Розглянемо основні типи спектральних приладів, вживаних в астрономії. Вперше спектри зірок і планет почав спостерігати в минулому столітті італійський астроном Секки. Потім його роботами спектральним аналізом зайнялися багато астрономів. Спочатку використовувалися візуальний спектроскоп, потім спектри почали фотографувати, а зараз застосовуються також і фотоелектричний запис спектру. Спектральні прилади з фотографічною реєстрацією спектру зазвичай називають спектрографами, а з фотоелектричною – спектрометрами.

На малюнку дана оптична схема призматичного спектрографа. Перед призмою знаходяться щілина і об'єктив, які утворюють коліматор. Коліматор посилає на призму паралельний пучок променів. Коефіцієнт заломлення матеріалу призми залежить від довжини хвилі. Тому після призми паралельні пучки, відповідні різним довжинам хвиль, розходяться під різними кутами і другий об'єктив (камера) дає у фокальній плоскості спектр, який фотографується. Якщо у фокальній площині камери поставити другу щілину, то спектрограф перетворитися на монохроматор. Переміщаючи другу щілину по спектру або повертаючи призму, можна виділяти окремі більш менш вузькі ділянки спектру. Якщо тепер за вихідною щілиною монохроматора помістити фотоелектричний приймач, то вийде спектрометр.

Спектральні наземні дослідження

В даний час поряд з призматичними спектрографами і спектрометрами широко застосовуються і дифракційні. У цих приладах замість призми диспергирующим (тобто розкладаючим на спектр) елементом є дифракційні грати. Найчастіше використовується відбивні грати.

Відбивні грати є алюминированое дзеркалом, на якому нанесені паралельні штрихи. Відстань між штрихами і їх глибина порівнянні з довгої хвилі. Наприклад, дифракційні грати, що працюють у видимій області спектру, часто робляться з відстанню між штрихами 1,66 мк (600 штрихів на 1 мм). Штрихи мають бути прямими і паралельними один одному по всій поверхні грат, і відстань між ними повинна зберігатися постійним з дуже високою точністю. Виготовлення дифракційних грат, тому є найбільш важким з оптичних виробництв.

Отримуючи спектр за допомогою призми, ми користуємося явищем заломлення світла на кордоні двох середи. Дії дифракційних грат засновано на явищі іншого типа– дифракція і інтерференція світла. Відмітимо що вона дає, у відмінності від призми, не один, а декілька спектрів. Це приводить до певних втрат світла в порівнянні з призмою. В результаті вживання дифракційних грат в астрономії довгий час обмежувалося дослідженнями Сонця. Вказаний недолік був усунений американським оптиком Вудом. Він запропонував додавати штрихам грат певний профіль, такий, що велика частка енергії концентрується в одному спектрі, тоді як останні виявляються сильно ослабленими. Такі грати називаються направленими|спрямованими| або эшелеттами.

Основною характеристикою спектрального приладу є спектральна вирішуюча сила

(12)

де (( - мінімальний проміжок між двома близькими лініями, при якому вони реєструються як роздільні. Чим більше вирішуюча сила, тим більше детально може бути досліджений спектр і тим більше інформації про властивості випромінюючого об'єкту може бути в результаті отримане|. Спектральні апарати з направленими дифракційними гратами, за інших рівних умов, можуть забезпечити вищу вирішуючу силу, ніж призматичні.

Іншою важливою характеристикою спектральних апаратів є кутова дисперсія

(13)

Де ( - кут між паралельними пучками, що минули диспергирующий елемент і що розрізняються по довжині хвилі на)

Величина

(14)

Де f – фокусна відстань камери, називається лінійною дисперсією, яка виражає масштаб спектру у фокальній плоскості камери і позначається або в міліметрах на ангстремі, або (для малих дисперсією) в ангстремах на міліметр. Так, дисперсія спектрографа 250 A/мм, означає, що один міліметр на спектрограмі відповідає інтервалу довжин хвиль Dl=250A

Особливості оптичної схеми і конструкції астрономічних спектральних приладів сильно залежать від конкретного характеру завдань, для яких вони призначені. Спектрографи, побудовані для отримання зоряних спектрів (зоряні спектрографи), помітно відрізняються від небулярных, з якими досліджуються спектри туманностей. Сонячні спектрографи теж мають свої особливості. Реальна вирішуюча сила астрономічних приладів залежить від властивостей об'єкту. Якщо об'єкт слабкий, тобто від нього приходить дуже мало світло, то його спектр не можна досліджувати дуже детально, оскільки із збільшенням вирішуючої сили кількість енергії, що приходить на кожен вирішуваний елемент спектру, зменшується. Тому найвищу вирішуючу силу мають, природно, сонячні спектральні прилади. Біля великих сонячних спектрографів вона досягає 106. лінійна дисперсія цих приладів досягає 10 мм/A (0,1 A/мм).

При дослідженні найбільш слабких об'єктів доводиться обмежуватися вирішуючою силою порядка 100 або навіть 10 і дисперсіями ~1000 A/мм. Наприклад, спектри слабких зірок виходять за допомогою об'єктивної призми, яка є простим астрономічним спектральним приладом. Об'єктивна призма ставитися прямо перед об'єктивом телескопа, і в результаті зображення зірок розтягуються в спектр. Камерою служить сам телескоп, а коліматор не потрібний, оскільки світло від зірки приходить у вигляді паралельного пучка. Така конструкція робить мінімальними втрати світла із-за поглинання в приладі. На малюнку приведена фотографія зоряного поля, отримана з об'єктивною призмою.

Грубе уявлення про спектральний склад випромінювання можна отримати за допомогою світлофільтрів. У фотографічній і візуальній областях спектру часто застосовують світлофільтри із забарвленого скла. На малюнку приведені криві, що показують залежність пропускання від довжини хвилі для деяких світлофільтрів, комбінуючи які з тим або іншим приймачем, можна виділити ділянки не вже декількох сотень ангстрема. У світлофільтрах із забарвленого скла використовується залежність поглинання (абсорбція) світла від довжини хвилі. Світлофільтри цього типа називаються абсорбцією. Відомі світлофільтри, в яких виділення вузької ділянки спектру засноване на інтерференції світла. Вони називаються інтерференційними і можуть бути зроблені досить узкополосними, дозволяють виділяти ділянки спектру шириною в декілька десятків ангстрема. Ще вужчі ділянки спектру (шириною близько 1 ангстрема) дозволяють виділяти интерференціоннополяризаційні світлофільтри.

Висновок

За допомогою узкополосних світлофільтрів можна отримати зображення об'єкту в якій-небудь цікавій ділянці спектру, наприклад, сфотографувати сонячну хромосферу в променях H (червона лінія в бальмеровской серії спектру водню), сонячну корону в зеленій і червоній лініях, газові туманності в емісійних лініях.

Для сонячних досліджень розроблені прилади, які дозволяють отримати монохроматичні зображення в будь-якій довжині хвилі. Це – спектрогеліограф і спектрогеліоскоп. Спектрогеліографом є монохроматор, за вихідною щілиною якого знаходиться фотографічна касета. Касета рухається з постійною швидкістю в напрямі, перпендикулярному вихідній щілині, і з такою ж швидкістю в плоскості вихідної щілини переміщається зображення Сонця. Легко зрозуміти, що в цьому випадку на фотографічній пластинці вийде зображення Сонця в заданій довжині хвилі, зване спектрограмою. У спектрогеліоскопі, перед вихідною щілиною і після вихідної щілини встановлюються призми, що обертаються, з квадратним перетином. В результаті обертання першої призми деяка ділянка сонячного зображення періодично переміщається в плоскості вхідної щілини. Обертання обох призм погоджено і якщо воно відбувається досить швидко, то, спостерігаючи в зорову трубу другу щілину, ми бачимо монохроматичне зображення Сонця.

Література

Дагаєв М.М., Чаругин С.М. Астрофізика. - М.: Освіта, 1988.

Кабардін О.Ф. Фізика. – М.: Освіта, 1988.

Рябов Ю.А. Рух небесних тіл. – М.: Наука, 1988.

Симоненко А.Н. Астероїди або тернисті шляхи досліджень. – М.: Наука, 1985.