Les plus grands télescopes. De l'ordinateur portable et des yeux aux appareils photo 340 mégapixels et aux centres de données. Partie 1

Près de 11 ans se sont écoulés depuis mon diplôme de KNU. T. Shevchenko, physicien-astronome spécialisé. Ce furent des années intéressantes dans le développement de la science et de l'astronomie en particulier, ce qui m'a manqué, car mon esprit était absorbé par un projet qui générait plus de trafic que l'ensemble de la Biélorussie . Cependant, maintenant, ayant des connaissances et une expérience dans le domaine du traitement et du stockage des données, je voulais revenir à l'ancien bien oublié et voir comment les serveurs et les centres de données modernes peuvent être utiles à la science. Imaginez, il y a seulement 50 ans, les données astronomiques étaient des plaques photographiques et des magazines, la première matrice CCD a été utilisée en astronomie en 1973 et avait des dimensions de 100x100 pixels, en l'utilisant et avec un télescope avec un diamètre d'objectif de 20 cm, le premier photo numérique de la lune.


Le premier coup de lune d'un appareil à couplage de charge, en raison du petit nombre de pixels, la structure matricielle du récepteur de rayonnement est perceptible

Et il y a 40 ans, en 1979, les CCD ont trouvé leur application en astronomie professionnelle, un appareil photo numérique d'une taille de 320x512 pixels a été installé dans l'observatoire de Kitt Peak sur un télescope avec un diamètre d'objectif de 1 mètre, ce qui a montré des avantages significatifs par rapport à une plaque photographique. Il convient également de noter que la taille des pixels est importante et ici, elle était beaucoup plus grande que les pixels des appareils photo des téléphones mobiles modernes, où de nombreux fabricants, à des fins de marketing, ont placé des millions de pixels de plus en plus petits, réduisant leur taille, car la zone matricielle augmente. ils n'ont pas augmenté leur nombre, ce qui non seulement n'a pas amélioré la qualité de l'image résultante, mais l'a plutôt aggravée. C'est pourquoi, l'image de la matrice, même avec 0,01 mégapixels, semble très décente, car les premières matrices CCD, avec un petit nombre de pixels, étaient assez grandes, et aujourd'hui des matrices sont développées qui sont sensibles à une certaine plage du spectre lumineux, par exemple, aux ultraviolets.


CCD sensible aux UV

Et si au tout début les capacités de calcul les plus simples étaient suffisantes pour stocker et traiter les données - en 1988, 20 Mo d'espace disque promettaient une vie longue et sans soucis, puis au fil du temps, les besoins ont commencé à croître rapidement. Je me souviens encore comment en 2005, dans notre département, avec le soutien de la Fondation suisse, le premier observatoire virtuel de rayons X et gamma VIRGO a été inauguré, avec plusieurs ordinateurs les plus puissants à l'époque et une ligne de fibre optique vers le réseau scientifique UNREN, qui assurait la transmission et la réception de données à des vitesses 10 Mbit / s, dans lequel les données des observations des télescopes spatiaux ont été traitées dans une large gamme du spectre électromagnétique - de la radio à la gamme gamma. De nouvelles données arrivaient quotidiennement et des téraoctets devaient être stockés et traités. Et de nouveaux volumes ont seulement augmenté.

Mais un peu d'histoire avant de continuer.

Il est très difficile de répondre à la question de savoir qui a inventé le premier le télescope. Retour au XIIIe siècle. Roger Bacon, a trouvé une combinaison de lentilles dans lesquelles des objets éloignés semblaient proches, et l'invention du télescope a été annoncée au début du XVIIe siècle. aux Pays-Bas, trois optiques ont été déclarées à la fois: Lippersgue, Metsius et Jansen. Mais il est incontestable que Galileo Galilei a fait les premières observations astronomiques le 7 janvier 1610, non seulement en regardant le ciel avec un œil armé, mais en décrivant ce qui a été observé (phases de Vénus, les lunes de Jupiter, taches solaires, la structure de la Voie lactée) conformément à l'image héliocentrique du monde, le justifier et l'approfondir.


Télescope Galileo

Mais même alors, il a été remarqué que les images d'objets astronomiques sont déformées - elles contiennent des aberrations, pour lesquelles des lentilles à foyer long ont commencé à être utilisées. C'est ainsi que les plus grands télescopes «aériens» du monde sont apparus, par exemple, le télescope Hevelius mesurait 50 mètres de long.


Télescope aérien Hevelius

Huygens a utilisé un instrument de 68 mètres de long, mais Ozu, qui a utilisé un télescope à air de 98 mètres de long, est toujours considéré comme le détenteur du record, mais l'image de celui-ci était de si mauvaise qualité et si difficile à utiliser (il fallait plusieurs personnes qui contrôlent le télescope) qu'il n'a pas fait de découvertes importantes, et le record de 1664 reste ininterrompu.

Les aberrations, même dans les télescopes aériens, étaient assez visibles et l'utilisation de lentilles d'un diamètre supérieur à 20 cm rendait leur conception impossible. Ainsi, par exemple, si vous utilisez un objectif d'un diamètre de 1 m, la longueur du télescope aérien devrait atteindre 2 km. Il devient clair que la solution au problème des aberrations est sur un chemin différent. Et déjà au milieu du XVIIIe siècle. des télescopes à lentilles multiples et oculaires semblent compenser presque complètement l'aberration chromatique due à la dispersion (l'indice de réfraction de la lumière dans un milieu dépend de la longueur d'onde et donc les rayons de différentes longueurs d'onde sont collectés dans différents «foyers»), qui compensent cet effet avec une lentille de diffusion .

Et l'un des pionniers des télescopes multifocaux a été John Dollond, qui, grâce à l'utilisation de plusieurs lentilles, a pu construire un télescope d'une longueur de seulement 1,5 mètre, ce qui donne une meilleure image que le télescope à air Huygens de 68 mètres. Néanmoins, le processus de fabrication des lentilles était assez compliqué - le verre a été fondu plusieurs fois dans le four et refroidi pendant plusieurs mois, de sorte qu'il était possible de lui donner la forme souhaitée et la structure uniforme, puis une étape de broyage tout aussi longue était à venir. C'est pourquoi, jusqu'à présent, les réfracteurs apochromatiques (télescopes à lentille avec aberration sphérique et chromatique corrigée) sont restés assez chers à fabriquer à ce jour et il n'était pas possible de fabriquer un télescope avec un grand diamètre de lentille à cette époque, le verre s'est fissuré pendant le traitement et des inhomogénéités sont apparues, ce qui a entraîné une le diamètre maximal de la lentille du télescope Dallond n'était que de 4 pouces (1 pouce = 25,4 mm) = 10,16 cm.


Le plus grand télescope de John Dollond

La poursuite du développement de la construction du télescope est associée à une interdiction d'exporter, à la suite de quoi les «Dollars» ont cessé de venir d'Angleterre en Europe. L'issue a été trouvée par l'opticien allemand Joseph Fraunhofer, qui au début du 19ème siècle il a inventé de nouveaux réfracteurs plus avancés, améliorant la technologie de fabrication de lentilles, il a réussi à construire un réfracteur avec un diamètre de lentille de 7 pouces, et en 1818 a commencé à fabriquer un réfracteur de 9 pouces pour Dorpat à Tartu (Estonie), où le télescope a été installé avec succès en 1824.

Plus tard, Merz et Mayer, les héritiers du savoir Fraunhofer en 1839, ont fabriqué un réfracteur de 15 pouces pour l'observatoire Pulkovo nouvellement créé. Le télescope avec un diamètre de lentille de 38 cm et une longueur de 7 mètres est resté le leader mondial pendant 8 ans, mais contenait encore beaucoup d'aberrations.

Quant au diamètre maximum de la lentille, devenu possible à l'époque, il convient de rappeler l'opticien suisse Pierre Guinan, qui à la fin du XVIIIe siècle. J'ai essayé de fabriquer une lentille d'un diamètre maximum à cette époque, après avoir construit un four de fusion pour 80 kg de verre, et en 1799, après 7 ans d'échec, après avoir consommé presque tous les moyens personnels, j'ai eu l'occasion de fabriquer des lentilles de 10-15 cm de diamètre - un succès sans précédent pour l'époque. Plus tard, déjà en 1824, après avoir mis au point une technologie pour détruire la structure à jet d'encre des ébauches de verre, scier les ébauches défectueuses, détruire le mariage et à nouveau allier, il a réussi à fabriquer une lentille d'un diamètre de 45 cm, après quoi il est décédé. Mais ses œuvres ne sont pas vaines, l'Américain Alvan Clark, artiste de profession, inspiré par ses succès, poursuit son travail avec son fils et déjà en 1862 il fabrique un réfracteur pour le Dearborn Observatory avec un diamètre de lentille de 18 pouces, grâce auquel son fils «découvre» l'étoile est le satellite de Sirius et a pu "résoudre" (ouvrir) de nombreuses autres étoiles binaires par la suite.

Et 11 ans plus tard, la société Alvan Clark and Sons a installé un réfracteur de 26 pouces au Marine Observatory près de Washington, avec l'aide duquel Asaf Hall a découvert les satellites de Mars - Phobos et Deimos en 1877. En 1878, l'Observatoire Pulkovo commande à Alvan Clark pour 300 000 roubles un réfracteur de 30 pouces, qui a été fabriqué et installé en 1885, et en 1888 sur le mont Hamilton en Californie (Lick Observatory), pour un don du magnat américain James Lick d'un montant de 700 000 dollars a été installé le plus grand télescope fabriqué par Clark avec un diamètre de lentille de 36 pouces.


Télescope James Lick contre homme

Inspiré par l'action de Lika, Charles Yerkes a décidé de faire un don de plus d'un million de dollars pour construire le plus grand réfracteur au monde avec un diamètre de lentille de 40 pouces. Le travail a également été effectué par l'entreprise de Clark, mais sans son fondateur, depuis la mort de Clark en 1887. Ce réfracteur reste le plus grand à ce jour, car une limite a été atteinte à laquelle l'objectif absorbe trop de lumière et se déforme sous son propre poids, ce qui commence à endommager considérablement l'image.


Télescope de l'Observatoire Yerkes, diamètre de la lentille 102 cm, le plus grand réfracteur au monde

Il était inutile de construire des réfracteurs avec un grand diamètre de lentille et pour une autre raison - un large spectre mineur, ces télescopes étaient extrêmement gênants pour les observations spectrales et photométriques - avec des télescopes plus petits, de bien meilleurs résultats pouvaient être obtenus. Mais ces télescopes ont considérablement enrichi l'astronomie stellaire avec de nombreuses découvertes et ils ont continué à fonctionner avec succès à ce jour.

Quant aux télescopes à miroir - réflecteurs, où un miroir concave est utilisé à la place d'une lentille, l'idée de leur création est née pendant la vie de Gallileus, en 1616 les schémas ont été proposés par N. Tsukki, et plus tard en 1638 par N. Mersen. Cependant, le premier télescope à miroir a été fabriqué par Isaac Newton en 1688, ce réflecteur était très petit. Son miroir sphérique principal en bronze avait un diamètre de seulement 2,5 cm, à une distance de 6,5 cm du centre du miroir principal, un miroir encore plus petit était situé - un miroir secondaire qui réfléchissait les rayons lumineux dans l'oculaire situé sur le côté.


Conception optique du télescope de Newton

Au début, Newton a utilisé un oculaire, dans lequel le télescope a donné une augmentation de 41 fois, mais en changeant l'oculaire pour une mise au point plus longue, réduisant ainsi le grossissement à 25 fois, Newton a remarqué que les objets semblaient plus brillants et plus nets. C'est alors qu'il est devenu clair que le but du télescope n'est pas seulement de «zoomer» sur l'objet, mais aussi de collecter autant de lumière que possible afin de l'examiner plus en détail et avec une qualité maximale, car la zone de la lentille du télescope est beaucoup plus grande que la zone pupillaire de l'œil. Aujourd'hui, il est généralement admis que l'augmentation utile maximale du télescope, qui vous permet de révéler pleinement le potentiel de l'outil, jusqu'à ce que les aberrations causées par le dépassement de la limite physique des capacités optiques du télescope commencent à être perceptibles, soit 2 fois le diamètre de la lentille en mm. Autrement dit, pour le premier télescope Newton, il était 50 fois, mais comme Newton l'a lui-même noté, il est beaucoup plus efficace d'observer de nombreux objets à des grossissements inférieurs.


Vue de Saturne à un grossissement insuffisant, optimal et excessif

Par exemple, la galaxie de la nébuleuse d'Andromède, ou M31 selon le catalogue de Monsieur, a des dimensions angulaires 6 fois plus grandes que le disque de la pleine lune, mais pour l'examiner, vous avez besoin d'un télescope, car sa luminosité est bien inférieure à celle de la lune et vous devez collecter autant de lumière que possible pour considérer ses détails. Sans télescope, il semble être une tache terne dans le ciel nocturne, beaucoup plus petit que la lune, mais ce n'est rien de plus qu'une illusion visuelle.


Télescope John Hadley (système Newton)

Déjà en 1721, John Hadley a construit un réflecteur Newton avec un diamètre de lentille de 15 cm et une distance focale de 158 cm, dans lequel il était facile d'observer les lunes de Jupiter et même de distinguer l'écart Cassini dans les anneaux de Saturne, qui était à peine visible dans le télescope à air de 37 mètres utilisé Huygens.

À l'avenir, des schémas plus avancés ont été inventés, en utilisant des miroirs concaves paraboliques au lieu d'un miroir elliptique concave sphérique et plus petit, à partir duquel la lumière était réfléchie dans le trou au centre du miroir principal, derrière lequel l'oculaire se tenait, résultant en une image qui n'a pas été retournée, comme dans Le système de Newton, la ligne droite et la longueur du tuyau ont en même temps diminué, tandis que l'aberration sphérique a été corrigée dans une large mesure.


Système optique de télescope Gregory

Ainsi, en 1732-1768, James Short a fabriqué plusieurs télescopes utilisant le système Gregory, dont le plus grand avait un diamètre de 55 cm. Et William Herschel de 1773, emporté par le polissage de miroirs métalliques, a réussi à produire 430 miroirs en 20 ans, ce qui lui a permis de construire le plus grand réflecteurs avec des focales de 20 et 40 pieds anglais (environ 12 mètres).


Le plus grand télescope de William Herschel avec une distance focale de 12 mètres

Le diamètre de la lentille en bronze du réflecteur de 40 pieds était de 122 cm, et l'épaisseur était d'environ 9 cm, le miroir pesait au moins une tonne et s'affaissait sous son propre poids. 75% étaient constitués de cuivre et 25% d'étain. Le miroir s'est assombri extrêmement rapidement, s'est fissuré et a nécessité un repolissage fréquent, que Herschel a effectué manuellement pendant les 15 premières années, ainsi que la fabrication de nouveaux miroirs, où le processus de polissage a pris plus de 16 heures et n'a pas permis de se détacher pendant une minute. L'utilisation du télescope était extrêmement gênante et, par conséquent, pour la plupart de ses découvertes, Herschel, avec sa sœur Carolina, a utilisé des télescopes de plus petit diamètre. Il est intéressant de noter qu'au cours de sa vie, Herschel a découvert plus de 2500 nébuleuses, 806 étoiles doubles, effectué 4 visions complètes du ciel nocturne visible pour lui, et Carolina, en plus de ses 98 ans de vie, a réussi à découvrir 2 comètes. Son travail a été poursuivi par son fils John, qui en Afrique a fait des observations d'une partie invisible du ciel d'Angleterre à l'aide d'un télescope de 20 pieds.


Aujourd'hui, le miroir du plus grand télescope Herschel est stocké à Slow

En 1845, le brasseur anglais William Lassel, emporté par l'astronomie, construit un réflecteur d'un diamètre de miroir de 61 cm, l'installe dans son domaine Starfield près de Liverpool et un an plus tard, le 10 octobre 1846, il ouvre le satellite de la planète récemment découverte Neptune - Triton, utilisant plus tard le même instrument qu'il parvient à détecter les satellites d'Uranus - Ariel et Umbriel. Et en 1861, il parvient à construire un télescope avec un diamètre de lentille de 122 cm, comme le télescope Herschel, qui a ensuite été installé à Malte pour observer la partie la plus au sud du ciel étoilé.


Timbre dédié au télescope de 122 cm de William Lassel

Si nous parlons du plus grand réflecteur du 19e siècle, il a été construit par William Parson, portant le titre de Lord Ross. Possédant beaucoup de capital, il a décidé de construire le plus grand télescope du monde, mais malheureusement James Short a détruit tous les papiers avec des secrets de fabrication et Ross a dû inventer encore beaucoup. Néanmoins, après avoir dépensé beaucoup d'efforts et 20 000 livres, beaucoup d'argent pour l'époque, le télescope était prêt en 1845 (il a fallu 3 ans pour le construire). Le diamètre du miroir principal était de 183 cm, poids 3 tonnes, longueur de tuyau 16 mètres. Le télescope était contrôlé à l'aide d'un système complexe de blocs et de câbles, qui étaient censés desservir 2 personnes, avait un champ limité - il pouvait monter et descendre, et d'un côté à l'autre il ne tournait que de 15 degrés. Le climat de l'Irlande peut difficilement être qualifié de meilleur - pendant un an de 60 à 80 nuits claires, principalement en hiver, car Ross n'a pas pu faire de découvertes importantes à ce sujet, mais il a été le premier à remarquer que certaines des nébuleuses ont une structure en spirale.


Le télescope Lord Ross reconstruit en Irlande est désormais disponible au château de Birr ( site Web )

Il a été possible de restaurer le télescope en 2001, en utilisant les dessins conservés grâce à l'épouse de Ross et quelques technologies modernes, le miroir lourd terne a été remplacé par un miroir léger en aluminium. Il n'a été possible de dépasser Ross en construisant un télescope avec un grand diamètre de miroir qu'au début du siècle dernier.

La mode des miroirs en verre est apparue au milieu du XIXe siècle, car le verre était plus facile à traiter et le revêtement argenté réfléchissait 2 fois plus de lumière que les miroirs en bronze. De plus, le miroir était beaucoup plus léger. En 1878, un réflecteur avec un diamètre de miroir de 122 cm a été installé, et déjà en 1888 - le plus grand réflecteur en verre du XIXe siècle. avec un miroir d'un diamètre de 153 cm.

Cependant, la victoire finale des réflecteurs en verre sur le métal tombe en 1917, lorsqu'un réflecteur d'un diamètre de lentille de 2,58 mètres a été construit à l'Observatoire du Mont Wilson, aux dépens du millionnaire John D. Hooker.


Mount Wilson Observatory Réflecteur 100 pouces

La victoire décisive du verre sur les miroirs métalliques est due à l'invention de la méthode «shadow» de Foucault, qui a augmenté la qualité de fabrication de l'optique et, par conséquent, la réflectivité des miroirs à 90-95%. 1930 , , , , , , , , .

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Maintenant, le télescope BTA est l'un des dix plus grands et meilleurs télescopes au monde.

Suite (le lien sera disponible ici) ...

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