Jak działają teleskopy: wyjaśnienie teleskopów optycznych, radiowych i obserwatoriów kosmicznych

Podstawowym zadaniem teleskopu jest zbieranie więcej promieniowania elektromagnetycznego niż można uchwycić okiem ludzkim i skupienie go w ostrości. Średnica głównego lustra, soczewki lub anteny teleskopu — jego apertura — określa dwie rzeczy: ile słabego światła może zbierać i jak dokładnie może oddzielać detale, zgodnie z Narodowym Obserwatorium Radioastronomii USA (NRAO). Większa apertura oznacza, że stają się widoczne słabsze, bardziej odległe obiekty i bardziej szczegółowe struktury.

Teleskopy optyczne: soczewki, lustra i problem atmosfery

Klasyczne teleskopy optyczne zbierają światło widzialne za pomocą soczewek (refraktory) lub luster (reflektory). Kosmiczny Teleskop Hubble'a, na przykład, używa konstrukcji reflektora: światło pada na wklęsłe pierwotne lustro o średnicy 2,4 metra, odbija się na mniejsze lustro wtórne o średnicy około 0,3 metra i powraca przez otwór w lustro pierwotnym, aby dotrzeć do instrumentów naukowych, zgodnie z NASA Goddard Space Flight Center. Ta dwulusterkowa konfiguracja, zwana projektem Ritchey-Chrétien, jest zbudowana, aby utrzymać ostre obrazy na całym szerokim polu widzenia.

Na ziemi, nawet najlepsze stanowiska cierpią na turbulencję atmosferyczną, która powoduje migotanie gwiazd i rozmycie drobnych szczegółów, zgodnie z Europejskim Obserwatorium Południowym (ESO), które obsługuje Bardzo Duży Teleskop w Chile. Rozwiązaniem ESO jest optyka adaptacyjna: czujnik frontu fali mierzy, jak światło gwiazdy zostało zniekształcone, a sterowane komputerowo lustro odkształcalne koryguje zniekształcenia w czasie rzeczywistym. Gdy żadna jasna naturalna gwiazda nie znajduje się blisko celu, ESO wysyła potężny laser w górną atmosferę, aby utworzyć sztuczną gwiazdę odniesienia. ESO mówi, że ta korekcja może sprawić, że obrazy naziemne na długościach fal widzialnych są prawie tak ostre jak obrazy z teleskopów kosmicznych, przy ułamku kosztu teleskopu kosmicznego.

Dlaczego niektóre teleskopy muszą opuścić Ziemię

Atmosfera Ziemi nie tylko rozmywa obrazy — całkowicie blokuje całe długości fal. Według strony edukacji astronomicznej Las Cumbres Observatory, atmosfera pochłania lub odbija większość światła ultrafioletowego, promieni rentgenowskich, promieni gamma i większość promieniowania podczerwieni, przepuszczając głównie światło widzialne, część podczerwieni i części spektra radiowego. Dlatego obserwatoria zbudowane do badania tych zablokowanych długości fal — takie jak Obserwatorium Rentgenowskie Chandry, Kosmiczny Teleskop Gamma Fermiego i misje podczerwone, takie jak Spitzer i Herschel — muszą orbitować ponad atmosferą, a nie siedzieć na szczycie góry.

Teleskopy rentgenowskie również wymagają zupełnie innego projektu optycznego niż teleskopy widzące światło widoczne. Według Centrum Rentgenowskiego Chandry w Centrum Astrofizyki Harvarda-Smithsona, fotony rentgenowskie są tak energiczne, że przechodzą prosto przez konwencjonalne lustro, na które są skierowane wprost, tak jak pocisk przebiłby ścianę. Rozwiązaniem Chandry jest ustawienie luster pod kątem, tak aby promienie rentgenowskie trafiły pod małym kątem pasującym i odbiły się w ostrość, podobnie do kamienia podskakującego po wodzie. Chandra używa czterech par cylindrycznych luster polerowanych do gładkości kilku atomów i powleczonych irdem, wyrównanych w granicach około 1,3 mikrometra — mała część szerokości włosa ludzkiego, zgodnie z Centrum Rentgenowskim Chandry.

Giganci podczerwieni: widzenie przez pył i wstecz w czasie

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest zbudowany do wykrywania światła od widocznego czerwieni do podczerwieni średniej, obejmując około 0,6 do 28,8 mikronów, zgodnie z NASA. Jego pierwotne lustro rozciąga się na 6,6 metra na 18 sześciokątnych segmentach powleczonych złotem, dając mu powierzchnię zbierającą około 5,6 razy większą niż Hubble'a. Złoto zostało wybrane, ponieważ szczególnie dobrze odbija światło od czerwieni do podczerwieni średniej. NASA mówi, że ta kombinacja rozmiaru i zakresu długości fali pozwala Webbowi wykrywać słabe podczerwone światło galaktyk oddalonych o ponad 13,5 miliardów lat świetlnych, i to światło podczerwone może przechodzić przez gęste chmury kurzu, które blokują większość światła widzialnego, które mogą wykrywać instrumenty Hubble'a. Webb krąży w punkcie L2 Słońce-Ziemia, około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, gdzie pozostaje wolny od ciepłego, rozpraszającego światło wpływu zarówno Słońca, jak i Ziemi.

Teleskopy radiowe: talerze działające jako jedno gigantyczne oko

Teleskopy radiowe zbierają najdłuższe długości fal, które używają astronomowie, od około 1 milimetra do ponad 10 metrów, zgodnie z NRAO. Każda antena ma paraboliczny talerz, który skupia przychodzące fale radiowe na odbiornik, który wzmacnia sygnał do analizy — proces, który NRAO opisuje jako funkcjonujący podobnie jak teleskop optyczny, ale dostrojony na znacznie słabsze, znacznie dłuższe fale. NRAO odnotowuje, że badane sygnały radiowe są niezwykle słabe — zgodnie z jego oszacowaniem, typowy sygnał telefonu komórkowego jest około miliarda miliardów razy silniejszy niż kosmiczne fale radiowe, które wykrywają te teleskopy.

Pojedynczy talerz napotyka problem rozdzielczości: ponieważ rozdzielczość kątowa zależy od długości fali podzielonej przez średnicę anteny, a fale radiowe są tak długie, że nawet duży talerz, taki jak Green Bank Telescope, nie może samodzielnie dorównać szczegółowości teleskopu optycznego, mówi NRAO. Rozwiązaniem jest interferometria — łączenie wielu talerzy rozsianych na duże odległości, aby działały jako jeden znacznie większy teleskop. NRAO przytacza Bardzo Dużą Tablicę, której 27 aktywnych talerzy (plus jeden zapasowy) w Nowym Meksyku można rozprowadzić w konfiguracjach wykorzystujących około 40 mil torów, oraz Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), które łączy 66 talerzy w Chile, jako przykłady tego podejścia, używane do mapowania galaktyk, wykrywania czarnych dziur i badania najwcześniejszych struktur kosmicznych.

Co ujawniają różne długości fal

• Teleskopy optyczne widzialnych, zarówno naziemne, jak i kosmiczne, przechwytują gwiazdy, galaktyki i mgławice najbliższe temu, co widziałoby ludzkie oko.
• Teleskopy podczerwone, takie jak Webb, widzą przez chmury pyłu i mogą dosięgnąć niektóre z największych, najstarszych znanych galaktyk, zgodnie z NASA.
• Teleskopy rentgenowskie, takie jak Chandra, są budowane do badania eksplodowanych gwiazd, skupisk galaktyk i materii wirującej wokół czarnych dziur.
• Tablice teleskopów radiowych, takie jak VLA i ALMA, mapują zimny gaz, odległe galaktyki i środowiska czarnych dziur, łącząc wiele talerzy w jeden efektywny instrument, zgodnie z NRAO.