Teleskop optyczny

Refraktor apochromatyczny fluorytowy

Teleskop optyczny – jeden z rodzajów teleskopów; przyrząd optyczny złożony z dwóch elementów optycznych: obiektywu i okularu (teleskop soczewkowy) lub z okularu i zwierciadła (teleskop zwierciadlany), połączonych tubusem. Służy do powiększania odległych obrazów. Zarówno teleskop soczewkowy, jak i teleskop zwierciadlany dają obraz rzeczywisty powiększony, odwrócony lub prosty.

Buduje się wiele rodzajów teleskopów od prostych przyrządów optycznych służących do obserwacji krajobrazu po złożone urządzenia służące w astronomii (głównie teleskopy zwierciadlane, np. Kosmiczny Teleskop Hubble’a). Znaczna większość używanych na świecie teleskopów o przeznaczeniu astronomicznym to sprzęt amatorski znajdujący się w prywatnych rękach miłośników astronomii. Hobby, jakim jest oglądanie obiektów niebieskich, zyskało w ciągu ostatnich lat również w Polsce ogromne rzesze entuzjastów, czego skutkiem jest znaczna ilość nierzadko nawet dość zaawansowanego optycznie sprzętu w rękach amatorów.

Pierwszy praktyczny teleskop został skonstruowany w 1628 roku w Niderlandach[1], po czym został ulepszony w 1629 przez Galileusza[2].

Teleskop optyczny umożliwia otrzymywanie wiernego (zarówno pod względem rozmieszczenia przestrzennego szczegółów, jak i rozkładu jasności), możliwie najjaśniejszego obrazu badanego wycinka nieba lub obiektu astronomicznego. Zastosowanie w teleskopie zwierciadeł lub soczewek o dużej średnicy umożliwia wychwycenie rozproszonego światła pochodzącego od odległych obiektów, dzięki czemu możliwa jest obserwacja lub rejestracja fotograficzna nawet bardzo słabo widocznych obiektów. Użycie teleskopu umożliwia również znaczne zwiększenie zdolności rozdzielczej, dzięki czemu stają się rozróżnialne obiekty (np. składniki gwiazdy podwójnej), które nieuzbrojonym okiem są widoczne jako pojedynczy obiekt.

Powstający na powierzchni ogniskowej obraz może być zarejestrowany na kliszy fotograficznej, za pomocą detektora CCD współpracującego z komputerem lub przez inne przyrządy, np. fotometry, spektrografy, umieszczone w tej płaszczyźnie lub w innym miejscu, do którego promieniowanie z płaszczyzny ogniskowej zostanie doprowadzone przez odpowiednie układy optyczne.

W zależności od tego, czy do skupienia dających obraz promieni wykorzystuje się zjawisko załamania, czy odbicia, teleskopy dzielą się na refraktory i reflektory (jak również teleskopy złożone wykorzystujące zarówno soczewki, jak i zwierciadła). Do obserwacji fotograficznych nieba używa się teleskopów, w których zwierciadło główne jest sferyczne, a wady optyczne obrazu są zmniejszone przez umieszczenie na drodze wiązki promieniowania asferycznej (w teleskopie zwanej kamerą Schmidta) lub wypukło-wklęsłej soczewki (menisku) w teleskopie, zwanej kamerą Maksutowa, soczewki korygującej. Gdy zwierciadła główne i wtórne mają kształt odpowiednio dobranych hiperboloid, jest możliwe uzyskanie w ognisku Cassegraina stosunkowo dużego pola widzenia wolnego od zniekształceń (układ Ritcheya–Chrétiena). Ze względu na osiągane powiększenia teleskopy są zazwyczaj wyposażone w dodatkową lunetę wizualną (szukacz), umożliwiającą odszukanie i wstępną identyfikację badanego obiektu.

Elementy optyczne teleskopu są zwykle montowane tak, by mogły obracać się wokół 2 osi. W montażach paralaktycznych jedna z osi skierowana jest na biegun nieba (oś rektascensji, godzinna), a druga jest prostopadła do niej (oś deklinacji). Specjalny mechanizm zegarowy z napędem obraca teleskop wokół osi rektascensji, kompensując pozorny ruch obrotowy nieba, dzięki czemu teleskop „patrzy” podczas obserwacji cały czas na badany obiekt. Dzięki stosowaniu komputerowych układów sterowania coraz częściej wykorzystywane są także montaże azymutalne, w których korygowane są jednocześnie obie osie – w tym przypadku żadna z nich nie jest skierowana na biegun nieba – oś azymutu wskazuje zenit, a prostopadła do niej oś – wysokość nad horyzontem.

Ze względu na zakłócający wpływ atmosfery ziemskiej, ograniczający jakość uzyskiwanych obrazów, teleskopy umieszcza się w obserwatoriach położonych wysoko w górach, jak również w przestrzeni kosmicznej (największym teleskopem kosmicznym jest umieszczony w 2021 r. na orbicie okołoziemskiej Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba). Jednak ponieważ wielkość teleskopów umieszczanych w kosmosie ograniczona jest dostępnymi środkami transportowymi, a serwisowanie ich na orbicie niezwykle skomplikowane (czego dowiodła misja teleskopu Hubble’a), od wielu lat poszukuje się innych rozwiązań, mających na celu eliminowanie zakłócającego wpływu atmosfery. Najważniejszym osiągnięciem w tej dziedzinie jest zastosowanie cienkich luster, których kształt jest w czasie rzeczywistym korygowany tak, by anulować zniekształcenia fali światła docierającej do powierzchni lustra. Systemy takie, określane jako układy optyki adaptatywnej, pozwalają obecnie w przypadku największych teleskopów, takich jak Large Binocular Telescope, osiągać rozdzielczość trzydziestokrotnie przewyższającą możliwości HST. Są jednak obszary, które wymagają umieszczenia teleskopów poza atmosferą. W szczególności całkowita nieprzezroczystość atmosfery dla promieniowania rentgenowskiego powoduje, że teleskopy rentgenowskie są umieszczane wyłącznie na sztucznych satelitach.

Parametry optyczne

Podstawowe parametry optyczne każdego teleskopu to:

  • Średnica zwierciadła lub obiektywu, z którą związana jest apertura, decyduje o zdolności rozdzielczej sprzętu oraz zasięgu obserwacyjnym. Większe instrumenty dają zwykle większe możliwości obserwacyjne, lepszą jakość obrazu i więcej szczegółów.
  • Ogniskowa – odległość pomiędzy ogniskiem układu optycznego a punktem głównym układu optycznego.
  • Światłosiła – określająca stosunek średnicy obiektywu i ogniskowej.
  • Powiększenie – w praktyce trudno uważać je za parametr teleskopu, gdyż zależy od użytego okularu, okulary zaś zwykle są wymienne, co daje możliwość uzyskiwania różnych powiększeń. Można je obliczyć dzieląc ogniskową obiektywu przez ogniskową użytego okularu.

Podstawowe typy teleskopów

Schemat refraktora

Teleskop soczewkowy (refraktor, luneta)

Podstawowymi częściami teleskopu soczewkowego są: obiektyw, okular i tubus.

Keplertelescope.png

Dwa podstawowe rozwiązania refraktora to luneta Galileusza i luneta Keplera. Zasadniczą różnicą konstrukcyjną jest użycie w lunecie Galileusza okularu o ujemnej ogniskowej (tj. rozpraszającego) zaś w lunecie Keplera – o dodatniej (skupiającego). Wynika stąd podstawowa różnica użytkowa: luneta Galileusza daje obraz prosty, zaś Keplera – odwrócony.

Najczęściej spotykane refraktory

Refraktor apochromatyczny
  • achromat – najbardziej popularny, obiektyw zwykle składa się z 2 elementów, jego konstrukcja kładzie nacisk na możliwie najlepszą korekcję aberracji chromatycznej. Achromat koryguje aberrację chromatyczną dla dwóch najważniejszych fragmentów spektrum (typowo – czerwonej i niebieskiej).
  • apochromat – rzadziej spotykany, jednak znacznie bardziej zaawansowany optycznie, obiektyw składa się zwykle z większej liczby soczewek (zwykle od 2 do 4, czasem więcej), wykonany jest też często ze specjalnych gatunków szkła np. ED (extra-low dispersion) lub fluorytowego (szczególnie wysoko cenione w optyce). Apochromat zapewnia pełniejszą od achromatu korekcję aberracji chromatycznej, sprzęt dobrej klasy o takim układzie optycznym nie powinien pokazywać „kolorystycznych przekłamań” nawet na stosunkowo jasnych obiektach niebieskich (jaśniejsze gwiazdy, planety, Księżyc). Apochromat koryguje aberrację chromatyczną dla trzech najważniejszych fragmentów spektrum (typowo – czerwonej, niebieskiej i zielonej, choć w astrofotografii jedno z pasm może dotyczyć podczerwieni lub ultrafioletu)
  • superachromat – koryguje aberrację chromatyczną dla czterech lub więcej najważniejszych fragmentów spektrum dając najlepsze obrazy. Są to jednak konstrukcje wyjątkowo drogie.
  • semiapochromat – określenie raczej komercyjne niż naukowe, stosowane przez producentów sprzętu astronomicznego dla określenia refraktorów, których korekcja aberracji jest oceniana jako nieznacznie tylko ustępująca apochromatom (lepsza zaś niż w achromatach). Najczęściej określane są w ten sposób 2-soczewkowe obiektywy ED (3-soczewkowe ED oraz 2 i 3 soczewkowe fluoryty zazwyczaj uznaje się za apochromaty).

Największy na świecie teleskop – refraktor ma średnicę soczewki obiektywu równą 102 cm i znajduje się w obserwatorium Yerkes w USA.

Teleskop zwierciadlany (reflektor)

Schemat teleskopu Newtona

Jego podstawowymi częściami są: zwierciadło, okular i tubus. Mają niższą sprawność optyczną od refraktorów i zwykle dają niższy kontrast na skutek centralnego przesłonięcia (przez zwierciadło wtórne).

Najpopularniejsze reflektory

  • teleskop Newtona – najprostszy w konstrukcji i najpopularniejszy wśród amatorów. Składa się z paraboloidalnego zwierciadła głównego i mniejszego, płaskiego, kierującego obraz do okularu znajdującego się z boku tubusu. Zwykle posiada większą w porównaniu z innymi reflektorami światłosiłę, dlatego też stosowany jest głównie do oglądania obiektów ciemniejszych – mgławic, galaktyk, gromad. Jest on wolny zarówno od aberracji chromatycznej, jak i sferycznej, jednak obdarzony sporą komą.
Schemat teleskopu Cassegraina
  • teleskop Cassegraina – posiada paraboloidalne zwierciadło główne oraz mniejsze wtórne, hiperboloidalne, kierujące światło przez otwór w zwierciadle głównym do okularu.

Najpopularniejszy i najprostszy typ to Dall-Kirkham obarczony znaczną komą. Teleskopy w systemie Cassegraina zwykle posiadają mniejszą światłosiłę, co czyni je szczególnie użytecznymi przy obserwacji jaśniejszych obiektów takich jak Księżyc i planety.

Teleskop w systemie mieszanym (katadioptryk zwierciadlano-soczewkowy)

Schemat teleskopu Schmidta-Cassegraina

Jest to teleskop, w którym przed zwierciadłem głównym lub niekiedy wtórnym umieszczono dodatkowo soczewkę – korektor. Ognisko może być wyprowadzone za zwierciadło główne (w układzie Cassegraina), w bok na wysokości zwierciadła wtórnego (w układzie modyfikowanego Newtona) lub w bok na wysokości osi obrotu (w układzie Coude).

Najpopularniejsze teleskopy zwierciadlano-soczewkowe

  • teleskop Schmidta-Cassegraina – posiada korektor w postaci asferycznej płyty Schmidta. Cechuje go pewna koma i krzywizna pola. Niestety asferyczny korektor jest stosunkowo drogi w produkcji.
  • teleskop Maksutowa-Cassegraina – posiada korektor w postaci lekko ujemnej soczewki meniskowej. Ma znacznie zredukowaną komę i obarczony jest niewielką krzywizną pola. Stosowany w konstrukcjach o stosunkowo małej aperturze ze względu na ciężar korektora. Bazujący na podobnej konstrukcji teleskop Klewcowa-Cassegraina przenosi korektor za zwierciadło wtórne dzięki czemu jest lżejszy.
Schemat teleskopu Maksutowa-Cassegraina

Zwykle uważa się, że najlepsze obrazy dają refraktory – najlepszą ostrość i kontrast, szczególnie cenione są apochromaty. Zwykle są to też instrumenty najdroższe, nawet apochromaty o stosunkowo niewielkich średnicach obiektywu rzędu 100 mm nierzadko liczone są w tysiącach dolarów. Dla porównania teleskop zwierciadlany Newtona o średnicy 200 mm na prostym montażu Dobsona kosztuje obecnie (2007 rok) około 1200 . Jednak warto pamiętać tutaj, że każda konstrukcja, z wyjątkiem opisanych poniżej teleskopów RC ma konkretne wady i zalety w związku z czym nadaje się lepiej lub gorzej do konkretnych zastosowań. Newtony i achromaty to proste uniwersalne teleskopy dla początkujących – Newtony, ze względu na większą najczęściej średnicę ze wskazaniem na obserwacje obiektów odległych, achromaty z kolei – do planet i początków astrofotografii. Teleskopy Schmidta-Cassegraina są mobilne i, ze względu na stosunkowo duże pole widzenia, dobrze sprawdzają się podczas przeglądów nieba. Teleskopy Maksutowa-Cassegraina – również stosunkowo mobilne – ze względu na małe pole widzenia najlepiej sprawdzają się w astrofotografii wykorzystującej duże powiększenia.

Ze wszystkich konstrukcji najwyżej cenione są kamery Ritcheya-Chrétiena (których nie należy mylić z Cassegrainami i aplanatycznymi kamerami SCT). Wykorzystanie hiperbolicznych zwierciadeł w najlepszych konstrukcjach całkowicie redukuje aberracje geometryczne. Natomiast brak korektorów i soczewek oznacza brak aberracji chromatycznej. Niestety prawdziwe kamery RC są także niezmiernie drogie.

Największe teleskopy

Porównanie wielkości i budowy zwierciadeł największych obecnych i planowanych teleskopów

Największa apertura:

Inne znaczące współczesne teleskopy:

  • Large Binocular Telescope (LBT) – teleskop składający się z dwóch zwierciadeł o średnicy 8,4 metra (ich powierzchnia to 111 m²) zamontowanych na wspólnym montażu, znajdujący się w Mount Graham International Observatory w Arizonie, odpowiadających pojedynczemu lustru o średnicy 11,9 m. W styczniu 2008 roku po raz pierwszy uzyskano obraz przy użyciu obu luster jednocześnie.
  • Very Large Telescope (VLT) – cztery teleskopy o średnicy 8,2 metra każdy, współdziałające jako interferometr optyczny. Teleskop został zbudowany w Paranal Observatory na Cerro Paranal w Chile – a jego budowę ukończono w 2005 roku.

Planowane teleskopy

W dalszej przyszłości:

  • Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope (ATLAST) – największy planowany teleskop kosmiczny o śr. 16 m (choć niektóre plany mówiły nawet o 30 m), następca teleskopów Hubble’a i Jamesa Webba.
  • Overwhelmingly Large Telescope (OWL) – projekt teleskopu o śr. 100 m (później zmniejszonej do 60 m), stworzony przez ESO. Został on porzucony na rzecz budowy 39-metrowego ELT.

Istnieją koncepcyjne projekty budowy jeszcze większych teleskopów optycznych, przy zastosowaniu dostępnych technologii[3][4], w wyniku rozważań, jakich obserwacji nie da się wykonać przy pomocy Overwhelmingly Large Telescope. Chodzi tu między innymi o badanie odpowiedników plam słonecznych na innych gwiazdach, dokładne obserwacje egzoplanet, a także wykrywanie skrajnie ciemnych (nawet kilkumetrowych ciał Pasa Kuipera) ciał niebieskich w Układzie Słonecznym (natomiast umieszczenie takiego teleskopu w przestrzeni kosmicznej dawałoby praktycznie nieograniczone możliwości obserwacyjne np. tworzenie dokładnych map planet w promieniu wielu lat świetlnych czy wykrywanie księżyców takich planet). Możliwe rozmiary takiego teleskopu nie są do końca znane; ESO ustaliło maksymalną średnicę dla teleskopu optycznego na 120-130 metrów[5].

Zobacz też

Przypisy

  1. Autorem tego wynalazku miał być Zacharias Janssen lub Hans Lipperhey.
  2. Jarosław Włodarczyk, Gwiezdne adresy. Jak się Galileusz o granty starał. Polityka nr 22(2707)/2009 – Pomocnik Historyczny s. 16–17.
  3. Erik Baard: How New Technologies Could Revolutionize Big Telescope Designs. [w:] Space.com [on-line]. 2002-01-23. [dostęp 2014-08-03]. [zarchiwizowane z tego adresu (2009-05-23)]. (ang.).
  4. Cornell University – Rozważania na temat możliwości wielkich teleskopów.
  5. [1] Projekt OWL.

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie

Teleskop Schmidta-Cassegraina.svg
Autor: MesserWoland, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Schmidt-Cassegrain Telescope
Keplertelescope.png
Autor: Szőcs TamásTamasflex, Licencja: CC BY-SA 3.0
Teleskop, typ Keplera, refraktor
ApoRef.png
Autor: Tamasflex, Licencja: CC BY-SA 3.0
Apochromatic refractor.
Comparison optical telescope primary mirrors.svg
Autor: Cmglee; data on holes in mirrors provided by an anonymous user from IP 71.41.210.146, Licencja: CC BY-SA 3.0
Comparison of nominal sizes of primary mirrors of notable optical reflecting telescopes, and a few other objects. Dotted lines show mirrors with equivalent light-gathering ability.

The telescopes shown in this comparison are listed below, ordered in each sub-section by (effective) mirror/lens area , low to high, and then by actual/planned first light date, old to new. The "present-day" status is given as of July 2020. See also List of largest optical reflecting telescopes.

Largest refractors (for comparison):

1) Yerkes Observatory's 40-inch (1.02 m) refractor, 1893 (largest refractor consistently used for scientific observations)
2) Great Paris Exhibition Telescope, 49-inch (1.24 m), 1900 (largest refractor ever built; had practically no scientific usage)

Ground-based reflectors:

3) Hooker Telescope, 100-inch (2.5 m), 1917; world's largest telescope from 1917 to 1949
4) Multiple Mirror Telescope, 186-inch (4.72 m) effective, 1979–1998; 6.5 m, from 1998
5) LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope), 4.9 m effective at best, 2009
6) Hale Telescope, 200-inch (5.1 m), 1949; world's largest telescope from 1949 to 1975
7) BTA-6, 6 m, 1975; world's largest telescope from 1975 to 1990 (when it was surpassed by the partially-completed Keck I telescope)
8) Large Zenith Telescope, 6 m, 2003; largest liquid-mirror telescope ever built; decommissioned in 2019
9) Magellan Telescopes, two 6.5‑m individual telescopes, 2000 and 2002;
10) Vera C. Rubin Observatory (formerly Large Synoptic Survey Telescope), 6.68 m effective (8.4‑m mirror, but with a big hole in the middle), planned 2022
11) Gemini Observatory, 8.1 m, 1999 and 2001
12) Subaru Telescope, 8.2 m, 1999; largest monolithic (i.e. non-segmented) mirror in an optical telescope from 1999 to 2005
13) Southern African Large Telescope, 9.2 m effective, 2005 (largest optical telescope in the southern hemisphere)
14) Hobby–Eberly Telescope, 10 m effective, 1996
15) Gran Telescopio Canarias, 10.4 m, 2007 (world's largest single-aperture optical telescope)
16) Large Binocular Telescope, 11.8 m effective (two 8.4‑m telescopes on a common mount), 2005 and 2006; each individual telescope has the largest monolithic (i.e. non-segmented) mirror in an optical telescope, while the combined effective light collecting area is the largest for any optical telescope in non-interferometric mode
17) Keck Telescopes, 14 m effective (two 10‑m individual telescopes), 1993 and 1996; similarly to VLT, the two telescopes were combined only for interferometric observations rather than to simply achieve larger light collecting area; furthermore, this mode has been discontinued
18) Very Large Telescope, 16.4 m effective (four 8.2 m individual telescopes), 1998, 1999, 2000, and 2000; total effective light collecting area would have been world's largest for any present-day optical telescope, but the instrumentation required to obtain a combined incoherent focus was not built
19) Giant Magellan Telescope, 22.0 m effective, planned 2029
20) Thirty Meter Telescope, 30 m effective, planned 2027
21) Extremely Large Telescope, 39.3 m effective, planned 2025
22) Overwhelmingly Large Telescope, 100 m, cancelled

Space telescopes:

23) Gaia, 1.45 m × 0.5 m (area equivalent to a 0.96‑m round mirror), 2013
24) Kepler, 1.4 m, 2009
25) Hubble Space Telescope, 2.4 m, 1990 (largest space optical telescope to date)
26) James Webb Space Telescope, 6.5 m effective, planned 2022

Radio telescopes for comparison:

27) Arecibo Observatory's 307‑m dish; largest fully-filled single-aperture telescope from 1963 to 2016 (the largest-aperture telescope of any kind is the very-sparsely-filled RATAN-600 radio telescope)
28) Five-hundred-meter Aperture Spherical [radio] Telescope, 500‑m dish (effective aperture of ≈300 m), 2016; world's largest fully-filled single-aperture telescope (since 2016)

Other objects for comparison:

29) Human height, 1.77 m on average
30) Tennis court, 78 × 36 ft (23.77 × 10.97 m)
31) Basketball court, 94 × 50 ft (28.7 × 15.2 m)
Teleskop Newtona.svg
Autor: MesserWoland, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Newton Telescope
Teleskop Maksutova-Cassegraina.svg
Autor: MesserWoland, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Maksutov-Cassegrain Telescope
Refractor.svg
Autor: MesserWoland, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Schemat refraktora.
Teleskop Cassegraina.svg
Autor: MesserWoland, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Cassegrain Telescope