Optická astronomie
Astronomův nejcennější přístroj
testová otázka – a) dalekohled, b) počítač, c) něco jiného?
c - lidské oko
světločivé buňky:
- čípky - v okolí optické osy čočky, barevné vidění,
3 typy, celkem 6-8 milionů
- tyčinky - noční černobílé vidění; o několik řádů
citlivější než čípky; nejvíce tyčinek - asi 20°
od optické osy oční čočky; celkem až 150 mil.
video – pitva oka
Zásady správného vizuálního pozorování
- adaptace na tmu - nejméně půl hodiny (zpětná adaptace na světlo několik
minut), tlumené červené světlo (tyčinky nejsou v červené moc citlivé)
- neprovádět vizuální fotometrii za soumraku (Purkyňův jev – citlivost na barvy)
- neměnit přístroje při vizuální fotometrii (zejména ne při pozorování červených
hvězd)
- ve dne (čípky) – max. citlivost očí na záření o λ asi 555 nm, v noci asi 510 nm
- co nejslabší objekty – boční vidění – asi o 10° mimo směr k objektu
Oko jako přístroj
perfektní přístroj, ale někdy klame
• proč se hvězdy malují cípaté, když jsou kulaté?
• odhady jasností hvězd – vedle sebe a nad sebou (paralaktická chyba)
• citlivost na barvy hvězd (Purkyňův jev)
Péče o zrak
citlivost sítnice - zvyšuje vitamin A a okysličení,
- snižuje kouření a požívání alkoholu
UV záření - působí šedý oční zákal a degeneraci žluté skvrny => přes den - chránit
oči – tmavé brýle s UV filtrem, zaclonění očí (kšilt, klobouk…)
velké světlo => prodloužení doby adaptace na tmu
pravidelně kontroly u lékaře, živiny, cvičení (oční jóga)
Astronomie jednoduchými prostředky
- vizuální pozorování – astrometrická - pohyby po obloze, hvězdné obloze,
- fotometrická – proměnné hvězdy
- sluneční aktivita (velké skvrny)
- určování souřadnic – průchody meridiánem
- sluneční hodiny
- měsíční hodiny
Hvězdářské dalekohledy
- jednoduché přístroje (v principu)
- moderní teleskopy - nové technologie - zvýšení účinnosti
- obří teleskopy, urychlovače - největší přístroje
Funkce dalekohledu
• sběrač světla – větší sběrná plocha
• zvětšení rozlišovací schopnosti
Typy dalekohledů
• čočkové
• zrcadlové
• kombinované
Zrození dalekohledu
I. Prehistorie
1850 – nalezena čočka z
antika – 423 př.n.l. Aristofanés– „zapalující sklíčka“
- přelom letopočtu – zmínky o lupách rytců v Pompejích
- 287 – 212 př.n.l. – Archimédés – měděná zrcadla, zapálení lodí(?)
1011-1021 Alhazen (Ibn al-Haytham) – camera obscura s čočkou
poč. 13. st. - Robert Grosseteste (1175-1253) – první popis přístroje,
který umožňuje, aby se malé věci jevily veliké
Roger Bacon - jeho žák – také popis dalekohledu
kolem 1286 - první brýle v Itálii (Pisa, Benátky, Florencie) a v Číně
kolem 1350 - výroba brýlí a čoček
1550-1570 - Leonard Digges – otec astronoma Thomase Diggese – údajně
zkonstruoval čočkový i zrcadlový dalekohled (nezávisle potvrzeno; modely
ani náčrtky se nedochovaly)
1574 - ottomanský astronom Taki al-Din - popis
1586 - Giambattista della Porta – popis dalekohledu
doby kolem 3000 př.n.l. z Asýrie
Detail portrétu kardinála Hugha
de Provence
(1352 Tommaso da Modena)
Zrození dalekohledu
II. Historie
2.10.1608 – přihláška patentu dalekohledu – Hans Lippershey
odmítnut – přístroj je již znám!
o dva týdny později – Jacob Metius z Alkmaaru
téhož roku – Sacharius Jansen z Middelburgu – prodej dalekohledů
na frankfurtském veletrhu
duben 1609 – v brýlařství v Pont Neuf (Paříž)
poč. léta 1609 – Galileo Galilei – dalekohled (3x zv.) – kresby Měsíce (IX.-X. 1609)
– Thomas Harriot (6x zvětšení) – kresby Měsíce (červenec),
sl. skvrn (prosinec); objeveno až r. 1784
srpen 1609 – Galilei předvádí dalekohled zákonodárcům v Benátkách
duben 1611 – Galileův přítel Federico Cesi – termín „telescopium“
Zrození dalekohledu
II. Historie
1611 Johannes Kepler – princip čočkového dalekohledu
jiné konstrukce
1630 Christopher Scheiner, Antonín Maria Šírek z Rejty
– konstrukce dalekohledu Keplerova typu
zrcadlový dalekohled
1550-1570 Leonard Digges
1616 Nicollò Zucchi – bronzové vyduté zrcadlo (neúspěch)
1663 James Gregory – systém s provrtaným dutým zrcadlem; model až roku 1674,
použitelné až 1721
1668 Isaac Newton – jednoduchý systém s dutým zrcadlem
1672 Laurent Cassegrain – podobný systém jako Gregory
typ Cassegrain
Čočkové dalekohledy (refraktory)
Keplerův dalekohled (2 spojné čočky):
Objektiv – spojka, velká ohnisková vzdálenost fob, obraz vzdáleného předmětu
v ohniskové rovině je převrácený, zmenšený a skutečný
Okulár – spojka fok < fob; obraz vytvořený objektivem v jeho ohniskové rovině
předmětového prostoru => obraz předmětu jako pod lupou
Největší refraktory:
125 cm – Expo Paříž 1900
110(98) cm – Švédský solární teleskop,
La Palma (2002-)
102 cm – Yerkes observatory (1897-)
úhlové zvětšení dalekohledu
z = fob/fok z=D/D’ (vstupní/výstupní pupila)
největší uplatnění – pozorování planet, Měsíce, ale i dvojhvězd ...
mění se změnou okuláru (jeho ohniskové vzdálenosti) - nelze libovolně!
užitečné zvětšení – D/2 až 2D (průměru objektivu v mm)
maximální zvětšení < 700 x – vliv atmosféry, vad dalekohledu...
Zvětšení dalekohledu
Rozlišovací schopnost dalekohledu
- závisí na průměru objektivu
- difrakce => bodový objekt -> malý kotouček
s difrakčními kroužky
- vždy! - i v ideálním dalekohledu bez vlivu
atmosféry!
- důsledek ohybového jevu při dopadu světelných
vln na okrajích objektivu
- průměr centrálního kroužku => jak (úhlově) blízké zdroje lze daným
dalekohledem ještě rozeznat
rozlišovací schopnosti dalekohledu:
tím lepší, čím větší je průměr objektivu a čím je kratší vlnová délka záření
teoretická rozlišovací schopnost
δteor=1.22λ/D (v radiánech, D v mm), pro λ=550 nm δ“=140/D (D v mm)
δreál < δteor (2m Ondřejov δ=0,057“, ale seeing 1“)
reálná rozlišovací schopnost - kvalita dalekohledu, pozorovací podmínky
(seeing), poměry jasností dvou objektů ...
Světelnost dalekohledu
- několik významů – různé definice
- poměr průměru objektivu D k jeho ohniskové vzdálenosti f (relativní otvor) =>
např. dalekohled o průměru objektivu 20 cm a ohniskové vzdálenosti 2 m
=> světelnost 1:10
- velké světelnosti - nad asi 1:5 (tedy např. 1:4, 1:3)
Zrcadlové dalekohledy (reflektory)
• základní prvek – (skleněné) pokovené zrcadlo
• povrch – většinou Al+ochranná vrstva => lze pozorovat
čočkami pohlcované UV záření (λ> 300 nm)
• rozšířené, populární – cena/výkon
• nevýhoda - malé zorné pole => konstruují se speciálně
pro daný účel (fotografie, spektroskopie)
Výhody Nevýhody
- relativně malé centrální stínění - malé zorné pole
- nulová barevná vada - v okraji zorného pole obraz zatížen
komou
- výborná kresba v optické ose - nutná příležitostná kolimace
- velmi výhodný poměr ceny a průměru
Vlastnosti dalekohledu typu Newton
nejběžnější amatérský dalekohled
Kombinované dalekohledy
primární zrcadlo + korekční čočka - 1930 Bernhard Schmidt (1879–1935)
čočka – náprava chronických vad reflektorů (např. zvýšení kvality zobrazení
ve větším zorném poli)
Systém Ritchey-Chretien – na HST, obě zrcadla hyperbolická
Montáže dalekohledů
montáž – nedílná součást dalekohledu, často určuje
využití dalekohledu; umožňuje otáčet tubus
dalekohledu kolem 2 vzájemně kolmých os
Montáže (podle orientace os):
- azimutální - jedna osa je svislá, druhá vodorovná
- paralaktické - polární osa (≡ světová osa), deklinační osa
německá
anglická osová
vidlicová
anglická rámová
rámová s
podkovou
azimutální
Největší teleskopy světa
výběr vhodného místa:
- temné nebe,
- klidné ovzduší (malý seeing),
- malá vlhkost ovzduší,
- velký počet jasných (fotometrických) nocí.
⇒ nejlepší místa na vysokých místech v pouštích, v horách (Mauna Kea na
Havajských ostrovech, Atacama v Chile, v horské oblasti Kanárských ostrovů,
v jihovýchodní části Austrálie, ve Skalnatých horách v americké Arizoně….
seeing - úhlový průměr osamocené hvězdy při pozorování dalekohledem na
špičkových vysokohorských observatořích < 1″.
„vylepšení seeingu“:
adaptivní optika – kompenzace neklidu atmosféry z pozorování jasné
nebo umělé (laserové) hvězdy
aktivní optika – korekce deformace zrcadel i konstrukce montáže,
které vznikají např. nakláněním teleskopu do různých poloh, tepelnou
roztažností materiálu apod.
Efekt.
průměr
Přístroj Observatoř Umístění
10.4
Gran Telescopio
Canarias
La Palma, Kanárské ostrovy,
Španělsko
28 46 N; 17 53 W
2400 m
10.0
Keck
Mauna Kea, Hawaii, USA
19 50 N; 155 28 W
4123 mKeck II
9.2 SALT (11x9.8 m)
South African Astronomical
Observatory, JAR
32 23 S; 20 49 E; 1759 m
9.2 Hobby-Eberly (11x9.8 m) Mt. Fowlkes, Texas, USA 30 40 N; 104 1 W; 2072 m
2x8.4
Large Binocular
Telescope
Mt. Graham, Arizona, USA
32 42 N; 109 53 W
3170 m
8.3 Subaru Mauna Kea, Hawaii, USA 19 50 N; 155 28 W;4100 m
8.2
Antu
Cerro Paranal, Chile
24 38 S; 70 24 W
2635m
Kueyen
Melipal
Yepun
8.1
Gillett Mauna Kea, Hawaii, USA 1950 N; 155 28 W,4100 m
Gemini South Cerro Pachon, Chile
30 20 S;70 59 W (approx)
2737 m
Část observatoří
na havajské hoře
Mauna Kea.
Část Evropské jižní observatoře
(ESO) v Chile (La Silla).
Plánované dalekohledy:
• Extremely Large Telescope ELT, ESO (Chile) 39.3 m (2025)
• Thirty Meter Telescope, Hawaii, USA 30 m (2027)
• Giant Magellan Telescope, mezinár., Chile 7×8.4 m zrcadla = průměr 24.5 m (2029)
• Rubin Observatory (Large Synoptic Survey Telescope) 8.4 m, USA (říjen 2022)
• James Webb Space Telescope 6.5 m, USA (plánovaný start říjen 2021)
• Magdalena Ridge Observatory Telescope Array (USA) 2.4 m+10 x 1.4 m
(2020 – 2. dalekohled)
• International Liquid Mirror Telescope (Indie) 4 m - v provozu od 2018?
Uvažované nebo plánované
• ALPACA telescope, 8 m, USA liquid mirror
•Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope (ATLAST), 8-15m v kosmu
(2025-2035)
Dřívější projekty
• Overwhelmingly Large Telescope 60-100 m – studie ukončena
• Euro 50 - 50 m - studie ukončena
• Hubble Origins Probe – studie ukončena
Kosmické teleskopy
Hubbleův kosmický dalekohled – zásadní pro celou astronomii
Základní data:
družice tvaru válce – délka 13 m, šířka 4,3 m, hmotnost téměř 12 tun,
hlavní zrcadlo: 2,4 m, sférická vada – 2 µm , sekundární 30 cm,
systém Ritchey-Chrétien (typ Cassegrain); cena 1,5 mld dolarů
Před startem
1923 – první návrhy na dalekohledy v kosmu - Hermann Oberth
1946 – projekt kosmického dalekohledu - Lyman Spitzer (1914–1997)
1977 - návrh na vypuštění Hubbleova kosmického dalekohledu
1983 – předpokládaný termín realizace HST, technické potíže + havárii raketoplánu
Challenger (1986) => start 1. velkého kosmického dalekohledu až 1990
http://www.nasa.gov/hubble/
http://hubble.nasa.gov/
http://hubblesite.org/
http://www.spacetelescope.org/
Další kosmické dalekohledy
projekt NASA Origins - velké astronomické dalekohledy
Comptonova observatoř - pro sledování objektů v oboru γ záření,
Chandra - rentgenová observatoř
Spitzerův kosmický dalekohled - reflektor 0,85 m, od 2003, IR obor (λ = 3-180 μm)
COROT, KEPLER, MOST, TESS, GAIA (2 zrcadla 1,45 m x 0,5 m)
BRITE – nanosatelity, 3 cm
malý velikostí, ale velký významem – HIPPARCOS – 29 cm zrcadlo
plány: James Webb Space telescope – 6,5 m zrcadlo
Fotometrie:
1.3 miliard objektů 6 - 20 mag
Astrometrie:
přesnost určení polohy:
7 µas pro objekty <12 mag
25 µas pro objekty <15 mag
300 µas pro objekty <20 mag
Spektroskopie:
radiální rychlosti s přesností
2 - 10 km/s pro objekty <17 mag
GAIA
(start listopad 2012, 1. data 2016, 2. data 2018)
dvě zrcadla – 1,45x0,5 m
řada CCD kamer,
celkem 4500 x 1966 pixelů