Teleskopo šviesos surinkimo galia

Kodėl didesnis teleskopas reiškia daugiau šviesos

Kai pirmą kartą pažvelgiate pro teleskopą į naktinį dangų, dažniausiai nustembate ne tik dėl to, kad objektai atrodo didesni, bet ir dėl to, kad jie tampa ryškesni. Tai nėra atsitiktinumas – teleskopo gebėjimas surinkti šviesą yra vienas svarbiausių jo parametrų, kartais net svarbesnis už didinimą.

Pagrindinė teleskopo funkcija – surinkti kuo daugiau šviesos iš tolimų objektų. Mūsų akis turi apie 7 milimetrų skersmens vyzdį tamsoje, o tai reiškia, kad ji gali surinkti tik labai ribotą šviesos kiekį. Teleskopas veikia kaip milžiniškas šviesos kibiras – kuo didesnis jo objektyvas ar veidrodis, tuo daugiau fotonų jis sugauna ir nukreipia į mūsų akį ar kamerą.

Matematika čia paprasta, bet įspūdinga. Jei turite 100 milimetrų skersmens teleskopą, jo šviesos surinkimo plotas yra maždaug 200 kartų didesnis nei jūsų akies. Tai reiškia, kad pro tokį teleskopą žvaigždė atrodys 200 kartų šviesesnė nei plika akimi. Štai kodėl pro teleskopą galite matyti objektus, kurių kitaip niekada nepastebėtumėte.

Kaip apskaičiuoti šviesos surinkimo galią

Šviesos surinkimo galia tiesiogiai priklauso nuo teleskopo apertūros – tai yra objektyvo ar pagrindinio veidrodžio skersmens. Skaičiavimai čia nėra sudėtingi, nors gali atrodyti bauginantys tiems, kas nemėgsta matematikos.

Formulė atrodo taip: šviesos surinkimo galia = (teleskopo apertūros skersmuo / akies vyzdžio skersmuo)². Pavyzdžiui, jei turite 150 mm teleskopą, o jūsų akies vyzdys tamsoje yra 7 mm, tai (150/7)² = 459. Jūsų teleskopas surenka 459 kartus daugiau šviesos nei jūsų akis!

Praktiškai tai reiškia, kad kiekvienas apertūros centimetras turi reikšmę. Skirtumas tarp 200 mm ir 250 mm teleskopo gali atrodyti nedidelis, bet šviesos surinkimo galia padidėja apie 1,56 karto. Tai gali reikšti skirtumą tarp galaktikos, kuri atrodo kaip miglota dėmelė, ir galaktikos, kurioje galite įžiūrėti spiralinius rankus.

Istorinė šviesos medžioklė

Ankstyvieji teleskopų kūrėjai greitai suprato, kad didesnis objektyvas reiškia geresnius stebėjimus. XVII amžiuje astronomai pradėjo varžytis dėl to, kas pastatys ilgiausią ir didžiausią teleskopą. Johannes Hevelius sukūrė 45 metrų ilgio teleskopą, nors jį valdyti buvo beveik neįmanoma.

Problema buvo ta, kad tuometiniai lęšiniai teleskopai turėjo chromatinę aberaciją – skirtingos spalvos lūžo skirtingai, sukurdamos spalvotus žiedus aplink objektus. Vienintelis būdas tai sumažinti buvo naudoti labai ilgo židinio nuotolio lęšius, todėl teleskopai tapo absurdiškai ilgi.

Situacija pasikeitė XVIII amžiuje, kai Isaac Newton sukūrė atspindžio teleskopą, naudojantį veidrodžius vietoj lęšių. Veidrodžiai neturi chromatinės aberacijos problemos, todėl teleskopai galėjo būti daug kompaktiškesni. Tai pradėjo naują erą teleskopų kūrime, kur dėmesys persikėlė į vis didesnių veidrodžių gamybą.

XX amžiaus pradžioje buvo pastatytas 100 colių (2,5 metro) Hooker teleskopas, kuris leido Edwin Hubble’ui atrasti, kad visata plečiasi. Vėliau atsirado 200 colių (5 metrų) Hale teleskopas. Kiekvienas šuolis apertūroje reiškė naujus atradimus – silpnesnes žvaigždes, tolesnes galaktikas, subtilesnę kosminę struktūrą.

Kodėl profesionalūs teleskopai tokie dideli

Šiuolaikiniai profesionalūs teleskopai yra tikri milžinai. Europos Pietų Observatorijos Labai Didelis Teleskopas (VLT) turi keturis 8,2 metro veidrodžius. Dar didesni yra 10 metrų Keck teleskopai Havajuose. O planuojamas Ypač Didelis Teleskopas (ELT) turės 39 metrų veidrodį!

Kodėl jiems reikia tokių milžiniškų apertūrų? Pirma, astronomai nori stebėti kuo tolesnius ir silpnesnius objektus. Galaktika, esanti milijardus šviesmečių atstumu, skleidžia tokį mažą šviesos kiekį, kad tik milžiniškas teleskopas gali surinkti pakankamai fotonų, kad sukurtų įžiūrimą vaizdą.

Antra, didesnė apertūra reiškia geresnę skiriamąją gebą – gebėjimą atskirti smulkias detales. Teoriškai 10 metrų teleskopas gali atskirti detales, kurios yra 1000 kartų smulkesnės nei tai, ką mato plika akis. Praktiškai Žemės atmosfera trukdo pasiekti šią ribą, bet su adaptyviosios optikos sistemomis galima artėti prie teorinės ribos.

Trečia, daugiau šviesos reiškia trumpesnį ekspozicijos laiką. Vietoj kelių valandų fotografavimo, didelis teleskopas gali gauti tą patį vaizdą per kelias minutes. Tai svarbu, kai stebite greitai besikeičiančius reiškinius ar kai teleskopo laikas yra labai brangus.

Mėgėjų teleskopai ir realybė

Daugelis pradedančiųjų mėgėjų astronomų nusivilia, kai sužino, kad jų 70 mm teleskopas nerodo tokių spalvingų vaizdų kaip NASA nuotraukos. Čia svarbu suprasti, kad mūsų akys ir fotoaparatai veikia skirtingai.

Akis yra nuostabi, bet turi apribojimų. Ji negali kaupti šviesos – matote tik tai, kas patenka į tinklainę tą akimirką. Fotoaparatas ar CCD kamera gali eksponuoti minutes ar net valandas, kaupiant fotonų po fotono, kol susidaro ryškus vaizdas. Štai kodėl profesionalios astrofotografijos vaizdai tokie įspūdingi.

Tačiau tai nereiškia, kad mažas teleskopas yra nenaudingas. Net 100-150 mm teleskopas gali parodyti Jupiterio juostas, Saturno žiedus, Mėnulio kraterius tokiu detalumu, kuris tikrai pribloškia. Oriono ūkas, Andromedos galaktika, žvaigždžių spiečiai – visa tai tampa prieinama net su kukliu įrenginiu.

Svarbu suprasti, kad teleskopo pasirinkimas priklauso nuo jūsų tikslų. Jei norite vizualiai stebėti, 200 mm Dobsono teleskopas už tūkstantį eurų suteiks daugiau šviesos nei bet koks 100 mm refraktorius už tą pačią kainą. Jei planuojate fotografuoti, gali būti geriau investuoti į mažesnę apertūrą, bet geresnę montavimo sistemą.

Šviesos taršos problema

Net ir turėdami didžiausią teleskopą pasaulyje, susiduriate su viena didžiausia šiuolaikine problema – šviesos tarša. Miestų šviesybė išblaško dangų, sumažindama kontrastą ir padarydama silpnus objektus beveik nematomus.

Šviesos tarša veikia kaip šviesus fonas, ant kurio bandote matyti silpnus objektus. Įsivaizduokite, kad bandote skaityti knygą prieblandoje – teksto raidės (jūsų kosminiai objektai) sunkiai išsiskiria nuo puslapio (dangaus fono). Teleskopas surenka daugiau šviesos iš objekto, bet taip pat surenka daugiau fono šviesos.

Yra keletas būdų kovoti su šviesos tarša. Pirmas – važiuoti į tamsesnes vietas. Net 30-50 km nuo miesto gali drastiškai pagerinti stebėjimo sąlygas. Antra – naudoti specialius filtrus, kurie blokuoja tam tikrus šviesos bangos ilgius, būdingus gatvės šviesoms, bet praleidžia šviesą iš ūkų ir galaktikų.

Profesionalūs observatorijos dažniausiai statomos kalnuose, toli nuo miestų. Mauna Kea Havajuose, Andų kalnai Čilėje, Kanarų salos – visos šios vietos pasirinktos ne tik dėl skaidraus oro, bet ir dėl minimalios šviesos taršos. Kai kuriose vietose netgi yra įstatymai, ribojantys lauko apšvietimą, kad apsaugotų astronominių stebėjimų sąlygas.

Kosmoso teleskopai – galutinis sprendimas

Jei norite išvengti visų Žemės atmosferos problemų, atsakymas paprastas – iškelkite teleskopą į kosmosą. Hubble kosminis teleskopas, nors turi tik 2,4 metro veidrodį, gali matyti daug silpnesnius objektus nei dideli žemės teleskopai, nes nėra atmosferos, kuri išsklaidytų šviesą.

Kosmose nėra šviesos taršos, nėra debesų, nėra atmosferinio turbulencijos, kuris išplaukia žvaigždžių vaizdus. Kiekvienas fotonas iš tolimo objekto pasiekia teleskopą neiškreiptas. Tai leidžia Hubble ir jo įpėdiniui James Webb kosminiams teleskopams daryti nuotraukas, kurios būtų neįmanomos iš Žemės.

James Webb teleskopas, paleistas 2021 metais, turi 6,5 metro veidrodį ir dirba infraraudonojoje spektro dalyje. Tai leidžia jam matyti pro dulkių debesis ir stebėti pačius tolimiausius, seniausius objektus visatoje. Jo šviesos surinkimo galia yra maždaug 7 kartus didesnė nei Hubble, o tai reiškia, kad jis gali matyti objektus, kurie yra 7 kartus silpnesni.

Žinoma, kosmoso teleskopai yra brangūs – Hubble kainavo apie 2,5 milijardo dolerių, o James Webb – apie 10 milijardų. Bet jie suteikia unikalių galimybių, kurių negalima pasiekti iš Žemės paviršiaus, nepriklausomai nuo to, kokį didelį teleskopą pastatytumėte.

Ateities horizontai ir technologiniai šuoliai

Teleskopų technologijos nuolat tobulėja. Vienas įdomiausių naujų metodų – interferometrija, kai keletas teleskopų dirba kartu, veikdami kaip vienas milžiniškas teleskopas. Event Horizon Telescope, kuris padarė pirmąją juodosios skylės nuotrauką, iš tikrųjų yra tinklas teleskopų, išsidėsčiusių po visą Žemę.

Adaptyviosios optikos sistemos taip pat keičia žaidimo taisykles. Jos naudoja deformuojamus veidrodžius, kurie keičia savo formą šimtus kartų per sekundę, kompensuodami atmosferos turbulenciją. Tai leidžia žemės teleskopams pasiekti beveik tokią pat skiriamąją gebą kaip kosminiuose teleskopose.

Planuojami dar didesni teleskopai. Ypač Didelis Teleskopas (ELT) su 39 metrų veidrodžiu turės šviesos surinkimo galią, kuri bus 15 kartų didesnė nei dabartiniai didžiausi teleskopai. Thirty Meter Telescope (TMT) ir Giant Magellan Telescope (GMT) taip pat žada revoliucionizuoti astronomiją.

Bet galbūt pats įdomiausias projektas yra Lunar Crater Radio Telescope – planuojamas radijo teleskopas Mėnulio krateryje, kuris būtų 1 kilometro skersmens. Tokia milžiniška apertūra galėtų surinkti radijo bangas iš pačių tolimiausių visatos kampų, galbūt net iš pirmųjų žvaigždžių, kurios sušvito po Didžiojo sprogimo. Mėnulio tolimoji pusė taip pat yra ideali vieta, apsaugota nuo Žemės radijo trukdžių.

Kas iš tikrųjų svarbu teleskopo pasirinkime

Grįžkime prie praktinių dalykų. Jei renkate teleskopą sau, šviesos surinkimo galia turėtų būti vienas svarbiausių kriterijų, bet ne vienintelis. 300 mm apertūros teleskopas ant nestabilios montavimo sistemos bus mažiau naudingas nei 150 mm ant tvirtos.

Portabilumas taip pat svarbus. Geriausias teleskopas yra tas, kurį realiai naudosite. Jei jūsų 400 mm Dobsonas yra toks sunkus, kad jį išnešti iš garažo tampa treniruote, greičiausiai juo naudositės retai. Kartais geresnis pasirinkimas yra mažesnis, lengvesnis teleskopas, kurį galite greitai pastatyti ir pradėti stebėti.

Optikos kokybė irgi turi reikšmę. Pigus 200 mm teleskopas su prastos kokybės veidrodžiu gali duoti prastesnius rezultatus nei gerai pagamintas 150 mm. Veidrodžio paviršiaus tikslumas turėtų būti bent λ/8 (lambda per aštuonis), o geriau – λ/10 ar net λ/12.

Jei jūsų tikslas – astrofotografija, tuomet montavimo sistema tampa dar svarbesnė. Reikia tikslaus sekimo, kad teleskopas galėtų sekti objektus kelias minutes ar valandas, kol kamera kaupia šviesą. Čia dažnai geriau investuoti daugiau pinigų į montavimą nei į pačią apertūrą.

Galiausiai, nepamirškite, kad teleskopas yra tik įrankis. Svarbiausias elementas yra jūsų entuziazmas ir noras mokytis. Net su kukliu 100 mm teleskopu galite praleisti metus, tyrinėdami dangų ir vis dar atrasiant naujų dalykų. Šviesos surinkimo galia yra svarbi, bet ji nereiškia nieko, jei teleskopas stovi neišpakuotas rūsyje. Pradėkite su tuo, ką galite sau leisti ir kas atitinka jūsų situaciją, o vėliau visada galėsite pereiti prie didesnės apertūros, kai suprasite, ko tiksliai jums reikia.