Die größten Teleskope. Von Notebook und Augen bis hin zu 340-Megapixel-Kameras und Rechenzentren. Teil 1

Fast 11 Jahre sind vergangen, seit ich mein Studium an der KNU abgeschlossen habe. T. Shevchenko, Fachphysiker-Astronom. Es waren interessante Jahre in der Entwicklung der Wissenschaft und insbesondere der Astronomie, die ich verpasste, weil mein Geist von einem Projekt verzehrt wurde, das mehr Verkehr erzeugte als ganz Weißrussland . Nachdem ich nun Kenntnisse und Erfahrungen auf dem Gebiet der Datenverarbeitung und -speicherung hatte, wollte ich zu den vergessenen alten zurückkehren und sehen, wie moderne Server und Rechenzentren für die Wissenschaft nützlich sein können. Denken Sie nur, vor 50 Jahren waren astronomische Daten fotografische Platten und Magazine. Die erste CCD-Matrix wurde 1973 in der Astronomie verwendet und hatte Abmessungen von 100 x 100 Pixel, wobei sie verwendet wurde und mit einem Teleskop mit einem Linsendurchmesser von 20 cm die erste digitales Bild des Mondes.


Bei der ersten Aufnahme des Mondes von einem ladungsgekoppelten Gerät fällt aufgrund der geringen Pixelanzahl die Matrixstruktur des Strahlungsempfängers auf

Und vor 40 Jahren, 1979, fanden CCDs ihre Anwendung in der professionellen Astronomie. Im Kitt Peak Observatorium wurde eine Digitalkamera mit einer Größe von 320 x 512 Pixel auf einem Teleskop mit einem Linsendurchmesser von 1 Meter installiert, was gegenüber einer Fotoplatte erhebliche Vorteile zeigte. Es ist auch erwähnenswert, dass die Pixelgröße wichtig ist und hier viel größer war als die Pixel in den Kameras moderner Mobiltelefone, wo viele Hersteller zu Marketingzwecken Millionen von immer kleineren Pixeln platzierten und ihre Größe reduzierten, da die Matrixfläche wächst Sie haben ihre Anzahl nicht erhöht, was die Qualität des resultierenden Bildes nicht nur nicht verbessert, sondern vielmehr verschlechtert hat. Aus diesem Grund sieht das Bild aus der Matrix selbst mit 0,01 Megapixeln sehr anständig aus, da die ersten CCD-Matrizen mit einer kleinen Anzahl von Pixeln ziemlich groß waren und heute Matrizen entwickelt werden, die für einen bestimmten Bereich des Lichtspektrums empfindlich sind, beispielsweise für Ultraviolett.


UV-empfindliches CCD

Und wenn zu Beginn die einfachsten Rechenkapazitäten ausreichten, um Daten zu speichern und zu verarbeiten - 1988 versprachen 20 MB Speicherplatz eine lange und unbeschwerte Lebensdauer, dann begann der Bedarf im Laufe der Zeit schnell zu wachsen. Ich erinnere mich noch daran, wie 2005 in unserer Abteilung mit Unterstützung der Schweizerischen Stiftung das erste virtuelle Röntgen- und Gamma-Observatorium VIRGO eröffnet wurde, mit mehreren damals leistungsstärksten Computern und einer Glasfaserleitung zum wissenschaftlichen Netzwerk der UNREN, die Datenübertragung und -empfang mit einer Geschwindigkeit von bis zu ermöglichte 10 Mbit / s, bei denen die Beobachtungsdaten von Weltraumteleskopen in einem weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums verarbeitet wurden - vom Radio bis zum Gammabereich. Täglich kamen neue Daten an, und Terabyte mussten gespeichert und verarbeitet werden. Und weitere Volumina wuchsen nur.

Aber ein bisschen Geschichte, bevor es weitergeht.

Es ist sehr schwierig, die Frage zu beantworten, wer das Teleskop zuerst erfunden hat. Zurück im XIII Jahrhundert. Roger Bacon fand eine Kombination von Linsen, bei denen entfernte Objekte nahe zu sein schienen, und die Erfindung des Teleskops wurde zu Beginn des 17. Jahrhunderts angekündigt. In den Niederlanden wurden drei Optiken gleichzeitig deklariert - Lippersgue, Metsius und Jansen. Es ist jedoch unbestreitbar, dass Galileo Galilei am 7. Januar 1610 die ersten astronomischen Beobachtungen machte und nicht nur mit einem bewaffneten Auge in den Himmel blickte, sondern auch beschrieb, was beobachtet wurde (Phasen der Venus, die Monde des Jupiter, Sonnenflecken, die Struktur der Milchstraße) gemäß dem heliozentrischen Bild der Welt. es zu rechtfertigen und zu vertiefen.


Galileo-Teleskop

Aber schon damals wurde bemerkt, dass Bilder von astronomischen Objekten verzerrt sind - sie enthalten Aberrationen, für die Linsen mit langem Fokus verwendet wurden. So entstanden die größten Luftteleskope der Welt, zum Beispiel war das Hevelius-Teleskop 50 Meter lang.


Hevelius Luftteleskop

Huygens benutzte ein 68 Meter langes Instrument, aber Ozu gilt immer noch als Rekordhalter mit einem 98 Meter langen Luftteleskop, aber das Bild davon war von so schlechter Qualität und es war so unpraktisch zu bedienen (es erforderte mehrere Personen, die das Teleskop bedienten), dass er konnte keine bedeutenden Entdeckungen machen, und die Aufzeichnung von 1664 bleibt immer noch ungebrochen.

Aberrationen, selbst bei Luftteleskopen, waren ziemlich auffällig, und die Verwendung von Linsen mit einem Durchmesser von mehr als 20 cm machte ihre Konstruktion unmöglich. Wenn Sie beispielsweise ein Objektiv mit einem Durchmesser von 1 m verwenden, sollte die Länge des Luftteleskops bis zu 2 km betragen. Es wird deutlich, dass die Lösung des Problems der Aberrationen auf einem anderen Weg liegt. Und schon Mitte des 18. Jahrhunderts. Es erscheinen Teleskope mit Mehrfachlinsen und Okularen, die die durch Dispersion verursachte chromatische Aberration fast vollständig kompensieren (der Brechungsindex des Lichts in einem Medium hängt von der Wellenlänge ab und daher werden Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge in verschiedenen „Brennpunkten“ gesammelt), die diesen Effekt mit einer Streulinse kompensieren .

Einer der Pioniere der Mehrlinsen-Teleskope war John Dollond, der dank der Verwendung mehrerer Linsen ein Teleskop mit einer Länge von nur 1,5 Metern bauen konnte, das ein besseres Bild liefert als das 68-Meter-Huygens-Luftteleskop. Trotzdem war der Herstellungsprozess der Linse ziemlich kompliziert - das Glas wurde mehrmals im Ofen geschmolzen und viele Monate abgekühlt, so dass es die gewünschte Form und einheitliche Struktur erhalten konnte, und dann war ein ebenso langer Schleifschritt vor uns. Aus diesem Grund waren apochromatische Refraktoren (Linsenteleskope mit korrigierter sphärischer und chromatischer Aberration) bis heute recht teuer in der Herstellung geblieben, und es war zu diesem Zeitpunkt nicht möglich, ein Teleskop mit einem großen Linsendurchmesser herzustellen, bei dem das Glas während der Verarbeitung Risse bekam und Inhomogenitäten auftraten Der maximale Linsendurchmesser des Dallond-Teleskops betrug nur 4 Zoll (1 Zoll = 25,4 mm) = 10,16 cm.


Das größte Teleskop von John Dollond

Die Weiterentwicklung des Teleskopbaus ist mit einem Exportverbot verbunden, wodurch die „Dollars“ nicht mehr von England nach Europa kamen. Den Ausweg fand der deutsche Optiker Joseph Fraunhofer, der zu Beginn des 19. Jahrhunderts Er erfand neue und fortschrittlichere Refraktoren, verbesserte die Linsenherstellungstechnologie, baute einen Refraktor mit einem Linsendurchmesser von 7 Zoll und begann 1818 mit der Herstellung eines 9-Zoll-Refraktors für Dorpat in Tartu (Estland), wo das Teleskop 1824 erfolgreich installiert wurde.

Später stellten Merz und Mayer, die Erben des Fraunhofer-Wissens von 1839, einen 15-Zoll-Refraktor für das neu geschaffene Pulkovo-Observatorium her. Das Teleskop mit einem Linsendurchmesser von 38 cm und einer Länge von 7 Metern blieb 8 Jahre lang weltweit führend, enthielt jedoch immer noch viele Aberrationen.

In Bezug auf den maximalen Durchmesser der Linse, der zu dieser Zeit hergestellt werden konnte, ist an den Schweizer Optiker Pierre Guinan zu erinnern, der Ende des 18. Jahrhunderts. Ich habe damals versucht, eine Linse mit einem maximalen Durchmesser herzustellen, nachdem ich einen Schmelzofen für 80 kg Glas gebaut hatte, und 1799 hatte ich nach 7 Jahren des Versagens, nachdem ich fast alle persönlichen Mittel verbraucht hatte, die Möglichkeit, Linsen mit einem Durchmesser von 10-15 cm herzustellen - ein für diese Zeit unerhörter Erfolg. Später, bereits 1824, gelang es ihm, eine Linse mit einem Durchmesser von 45 cm herzustellen, nachdem er eine Technologie entwickelt hatte, mit der die Tintenstrahlstruktur von Glasrohlingen zerstört, defekte Rohlinge zersägt, die Ehe zerstört und erneut legiert werden konnte. Danach starb er. Aber seine Arbeiten waren nicht umsonst. Der Amerikaner Alvan Clark, ein Künstler von Beruf, inspiriert von seinen Erfolgen, setzte seine Arbeit mit seinem Sohn fort und fertigte bereits 1862 einen Refraktor für das Dearborn Observatory mit einem 18-Zoll-Linsendurchmesser an, dank dessen sein Sohn den Stern „entdeckte“ ist der Satellit von Sirius und konnte danach viele andere Doppelsterne "auflösen" (öffnen).

Und 11 Jahre später installierte die Firma Alvan Clark and Sons einen 26-Zoll-Refraktor am Marine Observatory in der Nähe von Washington, mit dessen Hilfe Asaf Hall 1877 die Satelliten Mars - Phobos und Deimos entdeckte. 1878 bestellte das Pulkovo-Observatorium bei Alvan Clark 300.000 Rubel für einen 30-Zoll-Refraktor, der 1885 hergestellt und installiert wurde, und 1888 am Mount Hamilton in Kalifornien (Lick Observatory) eine Spende des US-Magnaten James Lick in Höhe von 700 000 Dollar wurde das größte von Clark hergestellte Teleskop mit einem Linsendurchmesser von 36 Zoll installiert.


James Lick Teleskop gegen Mann

Inspiriert von der Aktion von Lika beschloss Charles Yerkes, über eine Million Dollar zu spenden, um den größten Refraktor der Welt mit einem Linsendurchmesser von 40 Zoll zu bauen. Die Arbeit wurde auch von Clarks Firma ausgeführt, jedoch ohne deren Gründer, da Clark 1887 starb. Dieser Refraktor ist bis heute der größte, da eine Grenze erreicht wurde, an der die Linse zu viel Licht absorbiert und sich unter ihrem eigenen Gewicht verformt, was das Bild erheblich zu beschädigen beginnt.


Teleskop des Yerkes Observatoriums, Linsendurchmesser 102 cm, der weltweit größte Refraktor

Es hatte keinen Sinn, Refraktoren mit einem großen Linsendurchmesser zu bauen, und aus einem anderen Grund - einem großen kleinen Spektrum waren diese Teleskope für spektrale und photometrische Beobachtungen äußerst unpraktisch - konnten mit kleineren Teleskopen viel bessere Ergebnisse erzielt werden. Aber diese Teleskope haben die Sternastronomie mit vielen Entdeckungen stark bereichert und sie haben bis heute erfolgreich funktioniert.

Bei Spiegelteleskopen - Reflektoren, bei denen ein konkaver Spiegel als Linse anstelle einer Linse verwendet wird, entstand die Idee ihrer Entstehung während des Lebens von Gallileus. 1616 wurden die Schemata von N. Zucca und später 1638 von N. Mersen vorgeschlagen. Das erste Spiegelteleskop wurde jedoch 1688 von Isaac Newton hergestellt, dieser Reflektor war sehr klein. Sein kugelförmiger Hauptspiegel aus Bronze hatte einen Durchmesser von nur 2,5 cm, in einem Abstand von 6,5 cm von der Mitte des Hauptspiegels befand sich ein noch kleinerer - ein Sekundärspiegel, der Lichtstrahlen in das seitliche Okular reflektierte.


Optisches Design des Newton-Teleskops

Am Anfang verwendete Newton ein Okular, bei dem das Teleskop eine 41-fache Vergrößerung ergab, das Okular jedoch auf einen längeren Fokus umstellte und dadurch die Vergrößerung auf das 25-fache reduzierte. Newton bemerkte, dass die Objekte heller und schärfer aussehen. Damals wurde klar, dass der Zweck des Teleskops nicht nur darin besteht, das Objekt zu „zoomen“, sondern auch so viel Licht wie möglich von ihm zu sammeln, um es detaillierter und mit maximaler Qualität zu untersuchen, da die Fläche der Teleskoplinse um ein Vielfaches größer ist als die Pupillenfläche des Auges. Heutzutage wird allgemein angenommen, dass die maximal nutzbare Zunahme des Teleskops, mit der Sie das Potenzial des Werkzeugs vollständig erkennen können, bis die Aberrationen, die durch das Überschreiten der physikalischen Grenze der optischen Fähigkeiten des Teleskops verursacht werden, spürbar werden, das Zweifache des Objektivdurchmessers in mm beträgt. Das heißt, für das erste Newton-Teleskop war es 50-mal, aber wie Newton selbst feststellte, ist es viel effizienter, viele Objekte mit geringerer Vergrößerung zu beobachten.


Ansicht des Saturn bei unzureichender, optimaler und übermäßiger Vergrößerung

Zum Beispiel hat die Andromeda-Nebel-Galaxie oder M31 nach Monsieurs Katalog Winkelabmessungen, die sechsmal größer sind als die Scheibe des Vollmonds. Um sie zu untersuchen, benötigen Sie jedoch ein Teleskop, da ihre Helligkeit viel geringer ist als die des Mondes und Sie sammeln müssen so viel Licht wie möglich, um seine Details zu berücksichtigen. Ohne Teleskop scheint es wie ein stumpfer Fleck am Nachthimmel, viel kleiner als der Mond, aber dies ist nichts weiter als eine visuelle Illusion.


John Hadley Teleskop (Newton System)

Bereits 1721 baute John Hadley einen Newton-Reflektor mit einem Linsendurchmesser von 15 cm und einer Brennweite von 158 cm, in dem es leicht war, die Jupitermonde zu beobachten und sogar die Cassini-Lücke in den Ringen des Saturn zu erkennen, die im verwendeten 37-Meter-Luftteleskop kaum sichtbar war Huygens.

Später wurden fortgeschrittenere Schemata erfunden, bei denen parabolische konkave Spiegel anstelle eines kugelförmigen und kleineren sekundären konkaven elliptischen Spiegels verwendet wurden, von denen Licht zurück in das Loch in der Mitte des Hauptspiegels reflektiert wurde, hinter dem das Okular stand, was zu einem Bild führte, das nicht wie in gedreht wurde Das Newtonsche System, die gerade Linie und die Rohrlänge nahmen gleichzeitig ab, während die sphärische Aberration weitgehend korrigiert wurde.


Optisches System des Gregory-Teleskops

In den Jahren 1732-1768 fertigte James Short mehrere Teleskope mit dem Gregory-System, von denen das größte einen Durchmesser von 55 cm hatte. Und William Herschel aus dem Jahr 1773, der durch das Polieren von Metallspiegeln mitgerissen wurde, gelang es, über 20 Jahre 430 Spiegel herzustellen, wodurch er das größte baute Reflektoren mit Brennweiten von 20 und 40 englischen Fuß (ca. 12 Meter).


William Herschels größtes Teleskop mit einer Brennweite von 12 Metern

Der Durchmesser der Bronzelinse des 40-Fuß-Reflektors betrug 122 cm, und die Dicke betrug etwa 9 cm, der Spiegel wog mindestens eine Tonne und sackte unter seinem eigenen Gewicht zusammen. 75% davon bestanden aus Kupfer und 25% aus Zinn. Der Spiegel verdunkelte sich extrem schnell, rissig und erforderte häufiges Nachpolieren, das Herschel in den ersten 15 Jahren manuell durchführte, sowie die Herstellung neuer Spiegel, bei denen der Poliervorgang über 16 Stunden dauerte und sich keine Minute lösen ließ. Die Bedienung des Teleskops war äußerst unpraktisch, weshalb Herschel für die meisten ihrer Entdeckungen zusammen mit ihrer Schwester Carolina Teleskope mit kleinerem Durchmesser verwendete. Es ist interessant, dass Herschel während seines Lebens über 2500 Nebel entdeckte, 806 Doppelsterne, 4 vollständige Visionen des für ihn sichtbaren Nachthimmels ausführte und Carolina zusätzlich zu ihren 98 Lebensjahren 2 Kometen entdeckte. Seine Arbeit wurde von Sohn John fortgesetzt, der in Afrika mit einem 20-Fuß-Teleskop einen unsichtbaren Teil des Himmels von England aus beobachtete.


Heute ist der Spiegel des größten Herschel-Teleskops in Slow aufbewahrt

1845 baute der von der Astronomie mitgerissene englische Brauer William Lassel einen Reflektor mit einem Spiegeldurchmesser von 61 cm, installierte ihn in seinem Starfield-Anwesen in der Nähe von Liverpool und ein Jahr später, am 10. Oktober 1846, öffnete er den Satelliten des kürzlich entdeckten Planeten Neptune-Triton, der später denselben benutzte Instrument schafft er es, die Satelliten von Uranus - Ariel und Umbriel zu erkennen. Und 1861 schafft er es, ein Teleskop mit einem Linsendurchmesser von 122 cm zu bauen, wie das Herschel-Teleskop, das später in Malta installiert wurde, um den südlicheren Teil des Sternenhimmels zu beobachten.


Stempel für das 122-cm-Teleskop von William Lassel

Wenn wir über den größten Reflektor des 19. Jahrhunderts sprechen, dann wurde er von William Parson gebaut und trägt den Titel Lord Ross. Er besaß viel Kapital und beschloss, das größte Teleskop der Welt zu bauen, aber leider zerstörte James Short alle Papiere mit den Geheimnissen der Herstellung und Ross musste wieder viel erfinden. Trotzdem war das Teleskop 1845 fertig (es dauerte 3 Jahre, um es zu bauen), nachdem es viel Mühe und 20.000 Pfund ausgegeben hatte. Der Durchmesser des Hauptspiegels betrug 183 cm, das Gewicht 3 Tonnen, die Rohrlänge 16 Meter. Das Teleskop wurde mit einem komplexen System von Blöcken und Kabeln gesteuert, die 2 Personen bedienen sollten, ein begrenztes Feld hatten - es konnte steigen und fallen und drehte sich von Seite zu Seite nur um 15 Grad. Das Klima Irlands kann kaum als das beste bezeichnet werden - für ein Jahr mit 60 bis 80 klaren Nächten, hauptsächlich im Winter, da Ross keine nennenswerten Entdeckungen machen konnte. Er war jedoch der erste, der bemerkte, dass einige der Nebel eine spiralförmige Struktur haben.


Das rekonstruierte Lord Ross-Teleskop in Irland kann jetzt auf Birr Castle ( Website ) besichtigt werden.

Mit Hilfe der Zeichnungen, die dank Ross 'Frau und einiger moderner Technologien erhalten wurden, konnte das Teleskop im Jahr 2001 restauriert werden. Der stumpfe, schwere Spiegel wurde durch einen leichten Aluminiumspiegel ersetzt. Ross konnte erst zu Beginn des letzten Jahrhunderts durch den Bau eines Teleskops mit großem Spiegeldurchmesser übertroffen werden.

Die Mode für Glasspiegel tauchte bereits Mitte des 19. Jahrhunderts auf, da Glas leichter zu verarbeiten war und die Silberbeschichtung zweimal mehr Licht reflektierte als Bronzespiegel. Außerdem war der Spiegel viel leichter. 1878 wurde ein Reflektor mit einem Spiegeldurchmesser von 122 cm installiert, und bereits 1888 - der größte Glasreflektor des 19. Jahrhunderts. mit einem Spiegel mit einem Durchmesser von 153 cm.

Der endgültige Sieg der Glasreflektoren über Metall fällt jedoch 1917, als am Mount Wilson Observatory auf Kosten des Millionärs John D. Hooker ein Reflektor mit einem Linsendurchmesser von 2,58 Metern gebaut wurde.


Mount Wilson Observatory 100-Zoll-Reflektor

Der entscheidende Sieg von Glasspiegeln gegenüber Metallspiegeln war auf die Erfindung des Foucault-Schattenverfahrens zurückzuführen, das die Herstellungsqualität der Optik und damit das Reflexionsvermögen der Spiegel auf 90-95% erhöhte. 1930 , , , , , , , , .

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Jetzt ist das BTA-Teleskop eines der zehn größten und besten Teleskope der Welt.

Fortsetzung (Link wird hier verfügbar sein) ...

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