Los telescopios más grandes. Desde notebook y ojos hasta cámaras de 340 megapíxeles y centros de datos. Parte 1

Han pasado casi 11 años desde que me gradué de KNU. T. Shevchenko, físico-astrónomo especializado. Estos fueron años interesantes en el desarrollo de la ciencia y la astronomía en particular, lo que extrañé, porque mi mente estaba consumida por un proyecto que generó más tráfico que todo Bielorrusia . Sin embargo, ahora, teniendo conocimiento y experiencia en el campo del procesamiento y almacenamiento de datos, quería volver a lo viejo y olvidado y ver cómo los servidores y centros de datos modernos pueden ser útiles para la ciencia. Solo piense, hace solo 50 años, los datos astronómicos eran placas fotográficas y revistas, la primera matriz CCD se usó en astronomía en 1973 y tenía dimensiones de 100x100 píxeles, usándola y con un telescopio con un diámetro de lente de 20 cm, la primera imagen digital de la luna


El primer disparo de la luna desde un dispositivo acoplado a la carga, debido al pequeño número de píxeles, la estructura matricial del receptor de radiación es notable

Y hace 40 años, en 1979, los CCD encontraron su aplicación en astronomía profesional, se instaló una cámara digital con un tamaño de 320x512 píxeles en el Observatorio Kitt Peak en un telescopio con un diámetro de lente de 1 metro, que mostró ventajas significativas en comparación con una placa fotográfica. También vale la pena señalar que el tamaño del píxel es importante y aquí era mucho más grande que los píxeles de las cámaras de los teléfonos móviles modernos, donde muchos de los fabricantes, con fines de marketing, colocaron millones de píxeles cada vez más pequeños, reduciendo su tamaño, ya que el área de la matriz está creciendo no aumentaron su número, lo que no solo no mejoró la calidad de la imagen resultante, sino que la empeoró. Es por eso que la imagen de la matriz, incluso con 0.01 megapíxeles, se ve muy decente, ya que las primeras matrices CCD, con un pequeño número de píxeles, eran bastante grandes, y hoy se están desarrollando matrices que son sensibles a un cierto rango del espectro de luz, por ejemplo, a la luz ultravioleta.


CCD sensible a los rayos UV

Y si al principio las capacidades informáticas más simples eran suficientes para almacenar datos y procesarlos, en 1988 20 MB de espacio en disco prometían una vida larga y sin preocupaciones, con el tiempo las necesidades comenzaron a crecer rápidamente. Todavía recuerdo cómo, en 2005, en nuestro departamento, con el apoyo de la Fundación Suiza, se abrió el primer observatorio virtual de rayos X y rayos gamma, con varias computadoras que eran más potentes en ese momento y una línea de fibra óptica a la red científica UNREN, que proporcionaba transmisión y recepción de datos a velocidades de hasta 10 Mbit / s, en el que los datos de las observaciones de los telescopios espaciales se procesaron en un amplio rango del espectro electromagnético, desde la radio hasta el rango gamma. Nuevos datos llegaron diariamente, y los terabytes tuvieron que ser almacenados y procesados. Y los volúmenes adicionales solo crecieron.

Pero un poco de historia antes de seguir adelante.

Es muy difícil responder a la pregunta de quién inventó el telescopio por primera vez. De vuelta en el siglo XIII. Roger Bacon, encontró una combinación de lentes en los que los objetos distantes parecían cercanos, y la invención del telescopio se anunció a principios del siglo XVII. en los Países Bajos, tres ópticas declararon a la vez: Lippersgue, Metsius y Jansen. Pero es indiscutible que Galileo Galilei realizó las primeras observaciones astronómicas el 7 de enero de 1610, no solo mirando al cielo con un ojo armado, sino describiendo lo que se observó (fases de Venus, las lunas de Júpiter, manchas solares, la estructura de la Vía Láctea) de acuerdo con la imagen heliocéntrica del mundo, justificándolo y profundizándolo.


Telescopio Galileo

Pero incluso entonces se notó que las imágenes de objetos astronómicos están distorsionadas: contienen aberraciones, para lo cual comenzaron a usarse lentes de enfoque largo. Así es como aparecieron los telescopios "aéreos" más grandes del mundo, por ejemplo, el telescopio Hevelius tenía 50 metros de largo.


Telescopio de aire Hevelius

Huygens usó un instrumento de 68 metros de largo, pero Ozu, que usó un telescopio aéreo de 98 metros de largo, todavía se considera el poseedor del récord, pero la imagen de él era de tan mala calidad y era tan incómodo de operar (requirió varias personas que controlan el telescopio) que él no pudo hacer ningún descubrimiento significativo, y el registro de 1664 aún permanece intacto.

Las aberraciones, incluso en telescopios aéreos, fueron bastante notables, y el uso de lentes con un diámetro de más de 20 cm hizo imposible su diseño. Entonces, por ejemplo, si usa una lente con un diámetro de 1 m, la longitud del telescopio aéreo debería ser de hasta 2 km. Queda claro que la solución al problema de las aberraciones está en un camino diferente. Y ya a mediados del siglo XVIII. Aparecen telescopios con lentes múltiples y oculares que compensan casi por completo la aberración cromática resultante de la dispersión (el índice de refracción de la luz en un medio depende de la longitud de onda y, por lo tanto, los rayos de diferentes longitudes de onda se recogen en diferentes "focos"), que compensan este efecto con una lente de dispersión .

Y uno de los pioneros de los telescopios de lentes múltiples fue John Dollond, quien, gracias al uso de múltiples lentes, pudo construir un telescopio con una longitud de solo 1.5 metros, dando una mejor imagen que el telescopio aéreo Huygens de 68 metros. Sin embargo, el proceso de fabricación de la lente fue bastante complicado: el vidrio se fundió varias veces en el horno y se enfrió durante muchos meses, de modo que fue posible darle la forma deseada y la estructura uniforme, y luego hubo un paso de rectificado igualmente largo. Es por eso que, hasta ahora, los refractores apocromáticos (telescopios de lentes con aberración esférica y cromática corregida) han seguido siendo bastante costosos de fabricar hasta el día de hoy y no era posible fabricar un telescopio con un diámetro de lente grande en ese momento, el vidrio se agrietó durante el procesamiento y aparecieron inhomogeneidades, como resultado de lo cual El diámetro máximo de la lente del telescopio Dallond era de solo 4 pulgadas (1 pulgada = 25,4 mm) = 10,16 cm.


El telescopio más grande de John Dollond.

El desarrollo adicional de la construcción del telescopio está asociado con la prohibición de las exportaciones, como resultado de lo cual los "dólares" dejaron de llegar de Inglaterra a Europa. La salida fue encontrada por el óptico alemán Joseph Fraunhofer, quien a principios del siglo XIX. inventó refractores nuevos y más avanzados, mejorando la tecnología de fabricación de lentes, logró construir un refractor con un diámetro de lente de 7 pulgadas, y en 1818 comenzó a fabricar un refractor de 9 pulgadas para Dorpat en Tartu (Estonia), donde el telescopio se instaló con éxito en 1824.

Más tarde, Merz y Mayer, herederos del conocimiento de Fraunhofer en 1839, fabricaron un refractor de 15 pulgadas para el recién creado Observatorio Pulkovo. El telescopio con un diámetro de lente de 38 cm y una longitud de 7 metros siguió siendo el líder en el mundo durante 8 años, pero aún contenía muchas aberraciones.

En cuanto al diámetro máximo de la lente, que fue posible fabricar en ese momento, es apropiado recordar al óptico suizo Pierre Guinan, quien a fines del siglo XVIII. Intenté hacer una lente con un diámetro máximo en ese momento, después de haber construido un horno de fusión para 80 kg de vidrio, y en 1799, después de 7 años de falla, habiendo consumido casi todos los medios personales, tuve la oportunidad de fabricar lentes de 10-15 cm de diámetro, un éxito sin precedentes para ese momento. Más tarde, ya en 1824, después de haber ideado una tecnología para destruir la estructura de inyección de tinta de los espacios en blanco de vidrio, aserrar espacios en blanco defectuosos, destruir el matrimonio y alear nuevamente, logró hacer una lente con un diámetro de 45 cm, después de lo cual murió. Pero sus obras no fueron en vano, el estadounidense Alvan Clark, un artista de profesión, inspirado por sus éxitos, continuó su trabajo con su hijo y ya en 1862 hizo un refractor para el Observatorio Dearborn con un diámetro de lente de 18 pulgadas, gracias a lo cual su hijo "descubrió" la estrella es el satélite de Sirio y fue capaz de "resolver" (abrir) muchas otras estrellas binarias después.

Y 11 años después, la firma Alvan Clark and Sons instaló un refractor de 26 pulgadas en el Observatorio Marino cerca de Washington, con la ayuda de que Asaf Hall descubrió los satélites de Marte: Phobos y Deimos en 1877. En 1878, el Observatorio Pulkovo ordenó a Alvan Clark 300,000 rublos de un refractor de 30 pulgadas, que fue fabricado e instalado en 1885, y en 1888 en Mount Hamilton en California (Observatorio Lick), por una donación del magnate estadounidense James Lick por la cantidad de 700 000 dólares se instaló el telescopio más grande fabricado por Clark con un diámetro de lente de 36 pulgadas.


James Lick telescopio versus hombre

Inspirado por la acción de Lika, Charles Yerkes decidió donar más de un millón de dólares para construir el refractor más grande del mundo con un diámetro de lente de 40 pulgadas. El trabajo también fue realizado por la compañía de Clark, pero sin su fundador, ya que Clark murió en 1887. Este refractor sigue siendo el más grande hasta el día de hoy, ya que se ha alcanzado un límite en el que la lente absorbe demasiada luz y se deforma por su propio peso, lo que comienza a dañar significativamente la imagen.


Telescopio del Observatorio Yerkes, diámetro de la lente 102 cm, el refractor más grande del mundo

No tenía sentido construir refractores con un diámetro de lente grande y, por otro motivo, un gran espectro menor, estos telescopios eran extremadamente inconvenientes para las observaciones espectrales y fotométricas, con telescopios más pequeños, se podían obtener resultados mucho mejores. Pero estos telescopios han enriquecido enormemente la astronomía estelar con muchos descubrimientos y han continuado funcionando con éxito hasta el día de hoy.

En cuanto a los telescopios de espejo: reflectores, donde se usa un espejo cóncavo como lente en lugar de lente, la idea de su creación surgió durante la vida de Gallileus, en 1616 los esquemas fueron propuestos por N. Zucca, y más tarde en 1638 por N. Mersen. Sin embargo, el primer telescopio de espejo fue hecho por Isaac Newton en 1688, este reflector era muy pequeño. Su espejo esférico principal de bronce tenía un diámetro de solo 2.5 cm, a una distancia de 6.5 cm del centro del espejo principal, se ubicó uno aún más pequeño: un espejo secundario que reflejaba los rayos de luz en el ocular ubicado en el costado.


Diseño óptico del telescopio Newton

Al principio, Newton usó un ocular, en el cual el telescopio dio un aumento de 41 veces, pero al cambiar el ocular a un enfoque más largo, reduciendo así la ampliación a 25 veces, Newton notó que los objetos se ven más brillantes y nítidos. Fue entonces cuando quedó claro que el objetivo del telescopio no es solo "acercar" el objeto, sino también recolectar tanta luz como sea posible para examinarlo con más detalle y con la máxima calidad, ya que el área del lente del telescopio es muchas veces mayor que el área de la pupila del ojo. Hoy en día se acepta generalmente que el aumento útil máximo del telescopio, que le permite revelar completamente el potencial de la herramienta, hasta que las aberraciones causadas por exceder el límite físico de las capacidades ópticas del telescopio comiencen a notarse, es 2 veces el diámetro de la lente en mm. Es decir, para el primer telescopio Newton fue 50 veces, pero como el mismo Newton notó, es mucho más eficiente observar muchos objetos con aumentos menores.


Vista de Saturno con un aumento insuficiente, óptimo y excesivo

Por ejemplo, la galaxia de la Nebulosa de Andrómeda, o M31 según el catálogo de Monsieur, tiene dimensiones angulares 6 veces más grandes que el disco de la luna llena, sin embargo, para examinarla necesitas un telescopio, ya que su brillo es mucho menor que el de la luna y necesitas recolectar tanta luz como sea posible para considerar sus detalles. Sin un telescopio, parece una mancha opaca en el cielo nocturno, mucho más pequeña que la luna, pero esto no es más que una ilusión visual.


Telescopio John Hadley (Sistema Newton)

Ya en 1721, John Hadley construyó un reflector Newton con un diámetro de lente de 15 cm y una longitud focal de 158 cm, en el que era fácil observar las lunas de Júpiter e incluso distinguir la brecha de Cassini en los anillos de Saturno, que apenas era visible en el telescopio aéreo de 37 metros utilizado Huygens

Más tarde, se inventaron esquemas más avanzados, utilizando espejos cóncavos parabólicos en lugar de un espejo elíptico cóncavo secundario esférico y más pequeño, desde el cual la luz se reflejaba de nuevo en el orificio en el centro del espejo principal, detrás del cual estaba el ocular, lo que resulta en una imagen que no se volcó, como en El sistema de Newton, y la línea recta, y la longitud de la tubería al mismo tiempo disminuyeron, mientras que la aberración esférica se corrigió en gran medida.


Sistema óptico del telescopio Gregory

Entonces, en 1732-1768, James Short fabricó varios telescopios utilizando el sistema Gregory, el más grande de los cuales tenía un diámetro de 55 cm. Y William Herschel de 1773, llevado por el pulido de espejos de metal, logró producir 430 espejos durante 20 años, como resultado construyó el más grande reflectores con distancias focales de 20 y 40 pies ingleses (unos 12 metros).


El telescopio más grande de William Herschel con una distancia focal de 12 metros

El diámetro de la lente de bronce del reflector de 40 pies era de 122 cm, y el grosor era de aproximadamente 9 cm, el espejo pesaba al menos una tonelada y se hundía bajo su propio peso. El 75% consistía en cobre y el 25% de estaño. El espejo se oscureció extremadamente rápido, se agrietó y requirió un pulido frecuente, que Herschel realizó manualmente durante los primeros 15 años, así como la fabricación de nuevos espejos, donde el proceso de pulido tomó más de 16 horas y no permitió que se despegara por un minuto. Operar el telescopio fue extremadamente inconveniente y, por lo tanto, para la mayoría de sus descubrimientos, Herschel, junto con su hermana Carolina, utilizaron telescopios de menor diámetro. Es interesante que durante su vida Herschel descubrió más de 2500 nebulosas, 806 estrellas dobles, realizó 4 visiones completas del cielo nocturno visibles para él, y Carolina, además de sus 98 años de vida, logró descubrir 2 cometas. Su trabajo fue continuado por su hijo John, quien en África hizo observaciones de una parte invisible del cielo desde Inglaterra usando un telescopio de 20 pies.


Hoy, el espejo del telescopio Herschel más grande se almacena en cámara lenta

En 1845, el cervecero inglés William Lassel, llevado por la astronomía, construye un reflector con un diámetro de espejo de 61 cm, lo instala en su propiedad de Starfield cerca de Liverpool y un año después, el 10 de octubre de 1846, abre el satélite del recién descubierto planeta Neptuno - Tritón, que luego usa el mismo instrumento que logra detectar los satélites de Urano: Ariel y Umbriel. Y en 1861 se las arregla para construir un telescopio con un diámetro de lente de 122 cm, como el telescopio Herschel, que posteriormente se instaló en Malta para observar la parte más meridional del cielo estrellado.


Sello dedicado al telescopio de 122 cm de William Lassel

Si hablamos del reflector más grande del siglo XIX, fue construido por William Parson, con el título de Lord Ross. Con una gran cantidad de capital, decidió construir el telescopio más grande del mundo, pero desafortunadamente James Short destruyó todos los papeles con los secretos de fabricación y Ross tuvo que inventar mucho nuevamente. Sin embargo, después de haber gastado mucho esfuerzo y 20,000 libras, mucho dinero para ese tiempo, el telescopio estaba listo en 1845 (tardó 3 años en construirse). El diámetro del espejo principal era de 183 cm, peso de 3 toneladas, longitud de la tubería de 16 metros. El telescopio se controló utilizando un complejo sistema de bloques y cables que se suponía que servirían a 2 personas, tenía un campo limitado: podía elevarse y caerse, y de lado a lado giraba solo 15 grados. El clima de Irlanda difícilmente se puede llamar el mejor: durante un año de 60-80 noches despejadas, principalmente en invierno, porque Ross no pudo hacer ningún descubrimiento significativo al respecto, sin embargo, fue el primero en notar que algunas de las nebulosas tienen una estructura en espiral.


El telescopio reconstruido Lord Ross en Irlanda ya está disponible para su visualización en el Castillo Birr ( sitio web )

Fue posible restaurar el telescopio en 2001, utilizando los dibujos conservados gracias a la esposa de Ross y algunas tecnologías modernas, el espejo pesado y opaco fue reemplazado por uno de aluminio ligero. Fue posible superar a Ross construyendo un telescopio con un gran diámetro de espejo solo a principios del siglo pasado.

La moda de los espejos de vidrio apareció a mediados del siglo XIX, ya que el vidrio era más fácil de procesar y el revestimiento plateado reflejaba 2 veces más luz que los espejos de bronce. Además, el espejo era mucho más ligero. En 1878, se instaló un reflector con un diámetro de espejo de 122 cm, y ya en 1888, el reflector de vidrio más grande del siglo XIX. con un espejo con un diámetro de 153 cm.

Sin embargo, la victoria final de los reflectores de vidrio sobre el metal cae en 1917, cuando se construyó un reflector con un diámetro de lente de 2.58 metros en el Observatorio Mount Wilson, a expensas del millonario John D. Hooker.


Observatorio Mount Wilson Reflector de 100 pulgadas

La victoria decisiva de los espejos de vidrio sobre los de metal se debió a la invención del método de "sombra" de Foucault, que aumentó la calidad de fabricación de la óptica y, como resultado, la reflectividad de los espejos al 90-95%. 1930 , , , , , , , , .

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Ahora el telescopio BTA es uno de los diez telescopios más grandes y mejores del mundo.

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