ОПТИ́ЧЕСКАЯ АСТРОНО́МИЯ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ОПТИ́ЧЕСКАЯ АСТРОНО́МИЯ, раздел астрономии, изучающий космич. объекты путём анализа их оптич. излучения. До сер. 20 в. понятия «астрономия» и «О. а.» были синонимами, поскольку иных способов астрономич. наблюдений, кроме оптического, не существовало. Во 2-й пол. 20 в. значит. развитие получили радиоастрономия, инфракрасная астрономия, ультрафиолетовая астрономия, рентгеновская астрономия, гамма-астрономия, а также астрофизика космических лучей. В результате О. а. выделилась в самостоят. раздел.
История развития
В течение почти всей истории астрономии, вплоть до 19 в., единственным приёмником света служил человеческий глаз и информация о Вселенной поступала только в видимом диапазоне излучения [с длиной волны λ = (3,9–7,6)·10–7 м]. До нач. 17 в. наблюдения небесных светил велись только невооружённым глазом. Глаз человека является уникальным оптич. прибором: колоссальный динамич. диапазон нашего зрения позволяет наблюдать как яркое Солнце, так и тусклые звёзды, яркость которых во много миллиардов раз меньше яркости Солнца.
В глубокой древности на ночном небе были выделены характерные звёздные конфигурации – астеризмы, что облегчило задачу наблюдений за движением звёзд. К первым значимым достижениям О. а. можно отнести создание системы летосчисления (см. Календарь) по результатам наблюдений за движением Солнца, Луны, планет и ярких звёзд. В качестве измерит. приборов древние астрономы использовали простейшие устройства: гномон, армиллярную сферу, квадрант и др. После изобретения телескопа (1609), разрешающая способность и проницающая сила которого существенно выше, чем у глаза, астрономия ещё в течение двух веков оставалась оптической.
В 1800 У. Гершель (см. в ст. Гершель), измеряя термометром интенсивность света в солнечном спектре, открыл за красной границей видимой части спектра ИК-излучение, наиболее коротковолновая часть которого [λ = (8–250)·10–7 м] проходит сквозь атмосферу Земли. Вскоре после этого открытия нем. физик И. Риттер начал поиски излучения в противоположном конце видимого диапазона. В 1801 он обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, ещё быстрее разлагается (темнеет) под действием невидимого излучения, лежащего за пределами фиолетовой области спектра. Так было открыто УФ-излучение Солнца, частично проходящее сквозь земную атмосферу. В результате этих открытий было установлено, что с поверхности Земли Вселенную можно наблюдать не только в видимом свете.
Понятие «оптическое излучение» в астрономии включает в себя ту часть спектра электромагнитного излучения, которая проникает сквозь атмосферу Земли: видимое излучение, а также ближние ИК- и УФ-диапазоны спектра (т. н. оптич. окно прозрачности атмосферы).
Окна прозрачности атмосферы
В атмосфере Земли выделяют всего два окна прозрачности (два диапазона в спектре электромагнитных волн, в которых земная атмосфера полностью или частично прозрачна): т. н. оптич. окно и радиоокно. Радиоокно лежит в диапазоне λ = 1 мм – 30 м (более длинные волны отражаются ионосферой, а более короткие волны поглощаются молекулами воздуха). Границы оптич. окна прозрачности атмосферы определены не совсем чётко, т. к. зависят от свойств воздуха (прежде всего от влажности), а также от высоты наблюдателя над уровнем моря. Оптич. окно почти беспрепятственно пропускает излучение в интервале λ = (2,95–7,6)·10–7 м. Более короткие волны поглощаются атомами и молекулами кислорода, азота и др. газов, а также водородом и гелием в экзосфере Земли. Кроме того, существует неск. узких, частично прозрачных окон в ИК-области спектра, которые в астрофотометрии принято обозначать как J (λ ≈ 1,25·10–6 м), H (λ ≈ 1,6·10–6 м), K (λ ≈ 2,2·10–6 м), L (λ ≈ 3,6·10–6 м), M (λ ≈ 5,0·10–6 м), N (λ ≈ 10,2·10–6 м) и Q (λ ≈ 21·10–6 м). Существуют также два очень узких окна вблизи длин волн λ = 3,5·10–4 м и λ = 4,6·10–4 м.
Расположение обсерваторий
Существенную роль в О. а. играет выбор места для проведения оптич. наблюдений, т. к. оно должно отвечать нескольким противоречивым требованиям. Место для установки оптич. телескопа должно находиться вдали от крупных городов с их ярким ночным освещением. Воздух над телескопом должен быть сухим (особенно для наблюдений в ИК-диапазоне, т. к. пары́ воды служат одним из осн. поглотителей ИК-излучения) и стабильным, поскольку турбулентность воздуха приводит к дрожанию и размытию изображений. Поэтому оптич. обсерватории стремятся располагать как можно выше над уровнем моря, чтобы уменьшить влияние атмосферы. В то же время наблюдателям трудно работать на большой высоте из-за недостатка кислорода, для доставки массивных узлов телескопа на горную обсерваторию необходима хорошая дорога, а для работы обсерватории – энергоснабжение, вода, линии связи и др. элементы цивилизации, требующие в высокогорных условиях значит. финансовых затрат. Поэтому выбор места для оптич. обсерватории всегда является компромиссом, учитывающим эти противоречивые требования.
Приборная база оптической астрономии
Астрономич. приборы, применяемые для наблюдений во всём оптич. диапазоне, однотипны (иногда одни и те же приборы используются для всего диапазона) и принципиально отличаются от приборов, с помощью которых ведётся наблюдение в др. диапазонах спектра (рентгеновском, радио- и гамма-диапазонах). Осн. приборами, используемыми в О. а., являются оптические телескопы, спектрографы, приёмники излучения (ПЗС-камеры, фотоэлектронные умножители и др.).
Важнейшими характеристиками оптич. телескопов служат проницающая сила и разрешающая способность. До изобретения телескопа эти параметры совпадали с характеристиками зрения человека: проницающая сила ограничивалась 6-й звёздной величиной (6m), разрешающая способность составляла ок. 100ʺ. По мере создания и совершенствования телескопов наблюдению становились доступны всё более слабые звёзды (благодаря увеличению диаметра объектива и улучшению его оптич. характеристик). Так, к кон. 18 в. стали доступны наблюдению звёзды 14m, к сер. 19 в. – звёзды 15m. Изобретение фотографии и совершенствование фотоэмульсий позволило регистрировать к сер. 20 в. звёзды до 21m. Разрешающая способность приборов в кон. 17 в. достигала 5ʺ. Улучшение этого показателя происходило очень медленно и лишь за счёт выбора новых мест для наблюдения (гл. препятствием было не качество телескопов, а свойства атмосферы). С появлением в нач. 20 в. горных обсерваторий разрешающая способность достигла 2ʺ, а позднее, в особых высокогорных условиях (обсерватории на Гавайских о-вах, в Чилийских Андах), – 0,4ʺ. Для наземных обсерваторий такую разрешающую способность считают предельно возможной.
Современное состояние
Большинство проблем О. а., связанных с атмосферными помехами, можно решить, установив телескоп на КА. Преимущества внеатмосферной астрономии ярко продемонстрировали космич. телескоп «Хаббл» (НАСА, 1990) и астрометрич. спутник «Гиппаркос» (Европ. космич. агентство, 1989). Телескоп «Хаббл» с зеркалом диаметром 2,4 м имеет проницающую силу ок. 29m и разрешающую способность ок. 0,05ʺ. В наземных условиях такая проницающая сила может быть достигнута только при значительно бóльших диаметрах зеркал, а такая разрешающая способность – только в редких случаях и лишь при спец. видах наблюдений.
Телескоп КА «Гиппаркос» имел зеркало диаметром всего 29 см и фокусным расстоянием 1,4 м. Его задачей было определение положений, движений и параллаксов ярких звёзд. За 3,5 года работы спутника выполнено неск. миллионов наблюдений, определены параллаксы ок. 118 тыс. звёзд до 10m с точностью 0,001″ и 400 тыс. звёзд с точностью 0,003ʺ. В истории астрономии такая высокая точность измерений была достигнута впервые.
Возможности наземной О. а. также быстро возрастают. Методы адаптивной оптики позволили в значит. степени нейтрализовать атмосферное дрожание и размытие изображений, доведя разрешающую способность больших телескопов до 0,03ʺ. Это, в свою очередь, открыло дорогу методам интерферометрии, позволяющим объединять стоящие рядом (на расстояниях 100–300 м) телескопы в единую систему с разрешающей способностью ок. 0,003ʺ (на нач. 21 в. эти рекордные показатели получены лишь в очень малых полях зрения).
Несмотря на то, что во 2-й пол. 20 в. астрономия стала всеволновой, большинство самых впечатляющих открытий последних десятилетий сделано в области О. а. Это открытие экзопланет, сверхмассивных чёрных дыр, ускоренного расширения Вселенной и т. д. В нач. 21 в. О. а. активно развивается и по-прежнему занимает лидирующее положение среди др. астрономич. направлений, оставаясь самым информативным каналом исследования Вселенной.