6.1: Darubini
- Page ID
- 175769
Malengo ya kujifunza
- Eleza vipengele vitatu vya msingi vya mfumo wa kisasa wa kupima vyanzo vya astronomical
- Eleza kazi kuu za darubini
- Eleza aina mbili za msingi za darubini zinazoonekana na mwanga na jinsi zinavyounda picha
Mifumo ya Kupima mionzi
Kuna vipengele vitatu vya msingi vya mfumo wa kisasa wa kupima mionzi kutoka vyanzo vya astronomical. Kwanza, kuna darubini, ambayo hutumika kama “ndoo” ya kukusanya mwanga unaoonekana (au mionzi kwenye wavelengths nyingine, kama inavyoonekana katika (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kama vile unaweza kupata mvua zaidi kwa uwezo wa takataka kuliko kwa kikombe cha kahawa, darubini kubwa hukusanya mwanga zaidi kuliko jicho lako linaweza. Pili, kuna chombo masharti ya darubini kwamba aina mionzi inayoingia kwa wavelength. Wakati mwingine kuchagua ni haki ghafi. Kwa mfano, tunaweza tu kutenganisha nuru ya buluu na nuru nyekundu ili tuweze kuamua joto la nyota. Lakini wakati mwingine, tunataka kuona mistari ya spectral ya mtu binafsi kuamua nini kitu kinafanywa, au kupima kasi yake (kama ilivyoelezwa katika sura ya Radiation na Spectra). Tatu, tunahitaji aina fulani ya detector, kifaa kinachohisi mionzi katika mikoa ya wavelength tumechagua na kurekodi kabisa uchunguzi.
Historia ya maendeleo ya darubini za astronomia ni kuhusu jinsi teknolojia mpya zilizotumika ili kuboresha ufanisi wa vipengele hivi vitatu vya msingi: darubini, kifaa cha kuchagua wavelength, na detectors. Hebu tuangalie kwanza maendeleo ya darubini.
Tamaduni nyingi za kale zilijenga maeneo maalum ya kuchunguza anga (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Katika uchunguzi huu wa kale, wangeweza kupima nafasi za vitu vya mbinguni, hasa kuweka wimbo wa muda na tarehe. Wengi wa observatories hizi za kale zilikuwa na kazi za kidini na za ibada pia. Jicho lilikuwa kifaa pekee kilichopatikana kukusanya nuru, rangi zote katika nuru zilionekana mara moja, na rekodi pekee ya kudumu ya uchunguzi ilifanywa na wanadamu wakiandika au kuchora kile walichokiona.
Wakati Hans Lippershey, Zaccharias Janssen, na Jacob Metius wote wanahesabiwa kwa uvumbuzi wa darubini karibu 1608—wakiomba ruhusa ndani ya wiki za kila mmoja—ilikuwa Galileo ambaye, mwaka 1610, alitumia tube hii rahisi na lenzi (ambayo aliita spyglass) kuchunguza anga na kukusanya mwanga zaidi kuliko wake macho peke yake inaweza. Hata darubini yake ndogo—iliyotumiwa zaidi ya usiku mingi—ilibadilisha mawazo kuhusu asili ya sayari na nafasi ya Dunia.
Jinsi Telescopes Kazi
Darubini zimekuja mbali tangu wakati wa Galileo. Sasa huwa na vifaa vingi; gharama kubwa zaidi mamia ya mamilioni kwa mabilioni ya dola. (Ili kutoa hatua fulani ya kumbukumbu, hata hivyo, kukumbuka kwamba tu ukarabati wa viwanja vya soka vya chuo vya chuo kawaida hupunguza mamia ya mamilioni ya dola-na ukarabati wa gharama kubwa zaidi wa hivi karibuni, kwenye Kyle Field ya Chuo Kikuu cha Texas A & M, na kugharimu $450 milioni.) Sababu wanaastronomia wanaendelea kujenga darubini kubwa na kubwa ni kwamba vitu vya mbinguni kama vile sayari, nyota, na galaxies-kutuma mwanga mwingi zaidi duniani kuliko jicho lolote la binadamu (pamoja na ufunguzi wake mdogo) linaweza kukamata, na darubini kubwa zinaweza kuchunguza vitu vikali. Ikiwa umewahi kuziangalia nyota pamoja na kundi la marafiki, unajua kuwa kuna mwanga mwingi wa nyota unaozunguka; kila mmoja wenu anaweza kuona kila nyota. Kama watu elfu zaidi walikuwa wakitazama, kila mmoja wao angeweza pia kupata mwanga wa kila nyota. Hata hivyo, kwa kadiri unavyohusika, mwanga usioangaza ndani ya jicho lako umepotea. Ingekuwa nzuri kama baadhi ya mwanga huu “uliopotea” pia unaweza kukamatwa na kuletwa kwa jicho lako. Hii ndiyo hasa darubini inafanya.
Kazi muhimu zaidi za darubini ni (1) kukusanya nuru iliyozimia kutoka chanzo cha astronomia na (2) kulenga nuru yote kuwa ncha au picha. Vitu vingi vinavyovutia wanaastronomia vimezimia sana: nuru zaidi tunaweza kukusanya, ni bora tunaweza kujifunza vitu hivyo. (Na kumbuka, ingawa tunazingatia mwanga unaoonekana kwanza, kuna darubini nyingi zinazokusanya aina nyingine za mionzi ya sumakuumeme.)
Darubini zinazokusanya mionzi inayoonekana hutumia lenzi au kioo kukusanya nuru. Aina nyingine za darubini zinaweza kutumia vifaa vya kukusanya ambavyo vinaonekana tofauti sana na lenses na vioo ambavyo tunajua, lakini vinatumikia kazi sawa. Katika aina zote za darubini, uwezo wa kukusanya mwanga unatambuliwa na eneo la kifaa kinachofanya kama “ndoo” ya kukusanya mwanga. Kwa kuwa darubini nyingi zina vioo au lenses, tunaweza kulinganisha nguvu zao za kukusanya mwanga kwa kulinganisha apertures, au kipenyo, cha ufunguzi ambao mwanga husafiri au huonyesha.
Kiasi cha mwanga darubini kinaweza kukusanya ongezeko na ukubwa wa kufungua. Darubini yenye kioo iliyo na kipenyo cha mita 4 inaweza kukusanya nuru mara 16 kama darubini ambayo ni kipenyo cha mita 1. (Kipenyo ni mraba kwa sababu eneo la mduara\(d\) ni sawa\(\pi d^2/4\), wapi mduara wa mduara.)
Mfano\(\PageIndex{1}\): Kuhesabu Eneo la Kukusanya Mwanga
Ni eneo gani la darubini ya kipenyo cha 1-m? Kipenyo cha 4-m moja?
Suluhisho
Kutumia equation kwa eneo la mduara,
\[A= \frac{\pi d^2}{4} \nonumber\]
eneo la darubini ya 1-m ni
\[\frac{\pi d^2}{4}= \frac{\pi (1 \text{ m})^2}{4}=0.79 ~ \text{m}^2 \nonumber\]
na eneo la darubini ya 4-m ni
\[\frac{\pi d^2}{4} = \frac{ \pi (4 \text{ m})^2}{4}=12.6 \text{ m}^2 \nonumber\]
Zoezi\(\PageIndex{1}\)
Onyesha kuwa uwiano wa maeneo hayo mawili ni 16:1.
- Jibu
-
\[\frac{12.6 \text{ m}^2}{0.79 \text{ m}^2}=16. \nonumber\]
Kwa hiyo, kwa mara 16 eneo hilo, darubini ya 4-m inakusanya mara 16 mwanga wa darubini ya 1-m.
Baada ya darubini kuunda picha, tunahitaji njia fulani ya kuchunguza na kurekodi ili tuweze kupima, kuzaliana, na kuchambua picha kwa njia mbalimbali. Kabla ya karne ya kumi na tisa, wanaastronomia waliangalia tu picha kwa macho yao na kuandika maelezo ya yale waliyoyaona. Hii ilikuwa haina ufanisi sana na haikusababisha rekodi ya muda mrefu ya kuaminika sana; unajua kutokana na maonyesho ya uhalifu kwenye televisheni kwamba akaunti za ushahidi wa macho mara nyingi hazina sahihi.
Katika karne ya kumi na tisa, matumizi ya kupiga picha yalienea. Katika siku hizo, picha zilikuwa rekodi ya kemikali ya picha kwenye sahani maalum ya kioo. Leo, picha kwa ujumla hugunduliwa na sensorer zinazofanana na zile zilizo kwenye kamera za digital, zimeandikwa kielektroniki, na kuhifadhiwa kwenye kompyuta. Rekodi hii ya kudumu inaweza kutumika kwa ajili ya masomo ya kina na upimaji. Wanaastronomia wataalamu mara chache hutazama kupitia darubini kubwa wanazozitumia kwa utafiti wao.
Uundaji wa Picha na Lens au Mirror
Ikiwa unavaa glasi au la, unaona ulimwengu kupitia lenses; ni mambo muhimu ya macho yako. Lens ni kipande cha uwazi cha nyenzo ambacho hupiga mionzi ya mwanga inayopitia. Ikiwa mionzi ya mwanga ni sawa na inapoingia, lens huwaleta pamoja mahali pekee ili kuunda picha (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Ikiwa curvatures ya nyuso za lens ni sawa, mionzi yote ya sambamba ya mwanga (kwa mfano, kutoka nyota) hupigwa, au kukataliwa, kwa namna ambayo hujiunga kuelekea hatua, inayoitwa lengo la lens. Katika lengo, picha ya chanzo cha mwanga inaonekana. Katika kesi ya mionzi ya mwanga sawa, umbali kutoka kwa lens hadi mahali ambapo mionzi ya mwanga inalenga, au picha, nyuma ya lens inaitwa urefu wa lens.
Unapoangalia Kielelezo\(\PageIndex{3}\), unaweza kuuliza kwa nini mionzi miwili ya mwanga kutoka nyota hiyo itakuwa sawa na kila mmoja. Baada ya yote, ukichora picha ya nyota inayoangaza pande zote, mionzi ya nuru inayotoka nyota haionekani sambamba kabisa. Lakini kumbuka kwamba nyota (na vitu vingine vya angani) vyote ni mbali sana. Kwa wakati mionzi michache ya mwanga imeelekea kwetu kweli inakuja duniani, ni, kwa madhumuni yote ya vitendo, sawa na kila mmoja. Kuweka njia nyingine, mionzi yoyote ambayo haikuwa sawa na yale yaliyoelekezwa duniani sasa inaelekea katika mwelekeo tofauti sana ulimwenguni.
Kuangalia picha iliyoundwa na lens katika darubini, tunatumia lens ya ziada inayoitwa eyepiece. Kipande cha macho kinalenga picha kwa mbali ambayo inaweza kuonekana moja kwa moja na mwanadamu au mahali pazuri kwa detector. Kutumia vipande vya macho tofauti, tunaweza kubadilisha ukubwa (au ukubwa) wa picha na pia kuelekeza mwanga kwenye eneo linalopatikana zaidi. Nyota zinaonekana kama pointi za nuru, na kuzitukuza huleta tofauti kidogo, lakini picha ya sayari au galaksi, ambayo ina muundo, mara nyingi huweza kufaidika kutokana na kuukuzwa.
Watu wengi, wakati wa kufikiria darubini, picha tube ndefu na lens kubwa ya kioo upande mmoja. Mpangilio huu, ambao unatumia lenzi kama kipengele chake kikuu cha macho kuunda picha, kama tulivyokuwa tukijadili, inajulikana kama refractor (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)), na darubini inayotokana na muundo huu inaitwa darubini ya refracting. Darubini za Galileo zilikuwa refractors, kama ilivyo binoculars ya leo na glasi za shamba. Hata hivyo, kuna kikomo kwa ukubwa wa darubini ya refracting. Moja kubwa zaidi milele kujengwa mara 49-inch refractor kujengwa kwa ajili ya Paris 1900 Exposition, na ilikuwa dismantled baada Exposition. Hivi sasa, darubini kubwa ya kutafakari ni refractor ya inchi 40 katika Yerkes Observatory huko Wisconsin.
Tatizo moja na darubini ya refracting ni kwamba nuru lazima ipite kupitia lens ya refractor. Hiyo ina maana kioo lazima iwe kamili kwa njia yote, na imethibitisha vigumu sana kufanya vipande vikubwa vya kioo bila makosa na Bubbles ndani yao. Pia, mali ya macho ya vifaa vya uwazi hubadilika kidogo na wavelengths (au rangi) ya mwanga, kwa hiyo kuna kuvuruga kwa ziada, inayojulikana kama uharibifu wa chromatic. Kila wavelength inalenga katika doa tofauti kidogo, na kusababisha picha kuonekana kuwa nyepesi.
Kwa kuongeza, kwa kuwa mwanga unapaswa kupita kupitia lens, lens inaweza tu kuungwa mkono karibu na mipaka yake (kama vile muafaka wa miwani yetu). Nguvu ya mvuto itasababisha lens kubwa kuenea na kupotosha njia ya mionzi ya nuru wanapopitia. Hatimaye, kwa sababu mwanga unapita kwa njia hiyo, pande zote mbili za lens zinapaswa kutengenezwa kwa usahihi sura sahihi ili kuzalisha picha mkali.
Aina tofauti ya darubini hutumia kioo cha msingi cha concave kama elementi yake kuu ya macho. Kioo kinapigwa kama uso wa ndani wa nyanja, na inaonyesha mwanga ili kuunda picha (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Vioo vya darubini vimefunikwa na chuma cha shiny, kwa kawaida fedha, alumini, au, mara kwa mara, dhahabu, ili kuwafanya kutafakari sana. Ikiwa kioo kina sura sahihi, mionzi yote inayofanana inaonekana nyuma kwa hatua sawa, lengo la kioo. Hivyo, picha zinazalishwa na kioo hasa kama zilivyo kwa lens.
Telescopes iliyoundwa na vioo kuepuka matatizo ya refracting telescopes. Kwa sababu mwanga unaonekana kutoka kwenye uso wa mbele tu, makosa na Bubbles ndani ya kioo haziathiri njia ya mwanga. Katika darubini iliyoundwa na vioo, uso wa mbele pekee unapaswa kutengenezwa kwa sura sahihi, na kioo kinaweza kuungwa mkono kutoka nyuma. Kwa sababu hizi, darubini nyingi za astronomia leo (zote za amateur na za kitaalamu) hutumia kioo badala ya lenzi kuunda picha; aina hii ya darubini inaitwa darubini ya kutafakari. Darubini ya kutafakari ya kwanza yenye mafanikio ilijengwa na Isaac Newton mwaka 1668.
Katika darubini ya kutafakari, kioo cha concave kinawekwa chini ya tube au mfumo wa wazi. Kioo kinaonyesha mwanga nyuma juu ya tube ili kuunda picha karibu na mwisho wa mbele katika eneo linaloitwa mtazamo mkuu. Picha inaweza kuzingatiwa katika mtazamo mkuu, au vioo vya ziada vinaweza kupinga mwanga na kuielekeza kwenye nafasi ambapo mwangalizi anaweza kuiona kwa urahisi zaidi (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Kwa kuwa mwanaastronomia kwenye mtazamo mkuu anaweza kuzuia mwanga mwingi unaofika kwenye kioo kikuu, matumizi ya kioo kidogo cha sekondari inaruhusu mwanga zaidi ufikie mfumo.
KUCHAGUA DARUBINI YAKO MWENYEWE
Ikiwa kozi ya astronomia unachukua wheets hamu yako ya kuchunguza angani zaidi, unaweza kuwa unafikiri juu ya kununua darubini yako mwenyewe. Telescopes nyingi bora za amateur zinapatikana, na utafiti fulani unahitajika ili kupata mfano bora kwa mahitaji yako. Baadhi ya vyanzo vyema vya habari kuhusu darubini binafsi ni magazeti mawili maarufu ya Marekani yenye lengo la wanaastronomia amateur: Sky & Telescope na Astronomia. Wote hubeba makala ya kawaida na ushauri, maoni, na matangazo kutoka kwa wafanyabiashara wa darubini wenye sifa nzuri.
Baadhi ya mambo ambayo huamua ni darubini ipi inayofaa kwako hutegemea mapendekezo yako:
- Je, utaanzisha darubini katika sehemu moja na kuiacha huko, au unataka chombo kinachoweza kuambukizwa na kinaweza kuja nawe kwenye safari za nje? Je, ni portable gani, kwa suala la ukubwa na uzito?
- Unataka kuchunguza anga kwa macho yako tu, au unataka kuchukua picha? (Upigaji picha wa muda mrefu, kwa mfano, unahitaji gari nzuri ya saa ili kugeuza darubini yako ili kulipa fidia ya mzunguko wa Dunia.)
- Ni aina gani ya vitu utaangalia? Je, unavutiwa hasa katika comets, sayari, makundi ya nyota, au galaxi, au unataka kuchunguza kila aina ya vituko vya mbinguni?
Huenda usijui majibu ya baadhi ya maswali haya bado. Kwa sababu hii, unaweza kutaka “kupima gari” baadhi ya darubini kwanza. Jumuiya nyingi zina klabu za astronomia za amateur ambazo zinafadhili vyama vya nyota Wanachama wa klabu hizo mara nyingi wanajua mengi kuhusu darubini na wanaweza kushiriki mawazo yao na wewe. Mwalimu wako anaweza kujua mahali ambapo klabu ya karibu ya astronomia ya amateur hukutana; au, ili kupata klabu karibu nawe, tumia tovuti zilizopendekezwa katika Kiambatisho B.
Zaidi ya hayo, unaweza tayari kuwa na chombo kama darubini nyumbani (au kupata moja kwa njia ya jamaa au rafiki). Wanaastronomia wengi wa amateur wanapendekeza kuanzia utafiti wako wa anga na jozi nzuri ya binoculars. Hizi zinafanywa kwa urahisi na zinaweza kukuonyesha vitu vingi visivyoonekana (au wazi) kwa jicho lisilosaidiwa.
Wakati uko tayari kununua darubini, unaweza kupata mawazo yafuatayo muhimu:
- Tabia muhimu ya darubini ni ufunuo wa kioo kuu au lens; wakati mtu anaposema wana darubini ya inchi 6-inch au 8-inch, wanamaanisha kipenyo cha uso wa kukusanya. Upeo mkubwa, mwanga zaidi unaweza kukusanya, na kupoteza vitu ambavyo unaweza kuona au kupiga picha.
- Telescopes ya aperture iliyotolewa ambayo hutumia lenses (refractors) ni kawaida ghali zaidi kuliko wale wanaotumia vioo (reflectors) kwa sababu pande zote mbili za lenzi lazima zifanyike kwa usahihi mkubwa. Na, kwa sababu mwanga hupita kwa njia hiyo, lens lazima ifanywe kwa kioo cha juu kote. Kwa upande mwingine, uso wa mbele wa kioo lazima ufanyike kwa usahihi.
- Utukuzaji sio mojawapo ya vigezo ambavyo unategemea uchaguzi wako wa darubini. Kama tulivyojadiliwa, ukuzaji wa picha unafanywa na jicho ndogo, hivyo ukuzaji unaweza kubadilishwa kwa kubadilisha macho ya macho. Hata hivyo, darubini itakuza si tu kitu cha astronomia unachokiangalia lakini pia msukosuko wa anga ya Dunia. Ikiwa ukuzaji ni wa juu sana, picha yako itapiga na kuitingisha na kuwa vigumu kuona. Darubini nzuri itakuja na aina mbalimbali za eyepieces ambazo zinakaa ndani ya upeo wa ukuzaji muhimu.
- Mlima wa darubini (muundo ambao unakaa) ni mojawapo ya vipengele vyake muhimu zaidi. Kwa sababu darubini inaonyesha uwanja mdogo wa mtazamo, ambao umetukuzwa kwa kiasi kikubwa, hata vibration ndogo au jarring ya darubini inaweza kusonga kitu unachokiangalia karibu au nje ya uwanja wako wa mtazamo. Mlima thabiti na imara ni muhimu kwa kutazama au kupiga picha (ingawa inaathiri wazi jinsi darubini yako inayoweza kuambukizwa).
- Darubini inahitaji baadhi ya mazoezi ya kuanzisha na kutumia kwa ufanisi. Usitarajia kila kitu kwenda kikamilifu kwenye jaribio lako la kwanza. Chukua muda wa kusoma maelekezo. Ikiwa klabu ya astronomia ya amateur iko karibu, tumia kama rasilimali.
Muhtasari
Darubini inakusanya nuru yenye kukata tamaa kutoka vyanzo vya astronomia na kuiingiza kwenye lengo, ambapo chombo kinaweza kutengeneza nuru kulingana na wavelength. Mwanga huelekezwa kwa detector, ambapo rekodi ya kudumu inafanywa. Nguvu ya kukusanya nuru ya darubini imedhamiriwa na kipenyo cha ufunuo wake, au ufunguzi—yaani kwa eneo la lenzi yake kubwa au ya msingi au kioo. Elementi ya msingi ya macho katika darubini ni ama lens mbonyeo (katika darubini ya refracting) au kioo concave (katika reflector) kinacholeta nuru kwa lengo. Telescopes kubwa zaidi ni tafakari; ni rahisi kutengeneza na kuunga mkono vioo vikubwa kwa sababu nuru haifai kupita kwenye kioo.
faharasa
- kipenyo
- kipenyo cha lens ya msingi au kioo cha darubini
- upotovu wa chromatic
- kuvuruga ambayo husababisha picha kuonekana fuzzy wakati kila wavelength kuja katika nyenzo uwazi inalenga katika doa tofauti
- kigunduzi
- kifaa nyeti kwa mionzi ya sumakuumeme ambayo inafanya rekodi ya uchunguzi wa anga
- lenzi ya kukuzia
- kukuza lenzi kutumika kuona picha zinazozalishwa na Lens lengo au kioo msingi ya darubini
- lenga
- (ya darubini) uhakika ambapo rays ya mwanga converged na kioo au lens kukutana
- mkuu lengo
- uhakika katika darubini ambapo Lens lengo au kioo msingi inalenga mwanga
- kuonyesha darubini
- darubini ambayo kuu mwanga mtoza ni kioo concave
- darubini ya refracting
- darubini ambayo kuu mwanga mtoza ni lens au mfumo wa lenses
- darubini
- chombo kwa ajili ya kukusanya inayoonekana-mwanga au mionzi mengine ya umeme