Проектирование обсерватории
Итак, Вы решились таки на то, о чем мечтали уже несколько лет, а может и десятков лет. Решение окончательно принято, бюджет какой-никакой выделен, пора все продумать до конца, учесть все мелочи и оптимизировать технические решения. Именно для этого и выполняется проект обсерватории. То есть документ, включающий все основные разделы строительства, спецификацию оборудования и внешние коммуникации. Подробное изложение описываемых разделов на бумаге или в виде электронных чертежей позволяет избежать конструктивных ошибок, проверить соответствие фактических размеров оборудования и строительных конструкций. В принципе, обсерваторию может спроектировать любой грамотный проектировщик зданий и сооружений. Но как везде, есть нюансы. Вот об этом и поговорим. То есть о том, что должен учесть обычный инженер проектировщик при разработке проекта астрономической обсерватории.
Рис.1 Обсерватория любителя астрономиии из Москвы.
Так как полярная ось монтировки будет наклонена относительно вертикальной оси обсерватории и ось склонения будет смещена на север относительно точки крепления монтировки. Для компенсации возникающей асимметрии сферы вращения телескопа относительно наблюдательной площадки не забудьте сместить крепление монтировки на несколько сот миллиметров на юг.
После всех расчетов и оценок увеличьте проектируемый размер обсерватории хотя бы еще на один шаг (до следующего стандартного размера или до размещения следующего по размеру инструмента.) Жизнь не стоит на месте, лишние пол метра наверняка не окажутся лишними через несколько лет.
Некоторые соображения по выбору размеров обсерватории и их различных конструкциях приводятся в статье ПОСТРОИТЬ СОБСТВЕННУЮ ОБСЕРВАТОРИЮ. Отсылаем к ней читателя.
Кстати о помещении для наблюдателя. с учетом того, что современные технологии не накладывают ограничения на расстояние наблюдателя от обсерватории, не рекомендуем проектировать помещение наблюдателя под обсерваторией. Тепло от человека, не говоря об оборудовании и отопительных приборах, обязательно будет подниматься в обсерваторию и вокруг нее вместе со струящимся воздухом и унося с собой возможность выполнить качественные наблюдения с высоким разрешением. Наблюдателю будет вполне комфортно в теплом здании недалеко от обсерватории, например в стоящем недалеко доме. Хорошо, если из дома видна обсерватория и можно визуально или через видеокамеру контролировать работу и безопасность обсерватории.
Кроме собственно зданий и сооружений нужно продумать взаимодействие и совместную оптимальную работу различных систем обсерватории. Основные из которых это электроснабжение, связь и компьютерное оборудование. Некоторое внимание этим вопросам уделено в статье ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ОБСЕРВАТОРИИ.
Системы отопления, газо и водоснабжения а также канализации как правило предусматривают в отдельных помещениях для обслуживающего персонала, или хозяина обсерватории:)
Выбор места расположения астрономической обсерватории
Вы приняли решение о строительстве обсерватории, и нужно понять, подходит ли предполагаемое место ее установки, и как можно скорректировать первоначальные планы, чтобы достичь максимально возможного результата.
Рис.1. Карта засветки ночного неба центральной Европы.
Чем стабильнее атмосфера и равномернее потоки воздуха, тем стабильнее изображение. При отсутствии атмосферы разрешающая способность инструментов определялась бы исключительно качеством их оптики и дифракционными ограничениями, связанными с размером объектива телескопа. Так, если взять Рэллеевское определение разрешения телескопа и рассчитать, к примеру для объектива диаметром 1000мм, что является по сути рядовым, не крупным инструментом, вычислив по формуле 140’’ / 1000 получим угловое разрешение 0,14’’, что является уникальным значением, позволяющим проводить уникальные исследования, например поиски экзопланет, исследовать строение далеких галактик и тд. Реальность для такого инструмента будет во много раз хуже. В чем же дело? А как раз в нестабильности атмосферы.
Рис.2 Изменение изображения звезды при ухудшении соотношения сиинга и апертуры телескопа.
Отдельно нужно сказать о потоках теплого воздуха от здания, на котором расположена обсерватория. Часто при проектировании обсерватории на крыше дома или общественного здания не до конца оценивают значение тепловых потоков. А их влияние на изображение очень существенно. Так, через воду бурной реки дна почти не видно, даже если глубина не велика. напротив в спокойном озере через чистую воду бывает видно дно на многие метры. Аналогично происходит с атмосферой. По этому, когда нет другого выхода, кроме установки обсерватории на крыше здания необходимо принять следующие меры.
Редко можно расположить обсерваторию в месте, где открыт весь горизонт. Часто мешают горы, холмы, деревья и даже дома. Обычно это не проблема. Во-первых, большинство объектов для наблюдения находятся в южном направлении, соответственно имеет смысл ориентировать обсерваторию таким образом, чтобы наиболее открыта была южная часть неба. Во вторых, человек в силу психо-физических особенностей и недостатка опыта часто не верно определяет угловые размеры препятствий. Измерьте любым угломерным инструментом угол, который закрывается препятствием с точки предполагаемой установки телескопа. В силу большой толщины атмосферы на пути изображения, наблюдения объектов ниже 15 и часто даже 25 градусов над горизонтом не проводят. Вполне возможно, что Ваша любимая яблоня заслоняет существенно меньше и изводить ее нет никакой необходимости. Также имейте ввиду, что подъем обсерватории всего на несколько метров благодаря ее конструкции, существенно увеличит участок не закрытого неба и позволит оторваться от приземного слоя атмосферы, уменьшив вероятность выпадения росы и иных негативных явлений атмосферы.
На этапе проектирования продумайте, как будете попадать в обсерваторию, как выходить. Напоминаю, это будет в ночное время, возможно после ночи наблюдений, возможно с неподготовленными гостями. По этому, категорически рекомендуем применять безопасные способы прохода, поручни, ограничители, надписи на опасных участках. Использование лестниц по наружней части зданий настоятельно советуем исключить. Система видеонаблюдения и сигнализация открытия дверей позволит чувствовать себя чуть более уверенно. Вероятно, не стоит прятать все признаки наличия технических средств охраны. Их присутствие даст понять непрошеным гостям, что их визит не останется незамеченным.
Нужно понимать, что оборудование обсерватории, даже профессиональной удаленной и автоматизированной, требует внимания и правильной эксплуатации. Нужно быть готовым к необходимости провести какие то ремонтные или настроечные работы в случае необходимости.
Рис.3 Гриффитская обсерватория на крыше здания, США.
Ближе к звездам: как устроены обсерватории
Трудно назвать точное время появления первых обсерваторий. Сооружения, где велись наблюдения за небесными светилами, строили в древней Ассирии, Вавилоне, Китае, Египте, Персии, Индии, Мексике, Перу. Сегодня в мире работает более 500 обсерваторий: пресс-служба Главгосэкспертизы России выбрала самые интересные из них.
Первыми астрономами были жрецы – именно они вели наблюдения за звездным небом. И начало этим наблюдениям было положено еще в эпоху неолита и в бронзовом веке – именно тогда была создана одна из первых обсерваторий, Стоунхендж, расположенный в 130 км от современного Лондона. Мегалитический храм Стоунхендж был священным местом древних кельтских жрецов друидов – а те прекрасно разбирались в строении и движении звезд, знали размеры Земли и планет Солнечной системы, изучали астрономические явления. Временем основания Стоунхенджа считается XXX век до н.э. Другая древнейшая обсерватория – ей пять тысяч лет –обнаружена на территории Армении.
Первой обсерваторией в современном смысле этого слова стал Александрийский мусейон, основанный в начале III века до н.э. при Птолемее Сотере по инициативе Деметрия Фалерского. Мусейон был религиозным, исследовательским, учебным и культурным центром эллинистической эпохи. В его состав входила и легендарная Александрийская библиотека, в которой, по некоторым сведениям, хранилось до 900 000 свитков. Именно в Александрийской обсерватории впервые начали применять высокоточные инструменты – такие, как гномоны и квадранты. А ученый Гиппарх изобрел основанную на принципе стереографической проекции астролябию.
Обсерватории современного типа начали строить в Европе в XVII веке после того, как был изобретен телескоп. В 1667 году в Париже открылась большая государственная обсерватория. Наряду с инструментами древней астрономии здесь уже использовали большие телескопы-рефракторы. В 1675 году заработала Гринвичская королевская обсерватория в предместье Лондона.
В 1692 году первую российскую обсерваторию основал в Холмогорах священник Афанасий Любимов. В 1701 году по указу Петра I была создана обсерватория при Навигацкой школе в Москве. Основанную в 1839 году Пулковскую обсерваторию оборудовали самыми совершенными инструментами, которые давали возможность получать результаты высокой точности. За это Пулковскую обсерваторию назвали астрономической столицей мира, и по сей день она остается главной среди двадцати российских обсерваторий.
Здания современных оптических обсерваторий строятся в цилиндрической или многогранной форме: это башни, в которых установлены телескопы. Вес оптического прибора может достигать нескольких сотен тонн, а в движение его приводят системы моторов. Для осмотра и ремонта части телескопа снимают с помощью подъемного крана. Многослойный купол обсерватории сделан из стали и оснащен двигающимися по рельсам створками. Здание обсерватории обязательно включает в себя систему кондиционирования для охлаждения купола и вычислительных машин, а также кабинеты ученых, лифты, широкие главные ворота, позволяющие завозить громоздкую аппаратуру.
Бывают специализированные обсерватории, которые работают по узкой научной программе – радиоастрономические или горные станции для наблюдений за Солнцем. Существуют обсерватории на бортах космических кораблей и на орбитальных станциях. Например, космический аппарат TESS за два года работы обнаружил более 2100 планет.
Шесть крупнейших мировых обсерваторий
Китайская астрономическая обсерватория или Небесный глаз (FAST)
Крупнейшая в мире астрономическая обсерватория находится на юго-западе Китая. Из 400 других мест для расположения была выбрана горная долина, расположенная на высоте почти километр над уровнем моря – она идеально подходит по размеру и уровню защиты от радиочастотных волн. Отдаленная местность, правда, усложнила задачу строителям, которым пришлось жить в горном ущелье вдали от цивилизации, где первое время не было электричества. Строительство началось в 2011 году и заняло пять лет. В результате был сооружен самый крупный на планете сферический радиотелескоп, представляющий собой пятисотметровую тарелку из 4400 алюминиевых панелей. Обсерватория обошлась государству в 180 млн долларов. Китайский радиотелескоп хранит невероятно большое количество данных и способен обнаружить даже самые слабые радиоволны, исходящие от небесных объектов, в том числе таких, как пульсары и целые галактики.
Паранальская обсерватория (VLT), Чили
Это целая система из четырех основных антенн диаметром 8,2 м и четырех вспомогательных антенн по 1,8 м, объединенных в астрономических интерферометр. Здесь работают ученые «Европейской южной обсерватории». Объект расположен в высокогорьях Анд на высоте более 2,5 км над уровнем моря в чилийской пустыне Атакама. Такое расположение телескопа дает большое преимущество: небо в этой местности безоблачное практически круглый год, что позволяет вести наблюдения непрерывно, кроме того, разреженная атмосфера позволяет избегать искажений, создаваемых движением воздушных масс. Поэтому обсерватория принимает сигнал в оптическом и среднем инфракрасном диапазонах, а обрабатывает полученный материал суперкомпьютер, способный выполнять до семнадцати квадриллионов операций в секунду.
Астрономическая обсерватория Аресибо расположена в Пуэрто-Рико на высоте 497 м над уровнем моря. Здесь ведут исследования Корнельский университет и Национальный центр астрономии и ионосферы США. Диаметр тарелки радиотелескопа составляет 304,8 м, а глубина зеркала – 50,9 м. Поверхность рефлектора покрыта 38 778 алюминиевыми пластинами, каждая из которых имеет размер 1х2 метра. Само зеркало расположено в естественном углублении, а подвижный облучатель подвешен на тросах к трем опорным фермам: его положение и определяет, какой участок небосвода окажется в фокусе. Интересно, что прозрачный для солнечных лучей рефлектор телескопа используется в качестве парника для выращивания сельскохозяйственных культур. Радиотелескоп необходим для исследований в области радиоастрономии, физики атмосферы и радиолокационных наблюдений объектов Солнечной системы.
Обсерватории Роке-де-лос-Мучачос или Большой Канарский телескоп (GTC)
Обсерватория Кека, США
Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Россия