Астрономия

Содержание раздела

Юные астрономы

Телескоп астронома-любителя

Каждому, вероятно, известно, что важнейший прибор, главное орудие астронома - телескоп. Но в чем основное преимущество телескопа перед невооруженным глазом? Это знают далеко не все.

Принято думать, что главное свойство телескопа - увеличивать изображения небесных светил. Подходя к телескопу, школьники обычно спрашивают: "А во сколько раз он увеличивает?" На самом деле мощность телескопа определяется не даваемым им увеличением, а диаметром объектива. Ведь чем больше диаметр объектива, тем больше его площадь, а значит, и больше количество света, которое объектив собирает. Даже школьный телескоп с диаметром объектива всего 80 мм собирает света примерно в 250 раз больше, чем глаз. Это и понятно: диаметр зрачка (5 мм) в 16 раз меньше диаметра школьного телескопа, а 16²=256. Поэтому в школьный телескоп мы увидим звезды, которые в 250 раз слабее видимых невооруженным глазом. Нужно помнить, что звезды даже в самый сильный телескоп кажутся светящимися точками, поэтому к их наблюдениям термин "увеличение" неприменим.

Иное дело - Солнце, Луна, планеты, туманности и другие так называемые протяженные небесные тела. Благодаря сочетанию в оптической системе телескопа объектива и специальной сложной лупы - окуляра можно получить увеличенные изображения этих светил. Посмотрим, как это происходит.

Объектив телескопа - это система линз, задача которой - построить действительное изображение светила. Это изображение, получаемое в главном фокусе объектива, можно принять на экран, сфотографировать, поставив здесь фотопластинку, или же рассматривать в окуляр. Расстояние от объектива или окуляра до главного фокуса называется фокусным расстоянием. Окуляр имеет свое фокусное расстояние, обычно во много раз меньшее, чем объектив. Увеличение телескопа равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра.

Казалось бы, следует добиваться как можно больших увеличений телескопа, чтобы рассмотреть мельчайшие подробности на Луне, Марсе и других планетах. На самом деле возможность рассматривать те или иные мелкие подробности (разрешающая сила телескопа) определяется опять-таки не увеличением. а диаметром объектива. Чтобы узнать, какие наименьшие детали можно различить в данный телескоп, надо 120 разделить на диаметр объектива, выраженный в миллиметрах. Мы получим видимые размеры наименьших различимых деталей в секундах дуги. Напомним, что 1" дуги - 1/3600°. Это угол, под которым видна толщина обычной спички с расстояния 400 м. На расстоянии Луны 1" дуги соответствует линейный размер детали в 2 км, на расстоянии Марса (в период великого противостояния) - в 300 км. Такие детали можно различить в телескоп с объективом в 120 мм и более.

Конечно, большие увеличения позволяют лучше рассматривать мелкие детали поверхности Луны или планет. Но они имеют и отрицательные стороны. При больших увеличениях изображение становится более бледным, менее ясным, так как собранное объективом количество света распределяется на большую площадь изображения. Кроме того, при больших увеличениях соответственно возрастает дрожание изображения, вызванное колебаниями атмосферы, а также искажения, связанные с несовершенством оптики телескопа (аберрации). Поэтому лучше выбрать не наибольшее увеличение, а такое, при котором светило в телескоп видно наиболее четко.

Телескопы бывают различных типов. Любителю астрономии обычно приходится иметь дело с двумя из них: рефрактором и рефлектором. Рефрактор - "преломляющий" - наиболее старый тип телескопа. Его объектив состоит из линз, преломляющих падающие на них лучи.

В СССР для школ выпускаются два типа телескопов-рефракторов. Большая модель (см. рис.) с объективом диаметром 80 мм, фокусным расстоянием 800 мм и тремя окулярами, дающими увеличение в 28, 40 и 80 раз. Телескоп смонтирован на так называемой экваториальной установке, которая позволяет следить за светилом длительное время, поворачивая телескоп вокруг только одной оси - полярной (направленной на Полярную звезду). Наклон полярной оси к горизонту должен быть равен географической широте места, которую определяют по карте. Перпендикулярно полярной оси проходит ось склонений. Поворачивая трубу вокруг обеих осей, мы наводим телескоп на светило, закрепляем зажимными винтами и, следя за светилом в окуляр, медленно с помощью микрометрического ключа поворачиваем телескоп вокруг полярной оси.

Малая модель школьного телескопа-рефрактора (см. рис.) имеет объектив диаметром 60 мм, фокусное расстояние 600 мм. Окуляры дают увеличение в 30 и 60 раз. В отличие от большой модели малая имеет азимутальную установку. В ней труба телескопа может поворачиваться вокруг двух осей: вертикальной и горизонтальной. Чтобы следить за светилом, телескоп приходится поворачивать одновременно вокруг обеих осей, что очень неудобно (о том, как этого избежать, рассказано в "Справочнике любителя астрономии" П. Г. Куликовского, "Наука", 1961, стр. 246). Ведь суточный путь светила по небу обычно расположен под углом к плоскости горизонта, а этот угол в течение суток меняется.

К обоим телескопам прилагаются различные дополнительные приспособления: солнечный экран, зенит-призма, темные стекла и светофильтры и др.

Часто любитель астрономии не имеет возможности приобрести фабричный телескоп. В этом случае мы можем предложить два варианта самодельного телескопа : для начинающих любителей - рефрактор из очковых стекол, для более опытных - рефлектор.

Изготовление самодельного рефрактора доступно любому школьнику. Прежде всего нужно приобрести объектив и окуляр. Для объектива можно использовать простую двояковыпуклую линзу в 1 диоптрию (фокусное расстояние ее равно 1 м). Такие линзы бывают в оптических магазинах и в аптеках. Два стекла для очков ("мениск") по +0,5 диоптрии, расположенных выпуклыми сторонами наружу на расстоянии 30 мм одно от другого, заменяют линзу в 1 диоптрию. Между ними нужно поставить диафрагму с отверстием диаметром около 30 мм. Годятся и насадочные линзы для фотоаппарата, например, типа "Любитель". Линзу в 1 диоптрию могут заменить линзы в 0,75 или 1,25 диоптрии (их фокусные расстояния - 133 и 80 см). Линза должна быть непременно круглая и иметь большой диаметр (до 50 мм).

Для окуляра можно взять сильную лупу небольшого диаметра, окуляр от микроскопа (в том числе школьного типа), от старого теодолита, нивелира или бинокля. Чтобы определить, какое увеличение даст наш телескоп, измерим фокусное расстояние окуляра. Для этого наведем в ясный день окуляр на Солнце и расположим за ним лист белой бумаги. Будем приближать и удалять лист, пока не получится самое маленькое и яркое изображение Солнца (чтобы бумага не загоралась, окуляр прикрывают засвеченной пленкой или пластинкой). Расстояние между центром окуляра и изображением и есть фокусное расстояние окуляра. Поделив фокусное расстояние объектива (оно равно 100 см, деленным на число диоптрий очковой линзы) на фокусное расстояние окуляра, получим увеличение телескопа. Обычно у самодельного рефрактора можно получить увеличение в 20-50 раз.

Трубу телескопа можно сделать из бумаги. Возьмите несколько листов бумаги большого формата и деревянную круглую болванку диаметром на 2-3 мм больше, чем линза объектива. Обмотайте болванку несколько раз бумагой, пока не получится достаточной прочности и толщины труба. Наматывая бумагу, промазывайте каждый слой клеем -обычным конторским, казеиновым, можно и клейстером из картофельной или пшеничной муки грубого помола. Наружную поверхность трубы покройте светлой эмалевой или масляной краской (можно лаком), а внутреннюю - вычерните тушью, чтобы избежать вредных отражений света от стенок трубы. Это лучше сделать до проклеивания трубы. Трубу можно изготовить и из листовой жести, дюраля и других материалов.

Таким же способом изготовляется выдвижная трубка меньшего диаметра для окуляра. Внутренний диаметр ее зависит от внешнего диаметра оправы окуляра. Главную трубу (1) делают сантиметров на десять короче фокусного расстояния объектива; длина окулярной трубки (2) около 40 см. Чтобы наводить телескоп на фокус ("на ясное зрение"), окулярная трубка должна плотно, на трении, вдвигаться и выдвигаться. Звезды в телескоп при установке на фокус кажутся яркими точками, а не размытыми дисками. Линза объектива (3) вставляется в передний конец трубы с помощью оправы (4), состоящей из двух картонных колец с разрезом и двух коротких бумажных трубок чуть меньшего диаметра, чем линза. С помощью этих трубок линза плотно зажимается между кольцами.

Чтобы было удобнее вести наблюдение, надо изготовить для телескопа штатив. Проще всего сделать деревянный азимутальный штатив, на котором труба поворачивается вокруг двух осей: вертикальной и горизонтальной. Однако на таком штативе нельзя наводить трубу на небо близ зенита. Устранить это неудобство можно. Надо только слегка изменить конструкцию штатива. Трубу на другом конце горизонтальной оси нужно уравновесить грузом. Чтобы не приходилось поддерживать все время трубу рукой, сделайте стопорный винт, а еще лучше два: для вертикальной и горизонтальной осей.

Вполне по силам астроному-любителю и изготовление экваториального штатива. В этом случае полярная ось закрепляется в двух втулках под углом к горизонтальной плоскости, равным широте места. Вторая ось - ось склонений устанавливается перпендикулярно ей.

Самодельный рефрактор позволит любителю наблюдать горы на Луне, пятна на Солнце (обязательно прикрывать окуляр темным стеклом; лучше изображение Солнца проецировать на экран - лист белой бумаги, защитив его от прямых лучей Солнца куском картона с отверстием посредине, надетым на трубу; при наблюдении с темным стеклом объектив надо задиафрагмировать на 1/3), кольца Сатурна, фазы Венеры, диск Юпитера, четыре его спутника, диск Марса, двойные звезды, некоторые звездные скопления - Плеяды, Ясли и др. Для сложных наблюдений этот инструмент недостаточен.

Если любитель астрономии терпелив и у него, как говорят умелые руки, он может собственными силами изготовить телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 100-150 мм, а после приобретения небольшого опыта - и большего размера.

Рефлектор - отражательный телескоп. Роль объектива в нем играет вогнутое зеркало. Если придать отражающей поверхности зеркала форму параболоида вращения, лучи от светила, падающие на зеркало параллельным пучком, после отражения сойдутся в его главном фокусе. Здесь и получится действительное изображение светила. Чтобы его наблюдать и фотографировать, между зеркалом и фокусом (ближе к фокусу) под углом 45° ставят плоское дополнительное зеркало, которое отражает пучок лучей вбок. Зеркало можно заменить прямоугольной призмой с полным внутренним отражением, например от призменного бинокля. Такая система телескопа называется системой Ньютона. В ней окуляр находится сбоку трубы. Существуют и другие системы рефлекторов, но они значительно сложнее и построить их любителю гораздо труднее.

Если фокусное расстояние главного зеркала при диаметре 100 мм будет не менее 700 мм, а при диаметре 150 мм - не менее 1200 мм, то поверхность зеркала можно сделать не параболической, а сферической, что намного легче.

Для изготовления такого сферического зеркала нужны два диска (при диаметре 100 мм толщиной не менее 10 мм; при диаметре 150 мм около 20 мм) из хорошо отожженного стекла, например зеркального, витринного, иллюминаторного. Если есть толстое зеркальное стекло, диски можно вырезать и самому, но при этом понадобится так называемое трубчатое сверло - отрезок трубки подходящего диаметра. Его можно согнуть из полосы железа, стали или другого не очень мягкого металла с толщиной стенок 1-2 мм и укрепить на деревянном диске того же диаметра, что и зеркало (можно, например, использовать корпус старого будильника). Диски вырезают, вращая трубчатое сверло при помощи сооруженного для этой цели станочка или вручную. Под край сверла непрерывно подмазывают кашицу из абразива (например, порошка наждака), размешанного с водой.

Для изготовления зеркала нужны шлифующие и полирующие материалы, а также смола и канифоль. Шлифуют зеркало с помощью абразивных порошков, карборунда (карбида кремния), корунда или наждака. В нашей работе понадобятся абразивы с зернами разной величины, они обычно различаются по номерам: 40-60 (самый крупнозернистый), 100-120, 280. Начинается шлифовка самым крупным абразивом. Когда углубление приближается к заданной величине, переходят от грубой шлифовки к тонкой, применяя все более и более мелкие сорта абразива. Нужно, чтобы абразив был однородным и одного сорта (без примеси зерен другого размера).

В процессе шлифовки из отработанного абразива изготовляют еще более мелкие сорта порошков - так называемые минутники. В высокую стеклянную банку наливают воду, высыпают смесь отработанных абразивов и взбалтывают. Через 5 мин воду осторожно сливают во вторую банку и снова отстаивают. Осадок, выпавший при отстаивании во второй банке, и есть пятиминутник. Таким же способом (он называется отмучиванием) получают 10-, 15-, 30-, 60-, 120-минутники.

Для шлифовки сферической поверхности нужно положить два стеклянных диска один на другой, а затем, смазывая соприкасающиеся поверхности кашицей из абразивного порошка с водой, двигать верхний диск от себя и к себе, непрерывно поворачивая оба диска. При этом поверхности дисков не останутся плоскими: поверхность верхнего диска становится вогнутой, а нижнего - выпуклой. В этом процессе имеет значение нажим на края нижнего диска при сдвигании верхнего.

Шлифуют диски на станке. Это может быть бочка или круглый стол, на которых при помощи доски и четырех шурупов с надетыми на них пробками или отрезками толстостенной резиновой трубки прочно закрепляется один из дисков (нижний). К верхнему диску можно приклеить смолой деревянную ручку. Шлифующий постепенно перемещается вокруг бочки, двигая верхний диск от себя и к себе на 1/4-1/3 радиуса и одновременно понемногу поворачивая его вокруг оси.

Можно пользоваться и станочком, показанным на стр. 200. На толстой доске - основании - укреплен вращающийся круглый или шести-, восьмиугольный столик. В его центре наглухо закреплена ось, вращающаяся в основании. Столик может опираться на "утопленные" в основании три стальных шарика. На таком станочке работать удобнее: вместо того чтобы самому ходить вокруг стола, можно стоя или сидя поворачивать столик станка.

По окончании шлифовки поверхность зеркала полируют. На нижний диск (шлифовальник) наносится слой из сплава смолы с канифолью, разделенный сетью канавок на квадратики-фасетки (для лучшего контакта со стеклом и циркуляции полирующего вещества). Полируют специальными порошками: крокусом или полиритом с водой.

При изготовлении зеркала для телескопа требуется очень большая точность. Поверхность его не должна отклоняться от заданной более чем на 70 нм. Тем не менее и в домашних условиях можно проверить зеркало с такой точностью. Для этой цели служит так называемый теневой прибор, изобретенный французским физиком Фуко. Такой самодельный прибор из деревянных брусочков или деталей "Конструктора", лампочки от карманного фонаря и лезвия для безопасной бритвы поможет провести испытание зеркала.

Принцип работы теневого прибора таков (см. схему на стр. 201). В центре кривизны О испытываемого зеркала помещают искусственную звезду - точечный источник света 1 (например, в листовой фольге делают небольшой прокол и освещают сзади ярким светом), а в точке пересечения отраженных от зеркала лучей света (вершине конуса О') ставят тонкий плоский экран - "нож Фуко" 2 (например, лезвие бритвы). Если смотреть на зеркало 3 из-за экрана на расстоянии около 25 см (для нормального глаза) и медленно пересекать вершину конуса лучей "ножом Фуко", то можно увидеть "теневую картину", по которой судят о форме поверхности зеркала. Если все лучи сойдутся в одной точке, - значит, зеркало имеет сферическую форму и все зеркало будет "гаснуть" одновременно (б). Если кривизна поверхности зеркала отклоняется от заданной, то фокусы разных зон, например фокус середины зеркала и фокус краевой зоны, не совпадут (а): при более длинном фокусе краевой зоны и более коротком - середины зеркала образуются "завал" на краю и "яма" в центре (реальные отклонения поверхности от сферы измеряются долями микрона).

Вогнутая сферическая поверхность отполированного зеркала отражает всего около 5% падающего на него света, поэтому ее покрывают светоотражающим слоем алюминия или серебра. Алюминируют зеркало только в специальной установке, а серебрить можно и в домашних условиях. Подробнее о том, как построить телескоп-рефлектор, рассказывается в книге М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя" ("Наука", 1967).

В современных астрономических наблюдениях большую роль играют дополнительные приборы, присоединяемые к телескопу. Это или фотокамера, или спектрограф, или фотоэлектрический фотометр. Астроному-любителю тоже не следует ограничиваться простым рассматриванием небесных светил в телескоп. Ведь интересно иметь собственные снимки Солнца, Луны, звездного неба, метеоров. Полученные снимки иногда могут иметь и научную ценность.

На окулярный конец телескопа можно насадить легкую, но прочную камеру из фанеры. Сзади в камере нужно сделать пазы для кассет к фотопластинкам 6Х9 см. Внутри камеру следует зачернить тушью, а место присоединения к телескопу изнутри оклеить черным бархатом, чтобы не проникал посторонний свет.

Можно воспользоваться фотоаппаратами "ФЭД", "Зоркий", "Зенит"; особенно удобны так называемые "зеркалки" типа "Зенит" - их оптическая система позволяет видеть светило в момент фотографирования. О фотографировании небесных тел рассказывается в статье "Наблюдения неба любителем астрономии". Мы лишь напомним, что всякое дополнительное приспособление, присоединяемое к телескопу (фотокамера, солнечный экран), надо уравновесить, например надеть на объективную часть трубы металлические кольца. Усиливается и общий противовес на другом конце оси склонений (или горизонтальной оси). Все насадки должны быть жесткими и прочными. В связи с тем что расстояние между камерой и объективом должно изменяться (для наводки на фокус), камеру крепят к окулярной трубке, а не к главной трубе. Если имеется возможность, для телескопа надо построить небольшой павильон с откидывающейся крышей (см. ст. "Наблюдения неба любителем астрономии"). Особенно это важно для самодельного рефлектора. Переносить его каждый раз из помещения на улицу и обратно сложно: из-за разности температур изменяется форма зеркала, каждый раз приходится заново производить установку по Полярной звезде и т. д,

В последние годы у нас развернулось широкое движение за организацию народных обсерваторий. Их уже несколько десятков. Инициатива в их создании принадлежит любителям астрономии, общественным организациям и органам народного просвещения. Народные обсерватории чаще всего создаются при Дворцах культуры, при Домах пионеров, планетариях, в парках и т. д. Во всех народных обсерваториях любители астрономии ведут активные наблюдения и распространяют астрономические знания среди населения.

перейти к началу страницы