Простые средства наблюдения за небесными телами
Картинка: Мосфильм, х/ф «Карнавальная ночь»
Погружённые в свои будничные проблемы мы редко смотрим вверх, однако есть целый круг увлечённых людей, которые существенную часть своего времени живут со взором, обращённым к небу и именно от них мы получаем интересные наблюдения о новых небесных телах, явлениях и просто красивые фотографии, которые дают нам понимание того, насколько Земля мала и насколько «велика вокруг бездна»…
Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!
Наблюдения за небесными телами невооружённым взглядом, наталкиваются на ограничения человеческого зрения, не позволяющие ему осуществлять полноценное познание далёких, малых и тусклых объектов, ввиду их дальнего расположения относительно Земли.
И тут на помощь человеку приходят различные средства для наблюдения, которые благодаря содержанию в своём составе сложных оптических компонентов, сложили вокруг себя ореол достаточно дорогих устройств, доступных только ограниченному кругу людей. Но так ли всё плохо? Попробуем разобраться…
▍ Телескоп
Когда речь заходит о наблюдениях за далёкими космическими объектами, то в первую очередь вспоминается такое устройство, как телескоп, который в самом простом своём варианте может выглядеть как труба круглого сечения, где на одном конце трубы расположен так называемый объектив, который представляет собой одну линзу или систему линз, назначение которой (ых) заключается в сборе максимально большого количества света от удалённых объектов.
На другом конце трубы находится окуляр, имеющий своей целью сконцентрировать собранный объективом свет, чтобы создать хорошо различимое человеческим глазом изображение наблюдаемых объектов.
Говорят даже что во сколько раз больше размер объектива площади зрачка, во столько же раз больше он соберёт света.
При сборке самодельного телескопа следует озаботиться тем, чтобы объектив был хорошего качества, без царапин, правильной геометрии, желательно круглый.
Кроме того, нужно учитывать, что, так как и объектив и окуляр представляют собой единую оптическую систему, то они должны как располагаться на определённом расстоянии, так и быть, хорошо взаимно отцентрованы. Воображаемая прямая линия, которая проходит через центры объектива и окуляра — называется оптической осью.
Говоря о типах оптических телескопов — их можно подразделить на две большие группы, одна из которых называется рефракторами, так как у них изображение объекта создаётся с помощью преломление лучей в линзах; в то время как вторая группа называется рефлекторами, так как они создают изображение объекта с помощью отражения лучей от вогнутого зеркала.
Телескопы такого второго типа является достаточно сложными в изготовлении для самодельщиков, так как для получения чёткого изображения требуется зеркало хорошей геометрии и полировки.
И поэтому далее мы поговорим о компонентах самодельного телескопа-рефлектора.
▍ Объектив
В качестве объектива можно использовать либо двояковыпуклую, либо вогнуто-выпуклую линзу. Можно отметить, что в хороших телескопах, в качестве объектива используется не одна линза, а целая система линз (это позволяет устранить недостатки простого типа объективов).
Кстати говоря, объектив именно потому и называется так, потому что является средством наблюдения за объектом, а, соответственно, окуляр, — окуляром, так как он обращён в сторону глаза наблюдателя.
Для простоты и наглядности, будем считать, что объектив, направленный в сторону звезды, собирает от неё свет, в виде лучей, идущих параллельно, которые проходя сквозь него и преломляясь, собираются в единую точку на некотором расстоянии, которую принято называть фокусом объектива, в то время как расстояние от этой точки до самого объектива называется фокусным расстоянием:
Однако, это чисто умозрительная конструкция, так как качество схождения лучей в единую точку зависит от качеств самого объектива (которые, естественно, не являются абсолютными), поэтому в реальности лучи не сойдутся идеально, что создаст некоторую степень размытости изображения объекта.
В целом же, причинами возникновения такого размытого изображения можно считать:
- лучи, проходящие через центральные области объектива — создадут изображение, которое будет более далеко расположено от поверхности объектива, в то время как лучи, проходящие по периметру, находящееся более близко к нему. Такой тип искажения называется сферической аберрацией.
- так как белый свет представляет собой смесь разных длин волн видимого спектра, то он может быть разложен на эти цветные компоненты, что обычно наблюдается при использовании призм, а так как любая линза представляет собой, по сути, как бы объединение множества призм, то белый свет, проходя сквозь неё, подвергается некоторому разложению на компоненты. Причём, чем ближе спектральный компонент расположен к фиолетовой части спектра, тем он преломляется сильнее, в то время как если ближе к красной части спектра, — то меньше. Практическим следствием этого является то, что фиолетовая часть спектра будет образовывать фокус ближе к объективу, в то время как красный свет спектра будет образовывать фокус дальше от объектива, таким образом, на выходе мы получим изображение, в той или иной степени имеющее радужные оттенки и подобное явление носит название хроматической аберрации.
Поэтому не стоит удивляться при появлении подобных искажений во время постройки самодельного простого телескопа.
В старой литературе, в качестве подобной линзы для объектива рекомендуется использовать обычные выпуклые очковые линзы, преимущественно круглые (диаметром 4–5 см). Там же преимущественно предлагается использовать линзы с оптической силой в одну диоптрию, что, другими словами, означает, что фокусное расстояние этой линзы составляет 1 метр.
В качестве вынужденной альтернативы можно использовать линзы в 0,5 — 2 диоптрии (от этого будет меняться только длина телескопа, так как фокусное расстояние составит 0,5 — 2 м).
При этом не рекомендуется брать линзу, с фокусным расстоянием более 2 м, так как телескоп получится очень длинным и с ним будет сложно работать, а также менее 0,5 м, как он будет давать слишком малое увеличение.
Если у вас уже имеется какая-либо иная линза, необходимо будет выяснить её фокусное расстояние, что можно легко сделать, если в солнечный день попытаться сфокусировать изображение солнца на какой-либо поверхности, чтобы изображение солнца было максимально чётким и контрастным — при этом расстояние до этой поверхности и будет являться фокусным расстоянием. То же самое можно проделать и с использованием любого источника света, например, настольной лампы.
▍ Окуляр
Как мы уже говорили выше, телескоп представляет собой оптическую систему как минимум из двух компонентов: объектива и окуляра:
Окуляры принято делить по их силе, то есть по тому, насколько они могут увеличивать. При этом следует учитывать, что окуляры, дающие большое увеличение (в сотни раз), возможно применять только с большими качественными объективами, так как если объектив маленький и не может собрать достаточно много света, то, если попытаться разглядывать получаемое с его помощью изображение в сильный окуляр, естественно, что наблюдаемое изображение будет весьма плохого качества.
Нужно изначально смириться с тем, что самодельный телескоп будет обладать довольно посредственным качеством, поэтому не следует пытаться получаемое с помощью его объектива изображение — существенно увеличивать, применяя сильный окуляр. Поэтому можно просто-напросто, взять небольшую лупу, наподобие тех, которые используют часовые мастера, одевая их на один глаз во время работы.
В принципе, можно использовать подходящие линзы, с фокусным расстоянием, находящимся в пределах от 2 до 5 см. При этом линзы с фокусным расстоянием менее 2 см не рекомендуется использовать, так как они будут давать слишком большое увеличение, в противовес этому, линзы с фокусным расстоянием более 5 см также не рекомендуется использовать, так как они будут давать слишком малое увеличение.
В целом, увеличение всей системы состоящей из объектива и окуляра можно узнать, если разделить фокусное расстояние объектива, на фокусное расстояние окуляра. Например, если фокусное расстояние окуляра составляет 100 см, а окуляра 2 см, то можно сказать, что на этой системе можно получить увеличение в 50 раз (100:2). Кстати говоря, вся описываемая ниже информация (для удобства) дана для случая, когда мы строим телескоп с объективом в одну диоптрию (т.е. его фокусное расстояние равно 1 метру).
▍ Труба и крепёж в ней
Самый простой способ изготовления трубы телескопа представляет собой её склеивание из листов бумаги. Единственный момент, который здесь нужно учесть, что листы бумаги должны быть достаточно большими, чтобы не пришлось сделать сборные трубки, соединённые муфтами. Кроме того, рекомендуется для внутренних частей телескопа использовать глянцевую бумагу, а внешние части трубок покрывать лаком или краской для долговечности (но это классический вариант изготовления из бумаги, в наше же время, возможно, имеет смысл посмотреть в сторону разнообразных пластиковых труб, имеющихся в изобилии в любом хозяйственном магазине. Только, наверное, возникнет проблема в таком случае с соосностью объектива и окуляра, так как трубы никто не проектировал для использования в качестве телескопов и придётся как-то решать эту проблему).
Самодельный телескоп по большому счёту представляет собой, в классическом варианте, внешнюю трубку, в которой укреплён тем или иным способом объектив, и внутреннюю небольшую трубочку, в которой укреплён окуляр и которая может перемещаться относительно внешней трубки, находясь внутри неё.
При этом рекомендуется изготовление начинать с создания именно окулярной трубки, которая должны иметь длину порядка 50 см (здесь и далее, как было уже сказано выше, подразумевается создание телескопа, с объективом в одну диоптрию; в вашем случае, размеры могут быть иными).
В классическом варианте, при создании трубки окуляра, на деревянную круглую палку, диаметром чуть больше, чем окуляр, наматывается проклеиваемая бумага, слой за слоем (а в случае, если у нас в качестве окуляра служит простая линза, а не окуляр, наподобие лупы, как у часовщиков — палка должна быть на пару миллиметров меньше линзы). При этом самый внутренний её слой, обращённый в сторону деревянной палки, зачерняется. Обычно раньше до этого использовали смесь сажи, спирта и небольшого количества лака, который может быть разведён в спирте. В наше же время имеет смысл упростить этот процесс, например, просто наглухо запечатав чёрной краской на принтере эти листы:
При наматывании слоёв бумаги следует иметь в виду, что конечный диаметр, получившейся в итоге окулярной трубки, должен быть примерно на пару миллиметров меньше, чем диаметр линзы объектива.
После высыхания клея окулярной трубки, прямо на неё, начинают накручивать новые слои бумаги, для создания уже трубки объектива.
При этом точно так же, как и с окулярной трубкой, первый слой бумаги, обращённый в сторону окулярной трубки, должен быть зачернён.
Длина получившийся в итоге трубки объектива должна быть порядка 70 см, а её внешний диаметр должен полностью соответствовать диаметру линзы объектива.
Обе трубки должны ходить относительно друг друга достаточно плотно, не шататься одна в другой. Если получилось не так, то следует намотать некоторое количество листов бумаги с клеем, на окулярную трубку, чтобы добиться требуемой плотности хождения.
После того как обе трубки изготовлены, можно приступить и к крепежу объектива.
Вкратце — суть крепления объектива заключается в изготовлении ещё одной короткой (6 см) трубки, такой же по внутреннему и внешнему диаметру, как и трубка объектива (изготавливается точно так же, с помощью наматывания на окулярную трубку), а также чуть более длинной трубки, длиной порядка 15 см, которая изготавливается намоткой на трубку объектива.
После чего, внутрь этой более широкой трубки, которая служит муфтой — вкладывается объектив, после чего сверху он прижимается коротким куском трубки, который вставляется уже в эту муфту. Причём эта последняя трубка, которой мы прижали объектив, — должна быть также изнутри зачернена.
После чего нам остаётся только вставить окуляр, в окулярную трубку (если мы используем окуляр, наподобие тех, которые применяют часовые мастера), либо, предварительно учтя это на этапе изготовления окулярной трубки (чтобы её внешний диаметр соответствовал диаметру окулярной линзы, если мы используем линзу, и чтобы она не проваливалась в трубку), применить также систему из прижимной трубочки и муфты:
На этом наш телескоп готов, и мы можем его применять!
Так как телескоп невозможно вручную удерживать абсолютно неподвижно, чтобы не было тряски, необходимо его закрепить на какой-либо неподвижной стационарной основе, например, на штативе.
В ночное время, когда нет солнца, плавно вдвигая/выдвигая окулярную трубку — следует добиться чёткого изображения наблюдаемых объектов. Кстати сказать, нельзя смотреть на солнце и прочие яркие объекты, в подобный телескоп, так это плачевно закончится для зрения.
После настройки и появления изображений звёзд, они будут выглядеть как небольшие точки, не имеющие какого-либо значительного диаметра, это нормально и связано с тем, что находятся они весьма далеко от нас. Положительным моментом является то, что даже в такой телескоп можно будет увидеть многие звёзды, которые не видны невооружённым глазом. Объекты в таком телескопе будут перевёрнуты кверху ногами, однако, в случае наблюдения небесных тел, это не является проблемой.
Смотреть в телескоп следует одним глазом, прикрыв другой.
▍ Гелиоскоп
Но что делать, если хочется наблюдать за более яркими объектами, например, за солнцем?
В этом случае потребуется изготовить совершенно другой прибор, который называется гелиоскопом. Вкратце устройство гелиоскопа показано на рисунках ниже (кликабельны):
Принцип его действия основан на том, что в нём происходит значительное ослабление лучей солнца, чтобы получить приемлемую для наблюдения яркость.
Как можно видеть по картинке выше, гелиоскоп состоит, по сути, из трёх компонентов: уже знакомой нам линзы для очков (силой в одну диоптрию), которая в этом случае служит не для собирания лучей, а для отражения их, — своей вогнутой поверхностью. Лучи солнца, попадая на поверхность вогнутой линзы, проходят сквозь неё, при этом обратно отражается только небольшая их часть. Отражённые лучи попадают на небольшую стеклянную пластинку, закреплённую в оптической оси гелиоскопа, имеющую диаметр в 17 мм и закреплённую под углом в 45° к падающим лучам, находящуюся в фокусе линзы объектива.
При этом нужно учесть такой интересный момент, что и стеклянная пластинка и линза объектива отражают не только своей первой плоскостью, но и второй плоскостью, что в случае линзы приводит к появлению второго изображения (при отражении от задней части линзы), находящегося гораздо ближе к линзе. Это изображение нам никак не мешает (в случае линзы) и мы можем это игнорировать. В случае же отражающий стеклянной пластинки, чтобы убрать отражение от второй её стороны, следует наждачной бумагой или иным другим способом заматировать вторую сторону стеклянной пластинки, противоположной стороне, на которую падают лучи от объектива.
Лучи, отражённые от стеклянной пластинки — собираются окуляром. Несмотря на значительное ослабление, смотреть в окуляр всё равно опасно, поэтому используют дополнительные ухищрения для снижения яркости: одевают на вход в трубу, откуда в неё попадают лучи солнца — затемнённое стекло. Кроме того, используют так называемый гелиостат, который представляет собой также стеклянную пластинку, прозрачную с одной стороны и заматированную с обратной, которая крепится под углом к входной части гелиоскопа, таким образом, чтобы вход его смотрел прямо на пластинку.
В конечном счёте, получается, что ослабление силы лучей солнца происходит, как минимум — трёхкратно:
- на пластинке гелиостата;
- на линзе объектива;
- на стеклянной пластинке внутри гелиоскопа.
Кроме того, как было уже сказано, может использоваться дополнительная затемнённая пластинка на входе в гелиоскоп. Также следует упомянуть, что все части трубок, обращённые внутрь — должны быть зачернены.
Подытоживая, можно сказать, что наблюдение за небесными объектами является весьма увлекательным занятием, к тому же может стать источником открытий, и кто знает, может быть, и в вашу честь назовут что-нибудь? ;-)
В статье мы умышленно прошли мимо более сложных в постройке телескопов-рефлекторов, однако, при желании, вы можете ознакомиться с одним из интересных пособий по постройке подобного типа телескопов, где изложена методика построения: Крэйг Д., Барри Р. — «Телескоп Добсонианец».
