Os maiores telescópios. De notebooks e olhos a câmeras de 340 megapixels e data centers. Parte 1

Quase 11 anos se passaram desde que me formei no KNU. T. Shevchenko, físico-astrônomo especializado. Foram anos interessantes no desenvolvimento da ciência e da astronomia em particular, que eu perdi, porque minha mente foi consumida por um projeto que gerava mais tráfego do que toda a Bielorrússia . No entanto, agora, com conhecimento e experiência no campo de processamento e armazenamento de dados, eu queria voltar ao antigo esquecido e ver como os servidores e data centers modernos podem ser úteis para a ciência. Basta pensar que, há apenas 50 anos, os dados astronômicos eram placas fotográficas e revistas, a primeira matriz CCD foi usada em astronomia em 1973 e tinha dimensões de 100x100 pixels, usando-a e com um telescópio com diâmetro de lente de 20 cm, a primeira imagem digital da lua.


O primeiro disparo da lua de um dispositivo acoplado a carga, devido ao pequeno número de pixels, é notável a estrutura da matriz do receptor de radiação

E há 40 anos, em 1979, os CCDs encontraram sua aplicação na astronomia profissional, uma câmera digital com tamanho de 320x512 pixels foi instalada no observatório Kitt Peak em um telescópio com um diâmetro de lente de 1 metro, o que mostrou vantagens significativas em comparação com uma placa fotográfica. Também é importante notar que o tamanho do pixel é importante e aqui era muito maior do que os pixels das câmeras dos celulares modernos, onde muitos fabricantes, para fins de marketing, colocavam milhões de pixels cada vez menores, reduzindo seu tamanho, pois a área da matriz está crescendo eles não aumentaram seu número, o que não apenas não melhorou a qualidade da imagem resultante, mas a piorou. É por isso que a imagem da matriz, mesmo com 0,01 megapixels, parece muito decente, já que as primeiras matrizes CCD, com um pequeno número de pixels, eram bastante grandes e hoje estão sendo desenvolvidas matrizes sensíveis a uma certa faixa do espectro da luz, por exemplo, ao ultravioleta.


CCD sensível a UV

E se no início as capacidades de computação mais simples eram suficientes para armazenar e processar dados - em 1988, 20 MB de espaço em disco prometiam uma vida longa e despreocupada, com o tempo as necessidades começaram a crescer rapidamente. Ainda me lembro como em 2005, em nosso departamento, com o apoio da Swiss Foundation, foi aberto o primeiro observatório virtual de raios-X e gama VIRGO, com vários computadores mais potentes na época e uma linha de fibra óptica para a rede científica da UNREN, que fornecia transmissão e recepção de dados em velocidades de até 10 Mbit / s, nos quais os dados das observações dos telescópios espaciais foram processados ​​em uma ampla faixa do espectro eletromagnético - do rádio à faixa gama. Novos dados chegavam diariamente e os terabytes tinham que ser armazenados e processados. E mais volumes apenas cresceram.

Mas um pouco de história antes de seguir em frente.

É muito difícil responder à pergunta de quem inventou o telescópio. De volta ao século XIII. Roger Bacon, encontrou uma combinação de lentes em que objetos distantes pareciam próximos, e a invenção do telescópio foi anunciada no início do século XVII. na Holanda, três ópticas declaradas de uma só vez - Lippersgue, Metsius e Jansen. Mas é incontestável que Galileu Galilei fez as primeiras observações astronômicas em 7 de janeiro de 1610, não apenas olhando para o céu com um olho armado, mas descrevendo o que foi observado (fases de Vênus, as luas de Júpiter, manchas solares, a estrutura da Via Láctea) de acordo com a imagem heliocêntrica do mundo, justificando e aprofundando-o.


Telescópio Galileu

Mas, mesmo assim, percebeu-se que as imagens de objetos astronômicos são distorcidas - elas contêm aberrações, para as quais as lentes de foco longo começaram a ser usadas. Foi assim que os maiores telescópios "aéreos" do mundo apareceram, por exemplo, o telescópio Hevelius tinha 50 metros de comprimento.


Telescópio Aéreo Hevelius

Huygens usava um instrumento de 68 metros de comprimento, mas Ozu, que usava um telescópio aéreo de 98 metros de comprimento, ainda é considerado o detentor do recorde, mas a imagem era de baixa qualidade e era tão inconveniente de operar (exigia várias pessoas que controlam o telescópio) que ele falhou em fazer descobertas significativas, e o registro de 1664 ainda permanece intacto.

As aberrações, mesmo em telescópios aéreos, eram bastante visíveis, e o uso de lentes com um diâmetro superior a 20 cm impossibilitava seu design. Por exemplo, se você usa uma lente com um diâmetro de 1 m, o comprimento do telescópio aéreo deve ser de até 2 km. Torna-se claro que a solução para o problema das aberrações está em um caminho diferente. E já em meados do século XVIII. telescópios com multi-lentes e oculares parecem compensar quase completamente a aberração cromática resultante da dispersão (o índice de refração da luz em um meio depende do comprimento de onda e, portanto, raios de diferentes comprimentos de onda são coletados em diferentes "focos"), que compensam esse efeito com uma lente de dispersão .

E um dos pioneiros em telescópios com múltiplas lentes foi John Dollond, que, graças ao uso de várias lentes, conseguiu construir um telescópio com apenas 1,5 metro de comprimento, o que dá uma imagem melhor do que o telescópio aéreo de 68 metros da Huygens. No entanto, o processo de fabricação das lentes foi bastante complicado - o vidro foi derretido várias vezes no forno e resfriado por muitos meses, para que fosse possível obter a forma e a estrutura uniformes desejadas, e então um passo de moagem igualmente longo estava à frente. É por isso que, até agora, os refratores apocromáticos (telescópios de lentes com aberração esférica e cromática corrigida) permaneceram bastante caros de fabricar até hoje e não era possível fabricar um telescópio com um diâmetro de lente grande naquele momento, o vidro rachado durante o processamento e as homogeneidades apareceram, resultando em o diâmetro máximo da lente do telescópio Dallond era de apenas 4 polegadas (1 polegada = 25,4 mm) = 10,16 cm.


O maior telescópio de John Dollond

O desenvolvimento adicional da construção do telescópio está associado à proibição de exportações, como resultado dos quais os "dólares" deixaram de vir da Inglaterra para a Europa. A saída foi encontrada pelo oculista alemão Joseph Fraunhofer, que no início do século XIX ele inventou refratores novos e mais avançados, melhorando a tecnologia de fabricação de lentes, conseguiu construir um refrator com um diâmetro de 7 polegadas e, em 1818, começou a fabricar um refrator de 9 polegadas para Dorpat em Tartu (Estônia), onde o telescópio foi instalado com sucesso em 1824.

Mais tarde, Merz e Mayer, herdeiros do conhecimento da Fraunhofer em 1839, fabricaram um refrator de 15 polegadas para o recém-criado Observatório Pulkovo. O telescópio com um diâmetro de lente de 38 cm e um comprimento de 7 metros permaneceu o líder no mundo por 8 anos, mas ainda continha muitas aberrações.

Quanto ao diâmetro máximo da lente, que se tornou possível fabricar na época, é oportuno recordar o óptico suíço Pierre Guinan, que no final do século XVIII. Tentei fabricar uma lente com diâmetro máximo na época, tendo construído um forno de fusão para 80 kg de vidro e, em 1799, após 7 anos de falha, consumindo quase todos os meios pessoais, tive a oportunidade de fabricar lentes de 10 a 15 cm de diâmetro - um sucesso inédito para a época. Mais tarde, já em 1824, tendo inventado uma tecnologia para destruir a estrutura do jato de tinta dos espaços em branco de vidro, serrando espaços em branco defeituosos, destruindo o casamento e novamente ligando, ele conseguiu fazer uma lente com um diâmetro de 45 cm, após o que morreu. Mas suas obras não foram em vão, o americano Alvan Clark, um artista de profissão, inspirado por seus sucessos, continuou seu trabalho com seu filho e já em 1862 fez um refrator para o Observatório Dearborn com um diâmetro de lente de 18 polegadas, graças ao qual seu filho "descobriu" a estrela é o satélite de Sirius e foi capaz de "resolver" (abrir) muitas outras estrelas binárias posteriormente.

E 11 anos depois, a empresa Alvan Clark and Sons instalou um refrator de 26 polegadas no Observatório Marinho, perto de Washington, com a ajuda de que Asaf Hall descobriu os satélites de Marte - Phobos e Deimos em 1877. Em 1878, o Observatório Pulkovo encomendou a Alvan Clark por 300.000 rublos, um refrator de 30 polegadas, fabricado e instalado em 1885, e em 1888 em Mount Hamilton, na Califórnia (Lick Observatory), por uma doação do magnata norte-americano James Lick no valor de 700 000 dólares foram instalados o maior telescópio fabricado por Clark com um diâmetro de lente de 36 polegadas.


Telescópio James Lick versus homem

Inspirado pela ação da Lika, Charles Yerkes decidiu doar mais de um milhão de dólares para construir o maior refrator do mundo com um diâmetro de lente de 40 polegadas. O trabalho também foi realizado pela empresa de Clark, mas sem seu fundador, desde que Clark morreu em 1887. Esse refrator continua sendo o maior até hoje, já que foi atingido um limite no qual a lente absorve muita luz e se deforma com seu próprio peso, o que começa a danificar significativamente a imagem.


Telescópio do Observatório Yerkes, diâmetro da lente 102 cm, o maior refrator do mundo

Não havia sentido em construir refratores com um grande diâmetro de lente e por outro motivo - um grande espectro secundário, esses telescópios eram extremamente inconvenientes para observações espectrais e fotométricas - com telescópios menores, resultados muito melhores poderiam ser obtidos. Mas esses telescópios enriqueceram muito a astronomia estelar com muitas descobertas e continuaram funcionando com sucesso até hoje.

Quanto aos telescópios de espelho - refletores, onde um espelho côncavo é usado em vez de uma lente, a idéia de sua criação surgiu durante a vida de Gallileus, em 1616 os esquemas foram propostos por N. Tsukki e, posteriormente, em 1638 por N. Mersen. No entanto, o primeiro telescópio espelho foi fabricado por Isaac Newton em 1688, esse refletor era muito pequeno. Seu principal espelho esférico de bronze tinha um diâmetro de apenas 2,5 cm, a uma distância de 6,5 cm do centro do espelho principal, um menor ainda - um espelho secundário que refletia raios de luz na ocular localizada ao lado.


Projeto óptico do telescópio Newton

No começo, Newton usava uma ocular, na qual o telescópio aumentava 41 vezes, mas, mudando a ocular para um foco mais longo, reduzindo a ampliação para 25 vezes, Newton percebeu que os objetos pareciam mais brilhantes e mais nítidos. Foi então que ficou claro que o objetivo do telescópio não é apenas "aproximar" o objeto, mas também coletar o máximo de luz possível para examiná-lo com mais detalhes e com a máxima qualidade, uma vez que a área da lente do telescópio é muitas vezes maior que a área da pupila do olho. Atualmente, é geralmente aceito que o aumento útil máximo no telescópio, que permite revelar completamente o potencial da ferramenta, até que as aberrações causadas pelo excesso do limite físico das capacidades ópticas do telescópio comecem a ser perceptíveis, seja 2 vezes o diâmetro da lente em mm. Ou seja, para o primeiro telescópio Newton foi 50 vezes, mas como o próprio Newton observou, é muito mais eficiente observar muitos objetos com ampliações mais baixas.


Visão de Saturno com ampliação insuficiente, ideal e excessiva

Por exemplo, a galáxia da Nebulosa de Andrômeda, ou M31, de acordo com o catálogo de Monsieur, tem dimensões angulares 6 vezes maiores que o disco da lua cheia, mas para examiná-lo, você precisa de um telescópio, pois seu brilho é muito menor que a lua e você precisa coletar o máximo de luz possível para considerar seus detalhes. Sem um telescópio, parece um pontinho no céu noturno, muito menor que a lua, mas isso não passa de uma ilusão visual.


Telescópio John Hadley (Sistema Newton)

Já em 1721, John Hadley construiu um refletor de Newton com um diâmetro de lente de 15 cm e uma distância focal de 158 cm, em que era fácil observar as luas de Júpiter e até mesmo distinguir o espaço de Cassini nos anéis de Saturno, que era pouco visível no telescópio de 37 metros usado Huygens.

Posteriormente, foram inventados esquemas mais avançados, usando espelhos côncavos parabólicos em vez de um espelho elíptico côncavo secundário esférico e menor, do qual a luz era refletida de volta no buraco no centro do espelho principal, atrás do qual a ocular estava, resultando em uma imagem que não era virada, como em O sistema de Newton, a linha reta e o comprimento do tubo diminuíram ao mesmo tempo, enquanto a aberração esférica foi corrigida em grande parte.


Sistema óptico do telescópio Gregory

Assim, em 1732-1768, James Short fabricou vários telescópios usando o sistema Gregory, o maior dos quais com 55 cm de diâmetro, e William Herschel de 1773, levado pelo polimento de espelhos de metal, conseguiu produzir 430 espelhos em 20 anos, como resultado da construção do maior refletores com distâncias focais de 20 e 40 pés ingleses (cerca de 12 metros).


O maior telescópio de William Herschel, com uma distância focal de 12 metros

O diâmetro da lente de bronze do refletor de 40 pés era de 122 cm, e a espessura era de cerca de 9 cm, o espelho pesava pelo menos uma tonelada e cedia sob seu próprio peso. 75% consistiam em cobre e 25% em estanho. O espelho escureceu extremamente rapidamente, rachou e exigiu um polimento frequente, que a Herschel executou manualmente nos primeiros 15 anos, bem como a fabricação de novos espelhos, onde o processo de polimento levou mais de 16 horas e não deixou sair por um minuto. A operação do telescópio foi extremamente inconveniente e, portanto, durante a maior parte de suas descobertas, Herschel, juntamente com sua irmã Carolina, usou telescópios de menor diâmetro. É interessante que, durante sua vida, Herschel descobriu mais de 2500 nebulosas, 806 estrelas duplas, realizou quatro visões completas do céu noturno visível para ele, e Carolina, além de seus 98 anos de vida, conseguiu descobrir dois cometas. Seu trabalho foi continuado pelo filho John, que na África fez observações de uma parte invisível do céu da Inglaterra usando um telescópio de 6 metros.


Hoje, o espelho do maior telescópio Herschel está armazenado em Slow

Em 1845, o cervejeiro inglês William Lassel, levado pela astronomia, constrói um refletor com um diâmetro de espelho de 61 cm, instala-o em sua propriedade Starfield perto de Liverpool e um ano depois, em 10 de outubro de 1846, abre o satélite do recém-descoberto planeta Netuno - Tritão, mais tarde usando o mesmo instrumento que ele consegue detectar os satélites de Urano - Ariel e Umbriel. E em 1861 ele consegue construir um telescópio com um diâmetro de lente de 122 cm, como o telescópio Herschel, que foi posteriormente instalado em Malta para observar a parte mais ao sul do céu estrelado.


Carimbo dedicado ao telescópio de 122 cm de William Lassel

Se falamos do maior refletor do século 19, ele foi construído por William Parson, com o título de Lord Ross. Possuindo muito capital, ele decidiu construir o maior telescópio do mundo, mas infelizmente James Short destruiu todos os papéis com os segredos da fabricação e Ross teve que inventar muito novamente. No entanto, tendo gasto muito esforço e 20.000 libras, muito dinheiro para a época, o telescópio estava pronto em 1845 (demorou três anos para ser construído). O diâmetro do espelho principal era de 183 cm, peso 3 toneladas, comprimento do tubo de 16 metros. O telescópio era controlado usando um sistema complexo de blocos e cabos, que deveriam servir 2 pessoas, tinha um campo limitado - podia subir e descer, e de um lado para o outro girava apenas 15 graus. O clima da Irlanda dificilmente pode ser considerado o melhor - por um ano de 60 a 80 noites claras, principalmente no inverno, porque Ross não foi capaz de fazer nenhuma descoberta significativa sobre ele, no entanto, ele foi o primeiro a notar que algumas das nebulosas têm uma estrutura espiral.


O telescópio Lord Ross reconstruído na Irlanda já está disponível para visualização no Castelo Birr ( site )

Foi possível restaurar o telescópio em 2001, usando os desenhos preservados graças à esposa de Ross e algumas tecnologias modernas, o espelho pesado e fosco foi substituído por um leve alumínio. Foi possível superar Ross construindo um telescópio com um grande diâmetro de espelho apenas no início do século passado.

A moda dos espelhos de vidro apareceu em meados do século 19, já que o vidro era mais fácil de processar e o revestimento prateado refletia duas vezes mais luz que os espelhos de bronze. Além disso, o espelho era muito mais leve. Em 1878, um refletor com um diâmetro de espelho de 122 cm foi instalado, e já em 1888 - o maior refletor de vidro do século XIX. com um espelho com um diâmetro de 153 cm.

No entanto, a vitória final dos refletores de vidro sobre o metal cai em 1917, quando um refletor com diâmetro de lente de 2,58 metros foi construído no Observatório Mount Wilson, financiado pelo milionário John D. Hooker.


Observador de Mount Wilson refletor de 100 polegadas

A vitória decisiva dos espelhos de vidro sobre os de metal ocorreu devido à invenção do método de “sombra” de Foucault, que aumentou a qualidade de fabricação da óptica e, como resultado, a refletividade dos espelhos para 90-95%. 1930 , , , , , , , , .

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Agora, o telescópio BTA é um dos dez maiores e melhores telescópios do mundo.

Continua (o link estará disponível aqui) ...

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