Солнечные инструменты

Основным инструментом астронома-наблюдателя, что бы он ни изучал на небе, является телескоп. И хотя принцип действия всех телескопов общий, для каждой области астрономии разработаны свои модификации этого прибора.

Яркость Солнца велика, следовательно, светосила оптической системы солнечного телескопа может быть небольшой. Гораздо интереснее получить как можно больший масштаб изображения. Поэтому у солнечных телескопов очень большие фокусные расстояния. Самый крупный из них имеет фокусное расстояние 90 м и дает изображение Солнца диаметром около 80 см.

Вращать подобную конструкцию было бы нелегко. К счастью, это и не нужно. Солнце движется по небосводу лишь в ограниченной его области, внутри полосы шириной около 47њ. Поэтому солнечному телескопу не нужна монтировка для наведения в любую точку неба. Его устанавливают неподвижно, а солнечные лучи направляются подвижной системой зеркал - целостатом.

Бывают горизонтальные и вертикальные (башенные) солнечные телескопы. Горизонтальный телескоп построить легче, так как все его детали находятся на горизонтальной оси. С ним и работать легче. Но у него есть один существенный недостаток. Солнце дает много тепла, и воздух внутри телескопа сильно нагревается. Нагретый воздух движется вверх, более холодный - вниз. Эти встречные потоки делают изображение дрожащим и нерезким. Поэтому в последнее время строят в основном вертикальные солнечные телескопы. В них потоки воздуха движутся почти параллельно лучам света и меньше портят изображение.

Важным параметром телескопа является угловое разрешение, характеризующее его способность давать раздельные изображения двух близких друг к другу деталей. Например, разрешение в 1 угловую секунду (1") означает, что можно различить два объекта, угол между которыми равен 1" дуги. Видимый радиус Солнца составляет чуть меньше 1000", а истинный - около 700 тыс. километров. Следовательно, 1" на Солнце соответствует расстоянию немногим более 700 км. Лучшие фотографии Солнца, полученные на крупнейших инструментах, позволяют увидеть детали размером около 200 км.

Обычные солнечные телескопы предназначены в основном для наблюдения фотосферы. Чтобы наблюдать самые внешние и сильно разреженные, а потому слабо светящиеся слои солнечной атмосферы - солнечную корону, пользуются специальным инструментом. Он так и называется - коронограф. Изобрел его французский астроном Бернар Лио в 1930 г.

В обычных условиях солнечную корону увидеть нельзя, так как свет от нее в 10 тыс. раз слабее света дневного неба вблизи Солнца. Можно воспользоваться моментами полных солнечных затмений, когда диск Солнца закрыт Луной. Но затмения бывают редко и порой в труднодоступных районах земного шара. Да и погода не всегда благоприятна. А продолжительность полной фазы затмения не превышает 7 мин. Коронограф же позволяет наблюдать корону вне затмения.

Чтобы удалить свет от солнечного диска, в фокусе объектива коронографа установлена искусственная "луна". Она представляет собой маленький конус с зеркальной поверхностью. Размер его чуть больше диаметра изображения Солнца, а вершина направлена к объективу. Свет отбрасывается конусом обратно в трубу телескопа или в особую световую "ловушку". А изображение солнечной короны строит дополнительная линза, которая находится за конусом.

Кроме того, необходимо убрать рассеянный свет в телескопе. Самое важное - это хорошо отполированный линзовый объектив без дефектов внутри стекла. Его нужно тщательно защищать от пыли. Каждая пылинка, каждый дефект линзы - царапина или пузырек - при сильном освещении работает как маленькое зеркальце - отражает свет в случайном направлении.

Коронографы обычно устанавливают высоко в горах, где воздух прозрачнее и небо темнее. Но и там солнечная корона все же слабее, чем ореол неба вокруг Солнца. Поэтому ее можно наблюдать только в узком диапазоне спектра, в спектральных линиях излучения короны. Для этого используют специальный фильтр или спектрограф.

Спектрограф - самый важный вспомогательный прибор для астрофизических исследований. Многие солнечные телескопы служат лишь для того, чтобы направлять пучок солнечного света в спектрограф. Основными его элементами являются:

щель для ограничения поступающего света; коллиматор (линза или зеркало), который делает параллельным пучок лучей; дифракционная решетка для разложения белого света в спектр и фотокамера или иной детектор изображения.

"Сердце" спектрографа - дифракционная решетка, которая представляет собой зеркальную стеклянную пластинку с нанесенными на нее параллельными штрихами. Число штрихов у лучших решеток достигает 1200 на миллиметр.

Основная характеристика спектрографа - его спектральное разрешение. Чем выше разрешение, тем более близкие спектральные линии можно увидеть раздельно. Разрешение зависит от нескольких параметров. Один из них - порядок спектра. Дифракционная решетка дает много спектров, видимых под разными углами. Говорят, что она имеет много порядков спектра. Самый яркий порядок спектра - первый. Чем дальше порядок, тем спектр слабее, но его разрешение выше. Однако далекие порядки спектра накладываются друг на друга. Поскольку требуются и высокое разрешение, и яркий спектр, приходится идти на компромисс. Поэтому для наблюдений обычно используют второй-третий порядки спектра.

Одной из наиболее интересных систем является эшелъный спектрограф. В нем кроме специальной решетки, называемой эшелью, стоит стеклянная призма. Лучи света падают на эшель под очень острым углом. При этом многие порядки спектра накладываются друг на друга. Их разделяют при помощи призмы, которая преломляет свет перпендикулярно штрихам решетки. В результате получается спектр, порезанный на кусочки. Длину щели эшельного спектрографа делают очень маленькой - несколько миллиметров, и спектры поэтому получаются узкими.

Эшельный спектр представляет собой набор полосок, расположенных одна под другой и разделенных темными промежутками. Возможность использования высоких порядков спектра в эшельном спектрографе дает преимущество в разрешающей силе, что очень важно при изучении тонкой структуры спектральных линий.