Широкоугольные оптические телескопы

В.Ю.Теребиж

Астрономия 2006:традиции,

настоящее и будущее

Санкт-Петербург июнь 2006

2w 1

Задачи наблюдений

Создается сеть обзорных телескоповдиаметром до ~6.5 м и полем зрения ~23

ГлобальныеОбзор неба Вильяма Гершеля, XVIII век. «Метод черпков»Паломарский обзор неба

КонкретныеБюраканский обзор галактик с УФ континуумомЭволюция функции светимости активных галактик. SDSSШкала расстояний: SN Ia. Космологические модели. SNAPТемное веществоГравитационные линзы, гамма-всплескиПланеты около звездАстероиды, сближающиеся с Землей …

Приоритетная задача:Иметь информацию о положениях и яркости всех объектов до ~ 24m с периодичностью обновления

данных порядка нескольких суток

Что ограничивает поле зрения?

Изображение звезды на оси идеальногопараболоида D = 4 м, = 3.0

А 4 мкм 0.06m

mA D2

,

Дифракция света:идеальный телескоп изображает звезду в виде картины Эри

Диск Эри содержит~84% всего потока

Диаметр диска Эри

A 2.44

F/D ≡

f/number f/#

96 мкм 1.6

Аберрации телескопов и атмосфера

Изображение звезды на расстоянии 1от оси идеального параболоида

D = 4 м, = 3.0

80 диаметр круга,

в пределах которого содержится 80% энергиив изображении точечного источника света

Атмосфера: 80 > 0.6

Размер поля зрениязадается условием

80 1.0

137 мкм 2.4

Влияние комы 2

Классические телескопыи апланаты 3-го порядка

Классический Грегори: P + EГрегори-апланат: E + E

Классический Кассегрен: P + HРичи-Кретьен: H + H

Диаметр поля зрения

Классические телескопы: < 10 Апланаты 3-го порядка: ~ 20

Нужно поле зрения диаметром не менее 1

Large Binocular Telescope(LBT)

Классическая система Грегори

D = 8.4 м

= 15

1 ≡ F1 /D = 1.14

Эффективность обзора

2

2 4/

w

DA

AE

e

Etendue,Throughput:

RC, 4 м:E 1 м2гр2

SDSS, 2.5 м:E 28 м2гр2

Рефлекторы: два пути

Увеличение количества зеркал-

коникоидов

SNAP

Трехзеркальныйанастигмат Корша

D = 2.0 м = 10.72w = 1.5 (570 мм) 0.7 виньетировано

Дифракционныеизображения:

mlim 27.5 30

D. Korsch (1972)Исправлены все 5 аберраций 3-го порядка:

сферическая, кома, астигматизм,дисторсия, кривизна поля

E

H

E

F

Двухзеркальные апланаты Шварцшильда

Обычный подход: конические сечения + полиномиальные добавки

Карл Шварцшильд (1905): строгий апланатСферическая аберрация: точно, все порядкиКома: условие синусов Аббе, 3-й порядок

1.7 = 1.2

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 рольХроматизмОбщий 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)

Карл Шварцшильд: «Шмидт художник своего дела»

Bernhard Schmidt (1879 1935) Принцип Шмидта

S

Пробный снимок, сделанный Бернхардом Шмидтомв 1930 г. с помощью изготовленной им самим первой

широкоугольной камеры

D = 36 см

F/D ≡ = 1.7

2w = 4

Паломарский обзор неба 1.22 м, 6.5Бюраканский обзор УФ-галактик 1.0 м, 5.5

Система Максутова(1941)

> 3: все сферы

Ахроматический менискНе соблюдается основной принцип построения катадиоптрических системИсключительно жесткие допуски, ретушь

Д. Д. Максутов(1896 1964)

Роботизированные системыUniv. MichiganLos Alamos National Lab.Univ. New South WalesLawrence Livermore National Lab.Lick Observatory

Harland Epps

13.5 мкм3.3

ROTSE-III

D = 450 мм = 1.92w = 2.6

Система РихтераСлефогта

D = 643 мм = 1.4

Двухлинзовыйафокальныйкорректор +сферическое зеркало

Очень мягкие допуски

Поле зрения ~ 0.5

Тесный дублет из одного сортастекла с почти нулевой оптическойсилой обладает малымхроматизмом

R. Richter, H. Slevogt (1941)

Модифицированная система Рихтера-Слефогта

RS

D = 350 мм = 2.52w = 0.513.5 мкм

3.2

MRS

Теребиж, 2001

D = 350 мм = 2.52w = 3.5

Можно ~6

Исходная система

Модифицированная

Новые системы

WF-03:D = 500 мм = 2.02w = 5.0

13.5 мкм2.8

13.5 мкм13.3

WF-05: = 1.82w = 14.1

Линзовый корректор в первичном фокусе

Нужно поле не менее 1.5 2

NGLT, VISTA:

D ~ 4 м, 2w ~ 24-5 линзДиаметр наибольшей ~1.25 м Асферические поверхности

Корректор Винна с полем 50для 4-м телескопа Kitt Peak

R. Sampson (1913): ~10

F. Ross (1935): 15

Д. Максутов и др. (1964): 2.5

C. Wynne (1968): 1

Корректор с полем зрения 3

Поле зрения: 3 (600 мм)Поверхности: все сферыДиапазон спектра: 0.32 1.10 mИзображения: 80 < 0.8 в интегральном светеСтекло: любое одного типаПрозрачность: если плавленый кварц, то выше 83%

Корректор для4-м телескопа CTIOV. Blanco – DECAM

( Теребиж, 2003 )

Etendue

E ≡ A = 78 м2 гр2

Корректор в кассегреновском фокусеPanSTARRS

D = 1.8 м = 4.42w = 3.0E1 = 13 м2 гр2

Первая серия 4 телескопа

Дешевле Светосила меньше Надежность отождествления выше Компенсация наклонов фронта ...

Исключительно сложнаяформа поверхностей

SDSS

D = 2.5 м = 5.02w = 3.0E = 28 м2гр2

Корректор в выходном зрачке системы Грегори

Модельный пример:

D = 6.5 м, L = 8.8 м = 1.92w = 2.5 3.0Виньетирование на краю поля < 2%E = 170 м2гр2 при 3.0

( Теребиж, 2006 )

E P

E S

Выходной зрачок

LSST (Large Synoptic Survey Telescope)

Deff = 6.5 м = 1.252w = 3.0

E = 235 м2 гр2

Принцип Шмидта: афокальная система Мерсенна + cферическое зеркало

M. Paul (1935)J. Baker (1969)R. Willstrop (1984)J. Angel et al. (2000)

8.4 м

3.4 м

5.2 м

1.35 м

LAMOST D = 4.0 м = 5.02w = 5.0

E = 240 m2 deg2 Зеркальная камера Шмидта

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

Нужныновые идеи

Корректор Максутова и др. [1964]

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 )

1