• Funcția unui telescop
• Sensibilitate
• Rezoluție
• Dificultăți
• Informații suplimentare
• Întrebări

Punct de programă relevant:

• definiți termenii de “rezoluție” și “sensibilitate” ai telescoapelor

Funcția telescopului

Ce face un telescop? Contrar opiniei populare, acesta nu “mărește” lumina. În schimb, o combinație de telescop și instrument este în general folosită pentru a aduna lumina pentru una dintre cele două funcții:

1. Imagistică, în care imaginile obiectelor cerești sunt clar rezolvate, necesitând o optică ce produce o imagine clară, sau
2. Fotometrie, în care radiația primită este măsurată fie pentru luminozitate, fie împărțită pentru a obține un spectru.

În zilele noastre, astronomii folosesc telescoape concepute fiecare pentru o parte diferită a spectrului electromagnetic. Unele telescoape sunt specializate doar pentru una dintre funcțiile de mai sus, dar majoritatea sunt folosite pentru ambele. Pentru a îndeplini aceste funcții, un telescop trebuie să aibă o sensibilitate ridicată și o rezoluție ridicată.

Sensibilitate

Sensibilitatea este o măsură a semnalului minim pe care un telescop îl poate distinge deasupra zgomotului de fond aleator. Toate celelalte lucruri fiind egale, un telescop cu o oglindă sau o lentilă primară mai mare este mai sensibil decât unul cu un primar mai mic.

Cu cât un telescop este mai sensibil, cu atât mai multă lumină poate aduna de la obiectele slabe. Cu cât mai multă lumină colectată, cu atât mai slab este obiectul (sau mai îndepărtat pentru o anumită clasă de obiecte) care poate fi studiat fotometric sau imagistic.

Dimensiunea unei oglinzi primare sau a unei lentile este în mod normal exprimată în termeni de diametru. O expresie simplă folosită adesea de astronomi este aceea de găleată de lumină. Cu cât găleata este mai mare, cu atât mai multă lumină poate fi turnată în ea.

Imaginile de mai jos reprezintă imagini din aceeași regiune a cerului. Imaginea din stânga simulează imaginea de la un telescop cu o sensibilitate mai mică decât cea din dreapta.

Imaginea din dreapta de la telescopul mai sensibil dezvăluie mai multe stele și galaxii din ce în ce mai slabe. Imaginea din dreapta are o magnitudine limită mai slabă.

Rezoluție

Ați încercat vreodată să distingeți fața unui prieten dintr-o mulțime? Pe măsură ce vă apropiați de o mulțime, puteți distinge suficiente detalii astfel încât să știți că sunt oameni și nu mașini. Apropiindu-vă mai mult, este posibil să puteți distinge trăsături precum culoarea unei jachete sau a părului sau înălțimea diferită a indivizilor. La ce distanță puteți vedea clar trăsăturile feței unei persoane? Ce s-ar întâmpla dacă ați continua să vă apropiați. S-ar putea să puteți vedea dacă persoana respectivă s-a bărbierit în acea dimineață. În cele din urmă ați putea vedea porii individuali ai pielii – un gând înfricoșător. Observând pe cineva de la o distanță mai mică, ați reușit să rezolvați mai multe detalii, adică să îl vedeți mai clar.

Astronomii, din păcate, nu sunt capabili să se apropie de stelele și galaxiile de dincolo de sistemul nostru solar. Așadar, cum pot ei să vadă mai clar aceste obiecte îndepărtate? Aceasta este una dintre funcțiile cheie ale unui telescop – să rezolve obiectele cerești. Cu cât rezoluția unui telescop este mai mare, cu atât mai multe detalii putem vedea din imaginile obținute pe acesta. Din punct de vedere tehnic, ne referim aici la rezoluția spațială sau unghiulară a unui telescop.

Cele trei imagini de mai jos simulează efectul unei rezoluții diferite pentru galaxia NGC 3521. Imaginea din stânga are o rezoluție scăzută, imaginea din mijloc o rezoluție mai bună și imaginea din dreapta o rezoluție înaltă, astfel încât detaliile pot fi văzute clar.

Capacitatea unui telescop de a distinge între, adică de a rezolva, obiecte apropiate. Pentru deschiderile circulare, cum ar fi în telescoape, în cazul în care razele de lumină de la o sursă sunt paralele, așa cum este cazul surselor punctuale de lumină îndepărtate, cum ar fi stelele, lumina va fi difractată astfel încât să formeze un disc Airy. Modelul circular de difracție format conține 84% din lumină în pata luminoasă centrală, cu procente din ce în ce mai mici în inelele luminoase din jur. Primul inel de difracție ar trebui să conțină mai puțin de 2% din lumina din discul Airy central.

Dimensiunea discului Airy este cea care impune o limită în ceea ce privește rezoluția. Se spune că două obiecte sunt rezolvate dacă discurile lor Airy sunt suficient de separate pentru a fi văzute ca fiind distincte. Rayleigh a propus criteriul conform căruia două obiecte punctiforme sunt doar rezolvate dacă separarea lor unghiulară este astfel încât maximul central de la o sursă punctiformă se află pe primul minim al celeilalte, așa cum se arată în imaginea de mai jos:

Puterea teoretică de rezolvare a unui telescop poate fi determinată prin expresia: :

unde θ = separarea unghiulară (în radiani), λ = lungimea de undă a luminii colectate și D = diametrul oglinzii primare sau al lentilei. D și λ trebuie să fie ambele în aceeași unitate și acest lucru se aplică numai în cazul în care dimensiunea primarului, D este >> λ. Imaginea de mai jos arată

O versiune mai practică a acestei ecuații exprimă valoarea teoretică a rezoluției în unități de secunde de arc. Aceasta este dată de ecuația 2:

Rețineți că această ecuație nu este specificată în programa de fizică a Board of Studies Physics sau în fișa de formule, dar înțelegerea ei vă va ajuta să discutați conceptul de rezoluție pentru telescoape.

Atunci ce înseamnă?

În primul rând, rezoluția este invers proporțională cu dimensiunea oglinzii primare. Cu cât diametrul oglinzii este mai mare, cu atât valoarea lui θ, rezoluția teoretică, este mai mică. Prin urmare, un telescop mare poate, teoretic, să rezolve mai multe detalii decât un telescop mic la o anumită lungime de undă.

Cum se compară un telescop de 8 m cu ochiul uman în ceea ce privește rezolvarea detaliilor? Dacă presupunem că o pupilă complet dilatată are un diametru de 7mm, (adică 7 x 10-3m) și observăm în lumină galbenă la o lungime de undă de 550nm (5,50 x 10-7m) atunci:

Rezoluția teoretică pentru un ochi uman este dată de = 2,1×105 x 5,50×10-7 / 7×10-3 = 16,5 secunde de arc.

Pentru un telescop de 8m: = 2,1×105 x 5,50×10-7 / 8 = 0,014 secunde de arc.

Al doilea punct este că lungimea de undă la care un astronom dorește să observe determină și detaliile care pot fi observate, deoarece rezoluția este proporțională cu lungimea de undă, θ ∝ λ. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât rezoluția teoretică este mai mică pentru un telescop de dimensiuni date. Prin urmare, un telescop optic precum Gemini, care poate observa și în benzile de undă din infraroșu apropiat, ar trebui să obțină teoretic o rezoluție mai mică observând un obiect în infraroșu decât la lumina vizibilă cu lungime de undă mai mică. Cu toate acestea, după cum vom vedea mai jos, intervin și alți factori care reduc rezoluția reală obținută de telescoape.

Dificultăți

Dacă un dispozitiv optic, cum ar fi un ochi sau un telescop, își atinge rezoluția teoretică în funcționare, se spune că este limitat de difracție. În practică, acest lucru nu este întotdeauna realizat. Ochiul uman, de exemplu, are imperfecțiuni pe cornee care, în mod normal, îi degradează rezoluția la aproximativ 1 minut de arc, în comparație cu cele 16,5 secunde de arc sau aproximativ 0,3 minute de arc pe care le determină ecuația 2 de mai sus. Oglinzile moderne ale telescoapelor optice se apropie, în general, de limitele lor teoretice de netezime, astfel încât nu ar trebui să sufere de această problemă.

În mod tradițional, oglinzile mari erau făcute foarte groase pentru a evita problema flexiei care ar fi distorsionat orice imagine. Sticla este foarte grea, necesitând suporturi și acționări grele pentru a susține telescopul, și, de asemenea, reține destul de bine căldura. Aceasta este o problemă, deoarece este nevoie de mult timp pentru a se răci pe timp de noapte. Căldura oglinzii poate încălzi aerul de deasupra ei, provocând celule de convecție turbulente care diminuează vizibilitatea telescopului.

Fotometria în mod tradițional nu a necesitat nivelul de rezoluție necesar pentru o imagistică eficientă, dar spectroscoapele moderne cu mai multe fibre, cum ar fi 2dF de pe Anglo-Australian Telescope, sunt eficiente doar dacă numeroase obiecte dintr-un câmp dens (cum ar fi un roi stelar sau un roi de galaxii adânci) pot fi rezolvate individual.

Informații suplimentare

Cosmic Reference Guides – Sensitivity este o pagină clară, scurtă, cu imagini, care face parte din site-ul Cool Cosmos al NASA.

Cosmic Reference Guides – Spatial Reolution este o altă pagină care face parte din site. Are o explicație clară și imagini de comparație utile.

Resolution Pagina de pe site-ul de microscopie al lui S. Karl oferă o explicație concisă și tehnică a rezoluției. Discută lentilele în microscopie.

Scopul unui telescop este o pagină simplă și scurtă dintr-un set de note de curs de la Universitatea Cornell. Prezintă modelul “găleții de lumină” și oferă legături către alte pagini.

The Resolution of a Telescope – Dawes, Rayleigh and Sparrow este un site al unui producător de optică pentru telescoape de calitate pentru amatori. Este rezonabil de tehnic și clar scris, cu câteva diagrame utile.

Ce este rezoluția este o pagină scurtă cu o serie de imagini care compară rezoluția ca discuri Airy și ca imagini astronomice.

Întrebări

1. Care este relația dintre diametrul oglinzii primare a unui telescop și sensibilitatea acestuia?

2. Să presupunem că ochiul uman are un diametru al pupilei de 7 mm, de câte ori mai sensibil este a) un telescop de 10 cm, b) un telescop Gemini de 8,1 m?

3. Care este rezoluția teoretică în banda de undă de 21 cm pentru radiotelescoapele: a) Mopra de 22 m, b) Parkes de 64 m și c) Arecibo de 303 m?
4. Completați tabelul de mai jos:
   

   .

   .

   Telescop	Diametrul oglinzii primare (m)	Rezoluția teoretică la 550nm (secunde de arc)	Sensibilitate în comparație cu un reflector amator de 20cm
   Reflector newtonian amator	0.20		1
   HST	2.3
   AAT	3.9
   Gemini	8.1
   planificat Overwhelmingly Large Telescope (OWL)	100

5. De ce HST atinge o rezoluție mai mare în utilizarea reală decât AAT-ul mai mare?