Science Academy - kritický způsob myšlení a praktické aplikace přírodovědných a technických poznatků v reálném životě reg.č. CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Metodika práce s astronomickými přístroji 1 Historie astronomických dalekohledů Historie prvních dalekohledů je úzce spjata se skleněnými čočkami. Dalekohled sice je novověkým vynálezem, průhledné čočky však lidé znali a vyráběli už v období starověku. Zpočátku používali jako materiál některé čiré nerosty, například křišťál či beryl, později samozřejmě i mnohem levnější sklo. Záhy se lidé naučili rozlišovat dva základní typy čoček. První typ představují čočky vypuklé, jež jsou ve středu širší než při okrajích. Blízké předměty pozorované přes tyto čočky se jeví větší, než ve skutečnosti. Rovnoběžný svazek světelných paprsků se při průchodu vypuklou čočkou láme a vystupuje z ní jako svazek sbíhavý. Jelikož se paprsky spojují za čočkou v jednom bodě (tzv. ohnisku), označují se tyto čočky jako spojné, zkráceně spojky. Druhým typem čoček jsou ty, jež jsou ve středu tenčí než při okrajích. Předměty prohlížené takovými čočkami se zdají menší než ve skutečnosti. Rovnoběžný svazek světelných paprsků se při průchodu čočkou opět láme, ale jinak, než v případě spojek. Paprsky se totiž po výstupu z čočky rozbíhají do stran. Z tohoto důvodu se těmto čočkám říká rozptylné, zkráceně rozptylky. Schopnost zdánlivě zvětšovat pozorované předměty vedla k tomu, že spojné čočky začaly být využívány coby lupy a následně se objevily i v prvních typech brýlí, kde pomáhaly lidem, kteří neviděli dostatečně ostře blízké předměty. Naopak rozptylky byly o něco později využity v brýlích lidí, jež špatně viděli do dálky. A právě v optické dílně dánského výrobce brýlí a brusiče čoček Hanse Lipperheye začal příběh dalekohledu. Tedy s největší pravděpodobností, dodnes totiž není jasné, za jakých okolností Hans Lipperhey v roce 1608 zjistil, že se předměty pozorované přes dvě čočky (spojku a rozptylku), umístěné ve vhodném rozestupu za sebou, jeví blíže, než ve skutečnosti jsou. Každopádně byl ale prvním, kdo si přístroj, zdánlivě přibližující vzdálené předměty, zkusil nechat patentovat. O vynálezu dalekohledu existuje řada historek. Jedna z nich připisuje vynález Lipperheyeovým dětem, jež si hrály s čočkami v otcově dílně. Jiná teorie zase tvrdí, že byl dalekohled objeven již o něco dříve a Lipperhey se nového vynálezu pouze šikovně zmocnil. Také je docela dobře možné, že byl dalekohled objeven přibližně ve stejnou dobu hned několika lidmi nezávisle na sobě. 1
Ve druhé polovině roku 1609 se o Lipperheyho přístroji dozvěděl Ital Galileo Galilei. I když měl jen kusé informace, dokázal si konstrukci dalekohledu na základě svých znalostí optiky domyslet. Svérázný přírodovědec se sám pustil do výroby čoček a zanedlouho měl hotový první dalekohled. Podobně jako Lipperhey použil i Galilei dvě čočky větší spojku a menší rozptylku. Spojnou čočku umístil do přední části dlouhé olověné trubice, zatímco menší rozptylku uchytil do samostatné drobnější trubičky, kterou posléze zasunul do volného konce olověné trubky (tělo dalekohledu, v němž jsou uchyceny jednotlivé optické prvky, se označuje jako tzv. tubus a u čočkových dalekohledů má téměř vždy tvar podlouhlé trubice složené z několika válcovitých částí). Spojná čočka plnila roli tzv. objektivu, kterým do dalekohledu vstupují světelné paprsky. Rozptylka byla zase tzv. okulárem, z něhož po průchodu dalekohledem světelné paprsky vystupují a k němuž pozorovatel přikládá své oko. Zaostřování dalekohledu probíhalo zasunováním a vysunováním okulárového konce s rozptylkou. Dvojice Galileových dalekohledů je vystavena v italské Florencii. Pod dalekohledy je uprostřed stojanu upevněna také prasklá objektivová čočka jednoho z přístrojů. 2
Výše popsaný typ dalekohledu se nazývá Galileův, na počest pozorovatele, který s ním jako první začal konat soustavná astronomická pozorování. Ačkoliv měl objektiv Galileiho dalekohledu průměr pouhých 38 milimetrů, učinil s ním jeho majitel revoluční objevy. Pravděpodobně jako vůbec první pozoroval třeba krátery na Měsíci, čtyři největší Jupiterovy Měsíce či jednotlivé hvězdy v Mléčné dráze. A částečně dokonce rozlišil i slavné Saturnovy prstence. Dalekohledy obsahující spojku a rozptylku byly již za pár let nahrazeny modernějšími přístroji, dodnes se s nimi však můžete setkat v podobě tzv. divadelních kukátek. Mimochodem, i s tím nejjednodušším divadelním kukátkem můžete zopakovat většinu z Galileiho pozorování! Soubor Galileových teleskopických pozorování vyšel tiskem v březnu roku 1610 pod názvem Sidereus Nuncius (Hvězdný posel) a obsahoval také první podrobnější kresby povrchu Měsíce s krátery. Keplerův dalekohled Čočkový dalekohled se v roce 1611 dočkal výrazné inovace. Nedošlo k ní však v Itálii pod rukama Galilea Galieiho, ale na dvoře císaře Rudolfa II. v Praze. Právě tam totiž působil Galileův neméně slavný kolega, německý astronom Johannes Kepler. A i když je jeho nejvýraznějším počinem z pražského působení formulace dvou z celkem tří zákonů o pohybu planet kolem Slunce, nezahálel ani na poli optiky. Jen rok a pár měsíců poté, co Galileo Galilei poprvé použil dalekohled k astronomickým pozorováním, přišel Kepler se zásadní, avšak nesmírně jednoduchou úpravou. Ponechal dalekohledu čočkový objektiv tvořený spojkou a rozptylku v okulárové části nahradil druhou spojnou čočkou. Postupem času se pro tuto konstrukci vžilo označení Keplerův dalekohled (souhrnně se čočkové dalekohledy označují jako refraktory, při průchodu světelných paprsků čočkami totiž dochází k jejich lomu neboli refrakci). 3
Ačkoliv mají moderní čočkové dalekohledy objektivy i okuláry složené z více čoček a doplňují je i další optické prvky, v principu stále vycházejí z Keplerovy konstrukce. Drobná úprava však měla dalekosáhlé následky a astronomům se svět doslova obrátil vzhůru nohama! Zatímco dalekohled v Galileově uspořádání, složený ze spojky a rozptylky, dával obraz stranově i výškově správně orientovaný, Keplerův dalekohled tvořený dvojicí spojných čoček měl obraz stranově i výškově převrácený. Při pozemských pozorováních tato skutečnost působila rušivě, na nebi to však nijak nevadilo a astronomové se rychle naučili hvězdné mapy otáčet tak, aby odpovídaly tomu, co vidí v dalekohledu. Jak pracuje astronomický dalekohled? A jak tedy Keplerův dalekohledu pracuje? Objektiv, kterým je spojná čočka s velkou ohniskovou vzdáleností, vytváří zmenšený a výškově převrácený obraz pozorovaného objektu. Pozorovatel si pak tento obraz prohlíží prostřednictvím okuláru neboli spojnou čočkou s malou ohniskovou vzdáleností. Ta pracuje stejně jako lupa a obraz vytvořený objektivem zvětšuje. Díky tomu zahlédne pozorovatel při pohledu dalekohledem více podrobností, než pouhýma očima. 4
Připadá vám Měsíc na fotografii poněkud atypický? Máte pravdu, oproti pohledu očima je stranově i výškově převrácený. A právě takto byste jej viděli prostřednictvím Keplerova dalekohledu. Přesněji řečeno, při pozorování dalekohledem se zvětšuje zorný úhel, pod kterým hledíme na pozorovaný objekt. A ten se nám pak jeví větší než ve skutečnosti. Poměr zorného úhlu, pod nímž pozorovatel nahlíží na sledovaný objekt prostřednictvím dalekohledu a zorného úhlu, pod kterým sleduje objekt očima, pak udává tzv. zvětšení dalekohledu. Tento parametr je velmi důležitý, protože charakterizuje výkon celé optické soustavy (existují ale i další podstatná měřítka pro posuzování kvality dalekohledu). Často se přitom stává, že je pojem zvětšení zaměňován s nesprávným a chybným výrazem přiblížení, který se ovšem nepoužívá. Ačkoliv dával Galileův dalekohled vzpřímený obraz, v praxi se nakonec prosadily dalekohledy Keplerovy konstrukce, u nichž byla správná orientace obrazu zajištěna vložením dalších optických součástek do tubusu. Proč? Příčin bylo hned několik. U Galileova dalekohledu je možné používat pouze malá zvětšení, jas zorného pole navíc není rovnoměrný, ale u okrajů znatelně klesá. Keplerova konstrukce těmito nedostatky netrpí, a protože za okulárem Keplerova dalekohledu vzniká skutečný obraz pozorovaného předmětu, je možné tento obraz promítnout na stínítko (to se hodí třeba při projekčním pozorování Slunce). Ze stejného důvodu je navíc možné do okuláru Keplerova dalekohledu umístit záměrnou značku, například vláknový kříž, sloužící k přesnějšímu zjištění středu pozorovaného pole. To předurčilo Keplerův dalekohled i k výrobě složitějších měřicích přístrojů vhodných pro geodesii, navigaci apod. 5
Triedr Triedr neboli binokulární dalekohled je zcela jistě nejrozšířenějším typem dalekohledu. Pozorování oběma očima i malé rozměry z něj dělají uživatelsky velmi přívětivý přístroj. A i když si jej většina lidí pořizuje zejména na sledování pozemských cílů, naplno jej využijete i v astronomii. Jak už název napovídá, je binokulární dalekohled (tzv. binokulár) přístrojem určeným k pozorování vzdálených objektů oběma očima. Na první pohled je konstrukce binokuláru velmi jednoduchá jedná se o dva samostatné dalekohledy, které jsou vzájemně rovnoběžné a jsou spojeny prostřednictvím krátké osy, kolem níž se mohou částečně otáčet. Díky tomu je možné měnit vzdálenost mezi oběma dalekohledy a nastavit tak rozestup okulárů shodný s rozestupem očí pozorovatele. Na středové ose triedru, k níž jsou obvykle připojeny oba dalekohledy, bývá umístěno ostření. Otáčením ostřícího šroubu lze měnit vzdálenost okulárů od objektivů a dalekohled přeostřovat. Kvalitní triedry mají navíc i samostatné ostření na jednom, zpravidla pravém, okuláru. To pro případ, že by pozorovatel trpěl vadou zraku a potřeboval si levý a pravý dalekohled zaostřit zvlášť. Konstrukce triedru je odvozena od Keplerova dalekohledu a triedr má objektiv i okulár tvořený spojnými čočkami. Na rozdíl od jednoduchého Keplerova přístroje jsou ale v každém z dalekohledů triedru umístěny také dva skleněné hranoly, které se nacházejí mezi objektivem a okulárem. Světelné paprsky, které vstoupí do skleněného hranolu, se dvakrát odrazí od jeho vnitřních stěn, přičemž se při každém odrazu změní jejich směr o 90. Na dvojici hranolů tak dochází celkem ke čtyřem různým odrazům. Každý odraz ovšem znamená také změnu orientace obrazu, ve výsledku je však kombinace jednotlivých odrazů taková, že je obraz triedru stranově i výškově správně orientovaný. Použití hranolů v triedru má ještě jednu výhodu výrazně totiž zkracuje délku dalekohledu. Část dráhy, po které putují světelné paprsky, je totiž obsažena právě uvnitř hranolů. Díky tomu mají triedry malé rozměry a jsou skladné. Z obrázku je zřejmé, že světelné paprsky neprostupují triedrem přímočaře, ale opakovaně se lámou a odrážejí na soustavě hranolů. Pokud by hranoly uvnitř dalekohledu nebyly, byl by triedr výrazně delší. 6
Triedr vybírejte podle parametrů uvedených zpravidla přímo na jeho těle. Obvykle mají podobu zkratky, která obsahuje dvojici čísel oddělených symbolem x. Například pokud je na triedru napsáno 10x50, znamená to, že jeho dalekohledy zvětšují 10krát a mají objektivy o průměru 50 milimetrů. Většina triedrů poskytuje pouze jedno zvětšení, existují ovšem i takové, u nichž lze plynule měnit ohniskovou vzdálenost okulárů (a tím pádem i zvětšení) v určitém rozsahu. Označují se jako tzv. dalekohledy se zoomem a na jejich těle je napsáno např. 10-25x50, což znamená, že se jedná o přístroj s průměrem objektivů 50 mm a proměnným zvětšením v intervalu 15x až 25x. Běžné triedry mají relativně malá zvětšení v rozmezí 7x až 12x. Pozorovatel totiž dalekohled obvykle drží v ruce a při větších zvětšeních by se velmi intenzivně projevilo chvění. Při výběru triedru proto myslete i na to, kolik váží. Zaměřte se i na tzv. zorné pole dalekohledu. Ve stručnosti lze říci, že je to úsek oblohy nebo krajiny, který pozorovatel v dalekohledu vidí. Udává se v obloukových stupních a u triedru s objektivy do 60 mm má obvykle průměr kolem 7. Velké zorné pole je velmi užitečné, neboť usnadňuje vyhledávání objektů a umožňuje pohodlně pozorovat i objekty s velkým úhlovým průměrem. Třeba otevřené hvězdokupy či jasné komety. Kvalitní triedr však posuzujte i podle dalších parametrů. Zkontrolujte, zda jsou jeho optické plochy opatřeny antireflexními vrstvami, jež zabraňují ztrátám světla zbytečnými odrazy. Pozornost věnujte také povrchové úpravě dalekohledu. Při výpravách za hvězdami určitě oceníte robustnější provedení a vlhkosti odolný, pogumovaný povrch. Triedr je takřka univerzální dalekohled, který ocení jak začátečníci, tak zkušení pozorovatelé. Ti první pro jeho jednoduchost a snadné použití, ti druzí pro nezapomenutelné širokoúhlé pohledy, které jim velké dalekohledy poskytnou jen stěží Ostatně, nejeden slavný astronom začínal svou pozorovatelskou kariéru právě s triedrem v ruce. Obrazové materiály: www.britannica.com, www.wikipedia.com, NASA, www.vixenoptics.com, www.celestron.com 7