Optische Teleskopie 23. 10. 2007 von Andreas Reuß
Inhalt Historisches Physik optischer Instrumente Klassifikation optischer Teleskope Seeing und Korrekturmethoden Ausblick
Frühe Astronomie (~3000-2000 v. Chr.)
Eine kurze Geschichte der Astronomie 15. 02. 3379 BC: erste gesicherte Beobachtung einer Mondfinsternis (Maya) ca 200 BC: Aus Beobachtungen der Sonnen- und Mondbewegungen leitet Erasthotenes den Heliozentrismus ab 1608 AD: Hans Lippershey baut das erste Fernrohr, Galilei ein Jahr später 1616 AD: Jesuitenpater Nicolaus Zucchius erfindet das Spiegelteleskop
Physik, grundlegende Formeln Snellius: n 1 sin(α) ) = n 2 sin(β) Abbildungsgleichung: 1/g + 1/b = 1/f Vergrößerung: V = B/G minimaler Sehwinkel: θ min = 206.265 λ/d 206.265 = 3600 x 180/π,, # Bogensekunden; d: Durchmesser der Aperturblende Rayleigh-Auflösung: A = 1,22 n θ min
Physik, grundlegende Formeln Numerische Apertur N A = n sin(θ/2) θ: : objektseitiger Öffnungswinkel des Lichtkegels θ = 2 arctan(d/(2 Abstand Eintrittspupille-Gegenstand )) Öffnungsverhältnis: O = d/f Lichtsammelvermögen: L ~ A/λ 2 ~ (d/λ) 2 Plattenskala: s = 0,0175 f s: Verhältnis normaler Sehwinkel/Bildgröße
Physik, Helligkeit Scheinbare ~: m 1 m 2 = -2,5 lg(e 1 /E 2 ) E: Bestrahlungsstärke, E =dφ/da, Strahlungsfluss Φ ist die Leistung, die durch eine Fläche fließt Absolute ~: M 1 M 2 = -2,5 lg(l 1 /L 2 ) L: Leuchtkraft, Gesamtenergie/Zeit Flächen~: S = m - 2,5 lg(winkelfläche)
Physik, Helligkeit ~ wird in Magnituden gemessen, d.h. Größenordnungen sie ist ein logarithmsches Maß: E 1 /E 2 = 100 -> m 1 /m 2 = 10 5 ein Stern ist leichter zu entdecken, als ein ausgedehntes Objekt mit gleicher scheinbarer ~
Physik, Linsenfehler Sphärische Aberration Verzeichnung durch Lauflängenunterschiede achsferner Strahlen Asphärische Elemente Koma (Asymmetriefehler) nicht paraxiale Strahlen werden wegen Unvollkommenheiten der opt. Elemente nicht in einem Punkt gebündelt Aplanate
Physik, Linsenfehler Astigmatismus nicht paraxiale Bündel besitzen unterschiedliche sagittale/meridonale Schnittflächen Anastigmate Verzeichnung Abbildungsmaßstab hängt von der Distanz zur opt. Achse ab
Physik, Linsenfehler Bildfeldwölbung Bild wird nicht in eine plane, sondern in eine gewölbte Ebene abgebildet Chromatische Aberration (Linsen) dn/dλ 0 Korrektur durch Verwendung verschiedener Materialien oder O klein (sehr lange Teleskope) Achromate: rot-blau korrigiert Apochromate (APO): rot-grün-blau korrigiert
Optik Klassifikation, grundlegende Bestandteile Linsenfernrohr (Refraktor) Spiegelfernrohr (Reflektor) Detektor Auge, Kamera, Fotoplatte, CCD, Montierungen Parallaktisch, Azimutal, (Hexapod-~)
Klassifikation, Refraktor Galilei-/Holländisches ~ kein Zwischenbild Bild aufrecht kompakt kleines Sehfeld schlechte Lokalisierung Keplersches/Astron. ~ reelles, seitenverkehrtes Bild
Klassifikation, Refraktor Kometensucher kompakt große Öffnung und Flächenhelligkeit Astrografen lichtstarke Kameras mit großem f verzeichnungsfrei und apochromat geringer Wärmedehnungskoeffizient der Linsen Zenitteleskop Präzisionsinstrument zur Ortsbestimmung von Sternen Ausrichtung vertikal in örtlicher Meridianebene
Klassifikation, Refraktor Faltrefraktor geknickte Bauweise Umlenkung über planparallele Spiegel Verkürzung des Tubus Coudé-Refraktor (Ellbogen) Strahlengang wird durch Montierung in festen Fokus umgelenkt zwei Spiegel üblich
Klassifikation, Reflektor Newton-~ (1668 AD) wegen einfacher Bauweise bei Amateuren beliebt RCC-~ (Theorie: Abbè) konvexer Fangspiegel komafreie, aplanate Mehrspiegeloptik basierend auf Cassegrain-Modell
Klassifikation, Reflektor Gregory-~ konkaver Fangspiegel Bildumkehr Segmentation segmentierter HS des Southern African Large Telescope sprengt Größenlimit, für Linsen nicht möglich
Klassifikation, Vergleich Der große Refraktor des Yerkes-Observatoriums, d = 102cm f = 19,7m Einweihung 1897 AD Gran Telescopio Canarias (GTC) auf La Palma d = 10,4m HS aus 36 Hexagonen Aktive Optik
Klassifikation, Detektoren Auge Fotoplatte zur Astrofotografie Langzeitbelichtung zeigt lichtschwache Objekte CCD (Charge-Coupled Device) photoempfindliche Diode mit feiner, matrixartiger Pixelung Stärke des aus einem Pixels fließenden el. Stroms gibt die eingestrahlte Lichtenergie wieder
Klassifikation, Montierung Was muss eine Montierung können? Teleskop tragen und ausrichten Ausgleich der Erdrotation, d.h. die ~ muss fähig sein über lange Zeit bestimmte Koordinaten fest zu halten bewegte Objekte verfolgen (z. B. durch zusätzliche Achsen/Antriebe)
Klassifikation, Montierung Parallaktisch Stunden-/Rektaszensionsachse parallaktisch Deklinationsachse äquatorial orientiert Azimutal schwenkbar um senkrechte Hauptachse Objektiv schwenkbar um 90 rotierendes Gesichtsfeld mechanisch stabiler, aber komplizierte Steuerung
Seeing und Korrekturen das Seeing bezeichnet die Unschärfe, die durch turbulente Störungen der Atmosphäre entsteht gemessen in Bogensekunden, meist 2-5, am Cerro Paranal z. B. nur 0,18 Blinken der Sterne (Szintillation, also Brechzahlschwankungen der Atmosphäre), heiße Luft überm Asphalt je kleiner λ,, desto stärker ist das Seeing
Seeing und Korrekturen Speckle-Interferometrie ist eine Methode die Flecken (speckles) aus dem Seeing zu kompensieren Feinstruktur ändert sich in t < 1s völlig Punkt wandert und wird mehrfach abgebildet A ist begrenzt auf den mittleren Durchmesser des Specklemusters Bild verschmiert bei Langzeitbelichtung Reihe mehrerer kurzer Einzelaufnahmen (1ms bis 1s) wird nichtlinear gemittelt
Seeing und Korrekturen Adaptive Optiken pas- sen sich den Störungen an Aktive Optiken gleichen Eigengewicht aus gibt es mit Segment- und Einspiegeln Spiegel aus Glaskeramik (z. B. Zerodur) mit kleinem Wärmeaus- dehnungskoeffizienten
Konsequenz der Korrekturen Interferometrie A prop. größtem Abstand der beteiligten Teleskope v. a. Radioastronomie optisch: direkte Überlagerung der Signale, da l k ~ 3μm3 VLTI am Paranal- Observatorium (Atacama, Chile) mit d = 8,2m
Ausblick Hubble Space Telescope 1990 bis 2013 + x d = 2,4m f = 57,6m Ritchey-Chretién deckt IR bis UV ab James Webb ~ ab 2013 d = 6,5m (Beryllium) reines IR-Teleskop
Ausblick Giant Magellan Telescope geplant bis 2016 7 Gregory-~ mit d eff = 21,4m, f = 18m Overwhelmingly Large Telescope d = 100m (!) 2005 gestoppt, da Kosten über 1 Milliarde Euro European Extremely Large Telescope d = 42m aus 906 hexagonalen Segmenten geplant bis 2017
Danke für die Aufmerksamkeit und einen schönen Abend!