Астрономические инструменты и приборы

Астрономические инструменты и приборы - оптические телескопы с разнообразными приспособлениями и приемниками излучения, радиотелескопы, лабораторные измерительные приборы и другие технические средства, служащие для проведения и обработки астрономических наблюдений.

Вся история астрономии связана с созданием новых инструментов, позволяющих повысить точность наблюдений, возможность вести исследования небесных светил в диапазонах электромагнитного излучения (см. Электромагнитное излучение небесных тел), недоступных невооруженному человеческому глазу.

Первыми еще в далекой древности появились угломерные инструменты. Самый древний из них - это гномон, вертикальный стержень, отбрасывающий солнечную тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона и тени, можно определить высоту Солнца над горизонтом.

Армиллярная сфера

Астролябия

Зеркальный телескоп (рефлектор) И. Ньютона

Телескоп И. Кеплера

К старинным угломерным инструментам принадлежат и квадранты. В простейшем варианте квадрант - плоская доска в форме четверти круга, разделенного на градусы. Вокруг его центра вращается подвижная линейка с двумя диоптрами.

Широкое распространение в древней астрономии получили армиллярные сферы - модели небесной сферы с ее важнейшими точками и кругами: полюсами и осью мира, меридианом, горизонтом, небесным экватором и эклиптикой. В конце XVI в. лучшие по точности и изяществу астрономические инструменты изготовлял датский астроном Т. Браге. Его армиллярные сферы были приспособлены для измерения как горизонтальных, так и экваториальных координат светил.

Коренной переворот в методах астрономических наблюдений произошел в 1609 г., когда итальянский ученый Г. Галилей применил для обозрения неба зрительную трубу и сделал первые телескопические наблюдения. В совершенствовании конструкций телескопов-рефракторов, имеющих линзовые объективы, большие заслуги принадлежат И. Кеплеру.

Первые телескопы были еще крайне несовершенны, давали нечеткое изображение, окрашенное радужным ореолом.

Избавиться от недостатков пытались, увеличивая длину телескопов. Однако наиболее эффективными и удобными оказались ахроматические телескопы-рефракторы, которые начали изготовляться с 1758 г. Д. Доллондом в Англии.

В 1668 г. И. Ньютон построил телескоп-рефлектор, который был свободен от многих оптических недостатков, свойственных рефракторам. Позже совершенствованием этой системы телескопов занимались М. В. Ломоносов и а В. Гершель. Последний добился особенно больших успехов в сооружении рефлекторов. Постепенно увеличивая диаметры изготавливаемых зеркал, В. Гершель в 1789 г. отшлифовал для своего телескопа самое большое зеркало (диаметром 122 см). В то время это был величайший в мире рефлектор.

В XX в. получили распространение зеркально-линзовые телескопы, конструкции которых были разработаны немецким оптиком Б. Шмидтом (1931) и советским оптиком Д. Д. Максутовым (1941).

Гигантский телескоп Я. Гевелия

Квадрант для определения высот небесных светил

40-футовый телескоп-рефлектор В. Гершеля

В 1974 г. закончилось строительство самого большого в мире советского зеркального телескопа с диаметром зеркала 6 м. Этот телескоп установлен на Кавказе - в Специальной астрофизической обсерватории. Возможности нового инструмента огромны. Уже опыт первых наблюдений показал, что этому телескопу доступны объекты 25-й звездной величины, т. е. в миллионы раз более слабые, чем те, которые наблюдал Галилей в свой телескоп.

Современные астрономические инструменты используются для измерения точных положений светил на небесной сфере (систематические наблюдения такого рода позволяют изучать движения небесных светил); для определения скорости движения небесных светил вдоль луча зрения (лучевые скорости); для вычисления геометрических и физических характеристик небесных тел; для изучения физических процессов, происходящих в различных небесных телах; для определения их химического состава и для многих других исследований небесных объектов, которыми занимается астрономия.

К числу астрометрических инструментов относятся универсальный инструмент и близкий к нему по конструкции теодолит; меридианный круг, используемый для составления точных каталогов положений звезд; пассажный инструмент, служащий для точных определений моментов прохождения звезд через меридиан места наблюдений, что нужно для службы времени.

Для фотографических наблюдений используются астрографы.

Для астрофизических исследований нужны телескопы со специальными приспособлениями, предназначенными для спектральных (объективная призма, астроспектрограф), фотометрических (астрофотометр), поляриметрических и других наблюдений.

Повысить проницающую силу телескопа удается путем применения в наблюдениях телевизионной техники (см. Телевизионный телескоп), а также фотоэлектронных умножителей.

Созданы инструменты, позволяющие вести наблюдения небесных тел в различных диапазонах электромагнитного излучения, в том числе и в невидимом диапазоне. Это радиотелескопы и радиоинтерферометры, а также инструменты, применяемые в рентгеновской астрономии, гамма-астрономии, инфракрасной астрономии.

Для наблюдений некоторых астрономических объектов разработаны специальные конструкции инструментов. Таковы солнечный телескоп, коронограф (для наблюдений солнечной короны), кометоискатель, метеорный патруль, спутниковая фотографическая камера (для фотографических наблюдений спутников) и многие другие.

В ходе астрономических наблюдений получают ряды чисел, астрофотографии, спектрограммы и другие материалы, которые для окончательных результатов должны быть подвергнуты лабораторной обработке. Такая обработка ведется с помощью лабораторных измерительных приборов.

Для измерения положений изображений звезд на астрофотографиях и изображений искусственных спутников относительно звезд на спутникограммах служат координатно-измерительные машины. Для измерения почернений на фотографиях небесных светил, спектрограммах служат микрофотометры.

Важный прибор, необходимый для наблюдений, - астрономические часы.

При обработке результатов астрономических наблюдений используются электронные вычислительные машины.

Существенно обогатила наши представления о Вселенной радиоастрономия, зародившаяся в начале 30-х гг. нашего столетия. В 1943 г. советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю. 50-е гг. XX в. - период необыкновенно быстрого развития радиоастрономии. Ежегодно радиоволны приносили из космоса новые удивительные сведения о природе небесных тел.

Сегодня радиоастрономия использует самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенны. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Перед человеком раскрылся радиокосмос - картина Вселенной в радиоволнах.

Астрономические инструменты для наблюдений устанавливают на астрономических обсерваториях. Для строительства обсерваторий выбирают места с хорошим астрономическим климатом, где достаточно велико количество ночей с ясным небом, где атмосферные условия благоприятствуют получению хороших изображений небесных светил в телескопах.

Атмосфера Земли создает существенные помехи при астрономических наблюдениях. Постоянное движение воздушных масс размывает, портит изображение небесных тел, поэтому в наземных условиях приходится применять телескопы с ограниченным увеличением (как правило, не более чем в несколько сотен раз). Из-за поглощения земной атмосферой ультрафиолетовых и большей части длин волн инфракрасного излучения теряется огромное количество информации об объектах, являющихся источниками этих излучений.

Телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 2,6 м Крымской астрофизической обсерватории

В горах воздух чище, спокойнее, и поэтому условия для изучения Вселенной там более благоприятные. По этой причине еще с конца XIX в. все крупные астрономические обсерватории сооружались на вершинах гор или высоких плоскогорьях. В 1870 г. французский исследователь П. Жансен использовал для наблюдений Солнца воздушный шар. Такие наблюдения проводятся и в наше время. В 1946 г. группа американских ученых установила спектрограф на ракету и отправила ее в верхние слои атмосферы на высоту около 200 км. Следующим этапом заатмосферных наблюдений было создание орбитальных астрономических обсерваторий (ОАО) на искусственных спутниках Земли. Такими обсерваториями, в частности, являются советские орбитальные станции "Салют".

Орбитальные астрономические обсерватории разных типов и назначений прочно вошли в практику современных исследований космического пространства.