Широкоугольные оптические телескопы

Широкоугольные оптические
телескопы
В.Ю.Теребиж
2w  1
Астрономия 2006:
традиции,
настоящее и
будущее
Санкт-Петербург
июнь 2006
Задачи наблюдений
Глобальные
Обзор неба Вильяма Гершеля, XVIII век. «Метод черпков»
Паломарский обзор неба
Конкретные
Бюраканский обзор галактик с УФ континуумом
Эволюция функции светимости активных галактик.
SDSS
Шкала расстояний: SN Ia. Космологические модели. SNAP
Темное вещество
Гравитационные линзы, гамма-всплески
Планеты около звезд
Астероиды, сближающиеся с Землей …
Приоритетная задача:
Иметь информацию о положениях и яркости всех
объектов до ~ 24m с периодичностью обновления
данных порядка нескольких суток
Создается сеть обзорных телескопов
диаметром до ~6.5 м и полем зрения ~23
Что ограничивает поле
зрения?
F/D ≡ 
f/number
f/#

Дифракция света:
идеальный телескоп
изображает звезду в
виде картины Эри
Диск Эри содержит
~84% всего потока
,
Диаметр диска Эри
96 мкм
1.6
Изображение звезды на оси идеального
параболоида D = 4 м,  = 3.0
А  4 мкм  0.06
A  2.44  
A 
m
2 Dm
Аберрации телескопов и атмосфера
Влияние комы  2
80  диаметр круга,
в пределах которого
содержится 80% энергии
в изображении точечного
источника света
Атмосфера:
137 мкм
2.4
Изображение звезды на расстоянии 1
от оси идеального параболоида
D = 4 м,  = 3.0
80 > 0.6
Размер поля зрения
задается условием
80  1.0
Классические телескопы
и апланаты 3-го порядка
Классический Грегори:
Грегори-апланат:
P+E
E+E
Классический Кассегрен:
Ричи-Кретьен:
Диаметр поля зрения
Классические телескопы:
Апланаты 3-го порядка:
< 10
~ 20
Нужно поле зрения диаметром не менее 1
P+H
H+H
Large Binocular Telescope
(LBT)
Классическая
система Грегори
D = 8.4 м
 = 15
1 ≡ F1 /D = 1.14
Эффективность обзора
Etendue,
Throughput:
E  A 
A  De2 / 4
  w 2
RC, 4 м:
E  1 м2гр2
SDSS, 2.5 м:
E  28 м2гр2
Рефлекторы: два пути
Увеличение
количества зеркалконикоидов
E
SNAP
F
H
E
D. Korsch (1972)
Исправлены все 5 аберраций 3-го порядка:
сферическая, кома, астигматизм,
дисторсия, кривизна поля
Трехзеркальный
анастигмат Корша
D = 2.0 м
 = 10.7
2w = 1.5 (570 мм)
0.7 виньетировано
Дифракционные
изображения:
mlim  27.5  30
Двухзеркальные апланаты Шварцшильда
  1.7
 = 1.2
Обычный подход:
конические сечения +
полиномиальные добавки
Карл Шварцшильд (1905):
строгий апланат
Сферическая аберрация:
Кома:
точно, все порядки
условие синусов Аббе, 3-й порядок
Karl Schwarzschild
(1873  1916)
•
Ввел понятие лучистого равновесия звездной
атмосферы
•
Составил и приближенно решил уравнения
переноса излучения
•
Рассчитал первую модель звездной атмосферы
•
Предложил эллипсоидальный закон
распределения скоростей звезд
•
Сформулировал и решил уравнения звездной
статистики
•
Объяснил флуоресценцией свечение кометных
хвостов
•
Нашел первое точное решение уравнений
теории тяготения Эйнштейна
•
Создал современную теорию аберраций
оптических систем
•
Составил фотометрический каталог 3500 звезд
•
•
Предложил закон почернения фотоэмульсии
…
Катадиоптрические телескопы
Зеркала и линзы играют сравнимую роль
Хроматизм
Общий принцип:
Силовые функции нужно возлагать на зеркала,
тогда как линзовая компонента должна быть
близка к афокальной системе
 Телескопы с полноразмерным линзовым корректором
 Телескопы с линзовым корректором в прямом или
кассегреновском фокусах
Камера Шмидта
(1930)
S
Bernhard Schmidt
(1879  1935)
Карл Шварцшильд: «Шмидт
Принцип Шмидта
 художник своего дела»
Паломарский обзор неба
Бюраканский обзор УФ-галактик
1.22 м, 6.5
1.0 м, 5.5
D = 36 см
F/D ≡  = 1.7
2w = 4
Пробный снимок, сделанный Бернхардом Шмидтом
в 1930 г. с помощью изготовленной им самим первой
широкоугольной камеры
Система Максутова
(1941)
Д. Д.
Максутов
(1896  1964)
 > 3: все сферы
Ахроматический мениск
Не соблюдается основной принцип построения катадиоптрических
систем
Исключительно жесткие допуски, ретушь
Роботизированные системы
ROTSE-III
D = 450 мм
 = 1.9
2w = 2.6
Univ. Michigan
Los Alamos National Lab.
Univ. New South Wales
Lawrence Livermore National Lab.
Lick Observatory
Harland Epps
13.5 мкм
3.3
Система РихтераСлефогта
R. Richter, H. Slevogt (1941)
Тесный дублет из одного сорта
стекла с почти нулевой оптической
силой обладает малым
хроматизмом
Двухлинзовый
афокальный
корректор +
сферическое зеркало
Очень мягкие допуски
Поле зрения ~ 0.5
D = 643 мм
 = 1.4
Модифицированная система
Рихтера-Слефогта
Исходная система
RS
13.5 мкм
3.2
Модифицированная
D = 350 мм
 = 2.5
2w = 0.5
MRS
Теребиж, 2001
D = 350 мм
 = 2.5
2w = 3.5
Можно ~6
Новые системы
WF-03:
D = 500 мм
 = 2.0
2w = 5.0
13.5 мкм
2.8
WF-05:
 = 1.8
2w = 14.1
13.5 мкм
13.3
Линзовый корректор в первичном фокусе
R. Sampson (1913):
~10
F. Ross (1935):
15
Д. Максутов и др. (1964):
2.5
C. Wynne (1968):
1
Нужно поле не менее 1.5  2
NGLT, VISTA:
D ~ 4 м, 2w ~ 2
4-5 линз
Диаметр наибольшей ~1.25 м
Асферические поверхности
Корректор Винна с полем 50
для 4-м телескопа Kitt Peak
Корректор с полем зрения 3
Корректор для
4-м телескопа CTIO
V. Blanco – DECAM
( Теребиж, 2003 )
Etendue
E ≡ A = 78 м2 гр2
Поле зрения:
Поверхности:
Диапазон спектра:
Изображения:
Стекло:
Прозрачность:
3 (600 мм)
все сферы
 0.32  1.10 m
80 < 0.8 в интегральном свете
любое одного типа
если плавленый кварц, то выше 83%
Корректор в кассегреновском фокусе
PanSTARRS
D = 1.8 м
 = 4.4
2w = 3.0
E1 = 13 м2 гр2
Первая серия 
4 телескопа
SDSS
 Дешевле
 Светосила меньше
 Надежность отождествления выше
 Компенсация наклонов фронта
 ...
D = 2.5 м
 = 5.0
2w = 3.0
E = 28 м2гр2
Исключительно сложная
форма поверхностей
Корректор в выходном зрачке системы
Грегори
Выходной зрачок
( Теребиж, 2006 )
Модельный пример:
D = 6.5 м,
L = 8.8 м
 = 1.9
2w = 2.5  3.0
Виньетирование на краю поля < 2%
E = 170 м2гр2 при 3.0
EP
ES
LSST (Large Synoptic Survey Telescope)
Принцип Шмидта:
афокальная система Мерсенна +
cферическое зеркало
8.4 м
5.2 м
3.4 м
M. Paul (1935)
J. Baker (1969)
R. Willstrop (1984)
J. Angel et al. (2000)
Deff = 6.5 м
 = 1.25
2w = 3.0
E = 235 м2 гр2
1.35 м
LAMOST
Зеркальная камера Шмидта
D = 4.0 м
 = 5.0
2w = 5.0
E = 240 m2 deg2
Итоги
 LSST и LAMOST
бросают вызов
возможностям
технологии
 Сеть телескопов
Pan-STARRS:
сложное сочетание
достоинств и
недостатков
 Корректоры в
прямом фокусе и
выходном зрачке:
те же результаты
простым образом
Нужны
новые идеи
Корректор Максутова и др. [1964]
1
Гиперболоид:
D = 2.6 м, умеренный эксцентриситет,   3.7
4 линзы + линза Пиацци-Смита, все сферы, простейшее стекло
Поле зрения:
2w = 2.6 ( оригинальная схема оптимизирована )