Статьи Сергея Чупракова

6 апреля 2015

Что может и чего не может телескоп

Таким вопросом задается каждый, кто решил ступить на путь астролюбительства. К сожалению, представления о возможностях астрономических приборов у большинства просто фантастические. Часто приходится слышать вопросы. Какого размера в телескоп звезды? Можно ли наблюдать галактики днем и через облака? При каком увеличении можно разглядеть на Луне следы посадки космических аппаратов?

Начнем с того, что увеличение телескопа — не основная его характеристика, и вообще не имеет к конкретному прибору никакого отношения. На любой телескоп, который вы видите в магазине от детской подзорной трубы, то полупрофессионального прибора за шестизначную цену, можно действительно поставить любое увеличение. Для этого можно даже не покидать магазина, воспользовавшись тем, что вы видите на полках с окулярами и увеличивающими насадками. Почему же так не делают?

Как это не странно,  само название основной физической характеристики телескопа отвечает на это вопрос. Сам телескоп не разрешает. Вот эта маленькая подзорная труба разрешает поставить увеличение не больше 75 крат, а вон тот «навороченный монстр» в самом центре магазина, на ценник которого даже смотреть страшно, разрешает аж 500 кратное увеличение. Почему?

Физики называют разрешением оптического прибора (в нашем случае — объектива телескопа) его способность нарисовать в фокусе две близко расположенные детали (две тесные звездочки, изоляторы на высоковольтной вышке на дальней сопке, облачные полосы на диске Юпитера, иголки на далекой ёлке, стенки трещины на склоне лунного кратера, объявление на стене дома на другом берегу Ангары). Если объектив телескопа не позволяет увидеть какой-нибудь подобный объект, то увеличение ничем не поможет, увеличение размера ёлочной ветки или лунного кратера в окуляр не означают появление на ветке иголок или трещины на склоне кратера. И ветка и кратер будут хоть и большими, но «размытыми» и малоконтрастными. Объектив «не разрешает» рассмотреть их.


Вот что означает повышение увеличения, когда объектив «не разрешает». Изображение увеличивается, но тускнеет и размывается

А так ведет себя при повышении увеличения «разрешающий» объектив

Разрешение измеряют в угловой мере, но эти углы сложно себе представить. Например под каким углом мы видим монетку достоинством в 1 рубль с расстояния 2.5 км? Представьте себе, 1 угловой секунды. Найдите школьный транспортир и посмотрите на градусные деления. 1 угловая секунда это... 1/3600 градуса! Много это или мало? Для современной астрономии это довольно большой угол. Увидеть рублевую монетку с расстояния 2.5 км сможет объектив любительского телескопа диаметром всего 140 мм. Существует простая формула:

РАЗРЕШЕНИЕ В УГЛОВЫХ СЕКУНДАХ = 140 / ДИАМЕТР ОБЪЕКТИВА В МИЛЛИМЕТРАХ

Знаменитая щель Кассини в кольцах Сатурна имеет примерно такую же ширину.

Почему у объектива большого диаметра больше разрешение? Проще всего показать это на примере звезд. Но для начала, представим, что  нашим наблюдениям не мешает земная атмосфера, к которой мы позже вернемся. Какого размера должен быть объектив телескопа, чтобы различить, к примеру, диск Солнца, если бы оно было удалено от нас на расстояние ближайшей звезды (если кто знает — Проксимы Центавра)? Напомню, это расстояние даже свет, летящий со скоростью 300 тыс. км. в секунду пролетает за 4 года, 4 месяца и 10 дней! Простой расчет показывает, что для этого мы должны вооружиться телескопом диаметром... 20 м и не забыть запустить его в космос. Такие проекты уже есть, только наземные. Гигантский Магелланов телескоп будет иметь диаметр как раз 20 м, только атмосфера не даст разгуляться. К сожалению, сама Проксима Центавра — крошечная тусклая красная звездочка, которую невозможно даже увидеть невооруженным глазом, потому что она в 7 раз меньше Солнца. Следовательно, для разрешения её диска потребуется телескоп уже 140 м!

Любой, даже самый большой наземный телескоп не может разрешить диски даже самых ближайших звезд. Вместо этого, если не мешает атмосфера в фокусе объектива мы увидим пятнышко, окруженное концентрическим колечком или двумя. Чем меньше диаметр объектива, тем больше размер пятна и наоборот.


Изображение звезды объективами разного диаметра. A — минимальный диаметр, F — максимальный.

Поглядите на этот рисунок. Чем меньше пятно, тем на меньшем расстоянии друг от друга могут быть два таких пятна, чтобы мы видели их раздельно. На этом свойстве и основано разрешение объектива.

Глаз здорового человека разрешает угол примерно 1/60 градуса. Несложные вычисления показывают, что для того, чтобы глаз с помощью окуляра смог рассмотреть самый тонкий объект, разрешаемый объективом, увеличение должно быть не меньше чем диаметр объектива в миллиметрах. Например объектив диаметром 100 мм не может дать увеличение больше 100 крат. Некоторые наблюдатели, впрочем, склонны умножать эту величину на полтора и даже на два, если качество объектива и состояние атмосферы позволяют. Дальше повышать увеличение бессмысленно.

Опуская малоинтересные подробности, заметим, что существует и минимальное полезное увеличение телескопа, рассчитать которое можно по несложному правилу: диаметр телескопа в миллиметрах, деленный на шесть.

Естественно, что чем больше диаметр объектива, тем больше света он собирает, тем ярче будет изображение.


Сравнительный размер объектива небольшого рефрактора  (100 мм) и зрачка человеческого глаза в темноте (5 мм)

Посмотрите на рисунок, который показывает сравнительные размеры объектива небольшого телескопа и зрачка человеческого глаза. Площади отличаются в 400 раз. Вот во столько же раз слабые объекты, чем невооруженный глаз может увидеть телескоп. О яркости протяженных астрономических объектов от планет до слабых газовых туманностей на сенсоре фотоаппарата или сетчатке глаза зависит от относительного отверстия (отношения диаметра телескопа к фокусному расстоянию) мы поговорим в одной из следующих статей.

И в заключение хотелось бы  развеять еще одно заблуждение, которое само собой возникает в головах у каждого, кто смотрит на изображения туманностей и других объектов глубокого космоса, полученных с помощью электронных камер или фотоматериалов. После покупки телескопа, некоторые новички чувствуют себя разочарованными.

Но надо понимать, что это свойство не телескопа, а приемника, дело в принципиальных отличиях глаза от матрицы или пленки в фотоаппарате. Во время длительного экспонирования, приемник как бы «накапливает» свет — в матрице фотоаппарата с каждым фотоном происходит накопление электрического заряда, а в пленке — ионов. Глаз же работает как кинокамера, он не может делать слишком большие «экспозиции», иначе мы бы видели все движущиеся предметы «размазанными».


Как выглядит снимок Большой туманности Ориона на чувствительную астрономическую камеру и в окуляр одного и того же телескопа.

Так же хотелось бы сказать о возможности видеть цвет слабых астрономических объектов в окуляр. Когда яркость предметов низка, цветовая чувствительность человеческого глаза «переключается» на световую, «черно-белую». И здесь, чем больше диаметр телескопа, тем более слабые протяженные объекты (туманности, галактики, скопления слабых далёких звезд) можно наблюдать в окуляр в цвете. Такие объекты как планеты, конечно же будут видны цветными даже в слабенький бинокль.