Телескоп-рефлектор

Телескоп-рефлектор — это оптический телескоп, в котором для сбора и фокусировки света используется вогнутое зеркало (главное зеркало), а не линза, как в рефракторах. Относится к классу зеркальных телескопов. Основными характеристиками рефлектора являются диаметр главного зеркала (апертура), фокусное расстояние и светосила. Благодаря отсутствию хроматической аберрации и возможности изготавливать зеркала большого диаметра, рефлекторы являются основным типом инструментов в современной астрономии.

История

Предпосылки возникновения

В начале XVII века, после изобретения телескопа-рефрактора Галилео Галилеем, астрономы столкнулись с рядом проблем, главной из которых была хроматическая аберрация — появление цветных ореолов вокруг изображения. Для её уменьшения требовались линзы с очень большим фокусным расстоянием, что делало инструменты громоздкими и неудобными. В 1663 году шотландский математик Джеймс Грегори в своей книге «Optica Promota» впервые предложил конструкцию телескопа, использующего вогнутое зеркало вместо линзы. Однако его проект (телескоп Грегори) не был реализован из-за отсутствия технологии изготовления точных параболических зеркал.

Первый рефлектор Ньютона

Первый действующий телескоп-рефлектор был построен Исааком Ньютоном в 1668 году. Ньютон, стремясь устранить хроматическую аберрацию, заменил линзу на вогнутое сферическое зеркало, изготовленное из металлического сплава (спекулума). Для вывода изображения в окуляр он использовал плоское диагональное зеркало, установленное под углом 45° к оптической оси. Эта схема получила название система Ньютона. Первый телескоп Ньютона имел диаметр зеркала около 33 мм и фокусное расстояние 15 см, но давал изображение в 40 раз большее, чем у лучших рефракторов того времени.

Развитие в XVIII—XIX веках

В 1721 году английский астроном Джон Хэдли усовершенствовал технологию изготовления зеркал, построив параболический рефлектор с диаметром 15 см. В 1789 году Уильям Гершель построил крупнейший на тот момент телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 122 см (фокусное расстояние 12 м). Этот инструмент позволил открыть Уран и множество туманностей. В 1845 году Уильям Парсонс, 3-й граф Росс, завершил строительство «Левиафана» — рефлектора с диаметром зеркала 183 см, который оставался крупнейшим в мире до 1917 года. Основным недостатком этих инструментов было быстрое потускнение металлических зеркал (спекулума), требовавших частой переполировки.

Переход к стеклянным зеркалам

В 1856 году немецкий химик Юстус фон Либих разработал метод химического серебрения стекла, что позволило изготавливать зеркала из стекла с тонким отражающим слоем серебра. Первое крупное стеклянное зеркало для телескопа было отлито в 1897 году для Йеркской обсерватории (диаметр 102 см, рефрактор), но технология быстро распространилась на рефлекторы. В 1908 году был построен 60-дюймовый (152 см) рефлектор обсерватории Маунт-Вилсон, а в 1917 году — 100-дюймовый (254 см) телескоп Хукера, который позволил Эдвину Хабблу открыть расширение Вселенной.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Любой телескоп-рефлектор состоит из следующих компонентов:

• Главное зеркало — вогнутое (сферическое или параболическое) зеркало, которое собирает свет и фокусирует его. Изготавливается из стекла с низким коэффициентом теплового расширения (пирекс, кварц, ситалл) или из керамики. На поверхность наносится отражающее покрытие (алюминий, серебро).
• Вторичное зеркало — плоское или выпуклое зеркало, которое направляет сфокусированный свет в окуляр или к приёмнику излучения. В зависимости от оптической схемы может быть одно или несколько вторичных зеркал.
• Труба (оптическая труба) — жёсткая конструкция, удерживающая зеркала на оптической оси и защищающая их от пыли и воздушных потоков.
• Фокусировочный узел — механизм для точной настройки резкости изображения.
• Монтировка — опорная конструкция, позволяющая наводить телескоп на небесные объекты и отслеживать их суточное движение (азимутальная или экваториальная).

Принцип работы

Свет от удалённого объекта (звезды, планеты) падает на главное зеркало. Вогнутое зеркало отражает лучи, собирая их в фокусе. Вторичное зеркало (или система зеркал) перенаправляет сходящийся пучок света в окуляр или на фотоприёмник (ПЗС-матрицу, спектрограф). Изображение строится в фокальной плоскости, где его можно рассматривать глазом или регистрировать электронным устройством.

Оптические схемы

Существует несколько основных типов оптических схем телескопов-рефлекторов, различающихся расположением вторичных зеркал и положением фокуса:

Система Ньютона

Классическая схема, предложенная Исааком Ньютоном. Главное зеркало — параболическое. Вторичное зеркало — плоское, установлено под углом 45° к оптической оси. Фокус находится сбоку от трубы. Достоинства: простота изготовления, отсутствие хроматической аберрации, возможность использования с различными окулярами. Недостатки: наличие центрального экранирования (вторичное зеркало частично загораживает свет), кома (аберрация, при которой звёзды на краю поля зрения выглядят как кометы).

Система Кассегрена

Схема, предложенная французским астрономом Лораном Кассегреном в 1672 году. Главное зеркало — параболическое, вторичное — гиперболическое, выпуклое. Вторичное зеркало отражает свет обратно через отверстие в центре главного зеркала, где расположен фокус. Достоинства: компактность (короткая труба при большом фокусном расстоянии), удобство размещения приёмников. Недостатки: сложность изготовления гиперболического зеркала, сильное центральное экранирование.

Система Ричи — Кретьена

Модификация схемы Кассегрена, разработанная американским астрономом Джорджем Ричи и французским инженером Анри Кретьеном в начале XX века. Оба зеркала — гиперболические. Эта схема практически полностью устраняет кому, обеспечивая широкое поле зрения без искажений. Является стандартом для большинства крупных профессиональных телескопов (например, телескопы Хаббл, Кека, VLT, БТА).

Система Грегори

Схема, предложенная Джеймсом Грегори. Главное зеркало — параболическое, вторичное — эллиптическое, вогнутое. Фокус находится за отверстием в главном зеркале. Даёт прямое изображение, но имеет большую длину трубы. Используется редко, в основном в солнечных телескопах и некоторых любительских инструментах.

Система Максутова — Кассегрена (Максутов)

Схема, изобретённая советским оптиком Дмитрием Максутовым в 1941 году. Является катадиоптрической (зеркально-линзовой): к главному зеркалу добавляется мениск — выпукло-вогнутая линза, которая исправляет сферическую аберрацию. Вторичное зеркало часто наносится как алюминиевое покрытие на центральную часть мениска. Достоинства: компактность, отсутствие хроматической аберрации, хорошее качество изображения. Широко распространена в любительской астрономии.

Классификация

Телескопы-рефлекторы классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

• Любительские — диаметр зеркала от 70 до 400 мм, предназначены для визуальных наблюдений и астрофотографии.
• Профессиональные — диаметр зеркала от 1 до 10 метров и более, используются для научных исследований (спектроскопия, фотометрия, поиск экзопланет).

По типу монтировки

• Азимутальные — простая и лёгкая конструкция, но требует компьютерного управления для отслеживания вращения неба (Добсоны, альт-азимутальные).
• Экваториальные — одна ось параллельна оси вращения Земли, что упрощает слежение за объектами.

По материалу зеркала

• Стеклянные (пирекс, ситалл, кварц) — современный стандарт.
• Металлические (спекулум, бериллий) — исторические или специальные (для космических телескопов, например, «Джеймс Уэбб» использует бериллиевые зеркала).

Применение

Научная астрономия

Рефлекторы являются основой наземной и космической астрономии. Крупнейшие телескопы мира — рефлекторы:

• БТА (Большой телескоп азимутальный, Россия, САО РАН, Карачаево-Черкесия) — диаметр главного зеркала 6 метров (1975 год, крупнейший в мире до 1993 года).
• VLT (Very Large Telescope, Чили) — четыре телескопа по 8,2 метра.
• Keck I и II (Гавайи) — по 10 метров.
• Gran Telescopio Canarias (Канарские острова) — 10,4 метра.
• ELT (Extremely Large Telescope, Чили, строится) — 39,3 метра.
• Космический телескоп «Хаббл» (NASA/ESA) — 2,4 метра.
• Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (NASA/ESA/CSA) — 6,5 метра (сегментированное зеркало).

Любительская астрономия

Рефлекторы популярны среди любителей благодаря высокой светосиле и относительно низкой стоимости на единицу апертуры. Наиболее распространённые типы: телескопы системы Ньютона на монтировке Добсона (простые, дешёвые, с большим диаметром) и компактные системы Максутова-Кассегрена.

Другие области

Рефлекторы используются в системах лазерной связи, в военной оптике (прицелы, дальномеры), в солнечных концентраторах и в некоторых типах спектрометров.

Интересные факты

• Зеркало телескопа «Хаббл» при изготовлении было отшлифовано с ошибкой (сферическая аберрация), что потребовало установки корректирующей оптики в 1993 году.
• Самый большой в мире телескоп-рефлектор с цельным зеркалом — БТА (6 м). Попытки отлить зеркало большего диаметра из одного куска стекла сталкиваются с проблемами деформации под собственным весом.
• В 2021 году был запущен телескоп «Джеймс Уэбб» с сегментированным зеркалом, состоящим из 18 шестиугольных сегментов, которые разворачиваются в космосе.
• В СССР в 1970-х годах велись работы по созданию телескопа с жидким ртутным зеркалом (диаметр 6 м), но проект не был завершён.

Источники

• Н. Н. Михельсон. «Оптические телескопы: теория и конструкция». — М.: Наука, 1976.
• Д. Д. Максутов. «Астрономическая оптика». — М.: Наука, 1979.
• W. H. Waller. «The History of the Telescope». — Springer, 2020.
• Материалы Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН).
• Encyclopedia Britannica: «Reflecting telescope».