Телескоп под микроскоп: как работят телескопите?

Хората са изучаване на нощното небе, още от началото на времето. Различните цивилизации имат свои собствени убеждения и свой начин на изучаване на звездите в небето. От тогава до сега няма нищо по привлекателно за човечеството от нощното небе. Разбира се, в по-големите градове то не изглежда чак толкова внушително, но ако някога излезете извън големия град – в планината или на село, погледнете през нощта небето, сигурни сме, че това ще е гледка, която не бихте забравили. И най-вероятно ще започнете да си задавате въпроси като колко са звездите, къде точно се намират, как изглеждат отблизо и други подобни. И няма да сте единствените, още от дълбока древност хората са си задавали подобни въпроси, като с течение на времето една теория за нощното небе става широко приета. Тя гласи, че Земята се намира в нещо като стъклена сфера или топка и че звездите са просто дупки в тази топка, през които минава светлината от Космоса. Защо ви разказваме това ли, след като знаем, че не е вярно. Е, много от древните хора са се питали същото – дали това е вярно и малко по-малко измислили тези чудни прибори, без които днешните астрономи не биха могли да направят нищо – телескопите.

Изобретяването на телескопа се приписва на много хора, но според съвременните учени истината е, че всички те са го изобретили по равно. Всеки добавял нещо от себе си, подобрявал уреда и така се стигнало до съвременните телескопи. Въпреки това твърдение ще започнем така: в продължение на столетия астрономическите наблюдения са се провеждали само с невъоръжено око. Изобретяването на телескопа от Галилей в началото на 17 век довело до истинска революция в астрономията. Сега телескопът е основно средство за астрономическите наблюдения. Смята се, че телескопът е изобретен от Ханс Липерсхайм в Холандия през 1608 г.  Историята разказва как две деца си играли с лещи, събрали ги и погледнали през тях към една църква. Оказало се, че виждат църквата увеличена. Те показали на Ханс Липерсхайм тяхното откритие и скоро той изобретил първия примитивен телескоп. През 1609 г. Галилео Галилей подобрява телескопа и дори наблюдава кратерите на луната и открива луните на Юпитер. Рефлекторният телескоп, създаден от Исак Нютон, бил следващата стъпка към удовлетворяването на желанието на човек да види повече. Огледалото изисквало шлифоването на една-единствена повърхност, която да събира звездната светлина и да я отразява към фокалната равнина, а тъй като подпорите на огледалото се намирали от задната му страна, то можело да има доста големи размери, без да хлътва от собствената си тежест, както често се случвало с големите лещи. Уилям Хершел открил планетата Уран със самоделен рефлекторен телескоп - отливал металните огледала в двора или в мазето и веднъж му се наложило да се спасява от потеклата река разтопен метал, след като калъпът от конски тор се разпукал. А сега още малко от историята на телескопа в години:
1609 г. – преди много години Галилей създал модерната астрономия с един твърде скромен инструмент, който днес се пази в музея за история на науката във Флоренция.
1670 г. – В Данциг Ян Хевелий конструирал 46-метров телескоп, окачен с въжета на един стълб.
1789 г. – Сър Уилям Хершнел открил планетата Уран със самоделен рефлекторен телескоп. Осем години по-късно, с финансовата помощ на крал Джордж III, Хершел завършил работата по 12-метров телескоп в Англия. Заради големите си размери и тежест телескопът се оказал по-неефективен от очакваното и последните наблюдения с него били направени през 1814 г.
1840 г. – Джон Дрейпър направил първата снимка на Луната, като използвал изобретения от Луи-Жак-Манде Дагер дагеротипен процес.
1845 г. – В Ирландия лорд Рос завършил конструирането на своя рефлекторен телескоп, известен с името "Певиатанът от Парсънстаун". Благодарение на своето първично огледало с диаметър 1,80 метър телескопът позволил на Рос да открие първите спирални мъглявини.
1882 г. – Военноморската обсерватория на САЩ изпратила осем експедиции в различни краища на света, за да наблюдават преминаването на Венера пред Слънцето. От направените около 1700 снимки са оцелели само няколко.
1897 г. – Завършена е работата по 100-сантиметровия телескоп в обсерваторията Йъркис, който продължава да е най-големият рефракторен телескоп, конструиран някога.
1917 г. – В обсерваторията в Калифорния е бил открит 2-метровият телескоп "Хукър". Едно от най-големите открития с него е направено от Едуин Хъбъл, който определил разстоянието до мъглявината Андромеда и впоследствие заключил, че тя се намира извън границите на Млечния път.
1990 г. – Совалката "Дискавъри" извежда в орбита космическия телескоп "Хъбъл". От тогама до сега той запечатва Вселената в безпрецедентни детайли. Две десетилетия по-късно "Хъбъл" изпраща на Земята нови открития за живота и смъртта на звездите и за природата на нашата Вселена.

Днес телескопите като цяло имат едно и също устройство, което може да бъде разделено на две основни части – тръба, в която е поместена оптиката и статив, чрез който става възможно практическото използване на телескопа. Тръбата на телескопа служи за осигуряване и запазване на правилното и точното разположение на оптичните елементи на телескопа. В общоприетите представи на хората тя е цилиндрична, но съществуват форми с друго сечение. Например, много от любителските телескопи тип "Добсон" са с квадратни "тръби", изработени от дървени плоскости. Съществуват телескопи, в чиито оптични схеми са включени допълнителни огледала, които неколкократно отразяват светлинния лъч в пространството между обектива и окуляра. Оптичната ос прилича на буквата "Z", а формата на тяхната тръба е доста странна, ако въобще можем да говорим за такава. По-големите телескопи пък въобще нямат тръби в истинския смисъл на думата. Поради това, че тръбите на такива големи телескопи биха станали много тежки и трудни за изработване, те са заместени от специална метална конструкция. Такива са "тръбите" на най-големите телескопи в света.
По принцип в тръбата на телескопа е монтирана цялата оптична система, състояща се от обектив, окуляр, допълнителни огледала, призми и други. Обективът е най-важната част от оптическата система на телескопа. Той формира образа на наблюдавания обект. Много често за охарактеризиране на телескопа се използват именно стойностите на диаметъра и фокусното му разстояние.

В зависимост от вида му телескопите се делят на два главни типа – рефрактори и рефлектори.
Рефракторът е типът, с който най-често хората свързват думата "телескоп". При тях обективът представлява леща, монтирана в горния (предния) край на тръбата. Обективите на съвременните любителски рефрактори се изработват от няколко отделни лещи, които са слепени помежду си или между тях има тънък слой въздух. Към тръбата се прикрепят чрез метален пръстен, в който са поместени лещите, и който се завива към тръбата. Самите лещи са от висококачествени оптични стъкла, с различна степен на пречупване на светлината, което спомага за намаляване на оптическите дефекти, наречени аберации. Друг способ за подобряване на качеството на образа е полагането върху оптическите повърхности на обективите (и окулярите) на антирефлексно покритие, или т.нар просветляване. По този начин в значителна степен се намалява отразяването на светлината от стъклените повърхности. Ще познаете дали една леща е просветлена или не по характерното оцветяване на стъклото в различни цветове – червеникаво, виолетово, синьо и др.  Ако обективът на телескопа е огледало, той се нарича рефлектор. Особеност на всички рефлектори е, че обективът (огледалото) се намира в долната страна на тръбата, "на дъното" й. Огледалото представлява дебел стъклен диск, вдлъбнат от горната страна и покрит с отразяващ алуминиев слой. Обикновено при любителските телескопи вдлъбнатостта на огледалото има формата на сфера или параболоид. Поради това, че по принцип огледалните обективи са по-големи и по-тежки от лещовите монтирането им към тръбата на телескопа е по по-сложен начин. Причината е, че стъклените огледала трябва да се монтират така, че да не провисват от собствената си тежест и да не променят формата на огледалната повърхност.

Окулярът е другия основен оптичен елемент на телескопите. Той служи за разглеждане на образа на обекта, създаден от обектива. За разлика от обектива окулярът не зависи от оптичната схема на телескопа. Един и същи окуляр може да се използва с всички видове телескопи. Най-простият окуляр може да представлява единична леща. Поради това, че такъв окуляр би показал образа на наблюдавания обект много лошо, с геометрични и цветови деформации, обикновено окулярите се изработват от поне две лещи с определено фокусно разстояние и разположени по специален начин една спрямо друга. Всъщност, съществуват множество окуляри с различни оптични схеми, в някой от които може да има дори десетина лещи. За по-добро изображение всички повърхности на лещите в окуляра се просветляват. Любопитно е, че големите западни фирми произвеждат и окуляри по-скъпи от един цял любителски телескоп.
Основната характеристика на окуляра е неговото фокусно разстояние. Най-общо, фокусното разстояние е разстоянието от челната леща до фокалната равнина, но при различните системи окуляри то се дефинира различно. Любителските телескопи са снабдени с окуляри с фокусно разстояние от 4-5 милиметра до 50-60 милиметра. Друга характеристика е зрителното поле на окуляра, което е в пряка връзка със зрителното поле на телескопа като цяло. За да се вижда зрителното поле достатъчно остро всички окуляри имат т.нар. диафрагма. Тя представлява пръстен, монтиран във фокалната равнина на окуляра и служи и за ограничаване на крайните лъчи. По този начин се постига значително подобрение на качеството на образа, но понякога това е за сметка на големината на зрителното поле. Независимо от оптичната схема, формата и размерите им, долната част на всички окуляри е цилиндрична. Тази част се слага в отвора на окулярния възел. Някои модели окуляри са снабдени с гумени накрайници, които служат за ограничаване на страничната светлина, която пречи за нормалното наблюдение.

Днес най-големите телескопи имат огледала с диаметър до 10 м и съответно събират четири пъти повече светлина от легендарния петметров телескоп „Хейл" в Паломарската обсерватория в Южна Калифорния. Някои от тези гиганти, които се извисяват подобно на многоетажни сгради, са толкова автоматизирани, че могат сами да се чистят от прах по залез, да отварят купола на обсерваторията, да подреждат задачите си и да извършват наблюдения през нощта, а също и да се самоизключват, ако времето се развали – всичко това без или почти без човешка намеса. При все това хората – нали са хора – продължават да се месят дори и само за да се грижат нещо да не се обърка: понастоящем загубата на една-единствена работна нощ на някой голям телескоп се равнява на разхищаването на 100 000 долара разходи по поддръжката.

И накрая за да не ви отегчаваме много, защото нашата цел е да ви бъде интересно, запомнете само, че има няколко вида телескопи: оптични, рефракторни, радиотелескопи, рентгенови и космически.
Знаете ли, че учените могат да имат два или повече телескопа и да ги използват заедно. Така те си конструират един вид гигантски телескоп. Това се прави, за да получат по-добра видимост към наблюдавания обект. Такъв вид телескоп се нарича интерферометър. Интерферометър има мощност равна на разстоянието между телескопите, които се използват.

Снимки: sxc.hu