4. Наблюдение за звездами

Астрономический телескоп

Принцип телескопа

Как можно наблюдать за такими удаленными объектами, как планеты, с более близкого расстояния? Трудность в том, что на этот раз речь идет о небесконечно удаленном объекте: лучи, исходящие от объекта, параллельны друг другу. Если мы поставим простую лупу, эти лучи уже не будут параллельны на выходе, поскольку они сходятся к оптической оси: объект, видимый через лупу, уже не будет бесконечно удаленным.

Однако мы видели, что глаз адаптирован для того, чтобы видеть бесконечно удаленные объекты, то есть необходимо сделать так, чтобы лучи были тоже параллельны друг другу на выходе, чтобы объект всегда казался бесконечно удаленным. Другими словами, необходимо «увеличить» планету, не приближая ее.

Для этого можно сконструировать астрономический телескоп, состоящий из двух последовательных линз, названных объективом и окуляром (как в микроскопе). Эти линзы расположены на таком расстоянии, что падающие параллельные лучи остаются параллельными и на выходе из прибора (➙ рис. 21.9): так, бесконечно удаленный объект, увиденный в телескоп, предстает действительно бесконечно удаленным, и глаз может без труда видеть его.

На рис. 21.9 первая линза (объектив) имеет слабую оптическую силу, у второй (окуляра) оптическая сила высокая, то есть лучи меньше отклоняются в объективе, чем в окуляре. Мы видим последствия этого на выходе: лучи, выходящие из прибора, гораздо сильнее наклонены относительно оптической оси, чем падающие лучи. Это значит, что «видимый диаметр» планеты гораздо больше при взгляде через прибор: нам удалось «увеличить» объект, одновременно оставив его «в бесконечности»…

Фокусное расстояние и диаметр телескопа

Отношение между углом выходящих и падающих лучей называется увеличением: увеличение равное двум означает, что видимый диаметр планеты выглядит в два раза больше через прибор, чем невооруженным глазом. Чем больше разница в оптической силе у объектива и линзы, тем больше увеличение. Точнее, можно продемонстрировать, что увеличение равно отношению сходимостей пучка двух линз.

Таким образом, первая линза должна иметь как можно более слабую оптическую силу. Но чем меньше оптическая сила, тем меньше отклоняются лучи, то есть они проходят более длинный путь, прежде чем встретиться внутри линзы (➙ рис. 21.9). Это значит, что рефрактор должен быть более длинным: на практике длина рефрактора напрямую связана с его способностью увеличения.

Фокусное расстояние рефрактора соответствует фокусному расстоянию объектива и связано с длиной рефрактора: чем она больше, тем больше рефрактор увеличивает. Но в астрономии целью является не только увеличение: часто предпочтительнее уловить максимальное количество света. Таким образом, вторая фундаментальная характеристика рефрактора, помимо фокусного расстояния, – это его диаметр: более крупный диаметр позволяет проходить большему количеству лучей и получить более яркое изображение. Именно это позволяет видеть звезды, не видимые невооруженным глазом.

Рис. 21.9 – Рефрактор (телескоп с линзой в качестве объектива)

Расстояние между объективом и окуляром отрегулировано так, что падающие лучи выходят параллельными: так, бесконечно удаленный объект остается таковым при взгляде на него через прибор. С другой стороны, оптическая сила окуляра гораздо выше, чем у объектива (лучи отклоняются сильнее). Это значит, что видимый диаметр планеты через прибор (β) выглядит гораздо больше, чем при взгляде невооруженным глазом (α). Увеличение, по определению равное отношению этих углов, равно отношению оптической силы между двумя линзами.

По ходу дела заметим, что по отношению к взгляду невооруженным глазом планета выглядит перевернутой. На самом деле лучи, идущие от верха прибора, кажутся идущими от низа прибора, там, где находится глаз.

Телескоп

Телескоп устроен по тому же принципу, но вместо сферической линзы используется сферическое зеркало. Поверхность такого зеркала сделана в форме сферического сегмента: если зеркало вогнутое, падающие лучи отражаются, фокусируясь на оптической оси. Если зеркало не слишком большое, можно продемонстрировать, что все лучи, исходящие из одной точки, сходятся в единой точке после отражения зеркалом: присутствует стигматизм, изображение получается четкое.

Сферическое зеркало имеет те же самые свойства, что и сферическая линза, но вместо того, чтобы проходить сквозь него, лучи продолжают путь в противоположном направлении, перед зеркалом (➙ рис. 21.10): это второе зеркало должно быть довольно маленьким, чтобы лучи, идущие от звезды, могли достичь первого зеркала.

Рис. 21.10 – Телескоп

Мы представили лучи, идущие из бесконечно удаленной точки, расположенной на оптической оси (например, звезды). Изображение, видимое глазом, также бесконечно удалено: большое количество света, собранного слева, сконцентрировано в маленьком пучке справа, который целиком проникает в зрачок. Диаметр телескопа управляет качеством уловленного света: большой диаметр позволяет видеть объекты абсолютно не видимые невооруженным глазом из-за их слабой яркости.

Отметим, что это видно также на рис. 21.9. Рефрактор и телескоп играют одинаковую роль с точки зрения оптики.

В итоге рефрактор и телескоп имеют совершенно одинаковые свойства. В качестве большого профессионального прибора телескоп используется чаще, потому что большие зеркала легче полировать и они не такие тяжелые, как большие линзы.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Закон преломления объясняет, почему поверхность воды имеет «эффект лупы», когда мы смотрим сквозь нее. Закон отражения объясняет, что, когда мы смотрим в зеркало, мы видим свое симметричное изображение по ту сторону.

• Задний фокус линзы является изображением бесконечно удаленного точечного объекта. Фокусное расстояние линзы соответствует расстоянию заднего фокуса линзы. Оптическая сила – величина обратная фокусному расстоянию, она представляет собой способность собирать (или рассеивать) лучи.

• Глаз устроен так, чтобы четко видеть бесконечно удаленные объекты. Он также четко видит и близко расположенные объекты благодаря явлению аккомодации, при котором мышцы сжимают хрусталик.

• Рефрактор и телескоп характеризуются фокусным расстоянием, от которого зависит увеличение, и диаметром, от которого зависит количество полученного света. Телескоп оборудован зеркалами, а рефрактор только линзами.