Проект "Телескопы будущего"

Департамент образования Администрации г.Сарова

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Школа №16»

ПРОЕКТ

Тема: «Телескопы будущего»

Выполнила ученица 9А класса

Маркина Алина.

Руководитель проекта

Карелина Татьяна Алексеевна.

г. Саров.

2019 г

Содержание

Введение

Глава 1.

1. История телескопа

2. Изобретение телескопа Галилеес

3. Телескоп и его назначение

Глава 2.

2.1. Джеймс Уэбб

Заключение

Список используемой литературы

Введение

История Земли, как и других планет Солнечной системы, насчитывает около пяти с половиной миллиардов лет. У наших предков давно появились некоторые догадки о планетах и звездах, ведь человечество постоянно задавалось вопросом о том, что находится у него над головой. Правда, ответы на них не всегда оказывались обоснованными и поддающимися проверке. Представления древних о планете поражают разнообразием. Они считали, что Земля - большая, маленькая, шарообразная и плоская как блин, и даже цилиндрическая! Более того, по одной из версий наша планета то ли покоилась на панцире огромной черепахи, то ли плавала в океане... В астрономии произошла настоящая революция, когда на помощь глазу пришел телескоп. Я решила подробно рассмотреть

Задачи:

1. Изучить историю телескопа;

2. Узнать о новых проектах по разработке телескопов;

3. Провести опрос в 11 классе.

Гипотеза. Космический телескоп Хаббл - самая мощная автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, позволяющая человечеству заглянуть в неизведанные просторы Вселенной.

Цель работы – доказать или опровергнуть гипотезу.

Глава 1.

1. История телескопа

Первый телескоп был построен в 1609 году итальянским астрономом Галилео Галилеем. Телескоп имел скромные размеры, несовершенную оптическую схему и 30-кратное увеличение. Он позволил сделать целую серию замечательных открытий (фазы Венеры, горы на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути).
Очень плохое качество изображения в первых телескопах заставило оптиков искать пути решения этой проблемы. Оказалось, что увеличение фокусного расстояния объектива значительно улучшает качество изображения.
В настоящее время практически все телескопы являются зеркальными. Сначала зеркала делали из металлических заготовок. Сейчас их изготавливают из стекла, а затем наносят на поверхность тонкий слой серебра (используется в основном любителями) или алюминия, который напыляется в вакууме.

1.2.Изобретение телескопа Галилеес

Весной 1609 г. профессор математики университета итальянского города Падуи узнал о том, что один голландец изобрёл удивительную трубу. Удалённые предметы, если их разглядывать через неё, казались более близкими. Взяв кусок свинцовой трубы, профессор вставил в неё с двух концов два очковых стекла: одно - плосковыпуклое, а другое - плосковогнутое. "Прислонив мой глаз к плосковогнутой линзе, я увидел предметы большими и близкими, так как они казались находящимися на одной трети расстояния по сравнению с наблюдением невооружённым глазом", - писал Галилео Галилей.

Разумеется, у Галилея в изобретении телескопа (от греч. "теле" - "вдаль", "далеко" и "скопео" - "смотрю") были предшественники. Сохранились легенды о детях очкового мастера, которые, играя с собирающими и рассеивающими свет линзами, вдруг обнаружили, что при определённом расположении относительно друг друга две линзы могут образовывать увеичивающую систему. Имеются сведения о зрительных трубах, изготовленных и продававшихся в Голландии до 1609 г. Главной особенностью Галилеева телескопа было его высокое качество. Убедившись в плохом качестве очковых стёкол, Галилей начал шлифовать линзы сам. Некоторые из них сохранились до наших дней; их исследование показало, что они совершенны с точки зрения современной оптики. Правда, Галилею пришлось выбирать: известно, например, что, обработав 300 линз, он отобрал для телескопов всего несколько из них.

Однако трудности изготовления первоклассных линз были не самым большим препятствием при создании телескопа. По мнению многих учёных того времени, телескоп Галилея можно было рассматривать как дьявольское изобретение, а его автора следовало отправить на допрос в инквизицию. Ведь люди видят потому, думали они, что из глаз выходят зрительные лучи, ощупывающие всё пространство вокруг. Когда эти лучи натыкаются на предмет, в глазу появляется его образ. Если же перед глазом поставить линзу, то зрительные лучи искривятся и человек увидит то, чего в действительности нет.

Таким образом, официальная наука времён Галилея вполне могла считать видимые в телескоп светила и удалённые предметы игрой ума. Всё это учёный хорошо понимал и нанёс удар первым. Демонстрация телескопа, с помощью которого можно было обнаружить далёкие, невидимые глазом корабли, убедила всех сомневавшихся, и телескоп Галилея молниеносно распространился по Европе.

1.3.Телескоп и его назначение

Что такое телескоп?

Инструмент, который собирает электромагнитное излучение удаленного объекта и направляет его в фокус, где образуется увеличенное изображение объекта или формируется усиленный сигнал.

По мере развития астрономической техники появилась возможность изучать объекты во всем электромагнитном спектре, для чего были разработаны специальные системы телескопов и дополнительных детекторов, позволяющие работать в различных диапазонах волн. Термин "телескоп", первоначально означавший оптический инструмент, получил более широкое значение. Однако в телескопах, работающих в видимом, радио- и рентгеновском диапазонах, используются системы и методы, сильно различающиеся между собой.

Оптические телескопы бывают двух основных типов (рефракторы и рефлекторы), отличающиеся выбором главного собирающего свет элемента (линза или зеркало соответственно). У телескопа-рефрактора на передней стороне трубы имеется объектив, а в задней части, где формируется изображение, - окуляр или фотографическое оборудование.

При создании и установке больших стеклянных линз возникает ряд трудностей; кроме того, толстые линзы поглощают слишком много света. Самый большой рефрактор в мире, имеющий объектив с линзой диаметром в 101 см, принадлежит Йеркской обсерватории.

Изображения, получаемые в астрономических телескопах, инвертированы. Так как введение дополнительной линзы, которая могла бы скорректировать изображение, поглотит часть светового потока, не принеся особой пользы, астрономы предпочитают работать непосредственно с инвертированными изображениями.

Телескопы бывают самыми разными – оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ), радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи:

• создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);

• собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов.

Глава 2.

2.1. «Джеймс Уэбб»

Космические телескопы всегда будут на острие познания космоса — им не мешает ни атмосфера Земли с ее искажениями и облачностью, ни вибрации и шумы на поверхности планеты. Именно внеземные устройства позволили получить детальные и красивые фотографии отдаленных туманностей и галактик, которые даже не видны человеческому глазу на ночном небе. Однако в 2018 году начнется новая эпоха в изучении космоса, которая отодвинет дальше видимые границы Вселенной — будет запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», рекордсмен индустрии. Причем рекорды от бьет не только по характеристикам: стоимость проекта на сегодняшний день достигает 8,8 миллиарда долларов.

«Джеймс Уэбб», названный на честь второго в истории руководителя НАСА — того самого, что курировал первые полеты на Луну — позволит преодолеть все эти проблемы. Его приборы ориентированы на самый глубокий инфракрасный спектр света (и часть видимого), что позволит видеть ему не только сквозь облака пыли и препятствия, но замечать даже очень холодные объекты. В пределах Солнечной системы он сможет обнаружить тело с температурой около –170°С, а у звезд в радиусе 15 световых лет — планету с температурой Земли или Марса. Таким образом, «Джеймсу Уэббу» будут видны не только планеты, но и их потенциальные спутники. А разрешающая способность телескопа, увеличенная за счет новой технологии зеркала и точных приборов, позволяет заглянуть ему на дальше 800 миллионов лет существующего рекордсмена, орбитального телескопа «Хаббла». «Джеймс Уэбб» сможет увидеть Вселенную лишь в 100 миллионах лет после Большого взрыва.

2.2. «HabEx»

Первым телескопом, на который стоит обратить свое внимание, является HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission, «Миссия по поиску обитаемых экзопланет»). Эта космическая обсерватория в теории сможет вести прямую съемку экзопланет, обращающихся вокруг других звезд. Его целями должны стать самые разнообразные планеты, начиняя от горячих юпитеров и заканчивая «суперземелями». Основной же его задачей будет поиск землеподобных планет и исследование их атмосфер.

Для возможности наблюдения за планетами HabEx потребуется каким-то образом блокировать свет звезд, чтобы можно было увидеть менее яркие планеты, расположенные вокруг них. Сделать это можно двумя способами.

Для первого понадобится коронограф, представляющий собой по большому счету искусственный блокирующий экран, установленный внутри телескопа и закрывающий от него лучи света звезды. В таком случае оставшийся свет может отражаться от других объектов, расположенных возле звезды и может быть пойман специальным детектором. Наличие в телескопе зеркала с изменяемой поверхностью отражения и последующая тонкая настройка позволят разглядеть находящиеся у звезды планеты.

Второй метод будет заключаться в использовании отдельного космического аппарата Starshade в форме подсолнечника, который будет отлетать на десятки тысяч километров от телескопа, а затем раскрываться и блокировать свет интересующей звезды, позволяя вести наблюдение за имеющимися вокруг нее планетами. Особенность конструкции Starshade позволяет создавать очень темную тень, обеспечивая наиболее лучший обзор на интересующий объект.

Еще одна прелесть Starshade заключается в том, что аппарат в теории можно будет использовать практически с любой космической обсерваторией.

В настоящий момент самым эффективным и доступным методом обнаружения новых экзопаленет является транзитный метод поиска или метод расчета лучевых скоростей. Однако благодаря таким телескопам, как HabEx за планетами станет возможно вести наблюдение напрямую.

В дополнении к своей основной задаче по поиску и изучению экзопланет HabEx будет заниматься и вопросами астрофизики, например, наблюдая за светом ранней Вселенной, или изучая химический состав больших звезд до и после их коллапса в сверхновые.

2.3. «Lynx»

Следующим телескопом идет Lynx – рентгеновский телескоп NASA нового поколения. На удивление название аппарата не является акронимом. Он назван в честь представителя семейства кошачьих – рыси (с английского «lynx»). В многочисленных культурах рыси считаются животными, обладающими сверхъестественной способностью видеть истинную природу вещей.

Рентгеновские лучи находятся на дальнем конце электромагнитного спектра (расположены между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением) и блокируются земной атмосферой. Поэтому для того чтобы их увидеть, необходим телескоп, находящийся в космосе. На данный момент флагманским рентгеновским телескопом является Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» NASA. Европейской космическое агентство собирается запустить в 2028 году свой рентгеновский телескоп ATHENA.

2.4. «Origins Space Telescope»

Следующим идет Origins Space Telescope или просто OST. Этакий «Джемс Уэбб на стероидах», который должен прийти на замену телескопу «Спитцер». «Джеймс Уэбб» имеет 6,5-метровое зеркало, но с 9,1-метровым зеркалом чувствительность телескопа Origins Space Telescope должна в 30 раз превосходить чувствительность «Джеймса Уэбба». Планируется, что аппарат будет работать в инфракрасном диапазоне волн и вести наблюдение за самыми интересными объектами во Вселенной.

Телескоп будет не только огромным, но и очень холодным. Аэрокосмическому агентству NASA удалось охладить телескоп «Спитцер» до температуры 5 Кельвинов. Это всего на 5 градусов Цельсия выше абсолютного нуля и чуть теплее, чем температура реликтового излучения Вселенной. Благодаря специальной системе охлаждения инженеры планируют охладить OST до 4 Кельвинов. Разрыв звучит небольшим, но с технической точки зрения это очень сложная задача.

Вместо того, чтобы охладить аппарат жидким гелием, как это было сделано с телескопом «Спитцер», каждую деталь Origins Space Telescope необходимо будет охлаждать поэтапно, начиная с зеркал, радиаторов и заканчивая криокулером, установленным вокруг самих инструментов.

С помощью огромного холодного инфракрасного телескопа планируется изучение процессов формирования галактик, звезд и планет, а также поиск воды и парниковых газов в атмосферах экзопланет и исследования межзвездной пыли.

2.5. «LUVOIR»

Телескоп LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor) в свою очередь станет настоящим наследником «Хаббла». Этот огромный аппарат сможет вести наблюдения в видимом, ультрафиолетовом и ближней части инфракрасного спектра.

В разработке находятся два концептуальных дизайна для данного телескопа. Согласно первому, аппарат планируется оснастить складным 8-метровым зеркалом и вывести на орбиту с помощью ракета-носителя тяжелого класса Falcon Heavy. Согласно другому концепту, телескоп планируется оснастить зеркалом с диаметром 16 метров (для сравнения диаметр зеркала «Хаббла» составляет всего 2,6 метра), что на 50% больше, чем у самого большого наземного телескопа такого же класса. Во втором случае планируется запуск с помощью ракеты-носителя Space Launch System. Какую версию в итоге выберут — будет зависть от ракет-носителей, которые будут использоваться в 2030 годы.

Аппарат получит широкий угол обзора и буде оснащен широким набором различных инструментов и фильтров, которые астрономы смогут использовать для наблюдения за чем угодно. Например, телескоп будет оснащен коронографом, о котором говорилось выше, следовательно, аппарат сможет вести наблюдения за планетами, «приглушая» свет их родных звезд. Наличие же спектрографа позволит ему проводить анализ химического состава атмосфер экзопланет.

Глава 3.

3.1. Опрос учеников 11 класса

С недавних пор, в курс обучения в 11 классе, был добавлен предмет «Астрономия». Одной из самых первых тем этого курса является устройство телескопа, его история создания. Я решила провести опрос старшеклассников, с целью, узнать, какие знания были получены на уроках астрономии учениками. Для этого мне пришлось изучить теорию по этой теме, предложенную в учебнике по астрономии. В итоге, я сформулировала несколько вопросов для анкетирования:

1. Какой год считается годом изобретения зрительной трубы (первое подобие телескопа)?

2. Какого типа телескопов не существует? (в данном вопросе опрашиваемые должны выбрать один неверный ответ)

3. Кто первым использовал зеркала для фокусировки в телескопах?

4. В какой стране находится самый крупный оптический телескоп Евразии?

5. В каком году в России появилась первая астрономическая обсерватория?

3.2. Интересные факты

• Российский федеральный ядерный центр — ВНИИФ экспериментальной физики (предприятие Госкорпорации «Росатом») участвует в международном российско-германском проекте по созданию орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», предназначенной для изучения Вселенной в рентгеновском диапазоне длин волн.

Космическая обсерватория «Спектр-РГ», построенная в НПО им. С.А. Лавочкина, включает в себя два телескопа: ART-XC, разработанный Институтом космических исследований РАН и изготовленный РФЯЦ-ВНИИЭФ, и eRosita, созданный Институтом внеземной физики общества имени Макса Планка (Германия).

В отличие от запускавшихся ранее зарубежных рентгеновских телескопов, телескоп ART-XC способен работать в «жестком» диапазоне энергий — 6−30 кэВ, в то время как дополняющий его eROSITA рассчитан на более «мягкий» диапазон — 0,3−10 кэВ. Такая широта охвата позволит обсерватории выявить не обнаруженные ранее астрофизические объекты.

Главная миссия научного аппарата «Спектр-РГ» — исследования Вселенной в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения, создание «карты» видимой Вселенной, на которой будут отмечены все достаточно крупные скопления галактик. «Спектр-РГ» является единственным проектом рентгеновской обсерватории, реализация которого планируется в ближайшие 5 лет.

• «Хаббл» находится на орбите Земли с 1990 года, уже прошел 5 млрд. км и сделал 1,2 млн. наблюдений за небесными телами – это самый эффективный и продуктивный из аппаратов, сделанных человеком. Он помог вычислить возраст вселенной, обнаружить присутствие темной материи, найти новые планеты, звезды и галактики.

• В книгу рекордов Гиннеса попал российский «Радиоастрон» - орбитальный радиотелескоп, как самый большой в мире. Диаметр его антенны – 10 метров, с помощью «Радиоастрона» стало возможным уточнять данные о галактиках, нейтронных звездах, квазарах, межзвездной среде.

• В 2024 году в пустыне Атакама, на горе Серро Армазонес будет закончена постройка обсерватории с телескопом, оснащенным 40-метровым зеркалом и уникальной оптической системой. Обсерватория в Чили превзойдет размером гавайскую, а по качеству снимков обойдет даже «Хаббл». Финансируют проект США, Чили, Австралия, Бразилия, 14 стран Европы.

Заключение