Сикорук Л Л
Телескопы для любителей астрономии
Л.Л.Сикорук
Телескопы для любителей астрономии
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга предназначена для любителей астрономии, решивших построить себе достаточно мощный телескоп. Может быть, с точки зрения начинающих любителей телескопостроения, она несколько перегружена подробностями. Это происходит от того, что автор стремился предусмотреть различные неожиданности, подстерегающие любителя на пути изготовления телескопа. С другой стороны, зная, как эти подробности отпугивают начинающих, еще плохо ориентирующихся в технологии изготовления оптических деталей, автор сознательно избегал описания огромного разнообразия методов шлифовки, полировки и испытаний астрономической оптики, разработанных в последнее время и приспособленных к условиям любителей. Вместо этого он пытался отобрать лишь то, что совершенно явно доступно любителю. При этом автор стремился не повторять прекрасную, но, увы, постепенно стареющую книгу М. С. Навашина "'Tелеcкоп астронома-любителя". Читатель, который найдет технологию, описанную в настоящей книге, неприемлемой для себя, сможет обратиться к книге М. С. Навашина, которая в последние годы переиздавалась несколько раз.
Постараться обойтись минимумом математики - это вторая задача автора. Мы построим сравнительно простой телескоп и поэтому математики и вообще теории телескопа будет ровно столько, сколько нужно для того, чтобы действовать осознанно, и только. Автор полагает, что теория телескопа должна быть изложена и понята "на пальцах", и поэтому в книге описывается много опытов и приводятся рисунки, которые поясняют действие телескопа и его отдельных узлов.
Все, о чем рассказывается в книге, многократно проверено не только самим автором, но и школьниками и взрослыми -- членами Новосибирского клуба любительского телескопостроения им. Д, Д. Максутова. Чаще же всего описаны методы, применяемые уже на протяжении десятилетий, но по различным причинам не включенные в книгу М. С. Навашина и в многочисленные руководства, рассеянные по периодическим изданиям.
Первые две части книги посвящены изготовлению оптических и механических деталей телескопа, третья часть--постройке некоторых специальных телескопов и инструментов, которые могут значительно расширить, наблюдательные возможности любителя и стать прекрасной базой для обсерватории коллектива любителей.
Автор выражает глубокую благодарность канд. физ.-мат. наук Н. Н. Михельсону, старшему научному сотруднику А. С. Фомину, канд. физ.-мат. наук Г. С. Хромову, а также М. М. Шемякину и Г. С. Шуваеву за ряд ценных замечаний и предложений, сделанных при прочтении рукописи книги.
Л. Л. Сикорук
ВВЕДЕНИЕ
Когда Галилео Галилей приступил к постройке своего первого телескопа, едва ли он отдавал себе отчет в том, что, еще не сделав своих великих астрономических открытий, он уже открыл эру любительского телескопостроения. Не зная тщательно охраняемых профессиональных секретов изготовления зрительных труб, незадолго до этого изобретенных в Голландии, Галилей со свойственным ему энтузиазмом и энергией
Галилео Галилей (1564--1642) с одним из своих телескопов.
взялся за решение этой задачи. (Позже любители не раз будут решать задачи, перед которыми профессионалы останавливались в раздумье.) Таким образом, эра любительского телескопостроения начинает отсчет с конца 1609 г.
Еще одно важное событие в истории любительского телескопостроения произошло в 1668 г, когда физик-теоретик по профессии, Президент Лондонского Королевского общества по должности, сэр Исаак Ньютон собственноручно построил зеркальный телескоп. Если оптическую схему своего телескопа он предложил, как мы теперь сказали бы, в рамках своих обязанностей, то в остальном Ньютон был безусловно любителем. Он не только удовлетворил свое собственное любопытство, но, что гораздо важнее, подарил любителям всего мира самый популярный у них теперь телескоп. Это обстоятельство роднит его с лучшими представителями любительского телескопостроения всех времен.
Нас поражает беспримерный подвиг музыканта Уильяма Гершеля, отшлифовавшего за свою долгую жизнь больше ста зеркал и придумавшего новый
тип телескопа, увы, не подозревая о том, что этот телескоп уже был предложен сначала Н. Цукки, а не сколько позже М. Ломоносовым. Пивовар У. Лассель лорд Росс, полярный исследователь и художник Р. Портер, художник и журналист А. А. Чикин, инженер Л. Коумон н многие другие, будучи любителями, достигли таких вершин, что стали каждый для своего времени ведущими специалистами.
Следуя этим примерам, читатель может смело приступать к делу, не сомневаясь в благополучном исходе. Надо только сказать, что прежде чем заняться изготовлением телескопа, необходимо прочитать раздел "Немного о технике безопасности" в Приложениях.
* ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПТИКИ ТЕЛЕСКОПА *
1. ЧТО МЫ БУДЕМ СТРОИТЬ?
Рис. 1. Телескоп системы Ньютона. 1 -- главное зеркало, 2 -- диагональное зеркало, 3 -- окуляр. f' -- главный фокус зеркала, f1 -- "ньютоновский" фокус телескопа, совпадающий с передним фокусом окуляра.
Нам предстоит построить зеркальный телескоп, или телескоп-рефлектор системы Ньютона. На рис. 1 приведена оптическая схема этого телескопа. Параллельный пучок света от звезды падает на вогнутое главное зеркало телескопа 1. Отразившись от него, пучок света становится сходящимся и собирается в точке f/, которая называется фокусом зеркала. Здесь образуется изображение звезды. Пучки света от других звезд собираются каждый в своем фокусе, и эти изображения располагаются на фокальной поверхности.
Для удобства наблюдений недалеко от фокальной поверхности установлено плоское вспомогательное зеркало 2, которое отклоняет пучок света в сторону, где помещают окуляр 3, в который рассматривают изображение.
Почему мы будем строить зеркальный телескоп, а не линзовый? Во-первых, потому, что зеркало дает изображения лучшего качества, чем линзовый объектив. Во-вторых, для того чтобы построить линзовый объектив, надо отшлифовать, четыре поверхности двух линз из двух строго определенных сортов стекла, тогда как для изготовления зеркала достаточно отшлифовать одну поверхность. В-третьих, для линз требуется стекло повышенной оптической однородности, а для зеркала оно может быть и с пузырьками и свилями и некоторыми другими дефектами, совершенно недопустимыми в случае линзы. В-четвертых, для контроля формы поверхности зеркала есть простой и надежный способ, позволяющий видеть ошибки поверхности около 0,01 мкм, а для линз такого способа нет. Итак, зеркало проще в изготовлении, оно дешевле и дает лучшие результаты, что же еще надо!
2. КАК МЫ БУДЕМ ДЕЙСТВОВАТЬ?
Прежде всего, изготовим вогнутое зеркало, которое выполняет роль объектива телескопа. Для того чтобы придать зеркалу необходимую кривизну, мы воспользуемся шлифовальником в виде металлического кольца, отрезанного от куска толстостенной водопроводной трубы. Кроме того, потребуется грубый наждачный порошок, которым будет вестись обдирка -- придание заготовке нужной формы. Двигая с давлением шлифовальник по стеклянной заготовке, на которую насыпан
Мокрый порошок, мы одновременно поворачиваем столик, на котором укреплена заготовка зеркала. Это нужно для того, чтобы шлифовка шла по всем направлениям равномерно. Через час-полтора мы достигнем того, что на зеркале появится нужное нам углубление, и теперь наша задача -- убрать грубые неровности, оставшиеся на зеркале после обдирки. Эту операцию мы выполним с помощью пластмассового шлифовальника и тонкого микропорошка.
Переходя постепенно от относительно грубых микропорошков ко все более тонким, мы подготовим зеркало к полировке.
Полировку ведут с помощью тончайшего порошка-- крокуса или, лучше, полирита. Теперь шлифовальник должен быть покрыт слоем полировочной смолы, которая состоит из обычного битума с почти равным количеством канифоли. Полировочная смола относительно текуча, и это поможет воздействовать на форму полировальника так, что сравнительно грубая поверхность в начале полировки к концу этого процесса станет совершенно точной сферой.
Рис. 2. Простейший теневой прибор, которым можно пользоваться на первых порах. (Кадр из фильма "Телескопы".)
Для того чтобы испытывать форму зеркала, нам придется построить несложное устройство -- теневой прибор (рис. 2), этот прибор в простейшем виде состоит из батарейки для карманного фонаря, лампочки и лезвия бритвы, но позволяет видеть ошибки на поверхности зеркала в 0,05 мкм, чаще же удается получить зеркало с еще большей точностью, хотя качество изображения наблюдаемых объектов от этого уже и не улучшится. Дело в том, что существует определенный предел точности, после которого изображение остается одинаково совершенным. Этот предел равен для зеркала 1/8 длины волны света. Для средней части солнечного спектра, к которой более всего чувствителен человеческий глаз, длина волны равна 0,00056 мм или 0,56 мкм. 1/8 часть этой величины составит 0,07 мкм, Если ошибки ("ямы", "бугры") на поверхности зеркала превышают эту величину, они портят изображение, если не превышают, изображение становится идеальным, и дальнейшее совершенствование зеркала не улучшит качества изображения. Мы добьемся того, чтобы наше зеркало стало идеальным.
Рис. 3. Телескоп системы Ньютона на "чикинской доске". Бленда, надеваемая на верхний, окулярный конец телескопа, стоит на полу.
Телескоп системы Ньютона (рис. 3), который предстоит нам построить, кроме главного вогнутого зеркала, имеет дополнительное вспомогательное зеркало (2 на рис. 1) или призму. Если мы не сможем найти подходящее оптически точное зеркало или призму, то это зеркало придется также изготовить самим. Это не сложнее, чем изготовить главное зеркало. В том случае, если не удастся подобрать готовый окуляр, а лучше несколько окуляров различной силы, придется сделать и несколько мелких линз.
Все дальнейшее -- токарные, слесарные работы, работа с папье-маше и т. п.-- не вызовет принципиальных трудностей.
3. КАК РАБОТАЕТ ТЕЛЕСКОП?
Возьмем положительную (увеличивающую) линзу и попытаемся с ее помощью получить изображение большого светлого предмета, например окна днем. Для этого будем приближать или удалять линзу от противоположной стены, пока на ней не появится резкое перевернутое "вверх ногами" изображение окна. Возьмем вторую линзу с другим увеличением и, построив с ее помощью изображение того же окна, обратим внимание на то, что, во-первых, расстояние между линзами и стеной различно. Во-вторых, та линза, которая расположена дальше от стены, дает изображение большего размера.
Расстояние от линзы до стены, когда на ней видно резкое изображение достаточно удаленного предмета (для этого лучше всего использовать Солнце), называется фокусным расстоянием линзы. Мы теперь знаем,
Рис. 4. Схема телескопа-рефрактора.
1 -- объектив, 2 -- окуляр, 3 -- матовое стекло, которое в реальных телескопах отсутствует.
что для того, чтобы изображение предмета, построенного линзой, было большим, надо взять линзу с большим фокусным расстоянием (длиннофокусную).
Теперь возьмем короткофокусную линзу. Определим ее фокусное расстояние и попробуем рассматривать в нее какие-нибудь предметы, расположив саму линзу как можно ближе к глазу. Если у нас есть несколько короткофокусных линз, то мы обратим внимание на то, что большее увеличение дает та, у которой фокусное расстояние меньше.
Спроецируем с помощью длиннофокусной линзы изображение объекта на кусочек матового стекла или кальки и добьемся резкости. Теперь с противоположной от линзы стороны станем рассматривать изображение на кальке с помощью сильной, короткофокусной линзы (рис. 4). Мы увидим увеличенное изображение, которому будут мешать крапинки на кальке или стекле. Уберем кусок кальки, не меняя расстояние между линзами. Мы ясно увидим наш предмет. Его изображение теперь располагается не на кальке, а в воздухе, и мы его рассматриваем с помощью второй короткофокусной линзы, которая выполняет роль лупы. Первая длиннофокусная линза -- это объектив телескопа, вторая линза, лупа, называется окуляром.
В качестве объектива можно воспользоваться очковым стеклом в +1 -- +2 диоптрии, насадочной линзой к фотоаппарату или, если повезет, объективом от старой подзорной трубы, теодолита и т. п. В качестве окуляра можно использовать лупу, объектив от фотоаппарата, объектив от микроскопа, окуляр от микроскопа или зрительной трубы.
4. КАК ТОЧНО ОПРЕДЕЛИТЬ ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ ОБЪЕКТИВА И ОКУЛЯРА?
Если мы используем очковое стекло или насадочную линзу к фотоаппарату, можно легко перевести оптическую силу, выражаемую в диоптриях, в фокусное расстояние линзы. Для этого надо 1000 мм разделить на оптическую силу в диоптриях. Например, оптическая сила линзы равна +2 диоптриям. Делим 1000 на 2, получаем 500 мм. Это и есть фокусное расстояние линзы.
В тех случаях, когда оптическая сила линзы неизвестна, ее фокусное расстояние определим, измеряя расстояние от линзы до изображения предмета на бумаге. Отметим еще раз, что фокусное расстояние длиннофокусной линзы можно определить только по очень удаленным предметам.
Если в качестве окуляра применена одиночная линза, ее фокусное расстояние мы определим подобно тому, как определяли его у объектива. Чаще, однако, приходится использовать сложную систему линз: фотообъектив, окуляр микроскопа и т. п., у которых фокусное расстояние отмеряется от так называемых главных плоскостей (рис. 5), положение которых мы не знаем. Воспользуемся тем, что фокусное расстояние линзы или системы линз пропорционально масштабу изображения, даваемому линзой. Станем с окуляров у стены против окна. Изображение окна, построенное окуляром, спроецируем на миллиметровку или на лист из тетради в клеточку. Хорошо сфокусируем изображение и заметим ширину b изображения окна на миллиметровке. Теперь измерим ширину В настоящего окна и расстояние до окна от окуляра (рис.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27