и сегодня, но у каждой своя область: сравним их по основным свойствам.
• Объектив — система линз
• Даёт контрастное изображение планет и Луны
• Страдает от хроматической аберрации
• Крупные объективы почти невозможно изготовить
• Объектив — вогнутое зеркало
• Хроматической аберрации нет
• Позволяет строить инструменты диаметром в десятки метров
• Требует регулярной юстировки и обновления покрытия

Доклад: Сравним обе схемы напрямую. Рефрактор выигрывает в контрасте и не требует частого обслуживания, но ограничен размером линзы. Рефлектор свободен от цветных ореолов и позволяет создавать гигантские инструменты, но нуждается в юстировке и периодическом обновлении отражающего покрытия. Поэтому все крупнейшие телескопы мира — зеркальные.

Слайд 11. Монтировки телескопов

• Небо непрерывно смещается из-за вращения Земли, поэтому телескоп должен точно вести объект. Это обеспечивает монтировка — опорно-поворотное устройство инструмента.
• Одна ось направлена на полюс мира
• Ведение объекта — вращением всего по одной оси
• Удобна для длительных фотографий
• Громоздка для очень крупных инструментов
• Оси вертикальная и горизонтальная
• Конструкция компактнее и дешевле
• Требует согласованного движения по двум осям
• Стала возможна благодаря управлению от компьютера

Доклад: Небо непрерывно смещается из-за вращения Земли, и телескоп должен точно вести объект. Экваториальная монтировка решает задачу одной осью, направленной на полюс мира, что удобно для длительных экспозиций. Азимутальная проще и компактнее, но требует согласованного движения по двум осям, поэтому широко применяется только с появлением компьютерного управления.

Слайд 12. История телескопа

• За четыре столетия апертура телескопов выросла более чем в тысячу раз.
• Каждый скачок диаметра открывал новый класс объектов и явлений.
• 1609 — Галилей строит зрительную трубу
• 1668 — Ньютон создаёт зеркальный телескоп
• 1789 — Гершель строит зеркало 1,2 метра
• 1948 — телескоп Хейла с зеркалом 5 метров
• 1975 — начало работы шестиметрового БТА
• 1990 — запуск телескопа «Хаббл»

Доклад: История телескопа — это история роста апертуры. От трубы Галилея 1609 года через зеркальный телескоп Ньютона и полутораметровое зеркало Гершеля к пятиметровому телескопу Хейла и шестиметровому БТА. Отдельная веха — 1990 год, когда на орбиту вышел «Хаббл», а в 2021 году к нему добавился «Джеймс Уэбб».

Слайд 13. Создатели телескопов

• Галилео Галилей, 1564–1642, Первым направил зрительную трубу на небо и открыл спутники Юпитера, фазы Венеры и рельеф Луны.
• Исаак Ньютон, 1643–1727, Построил первый работоспособный зеркальный телескоп, избавленный от хроматической аберрации.
• Уильям Гершель, 1738–1822, Изготовил крупнейшие телескопы своего времени и открыл планету Уран.

Доклад: За этими вехами стоят конкретные люди. Галилей первым направил трубу на небо и открыл спутники Юпитера, фазы Венеры и горы на Луне. Ньютон предложил зеркальную схему, снявшую проблему цветных ореолов, а Уильям Гершель, изготавливая крупнейшие телескопы своего времени, открыл планету Уран.

Слайд 14. Окна прозрачности атмосферы

• Земная атмосфера пропускает далеко не всё излучение космоса. Именно она определяет, какие наблюдения возможны с поверхности, а какие только из космоса.
• Видимый свет
• Ближний инфракрасный
• Ближний ультрафиолетовый
• Миллиметровые волны
• Сантиметровые волны
• Метровые волны
• Рентгеновское
• Гамма-излучение
• Дальний инфракрасный
• Жёсткий ультрафиолет

Доклад: Земная атмосфера пропускает далеко не всё излучение. Есть оптическое окно — видимый свет с ближними ультрафиолетом и инфракрасным, и радиоокно — от миллиметровых до метровых волн. Рентген, гамма-излучение и жёсткий ультрафиолет полностью задерживаются, и наблюдать их можно только из космоса.

Слайд 15. Радиоастрономия

• Радиотелескоп собирает радиоволны параболической антенной и фокусирует их на облучатель — приёмник сигнала.
• Радионаблюдения возможны днём и в облачную погоду, поскольку радиоволны свободно проходят сквозь атмосферу и межзвёздную пыль.
• Из-за большой длины волны одиночная антенна даёт грубое разрешение, поэтому антенны объединяют в системы — интерферометры.
• Радиоастрономия открыла реликтовое излучение, пульсары, квазары и позволила изучить структуру нашей Галактики.
• Крупные российские инструменты — семидесятиметровые антенны планетного радиолокатора и кольцевой радиотелескоп РАТАН-600.

Доклад: Радиотелескоп собирает радиоволны параболической антенной и фокусирует их на приёмник. Такие наблюдения возможны днём и в облачную погоду, а радиоволны свободно проходят сквозь межзвёздную пыль. Из-за большой длины волны одиночная антенна даёт грубое разрешение, поэтому антенны объединяют в интерферометры. Радиоастрономия открыла реликтовое излучение, пульсары и квазары.

Слайд 16. Космические телескопы

• За пределами атмосферы нет ни поглощения излучения, ни дрожания изображения, ни ночной засветки — условия наблюдений идеальны.
• Космический телескоп «Хаббл» с зеркалом 2,4 метра работает с 1990 года и полностью изменил представления о далёких галактиках.
• Телескоп «Джеймс Уэбб» с составным зеркалом 6,5 метра запущен в конце 2021 года и наблюдает в инфракрасном диапазоне.
• Рентгеновские и гамма-обсерватории видят то, что с Земли принципиально недоступно: горячий газ скоплений галактик, окрестности чёрных дыр, вспышки.
• Плата за это — высокая стоимость, ограниченный срок службы и сложность ремонта аппарата на орбите.

Доклад: За пределами атмосферы условия наблюдений идеальны: нет поглощения, дрожания изображения и ночной засветки. «Хаббл» с зеркалом 2,4 метра работает с 1990 года и изменил представления о далёких галактиках, а «Джеймс Уэбб» с составным зеркалом 6,5 метра наблюдает в инфракрасном диапазоне. Плата за это — высокая стоимость и сложность обслуживания аппарата на орбите.

Слайд 17. Крупнейшие телескопы мира

Доклад: В таблице приведены крупнейшие инструменты. Российский шестиметровый БТА почти пятнадцать лет оставался самым большим телескопом в мире. Сегодня лидируют десятиметровые «Кеки» и Большой Канарский телескоп, а в Чили строится телескоп с зеркалом 39 метров.

Слайд 18. Приёмники излучения

• Чем чувствительнее приёмник, тем слабее объекты доступны телескопу.
• Переход к электронным приёмникам дал выигрыш больший, чем рост диаметра зеркал.
• Глаз — оценка на глаз, ничего нельзя сохранить и перепроверить
• Фотопластинка — с конца XIX века появилось накопление света и документ наблюдения
• Фотоэлектронный умножитель — точные измерения блеска отдельных объектов
• ПЗС-матрица — регистрирует до девяноста процентов пришедших фотонов и сразу даёт цифровое изображение

Доклад: Не менее важно, чем собрать свет, — его зарегистрировать. Глаз ничего не сохраняет, фотопластинка в конце девятнадцатого века дала накопление света и документ наблюдения, фотоэлектронный умножитель — точные измерения блеска. Современная ПЗС-матрица регистрирует до девяноста процентов пришедших фотонов, и этот выигрыш оказался большим, чем от роста диаметра зеркал.

Слайд 19. Методы астрономических наблюдений

• Астрометрия — точное измерение положений и собственных движений светил, определение расстояний по параллаксу.
• Фотометрия — измерение блеска и его изменений: так изучают переменные звёзды и находят экзопланеты по ослаблению света.
• Спектроскопия — разложение света в спектр для определения состава, температуры и скоростей.
• Интерферометрия — объединение нескольких телескопов, дающее разрешение, как у инструмента размером во всю базу.
• Радиолокация — посылка радиосигнала к телам Солнечной системы и приём отражённого эха для уточнения расстояний и рельефа.

Доклад: Методы наблюдений принято делить на пять основных групп. Астрометрия измеряет положения и движения светил, фотометрия — блеск и его изменения, спектроскопия раскладывает свет в спектр. Интерферометрия объединяет несколько телескопов и даёт разрешение, соответствующее расстоянию между ними, а радиолокация уточняет расстояния и рельеф тел Солнечной системы.

Слайд 20. Спектральный анализ

• Спектр звезды содержит тёмные линии поглощения, каждая из которых принадлежит определённому химическому элементу.
• По набору линий определяют химический состав атмосферы звезды, а по их интенсивности и распределению энергии — температуру.
• Смещение линий по эффекту Доплера показывает лучевую скорость: приближается объект к нам или удаляется.
• Именно так были обнаружены двойные звёзды, вращение галактик и первые экзопланеты.
• Красное смещение в спектрах далёких галактик стало главным доводом в пользу расширения Вселенной.

Доклад: Спектральный анализ даёт больше всего сведений о природе небесных тел. По тёмным линиям поглощения определяют химический состав, по распределению энергии — температуру, а по доплеровскому смещению линий — лучевую скорость. Именно так были найдены двойные звёзды и первые экзопланеты, а красное смещение галактик стало главным доводом в пользу расширения Вселенной.

Слайд 21. Что мешает наблюдениям

• Турбулентность атмосферы размывает изображение — звёзды «дрожат», и мелкие детали теряются.
• Современный ответ на это — адаптивная оптика: гибкое зеркало сотни раз в секунду исправляет искажения волнового фронта.
• Световое загрязнение городов засвечивает небо, поэтому обсерватории строят вдали от населённых пунктов, высоко в горах и в пустынях.
• Радионаблюдениям мешают передатчики и бытовая электроника, из-за чего вокруг радиотелескопов создают зоны радиотишины.
• Дополнительной помехой стали яркие спутниковые группировки, оставляющие следы на снимках.

Доклад: Наблюдениям мешает многое. Турбулентность атмосферы размывает изображение, и ответом на это стала адаптивная оптика: гибкое зеркало сотни раз в секунду исправляет искажения. Световое загрязнение заставляет строить обсерватории в горах и пустынях, радиопомехи — создавать зоны радиотишины, а в последние годы добавились следы ярких спутниковых группировок.

Слайд 22. Выводы

• Телескоп прежде всего собирает свет, поэтому решающая характеристика инструмента — апертура, а не увеличение.
• Линзовые телескопы достигли предела около метра, а зеркальные схемы позволили создать инструменты диаметром в десятки метров.
• Атмосфера пропускает лишь оптическое и радиоокно, поэтому рентгеновские, гамма- и значительная часть инфракрасных наблюдений возможны только из космоса.
• Основные методы — астрометрия, фотометрия, спектроскопия, интерферометрия и радиолокация; больше всего сведений о природе тел даёт спектральный анализ.
• Прогресс астрономии определяется в равной мере ростом апертуры, чувствительностью приёмников и выносом инструментов за пределы атмосферы.

Доклад: Подведём итоги. Телескоп прежде всего собирает свет, поэтому решающая характеристика — апертура, а не увеличение. Линзовые схемы достигли предела около метра, зеркальные позволили строить инструменты в десятки метров, а часть диапазонов доступна только из космоса. Прогресс астрономии определяется ростом апертуры, чувствительностью приёмников и выносом инструментов за пределы атмосферы.

Слайд 23. Список литературы

• Воронцов-Вельяминов Б. А., Страут Е. К. Астрономия. Базовый уровень. 11 класс. — М.: Дрофа.
• Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. — Фрязино: Век 2.
• Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии. — М.: Едиториал УРСС.
• Сурдин В. Г. Астрономия: век XXI. — Фрязино: Век 2.
• Сурдин В. Г. Разведка далёких планет. — М.: Физматлит.

Доклад: В списке литературы — школьный учебник астрономии, вузовские курсы общей астрономии и астрофизики, а также научно-популярные книги Владимира Сурдина. По ним можно проверить приведённые данные и углубить любую из тем. Книги Сурдина особенно удобны для подготовки доклада или реферата.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом моё выступление завершено. Мы разобрали устройство и типы телескопов, их характеристики, историю, наблюдения во всех диапазонах и основные методы астрономических исследований. Благодарю за внимание, готов ответить на вопросы.