Меньше огней, больше звезд: Как измеряется прозрачность неба

12.10.2020

Одним из важнейших занятий человека при его восхождении к культуре было созерцание неба, и он изучал положение и движение звезд еще до того, как стал оседлым.  Узнайте подробно, как измеряется и увеличивается прозрачность неба.

Однако прошли сотни тысяч лет, вплоть до 1609 года, когда Галилео Галилей построил свой первый преломляющий телескоп и начал раскрывать секреты ярких объектов ночного неба; затем астрономия и технологии сошлись в развитии все более специализированного приборостроения.

Исаак Ньютон в 1668 году спроектировал и построил первый отражающий телескоп. Среди прочего, он использовал его для подтверждения своего эксперимента в закрытой лаборатории по разложению солнечного света на цвета радуги. В то время было трудно делать вогнутые зеркала, поэтому делали только преломляющие телескопы с большими и большими линзами.

Однако чем больше линзы телескопа, тем сложнее становится их изготовить, и тем больше эксплуатировать. Самый большой преломляющий телескоп, когда-либо построенный в Париже в 1900 году, имел объектив диаметром 1,25 метра и фокусным расстоянием 57 метров; обращение с ним было настолько сложным, что его использовали только как экспонат, который впоследствии был разобран. В настоящее время в обсерватории Еркеса в Висконсине (США) все еще работает преломляющий телескоп с фокусным расстоянием 19,4 метра и объективом диаметром 1,02 метра.

По мере развития астрономии требовались более совершенные приборы, а идея изготовления отражающих телескопов также отпадала, поскольку они более удобны для пользователя, чем отражающие телескопы. Можно было усовершенствовать большие и большие зеркала. Тем не менее, при наблюдении за ночным небом появился еще один вид сложности, теперь из-за атмосферы Земли. По мере того, как поведение света и его характеристики становились все более понятными, изыскивались пути решения проблем, с которыми сталкиваются астрономы при проведении своих наблюдений.

Свет, как и любая электромагнитная волна, обладает различными свойствами, которые проявляются главным образом в изменении среды его распространения; в зависимости от среды, свет отражается, преломляется, рассеивается, поглощается и преломляется; поэтому свет, исходящий от звезд, проникая в атмосферу Земли, подвергается воздействию газов, из которых он состоит, так что, когда звездный свет достигает телескопов, он уже потерял часть своей яркости, блеска и претерпел другие изменения.

Атмосфера Земли и упомянутые свойства света приводят к появлению ряда переменных и параметров, которые необходимо учитывать при строительстве астрономической обсерватории. Главное из них - место наблюдения звезд. Необходимо учитывать такие атмосферные переменные, как влажность, плотность, облачность, температуру и ветер. Аналогичным образом, наклон земной оси вращения, приводящий к возникновению сезонов, также вызывает значительные колебания климата, что приводит к изменениям в атмосфере.

Солнце, нагревая газы, составляющие атмосферу, генерирует конвекционные движения в воздухе; таким же образом, нагревая воду в океанах, оно генерирует водяной пар, который превращается в облачность; эти явления, ветер и облачность, генерируют закономерности в их движении и колебания климата; благодаря этим закономерностям ветра и влажности образуется полоса, известная как "пояс спокойствия", которая находится примерно в 30 градусах северной и южной широты и используется для поиска наиболее подходящих мест для строительства астрономических обсерваторий.

Параметры, которые генерируются переменными, упомянутыми выше, являются следующими

Прозрачность неба

Она относится к ясности неба и измеряется как способность наблюдать слабые звезды в зависимости от их яркости или величины. Факторами, влияющими на прозрачность неба, являются водяной пар или облачность и взвешенные частицы, такие как пыль, пыльца, промышленный и автомобильный пар или загрязнение окружающей среды в целом.

Темнота

Оно относится к количеству естественного или искусственного света, присутствующего в месте наблюдения. Существует два типа факторов, которые влияют на темноту места наблюдения. Природные факторы, такие как солнце и луна, и искусственные факторы, такие как световое загрязнение, которое является количеством искусственного света, присутствующего в городских центрах.

Исчезновение

Это относится к поглощению света, которому подвергаются звезды, включая Солнце, Луну и планеты, при прохождении или прохождении через различные среды, такие как воздух, вода и др. Чем дольше путь света проходит, в данном случае земная атмосфера, тем больше уменьшается свет или влияет на цвет звезды; этот эффект на цвет можно увидеть на Солнце на рассвете или в сумерках, свет Солнца меняется с белого на красный, проходя через желтый и оранжевый, по мере того, как звезда опускается к горизонту.

Видение или искажение изображения

Чем больше турбулентность, тем менее стабильным является изображение наблюдаемого объекта; мерцание звезд связано с этим эффектом земной атмосферы; кроме того, чем больше телескоп, тем сильнее искажение изображения. Факторами, вызывающими изменение или увеличение этого параметра, являются температура и ветер.

В случае с "Прозрачностью неба" и "Темнотой" исследователи мало что могут сделать, чтобы избежать их. Единственное, что нужно сделать, это потребовать принятия законодательства, которое остановило бы рост светового загрязнения и, по возможности, уменьшило бы количество загрязняющих частиц, которые ежедневно выбрасываются в атмосферу.

Невозможно также предотвратить " исчезновение " звездного света при его прохождении через земную атмосферу. Однако в своей работе исследователи стремятся получить измерения величины или яркости стандартных звезд (хорошо известных звезд), которые находятся вблизи исследуемой звезды. Эти измерения проводятся в течение всей ночи наблюдений с целью получения эталонного вымирания, которое будет использоваться для сравнения с измерениями, полученными от звезд, запланированных для изучения, и, таким образом, для получения необходимых данных.

С другой стороны, компенсировать Видение также очень интересно то, что делают астрономы. С 19 века уже существовало осознание этого феномена. Тем не менее, предложения по его решению поступили с опозданием. В 1940-е годы считалось решением иметь обсерватории за пределами земной атмосферы. Конструкция космического телескопа Хаббла диаметром 2,4 метра была выполнена в период между 70-ми и 80-ми годами вывода его на орбиту до 1990 года. Результаты этого проекта были великолепны, прежде всего потому, что не только удалось избежать "Видения", но и всех проблем, порождаемых атмосферой Земли. Тем не менее, у него есть недостаток в том, что обслуживание очень дорогое и сложное, кроме того, долговечность искусственных спутников конечна.

Другое решение проблемы Видения в случае наземных телескопов, состояло в том, чтобы воспользоваться исследованиями и измерениями, которые проводятся по этому параметру, так что было придумано научно-технологическое решение, и в 50-х годах была предложена "Активная оптика", а годы спустя возникла "Адаптивная оптика".

Один из методов измерения видения известен как DIMM (Differential Image Motion Monitor - Дифференциальный монитор движения изображения). Она состоит в обнаружении и измерении смещений, которые наблюдаются с изображения звезды с помощью среднеразмерного телескопа, но с двумя окулярами, разделенными друг от друга на расстоянии от 10 до 20 см. Этот телескоп установлен на определенном расстоянии от обсерватории и направлен на известную звезду. Несколько измерений производится на разной высоте (примерно от двух до двадцати метров), так как разница температур, существующая в поверхностных слоях атмосферы, также приводит к искажениям изображения.

Другой метод, используемый для этой цели, - SCIDAR (Сцинтилляционное Обнаружение и Диапазон), который состоит в измерении показателей преломления света при его попадании в атмосферу Земли.

Третий метод заключается в использовании в качестве искусственного проводника (или заменителя звезды) - лазерного луча, который, когда он достигает высоких атмосферных слоев, более или менее 90 километров в высоту, возбуждает атомы натрия, тем самым искусственно создавая "направляющую звезду", к которой можно легко измерить искажения изображения, возникшие при движении по атмосфере Земли.

Полученные с помощью этих методов данные анализируются в компьютере, подключенном к системе управления, с целью управления серией пневматических приводов, которые изменяют форму телескопа или первичных зеркал телескопа, к которым они подключены, эта технология называется "Активная оптика".

С другой стороны, в "Адаптивной оптике" используется также программная система, которая управляет и перемещает (примерно 2000 раз в секунду) серию небольших объективов, подключенных к камере типа ПЗС-матрица (устройство с заряженным пакетом), чтобы компенсировать искажения изображения, вызванные небольшими воздушными массами, и таким образом получить наилучшее возможное изображение.

Четыре привилегированных объекта на Земле имеют наилучшие прозрачные условия для астрономических наблюдений: остров Мауна Кеа, Гавайи, США; вулкан Роке-де-лос-Мучачос, Канарские острова, Испания; пустыня Атакама, Чили и Сьерра-де-Сан-Педро-Мартир, Нижняя Калифорния, Мексика.

Это места, расположенные на значительной высоте над уровнем моря, что является необходимым условием для уменьшения расстояния, которое свет звезд проходит, проникая в земную атмосферу и достигая телескопов; также все они находятся в упомянутой ранее полосе пояса спокойствия.

Два из этих участков - острова, два других находятся в начале горных хребтов; это еще одна и очень важная деталь, как только ветер достигает первых горных возвышенностей, он отклоняется, не доходя до формирования воздушных потоков над обсерваторией, как это случилось бы в глубь страны. Эти объекты также находятся достаточно далеко от городских центров, чтобы избежать светового загрязнения.

Как видно, нелегко решить проблемы, порожденные атмосферой Земли, чтобы иметь прозрачное небо. Тем не менее, можно уменьшить количество загрязняющих веществ, которые постоянно выбрасываются в окружающую среду. С другой стороны, что касается светового загрязнения, то мы можем заменить свет или адаптировать его таким образом, чтобы вместо освещения неба они направляли свою энергию на землю. В штате Нижняя Калифорния уже действует закон против светового загрязнения, который, как мы надеемся, вскоре распространится на всю страну.

Автор: Авраам Руби Васкес, руководитель Физилаборатории и координатор конференций "El Universo Hoy", Генерального дивизиона по развитию наук УНАМ. Источник: Ночь Звезд