Размяшчэнне матрыцы CCD на галоўным фокусе тэлескопа ці абсерваторыі - верны спосаб атрымаць выдатнае малюнак; методыка, якая выкарыстоўваецца ўжо больш за 100 гадоў. Але ці можна выкарыстоўваць ПЗС замест люстэрка альбо ня лінзы? Крэдыт на малюнак: вялікі плоскамер для Calar Alto (LAICA) / JW Fried.

Спытаеце Этана: Чаму мы не пабудуем тэлескоп без люстэркаў і лінзаў?

Чаму б проста не паставіць свае дэтэктары на месца гіганцкага люстэрка?

"Паглядзіце і падумайце, перш чым адчыніць аканіцу. Сэрца і розум - сапраўдны аб'ектыў камеры ". -Юсуф Карш

На працягу сотняў гадоў прынцып, які ляжыць у тэлескопа, быў такім жа простым: як стварыць лінзу ці люстэрка, каб сабраць вялікую колькасць святла, засяродзіць яго на дэтэктары (напрыклад, вока, фатаграфічная пласціна ці электронны прыбор ) і бачыць далёка за межамі магчымасцяў вашага бачання без дапамогі. З часам лінзы і люстэркі сталі павялічвацца ў дыяметры і былі выраблены да большай дакладнасці, у той час як дэтэктары прасунуліся да таго, што змогуць збіраць і добра выкарыстоўваць кожны прыходны фатон. Якасць дэтэктараў можа прымусіць вас задумацца, чаму мы наогул не стамляемся з люстэркамі! Вось што хоча ведаць Педра Тэйшэйра:

Навошта нам лінза і люстэрка, каб зрабіць тэлескоп зараз, калі ў нас ёсць датчыкі CCD? Замест таго, каб мець люстэрка 10 м і аб'ектыў, якія факусуюць святло на маленькім датчыку, чаму б не мець датчыка на 10 м замест гэтага?

Гэта вельмі праніклівае пытанне, таму што, калі б мы змаглі гэта зрабіць, гэта было б рэвалюцыйна.

Параўнанне памераў люстэркаў розных існуючых і прапанаваных тэлескопаў. Калі GMT з'явіцца ў Інтэрнэце, ён стане самым буйным у свеце і стане першым 25-метровым + аптычным тэлескопам у гісторыі, які пазней будзе пераўзыдзены ELT. Але ўсе гэтыя тэлескопы маюць люстэркі. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Cmglee.

Незалежна ад таго, наколькі мы адлюстроўваем нашы паверхні, незалежна ад таго, наколькі дробна мы шліфаваем і шліфуем нашы лінзы, незалежна ад таго, наколькі раўнамерна і акуратна мы пакрываем верхнія пласты, і незалежна ад таго, наколькі добра мы адштурхоўваем і ліквідуем пыл, люстэрка і аб'ектыва ніколі не будзе 100% аптычна ідэальна. Некаторая доля святла будзе губляцца на кожным кроку і пры кожным адлюстраванні. Улічваючы, што самыя буйныя сучасныя канструкцыі патрабуюць шматкропных сцэн люстэркаў, у тым ліку вялікага адтуліны ў першасным люстэрку, каб мець добрае месцазнаходжанне для адлюстравання святла, ёсць уласцівая канструкцыя выкарыстання люстэркаў і лінзаў для збору інфармацыі пра Сусвет.

Мэта ясная і захапляльная: выразаць непатрэбныя крокі і выключыць любыя страты, калі справа даходзіць да вашага святла. Гэта можа здацца простай ідэяй, і калі датчыкі ПЗС становяцца ўсё больш распаўсюджанымі і даражэюць, магчыма, гэта калі-небудзь будзе ўцягнута ў будучыню астраноміі. Але ажыццявіць падобную мару не будзе вельмі проста, таму што ёсць некалькі вельмі важных перашкод, якія трэба пераадолець, каб мець тэлескоп без люстэрка і аб'ектыва. Давайце разбярэмся менавіта ў тым, што яны ёсць.

Гэтая карціна Вялікай Туманнасці 1887 года ў Андрамедзе ўпершыню паказала спіральную ўзброенную структуру бліжэйшай вялікай Млечнай Шляху. Справа ў тым, што ён выглядае так бела белым, таму што яго проста ўзялі ў нефільтраванае святло, а не ў чырвоны, зялёны і сіні колеры, а потым дадайце гэтыя колеры разам. Малюнак: Ісаак Робертс.

1.) ПЗС выдатныя пры вымярэнні святла, але яны не сартуюць і не фільтруюць па даўжыні хвалі. Вы ніколі не задумваліся, чаму старыя фотаздымкі, якія вы бачыце на зорках і галактыках, усё аднакаляровыя, хоць самі зоркі і галактыкі маюць пэўныя колеры? Усё таму, што яны не збіралі святло ў некалькіх, асобных фільтрах даўжыні хвалі. Нават сучасныя тэлескопы размяшчаюць фільтр паміж які паступае святлом і ПЗС / камеры, каб адточваць пэўную даўжыню хвалі або набор даўжынь хваль, каб можна было зрабіць некалькі малюнкаў з некалькімі фільтрамі, аднаўляючы малюнак сапраўднага колеру альбо ілжывы колер. канец.

Галактыка Андрамеда (M31), зробленая на наземным тэлескопе з некалькімі фільтрамі і рэканструяваная, каб паказаць каляровы партрэт. Малюнак: Адам Эванс / cc-by-2.0.

Гэта можна пераадолець, стварыўшы поўны набор фільтраў для кожнага асобнага элемента CCD, але гэта будзе грувасткім, дарагім і патрабуе, каб гэтыя фільтры былі размешчаны дзесьці за самімі элементамі CCD, бо вы хочаце захаваць поўную зону збору, дзе люстэрка ці лінзы звычайна ідуць, адкрытыя ў неба. Гэта не з'яўляецца парушальнікам здзелак, але гэта элемент, на які мы зараз не маем рашэння.

ПЗС з вялікай плошчай неверагодна карысныя для збору і выяўлення святла і для максімізацыі кожнага асобнага фатону, які паступае. Але без люстэрка і аб'ектыва, каб папярэдне засяродзіць святло, усенакіраваны характар ​​ПЗС не зможа стварыць значную выяву аб'екта. назіраецца. Крэдыт на малюнак: вялікі плоскамер для Calar Alto (LAICA) / JW Fried.

2.) ПЗС не вымяраюць кірунак ўваходнага святла. Каб стварыць такія значныя выявы, якія яны ствараюць так добра, тэлескопам трэба не толькі вымяраць інтэнсіўнасць і даўжыню хвалі які паступае святла, але і яго кірунак. Лінзы і люстэркі маюць цудоўнае ўласцівасць, што святло, якое паступае ад звышдалёкага крыніцы, перпендыкулярна плоскасці люстэрка, засяроджваецца такім чынам, што ён дасягае вашай камеры / фотапласцінкі / вачэй / CCD, а святло з іншых напрамкаў адлюстроўваецца прэч. Не толькі для ПЗС: калі святло паступае з любога боку, ён рэгіструецца. Калі вы не зможаце дамагчыся ўзгаднення / засяродзіць святло раней часу, вы проста будзеце ўбачыць бліскучае, белае неба паўсюль, таму што ў вас там не будзе інфармацыі аб кірунках.

Прынцыповая схема сонечнага тэлескопа McMath-Pierce, самага доўгага вала тэлескопа / аптычнага тунэля ў свеце. Нават для гэтага неабходна люстэрка ў канцы, каб зрабіць якасную візуалізацыю. Малюнак: NOAO / AURA / NSF.

Можна падумаць, што магчымым рашэннем для гэтага з'яўляецца стварэнне надзвычай доўгай, непразрыстай трубкі, перпендыкулярнай плоскасці вашага матрыцы CCD, але нават у гэтым ёсць праблемы: без аб'ектыва ці люстэрка, святла ад чаго-небудзь у вашым полі. выгляд усё яшчэ можа ўразіць кожны піксель у масіве. Нават самы доўгі тунэльны вал, калі-небудзь пабудаваны для гэтых мэтаў, сонечны тэлескоп McMath-Pierce Solar, па-ранейшаму патрабуе фактычнага люстэрка альбо лінзы, каб сфакусаваць святло. Гэта самая вялікая разборка па выкарыстанні аднаго CCD толькі для вымярэння святла, і самая вялікая прычына, калі вам трэба люстэрка ці аб'ектыў.

На гэтым фотаздымку, зробленым на аб'екце Astrium France ў Тулузе, паказаны поўны набор 106 ПЗС, якія складаюць фокусную плоскасць Гаі. CCDs прыкручаны да структуры падтрымкі CCD (CSS). На гэтым фота CSS (шэрая пласцінка пад ПЗС) важыць каля 20 кг і выраблены з карбіду крэмнію (SiC), матэрыялу, які забяспечвае выдатную цеплавую і механічную стабільнасць. Фокусная плоскасць размяшчае 1 × 0,5 метра. Крэдыт малюнка: Gaia / Astrium ESA.

3.) ПЗС занадта дарагія, каб пакрыць масіў дыяметрам 10 метраў. Самі ПЗС - вельмі дарагі прадмет абсталявання; сучасны 12-мегапіксельны CCD CCD з 12 мегапікселяў, кожны піксель (і мікраленты, якія ахопліваюць яго) усяго 3,1 мікрон, а цяпер прадаецца прыкладна за 3700 долараў. Каб пакрыць плошчу, эквівалентную люстэрку дыяметрам 10 метраў, спатрэбіцца каля 700 000 з іх: кошт набліжаецца да непамерных 3 мільярдаў долараў. Для параўнання, Еўрапейскі надзвычай вялікі тэлескоп (ELT) з дыяметрам 39 метраў першаснага люстэрка мае арыентыровачны кошт усяго аб'екта і абсталявання менш за палову, усяго, у 1083 мільёны еўра.

На гэтым дыяграме паказана новая 5-люстраная аптычная сістэма надзвычай вялікага тэлескопа ESO (ELT). Перш чым дасягнуць навуковых прыбораў, святло спачатку адлюстроўваецца ад гіганцкага ўвагнутага 39-метровага першаснага люстэрка тэлескопа (М1), пасля чаго адскоквае ад дзвюх яшчэ 4-метровых люстэркаў, адно выпуклае (М2) і адно ўвагнутае (М3). Апошнія дзве люстэркі (M4 і M5) ўтвараюць убудаваную адаптыўную аптычную сістэму, якая дазваляе фармаваць надзвычай рэзкія выявы ў канчатковай фокуснай плоскасці. Малюнак: ESO.

Дадатковая колькасць святла, якое вы атрымаеце, выкарыстоўваючы ПЗС без люстэркаў, з'яўляецца мізэрным, бо вы губляеце толькі 5–10% святла за адлюстраванне, але атрымліваеце дадатковыя 1500% (гэта не памылка!), Перайшоўшы з 10 дыяметр метра да тэлескопа дыяметрам 39 метраў. Прасцей кажучы, ёсць лепшыя спосабы марнаваць свае грошы, калі ваша мэта - сабраць больш святла і атрымаць больш высокае дазвол.

На зямлі вялікія масіўныя тэлескопы не ўяўляюць асаблівай праблемы, таму форма люстэрка застаецца ідэальнай для адлюстравання святла. Але ў космасе вашыя выдаткі на запуск вызначаюцца памерам і вагой, таму кожны біт, які вы можаце зэканоміць, мае розніцу. Крэдыт малюнкаў: Абсерваторыі Інстытута Карнегі для навуковай калекцыі пры бібліятэцы Хантынгтана, Сан-Марына, Каліфорнія.

4.) Калі ваша мэта - зэканоміць на вазе, ёсць лепшае рашэнне. Касмічны тэлескоп "Хабл" быў неверагоднай задачай для запуску і разгортвання не проста з-за сваіх памераў, але і з-за яго вагі. Цяжар асноўнага люстэрка быў адной з самых вялікіх перашкод перад місіяй. У адрозненне ад гэтага, у Джэймса Уэбба будзе больш чым у сем разоў плошча збору святла Хабла, але ён будзе важыць амаль удвая менш, чым яго значна меншы папярэднік. Сакрэт? Кіньце люстэрка, сфармуйце яго, адшліфуйце яго, а потым прасвідруйце матэрыял на спінцы.

Ўстаноўка 18-га і апошняга сегмента першаснага люстэрка JWST. Чорныя вокладкі абараняюць люстэркі з пазалочаным пакрыццём, а з задняй часткі люстэркаў ужо выдалена 92% іх арыгінальнага матэрыялу. Малюнак: НАСА / Крыс Ган.

Калі вы знаходзіцеся ў космасе і вам не трэба змагацца з гравітацыяй, вам не трэба амаль столькі структуры, каб падтрымліваць тэлескоп. Пасля таго, як кожны з 18 сегментаў быў выраблены для Джэймса Уэбба, ззаду было 92% ад першапачатковай масы, пракручанай з яго, захоўваючы форму пярэдняга люстэрка, пры гэтым значна эканоміць на вазе.

Інтэр'ер і галоўнае люстэрка GTC - найбуйнейшага адзінага аптычнага тэлескопа на сёння. Малюнак: Мігель Брыганці (SMM / IAC).

Ёсць шмат прычын, па якіх вы можаце пабудаваць тэлескоп без аб'ектыва ці люстэрка, бо аптымізацыя вагі, кошту, матэрыялаў, магутнасці збору святла, якасці малюнка і дазволу заўсёды патрабуе кампрамісу. Але той факт, што CCD-машыны самастойна не могуць вымераць кірунак паступаючага святла, з'яўляецца цяжкім парушальнікам для люстранага тэлескопа. Хоць любая люстраная паверхня, якую вы адлюстроўваеце, запатрабуе некаторай страты сігналу, люстэркі па-ранейшаму з'яўляюцца лепшым спосабам атрымаць высокі разрозненне, некранутае якаснае прастору з вялікай калекцыяй і (адносна) недарагі погляд на Сусвет. Калі выдаткі на ПЗС знізяцца, калі масіў, які маецца як люстэрка тэлескопа, можа быць пабудаваны і калі напрамак уваходных фатонаў можна вымераць і ў рэжыме рэальнага часу, мы проста можам пагаварыць. Але цяпер навука оптыкі не можа замяніць. Больш за 300 гадоў пасля таго, як ён упершыню апублікаваў свой неверагодны трактат аб навуцы пра святло, правілы Ньютана па-ранейшаму не пераможаныя, калі гаворка ідзе пра адзінкавыя тэлескопы!

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі: Beyond The Galaxy, іTreknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.