Для чего нужен объектив телескопа астрономия
2. Телескопы
Основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приёма и анализа приходящего от них излучения, является телескоп. Слово это происходит от двух греческих слов: tele — далеко и skopéo — смотрю.
Телескоп применяют, во-первых, для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от исследуемого объекта, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооружённому глазу. Чем более слабые объекты даёт возможность увидеть телескоп, тем больше его проницающая сила. Возможность различать мелкие детали характеризует разрешающую способность телескопа. Обе эти характеристики телескопа зависят от диаметра его объектива.
Количество света, собираемого объективом, возрастает пропорционально его площади (квадрату диаметра) (рис. 1.4). Диаметр зрачка человеческого глаза даже в полной темноте не превышает 8 мм. Объектив телескопа может превышать по диаметру зрачок глаза в десятки и сотни раз. С помощью телескопов и современных приёмников излучения возможно обнаружить звёзды и другие объекты, которые в 100 млн раз слабее объектов, видимых невооружённым глазом.
Чем меньше размер изображения светящейся точки (звезды), которое даёт объектив телескопа, тем лучше его разрешающая способность. Если расстояние между изображениями двух звёзд меньше размера самого изображения, то они сливаются в одно. Вследствие дифракции изображение звезды будет не точкой, а ярким пятном — дифракционным диском, угловой диаметр которого равен
где λ — длина световой волны, a D — диаметр объектива телескопа, 206 265 — число секунд в радиане. У школьного телескопа, диаметр объектива которого составляет 60 мм, теоретическая разрешающая способность будет равна примерно 2″. Напомним, что это превышает разрешающую способность невооружённого глаза (в среднем) в 60 раз. Реальная разрешающая способность телескопа будет меньше, поскольку на качество изображения существенно влияет состояние атмосферы, движение воздуха.
Если в качестве объектива телескопа используется линза, то такой телескоп называется рефрактором (от лат. refracto — преломляю), а если вогнутое зеркало, — то рефлектор (reflecto — отражаю).
Помимо рефракторов и рефлекторов в настоящее время используются различные типы зеркально-линзовых телескопов, один из которых — менисковый — представлен на рисунке 1.5.
У небольших телескопов объективом, как правило, служит двояковыпуклая собирающая линза. Как известно, если предмет находится дальше двойного фокусного расстояния, она даёт его уменьшенное, перевёрнутое и действительное изображение. Это изображение располагается между точками фокуса и двойного фокуса линзы. Расстояния до Луны, планет, а тем более звёзд так велики, что лучи, приходящие от них, можно считать параллельными. Следовательно, изображение объекта будет располагаться в фокальной плоскости.
Построим изображение Луны, которое даёт объектив 1 с фокусным расстоянием F (рис. 1.6). Объектив строит изображение объекта, линейные размеры которого определяются фокусным расстоянием F и угловыми размерами а объекта на небе. Воспользуемся теперь ещё одной линзой — окуляром 2, поместив её от изображения Луны (точка F1) на расстоянии, равном фокусному расстоянию этой линзы — ƒ. Фокусное расстояние окуляра должно быть меньше, чем фокусное расстояние объектива. Построив изображение, которое даёт окуляр, мы убедимся, что он увеличивает угловые размеры Луны: угол β заметно больше угла α.
Если изображение, даваемое объективом, находится вблизи фокальной плоскости окуляра, увеличение, которое обеспечивает телескоп, равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра:
Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны, планет и деталей на них, но звёзды из-за их колоссальной удалённости всё равно видны в телескоп как светящиеся точки.
Имея сменные окуляры, можно с одним и тем же объективом получать различное увеличение. Поэтому возможности телескопа в астрономии принято характеризовать не увеличением, а диаметром его объектива. При визуальных астрономических наблюдениях обычно используют увеличения не более 100 раз. Применять большие увеличения мешает атмосфера Земли. Движение воздуха, незаметное невооружённым глазом (или при малых увеличениях), приводит к тому, что мелкие детали изображения становятся нерезкими, размытыми. Это мешает и современным наблюдениям с фотоэлектронными приёмниками света. Поэтому астрономические обсерватории, на которых используются крупные телескопы, размещаются в районах с хорошим астроклиматом: большим количеством ясных дней и ночей, с высокой прозрачностью и стабильностью атмосферы, на высоте нескольких километров над уровнем моря.
Современный телескоп представляет собой сложное устройство, которое имеет предельно точную оптику малых и больших размеров, наилучшие из существующих приёмники излучения и обширный комплекс научной и обслуживающей аппаратуры. Все наиболее крупные современные телескопы — это телескопы-рефлекторы.
Крупнейший в России телескоп-рефлектор (рис. 1.7) имеет зеркало диаметром 6 м, отшлифованное с точностью до долей микрометра. Фокусное расстояние зеркала 24 м. Его масса около 40 т. Масса всей установки телескопа более 850 т, а высота 42 м. Управление телескопом осуществляется с помощью компьютера, который позволяет точно навести телескоп на изучаемый объект и длительное время удерживать его в поле зрения, плавно поворачивая телескоп вслед за вращением Земли. Телескоп входит в состав Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук и установлен на Северном Кавказе (близ станицы Зеленчуке кая в Кабардино-Балкарии) на высоте 2100 м над уровнем моря.
Как выбрать телескоп
Далекие неизведанные миры и яркие звезды, загадочные небесные тела и бесконечная Вселенная… Что может быть интереснее? И разве легко найти более интригующую тему? Звездное небо – зрелище всегда завораживающее, способное увлечь и пытливый детский ум, и пылких юных романтиков, и людей постарше. А потому неудивительно, что почти каждый из нас порой обращает взор ввысь, пусть даже неосознанно пытаясь проникнуть в тайны мироздания. И лучшим помощником в таком исследовании может стать телескоп.
Что мы обычно представляем при упоминании подобного устройства? Как правило, на ум приходит образ эдакой подзорной трубы увеличенного размера, поставленной для устойчивости на специальную треногу. При этом с помощью термина «телескоп» обозначают целый класс разнообразных технических средств, предназначенных для исследования космоса. И многие из них далеки от привычного стереотипа.
В основе конструкции многих телескопов лежат линзы и зеркала различного размера, а также всевозможные варианты их комбинирования. Это так называемые оптические телескопы. Линзы и зеркала необходимы им для сбора света и увеличения изображения таким образом, чтобы его можно было рассмотреть в окуляр. Именно на оптических телескопах, которые можно использовать в домашних условиях или взять с собой за город, мы и остановимся подробнее. Они предназначены для тех, кто увлекается астрономией, и позволяют начать знакомство со звездным небом или оттачивать отдельные навыки изучения небесных объектов, светил и явлений.
ВИДЫ ТЕЛЕСКОПОВ. ИХ ОСОБЕННОСТИ
Оптические телескопы можно разделить на несколько групп:
— линзовые телескопы (рефракторы);
— зеркальные телескопы (рефлекторы);
— зеркально-линзовые телескопы (катадиоптрики).
Рефракторы отличает классическая конструкция. Они больше всего похожи на подзорную трубу. Изображение в таких телескопах строится с помощью двух линз. Рефракторы предпочтительнее использовать для наблюдения ярких небесных объектов (например, Луны, планет Солнечной системы, двойных звезд), а также для дневных земных наблюдений. Заглянуть в глубины космоса с помощью таких телескопов более проблематично, так как они не умеют концентрировать слабое свечение от удаленных небесных объектов. Преимущества рефракторов: качество изображения (благодаря высокой контрастности), простота эксплуатации (нет необходимости в частом техническом обслуживании), терпимость к смене температуры (это важно при использовании устройства как в помещениях, так и на улице). Недостатки: «окрашивание» рассматриваемых объектов (при наблюдении может быть заметно синее или фиолетовое окаймление ярких объектов), высокая цена для моделей с диаметром объектива более 100 мм. Ниже приведен пример изображения в телескоп-рефрактор (явно заметна синяя кайма по кромке объекта).
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Выбор телескопа зависит не только от предполагаемого бюджета покупки, но и от планируемых сценариев наблюдения. При этом важно учитывать не только принадлежность телескопа к одной из групп, но и отдельные технические характеристики каждой модели. При покупке телескопа часто возникают дилеммы. На какие характеристики следует обращать внимание в первую очередь? Учитывать возможности устройства концентрировать свет от далеких небесных объектов или увеличивать эти объекты? Казалось бы, ответ на поверхности: всего и побольше. Впрочем, на практике такое сочетание не всегда возможно, чему преградой в том числе ценовые ограничения.
Рассмотрим основные технические характеристики телескопов подробнее.
Максимальное полезное увеличение. Безусловно, этот параметр играет серьезную роль. Увеличение важно при изучении любых объектов и явлений звездного неба, но первостепенно при условии их достаточной яркости. Например, при изучении планет Солнечной системы можно рассмотреть большее число деталей этих объектов, используя значительное увеличение. Впрочем, ограничивать себя только пределами нашей системы, пожалуй, нелогично. Именно поэтому обращать внимание исключительно на максимальное полезное увеличение неправильно. Важно учитывать, что чрезмерное увеличение еще и накладывает дополнительные ограничения на использование телескопа. В этом случае становится ощутима вибрация трубы при прикосновении к ней, становятся заметны искажения, вызванные турбулентностью атмосферы, и др. Использование телескопа – это всегда умение найти оптимальное увеличение рассматриваемого объекта или явления с целью минимизации искажений.
Тип монтировки телескопа – особенности его установки на поверхности для направления на небесные объекты и явления с целью их изучения. Подобные манипуляции обусловлены вращением Земли и перемещением небесных объектов. То есть при длительном наблюдении за одним и тем же объектом требуется постоянная подстройка с учетом его текущего расположения. Выделяют азимутальные и экваториальные монтировки. Первая позволяет поворачивать телескоп в двух направлениях: по вертикальной и горизонтальной осям (схоже с поворотом камеры на штативе). Особенности конструкции монтировки второго типа подразумевают необходимость поворота телескопа вокруг лишь одной оси, что удобно при наведении телескопа по координатам объекта на звездном небе. Заметим, что вне зависимости от типа монтировки крайне важны ее вес, прочность и надежность. Неустойчивый телескоп, вибрирующий от малейшего прикосновения или дуновения, бесполезен. Кстати, существуют и так называемые моторизованные монтировки, позволяющие автоматически осуществлять подстройку устройства.
Другие параметры телескопов, по сути, являются производными от указанных выше. К ним относятся, например:
— диаметр и максимальное увеличение окуляров;
— относительное отверстие (показывает светосилу объектива);
— предельная звездная величина (характеризует оптическую мощь телескопа, его возможности показать звезду определенной величины в случае оптимальных условий наблюдения) и др.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА
Подведем итоги. При покупке оптического телескопа важно определиться не только с бюджетом покупки, но и с целью приобретения. При этом нужно учитывать, что грамотно выбранный телескоп способен прослужить долгие годы. Этот вид устройств, по сути, не устаревает. Даже несмотря на то, что технологии не стоят на месте, и современные исследователи звездного неба могут использовать телескопы с такими дополнительными функциями, как моторизованная монтировка или аудиосопровождение (что, безусловно позволяет наблюдать небесные объекты и явления подчас с большим интересом), с не меньшим успехом долгие годы можно пользоваться и моделями без дополнительных «наворотов». Хороший телескоп часто покупается один раз и на всю жизнь. Именно поэтому к его покупке нужно подойти с должной серьезностью, не ограничивать выбор минимальным бюджетом. Вместе с тем, справедлив и другой подход: составить корректное мнение о возможностях телескопа и сделать оптимальный выбор часто можно ли самостоятельно опробовав возможности данных устройств. И именно поэтому не всегда целесообразна покупка сразу дорогой модели.
Такой выбор позволит без чрезмерной переплаты увлечь ребенка темой изучения звездного неба, а взрослому любителю астрономии определиться с требуемым функционалом телескопа.
Желающим заглянуть в глубины космоса и не ограничивающим себя лишь пределами Солнечной системы подойдут модели среднего ценового диапазона (от 10 до 20 тыс. руб.), использующие оптическую схему типа «рефлектор» с диаметром апертуры 110-120 мм и азимутальной или экваториальной монтировкой. Такой телескоп сможет стать надежным другом для астронома-любителя во многих ситуациях, связанных с его хобби, и позволит развить навыки изучения звездного неба.
Наконец, исследователи космоса, желающие получить устройство с дополнительными возможностями, могут рассмотреть варианты покупки телескопа-катадиоптрика (в значительной степени подходит любителям выезжать за город или даже путешествовать с телескопом),
а также телескопов рефракторного и рефлекторного типа с диаметром апертуры 90-130 мм (в том числе с моторизованной монтировкой) в верхнем ценовом диапазоне (более 20 тыс. руб.).
Путь чайника в астрофото. Часть 1 — Оборудование
Без преувеличения можно сказать, что астрофотография — один из самых технически сложных разделов фотографии. Сложности состоят не только в некоторой удаленности объектов наблюдений, но и в различных моментах организационного характера. 
Астрономия как хобби интересовала меня давно, и наконец появилась практическая возможность попробовать себя в этом деле. Количество граблей на этом пути можно пересчитать десятком, и возможно подобная статья убережет новичков от ненужных трат.
«Как это работает», подробности под катом.
Выбор телескопа
Монтировка
Если говорить сильно упрощенно, то телескопы бывают 3х разновидностей, в зависимости от типа используемой монтировки. Ведь как давно было сказано еще Галилеем, все-таки Земля вертится, и телескоп должен поворачиваться вслед за звездами на небосводе. Поэтому монтировка — это не менее важная часть телескопа, чем собственно оптическая труба.
Итак, есть 3 типа монтировок:
— Экваториальная монтировка
Самый правильный тип монтировки применительно к астрофото. Ось монтировки направлена в направлении Полярной звезды (ось вращения земли), таким образом в идеале телескоп вращается «синхронно» с небом. «В идеале», т.к. в реальности механика неидеальна, да и наведение на полярную звезду тоже, в общем тут зарыты грабли N1, которые решаются во-первых, покупкой хорошей монтировки (около 1000$) и опционально, дополнительной гидирующей камеры, более точно удерживающей звезду в центре (200-300$). Еще могут понадобиться всякие крепежи и прочие железяки, которые в комплекте с телескопом не идут, но весьма прилично стоят.
Грабли N2 — как можно видеть из фото, монтировка достаточно громоздкая и тяжелая, помимо телескопа есть еще и противовесы, суммарный вес конструкции может быть 20-30кг.
— Альт-азимутальная монтировка
Данный тип монтировки полегче и попроще, требует меньше места и в целом весьма неплох. Однако как нетрудно догадаться, наблюдатель проигрывает в качестве, в частности из-за того что ось телескопа вращается несинхронно с осью земли, имеет место так называемое «вращение поля», из-за чего длинные выдержки невозможны. Это грабли N3.
Впрочем для коротких выдержек это не так уж критично, а при желании можно докупить так называемый «экваториальный клин». При помощи него азимутальная монтировка по сути превращается в экваториальную, а телескоп будет стоять раскорякой примерно так:
Цена этого клина около 300$, что есть грабли N4, так что имхо оно того не стоит — если ставить целью делать качественные фото, проще купить экваториальную монтировку сразу, чем делать такой сомнительный апгрейд.
В моем случае, все было решено за меня — экваториальная монтировка банально не помещается на моем балконе, так что выбора в общем-то и не было, пришлось брать альт-азимутальную.
— Монтировка Добсона
Самый простой и дешевый тип монтировок. Для астрофото по большому счету не подходит вообще, кроме Луны и планет. Сейчас есть компьютеризированные монтировки Добсона с электромоторами, однако их цена совсем немалая, и смысла в этом для астрофото в общем, нет.
Однако, плюс монтировки Добсона в ее дешевизне — например, за ту же цену можно купить 125мм телескоп с электроникой, или 200мм телескоп на монтировке Добсона. Очевидно, что второй покажет гораздо больше. В общем, если денег мало то об этом тоже можно подумать.
Апертура (диаметр объектива)
По большому счету, для астрофотографии апертура не так уж критична — в отличие от глаза, камера может накапливать свет. Но ведь в телескоп хочется еще и смотреть, так что этот параметр весьма важен. Все зависит исключительно от цены и финансовых возможностей покупающего. Примерно, можно выделить несколько вариантов:
— до 120мм: по сути больше игрушка, в которую кое что можно посмотреть, но выбор объектов будет сильно ограничен. Цена вопроса до 600$.
— 120-160мм: средний уровень, вполне пригодный как для начала, так и для дальнейшего «роста». Цена вопроса 600-1200$.
— 200мм и выше: для сильно продвинутых любителей, тут уже встают вопросы как цены так и габаритов.
В целом, тут есть грабли N5 — это масса и габариты телескопа. Можно купить просто отличный телескоп массой 30кг, и желание выносить его на улицу отпадет на 3й раз наблюдений. Телескоп с диаметром 5-8″ вполне неплохой компромисс для начала, позволяющий с одной стороны, много чего увидеть, с другой стороны, это не так уж напряжно в плане габаритов и цены.
Разумеется, есть другие параметры, такие как оптическая схема, светосила, фокусное расстояние, но все в целом не описать в одной статье.
В моем случае, исходя из требования компактности, был приобретен телескоп Celestron Nexstar 6″.
Выбор камеры
Когда-то давно, лет 5-10 назад, любители астрономии ставили на телескопы цифромыльницы через переходники и переделывали веб-камеры. Сейчас это стало неактуально, появились более-менее готовые решения, основных производителей любительских камер два: QHY и ZWO. Камера подсоединяется к телескопу вместо окуляра, в качестве интерфейса используется USB2 или USB3.
Как и в любой другой фототехнике, цена здесь зависит от размера матрицы и количества мегапикселов. Еще камеры бывают монохромные и цветные, модели с охлаждением и без. Примерная цена вопроса — от 200$ до 2000$, более-менее средней ценой для любителя можно считать 400-500$: за эти деньги можно купить камеру с разрешением 2-6МПкс и выдержками до 1000с. Больше в принципе и не надо, даже такие параметры не обеспечит телескоп среднего ценового диапазона.
Если в наличии есть DSLR камера со сменной оптикой, то можно использовать и ее, докупив соответствующий адаптер.
Выбор ноутбука
Как упоминалось выше, астрономические фотокамеры в основном, подключаются по USB. Камера пересылает на компьютер несжатый видеопоток (сжатие здесь неуместно, т.к. мы хотим рассматривать детали объектов а не артефакты mpeg). Так что желателен ноутбук с USB3.0 и достаточным местом на диске (1 минута несжатого видео занимает около гигабайта).
Выбор места наблюдений
Для всей любительской астрономии это самый сложный момент. По большому счету, слабых звезд в городах уже давно не видно, как писали здесь же на geektimes, выросло поколение людей, не видевших Млечный Путь (я сам его первый раз увидел лет в 25). В общем, это грабли N6 — в городе телескоп покажет от силы на 10% своих возможностей. В идеале, чтобы увидеть темное небо, в случае Москвы или Питера, надо отъехать километров на 80. Более точно можно узнать, посмотрев на сайте свое местоположение на сайте www.lightpollutionmap.info. Конечно, мотаться каждую ясную ночь на 80км никто не будет, так что остается смириться с тем что есть, и выбирать из доступных вариантов. Счастливые владельцы личного дома могут наблюдать на заднем дворе, это самый лучший вариант, для остальных остается либо дача, либо балкон (экстрим типа выноса оборудования суммарной ценой 2500$ на уличный двор я не рассматриваю).
В случае наблюдений на балконе имеют место грабли N7 — это тепловые потоки от здания. В холодное время года теплый воздух из окон поднимается вверх, и заметно «мылит» изображение. Это не видно глазом, но при увеличении 100-200х атмосфера уже критично влияет на качество.
При большом увеличении звезда может быть видна примерно так:
Что как видно, сильно отличается от изображения звезды в Stellarium. К счастью, для фотографии это не так уж критично, т.к. софт позволяет отбирать лучшие кадры из длинной серии.
Что наблюдать?
Всего для астрономических наблюдений/фотографий доступны следующие объекты:
— Луна и Солнце (обязательно с фильтром)
— планеты
— туманности и галактики
Если говорить про наблюдения из города, то наблюдателю доступны по сути, первые 2 пункта (из туманностей видны только наиболее яркие). Исходя из этого, в моем случае был сделан выбор в пользу «планетного» телескопа, с большим увеличением но небольшой светосилой.
Заключение
На этом краткий обзор «железа», необходимого для астрофото, можно закончить. Как можно видеть, не все просто, и нюансов здесь много, как для кошелька, так и для вопросов «что выбрать», так и для организационных моментов.
О софте для фотосъемки и обработке результатов будет рассказано в следующей части.
PS: Сразу хочется ответить на вопрос, который наверняка последует — «зачем это надо». В общем-то ответ прост — просто потому что интересно. Разумеется, никакой научной, общемировой или высокохудожественной ценности большинство любительских наблюдений и фотографий не имеют. Даже с 14″ телескопом не получить фото лучше чем это делают проф.обсерватории в Чили. Однако как хобби, это ничем не «хуже» дайвинга, катания на лыжах или собирания марок. К тому же, изучение технологий обработки изображений также весьма интересно, и может пригодиться и в других областях.