Кіріспе
Жұлдыздардың өту уақытын өлшейтін астрономиялық аспап. Мердиан шеңбері – жұлдыздардың жергілікті меридиан арқылы өту уақытын, яғни кульминацияны өлшейтін құрал, сонымен бірге олардың надирден бұрыштық қашықтығын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл – тек меридианға ғана, яғни көкжиектің солтүстік нүктесінен өтетін үлкен шеңберге, солтүстік аспан полюсіне, зенитке, көкжиектің оңтүстік нүктесіне, оңтүстік аспан полюсіне және надирге бағытталған арнайы телескоптар. Мердиандық телескоптар аспанның айналуын пайдаланып нысандарды көру өрісіне енгізеді және бекітілген, көлденең, шығыс-батыс осіне орнатылады. Транзит аспабы, транзит шеңбері немесе транзит телескопы да көлденең оське орнатылады, бірақ осьтің шығыс-батыс бағытында бекітілуі міндетті емес. Мысалы, егер телескобы көлденең осьтің бойымен толық айнала алса, геодезиялық теодолит транзит құралы ретінде жұмыс істей алады. Мердиан шеңберлері көбінесе осы атаулармен аталады, бірақ олар бұл атаулармен толық сипатталмайды. Көп жылдар бойы транзит уақыттары арқылы көктегі денелердің орнын өлшеудің ең дәл әдісі қолданылды, ал осы еңбексіз жұмысты мердиандық құралдар атқарды. Спектроскопия, фотография және шағылыстыратын телескоптар жетілдірілгенге дейін, денелердің орнын өлшеу (және олардың орбиталарын және астрономиялық тұрақтыларды анықтау) обсерваториялардың басты міндеті болды.
The meridian circle is an instrument for timing of the passage of stars across the local meridian, an event known as a culmination, while at the same time measuring their angular distance from the nadir. These are special purpose telescopes mounted so as to allow pointing only in the meridian, the great circle through the north point of the horizon, the north celestial pole, the zenith, the south point of the horizon, the south celestial pole, and the nadir. Meridian telescopes rely on the rotation of the sky to bring objects into their field of view and are mounted on a fixed, horizontal, east–west axis. The similar transit instrument, transit circle, or transit telescope is likewise mounted on a horizontal axis, but the axis need not be fixed in the east–west direction. For instance, a surveyor's theodolite can function as a transit instrument if its telescope is capable of a full revolution about the horizontal axis. Meridian circles are often called by these names, although they are less specific. For many years, transit timings were the most accurate method of measuring the positions of heavenly bodies, and meridian instruments were relied upon to perform this painstaking work. Before spectroscopy, photography, and the perfection of reflecting telescopes, the measuring of positions (and the deriving of orbits and astronomical constants) was the major work of observatories.
Негізгі құрал
Бұл жерде 19-шы ғасырдың соңы мен 20-шы ғасырдың басындағы меридиандық аспаптардың қазіргі деңгейі сипатталған, олардың құрастырылу, қолданылу және реттелу әдістерінің қаншалықты дәл екені туралы түсінік береді.
Құрылыс
Ең алғашқы транзиттік телескоп осінің ортасына емес, бір шетіне жақын орналастырылды, бұл телескоп салмағынан осінің бүгілуін болдырмау үшін жасалды. Кейіннен, ол әдетте осінің ортасына орналастырылды, ол екі шетінде айналған цилиндрлі болат осі бар жез немесе қорыштан тұратын. Кейбір аспаптар болаттан жасалған, ол мыстан гөрі әлдеқайда қатты. Остің півоттары V пішіндес подшипниктерге орнатылды, олар аспапты тіреген массивті тас немесе кірпіш тіреулерге орнатылған немесе тіреулердің үстіндегі металл қаңқаларға бекітілген. Аспаптың температурасы мен жергілікті атмосфера термометрлермен бақыланды. Тіреулер әдетте ғимараттың іргетасынан бөлек орналастырылды, ғимараттан телескопқа дірілдің берілуін болдырмау үшін. Півоттарды аспап салмағынан босату үшін, олардың пішінін бұрмалап, жылдам тозуға себеп болатын, осьтің әр шеті ілгек немесе жақшамен бекітілген, оған үйкеліс роликтері ілінген, бұл тіреуге тіреліген рычагтан ілінген және V пішіндес подшипниктерге салмақтың аз бөлігін қалдыру үшін тепе-теңдестірілген. Кейбір жағдайларда, қарсы салмақ төменнен роликтік подшипниктерге итеріп отырды. Подшипниктер шынайы шығыс-батысқа жақын орналастырылды, бірақ көлденең және тік бұрандалармен оларды дәл реттеуге болады. Остің көлденеңге қарай еңісуін бақылау үшін спирт деңгейі қолданылды. Телескоп осінің півоттарының эксцентриситеті (ортадан ауытқуы) немесе басқа да бұзылулары кейбір жағдайларда ось арқылы қосымша телескопты орнату арқылы ескерілді. Негізгі аспаптың ортасынан шығысқа немесе батысқа орналасқан жасанды жұлдыздың қозғалысын бақылап, осы ось телескопы және кішкентай коллимациялық телескоп арқылы қарап, негізгі телескоп айналғанда півоттардың пішіні мен осьтің кез келген тербелісін анықтауға болады. Осьтің әр шетіне, оське бекітіліп, онымен бірге айналатын шеңбер немесе дөңгелек телескоптың зенитке немесе көкжиекке қарай бұрышын өлшеуге арналған. Әдетте, диаметрі 1-3 фут немесе одан да көп, ол шеңбер бетіне орнатылған күміс жолақта 2 немесе 5 доға минутына бөлінді. Бұл градуспенулерді микроскоптармен оқыды, әдетте әр шеңбер үшін төртеу, тіреулерге немесе осьті қоршаған қаңқаға 90° бұрышпен орнатылған. Төрт өлшемнің орташасы эксцентриситетті (шеңберлердің дәл емес ортасында орналасуынан) және градуспену қателерін едәуір азайтады. Әрбір микроскоп микрометрлік бұрандамен жабдықталған, ол қиылысты жылжытып, шеңбер градуспенулерінің көру өрісінің ортасынан қашықтығын өлшеуге мүмкіндік берді. Бұранда барабаны бір доға секундысын (0,1") өлшеу үшін бөлінді, ал айналымдар саны көз алдындағы таразы тәрізді шкаламен саналды. Микроскоптарға осындай ұлғайту берілді және шеңберден осындай қашықтықта орналастырылды, сондықтан микрометрлік бұранданың бір айналымы шеңбердегі 1 доға минутына (1') сәйкес келді. Қателік шеңберде 2' немесе 5' стандартты аралықтарды өлшеу арқылы анықталды. Бұранданың мерзімді қателері ескерілді. Кейбір аспаптарда шеңберлердің бірі екіншісіне қарағанда оқылып, тек мақсатты жұлдыздарды табу үшін ғана пайдаланылды. Телескоп екі түтікшені қамтыды, олар осьтің орталық кубына бұралған. Түтіктер әдетте конустық пішіндес және бүгілудің алдын алу үшін мүмкіндігінше қатты болды. Түтікшелердің осімен байланысы да мүмкіндігінше берік болды, өйткені түтікшенің бүгілуі байқаулардан алынған ауытқуларға әсер етеді. Түтікшенің көлденең орналасуындағы иілу екі коллиматорлық телескоппен анықталды, олар көлденеңде орналасқан, солтүстік және оңтүстік бағытта орналасқан, олардың объективті линзалары оған қарай бағытталған. Бұл элементтер бір-біріне (телескоп түтігіндегі тесіктер арқылы немесе телескопты оның тіреуінен алып тастау арқылы) бағытталды, сондықтан олардың фокустарының тіректері сәйкес келді. Коллиматорлар көбінесе осы орындарға тұрақты орнатылып, олардың объективтері мен окулярлары бөлек тіреулерге бекітілді. Меридиан телескопы бір коллиматорға, содан кейін екіншісіне, дәл 180° қозғалып, шеңберді оқу арқылы иілу мөлшері (оқулар 180°-дан қаншалықты айырмашылықты көрсетті) анықталды. Абсолюттік иілу, яғни түтікшенің тұрақты иілуі, окуляр мен объективті линзаны бір-біріне ауыстыру арқылы анықталды және бір жұлдыздың екі байқауының орташасы осы қатеден азат болды. Аппараттың бөлшектері, соның ішінде шеңберлер, півоттар және подшипниктер, кейде оларды шаңнан қорғау үшін шыны корпустарға жабылатын. Бұл корпусшаларда қол жеткізуге арналған тесіктер болды. Оқу микроскоптары содан кейін шыны корпусшаларға еніп, олардың окулярлық ұштары мен микрометрлері шығынсыз жібекпен жабылған. Кейбір аспаптық қателерді телескопты оның тіреуіне қарама-қарсы бұру арқылы орташа етуге болады. Тіреулер арасында рельстерде жүретін және ось, шеңберлер мен телескопты бұрандалы домкрат арқылы көтеруге, тіреулер арасынан шығаруға, 180° бұруға, қайтадан тіреулер арасына оралып, қайтадан түсіруге болатын вагон қарастырылған. Меридиан шеңбері орналасқан ғимаратта, көптеген обсерваторияларда көрінетін айналмалы күмбез болмады. Телескоп тек меридианда байқағандықтан, солтүстік және оңтүстік қабырғаларындағы тік ойықтар мен олардың арасындағы төбедегі ойықтар жеткілікті болды. Ғимарат жылытылмаған және мүмкіндігінше сыртқы ауа температурасында ұсталып, телескоптық көріске кедергі келтіретін ауа ағындарын болдырмау үшін. Ғимаратта сондай-ақ сағаттар, жазбагерлер және байқаулар жасауға арналған басқа да жабдықтар орналастырылған.
Түзету
Мердиандық шеңберлерді дәл жұмыс істеуі үшін нақты реттеу қажет болды. Басты телескоптың айналу осі қатаң түрде көлденең болуы керек еді. Бұл функцияны осьтің тіректеріне орнатылған сезімтал спирттік деңгей орындады. V тәрізді подшипниктердің біреуін реттеу арқылы көпіршік ортаға келтірілді. Телескоптың бағыт сызығы айналу осіне қатаң перпендикуляр болуы керек еді. Бұл үшін алыстағы, қозғалмайтын нысанға қарап, телескопты көтеріп, тіректерінде кері бұрып, қайтадан нысанға қарау қажет болды. Егер нысанның бағытталған нүктесі нысанмен сәйкес келмесе, бағыт сызығы жаңа нүкте мен алыстағы нысанның арасындағы ортада болды; бағытталған нүкте сәйкес реттелді және қажет болған жағдайда процесс қайталанды. Сондай-ақ, егер айналу осі толық көлденең болса, телескопты сынап толы ыдысқа төмен бағыттап, бағытталған нүктені жарықтандыруға болады. Снап мүлтіксіз көлденең айна ретінде әрекет ететін, бағытталған нүктенің телескоп түтігіне кері шағылысын көрсететін еді. Содан кейін бағытталған нүктені оның шағылысымен сәйкес келгенше реттеуге болады, сонда бағыт сызығы осіне перпендикуляр болады. Телескоптың бағыт сызығы меридиан жазықтығында дәл болуы керек еді. Бұл шамамен шығыс-батыс бағытында тіреулер мен осьтің подшипниктерін орнату арқылы жасалды. Содан кейін телескоп циркумполяр жұлдыздың жоғарғы және төменгі меридиандық өтуін бірнеше рет өлшеу арқылы (көрінетін, дұрыс емес) және транзиттер аралығы тең болғанға дейін подшипниктердің біреуін көлденең реттеу арқылы меридианға келтірілді. Тағы бір әдіс басқа обсерваториялар анықтаған белгілі жұлдыздар үшін есептелген меридиандық өту уақыттарын пайдаланды. Бұл маңызды реттеу болды және оны жетілдіруге көп күш жұмсалды. Іс жүзінде, бұл реттеулердің ешқайсысы да толық болған жоқ. Деректерді талдау кезінде кемшіліктерден туындаған шағын қателер математикалық жолмен түзетілді.
Зенит телескоптары
Жұлдыздардың транзитін өлшеуге арналған кейбір телескоптар – жұлдыздардың орнын ең жоғары дәлдікпен өлшеу үшін тікелей зенитке немесе оған жақын бағытталған зениттік телескоптар. Олар меридиандық шеңбердің орнына, деңгейлеу бұрандаларымен жабдықталған альтазимуттық орнатуды пайдаланады. Телескоп орнатуына бұрыштарды өлшеу үшін өте сезімтал деңгейлер орнатылған, ал телескопта микрометрмен жабдықталған окуляр бар.
Шолу
Меридиан жазықтығында аспап (квадрант) орнату идеясы тіпті ежелгі астрономдарға да келді және Птолемей осы туралы айтқан, бірақ Тихо Браге үлкен меридиан квадрантын жасағанға дейін бұл идея іске асырылмады. 18 ғасырдан бері меридиан шеңберлері жұлдыздардың орналасуын дәл өлшеу үшін, оларды каталогтау мақсатында қолданылып келеді. Бұл жұлдыздың жергілікті меридианнан өтетін сәтін өлшеу арқылы жасалады, сонымен қатар оның горизонттан жоғары биіктігі де тіркеледі. Географиялық ені мен бойлықты білген кезде, осы өлшемдерді пайдаланып жұлдыздың оң көтерілуін және дейтүлеуін анықтауға болады. Жұлдыз каталогтары жетілдірілгеннен кейін, транзиттік телескопты әлемнің кез келген жерінде жергілікті бойлықты және уақытты анықтау үшін, каталогтағы жұлдыздардың жергілікті меридиандық транзитінің уақытын бақылау арқылы қолдануға болады. Атомдық сағат ойдағыдай жұмыс істегенге дейін, бұл уақытты дәл анықтаудың ең сенімді тәсілі болды.
Ежелгі дәуір
Алмагест еңбегінде Птолемей, тұрақты градуировкаланған сыртқы шеңберден және Күннің позициясын көлеңке арқылы анықтауға мүмкіндік беретін қосқыштармен жабдықталған жылжымалы ішкі шеңберден тұратын меридиандық шеңберді сипаттайды. Аспап тік орнатылып, меридианға қарай бағытталған. Ол Күннің ортатұстағы биіктігін өлшеу арқылы эклиптиканың жолын анықтау үшін қолданылған.
17 ғасыр
Мердиан шеңбері бақылаушыға бірден оң жақ көтерілуді және еңсесін анықтауға мүмкіндік берді, бірақ 17 ғасырда оң жақ көтерілуді анықтау үшін ол көп қолданылмады. Оның орнына, портативті квадранттармен тең биіктіктер әдісі немесе астрономиялық секстантпен жұлдыздар арасындағы бұрыштық қашықтықты өлшеу әдісі көбірек таңдау жасалды. Бұл әдістер өте қиын болды, сондықтан 1690 жылы Оле Рёмер транзиттік аспапты өңдеп шығарды.
18 ғасыр
Транзит құралы шығыс және батыс бағытындағы көлденең осьтен, берік тіректерге орналасқан және оған тік бұрышпен бекітілген, меридиан жазықтығында еркін айналатын телескоптан тұрады. Сонымен қатар, Рёмер тік және көлденең бұрыштарды өлшеуге арналған биіктік және азимут аспаптарын ойлап тапты, ал 1704 жылы ол екі координатты бір уақытта анықтау үшін тік шеңберді өз транзит құралымен біріктірді. Дегенмен, бұл идея басқа жерде кеңінен қолданылмады, ал транзит құралы көп ұзамай әмбебап құралға айналды (Гринвич обсерваториясындағы алғашқысы 1721 жылы орнатылды), ал қабырғалық квадрант ғасыр соңына дейін деклинацияларды анықтау үшін қолданыла берді. Бүкіл шеңберді пайдаланудың артықшылықтары – оның пішінінің өзгеруге төмен сезімталдығы және зениттен солтүстікке қарайғы жұлдыздарды бақылау үшін кері бұру қажеттігінің жоқтығы – Джесси Рамсден тарапынан қайта мойындалды. Ол сондай-ақ, төменде сипатталғандай, микрометрлік микроскоп арқылы бұрыштарды оқу әдісін жетілдірді.
19 ғасыр
Шеңберлер жасауды көп ұзамай Эдвард Траутон қолға алды, ол 1806 жылы Блэкхиттегі Громбридж обсерваториясы үшін алғашқы заманауи транзиттік шеңберді, Громбридж транзиттік шеңберін (меридиан транзиттік шеңберін) құрды. Кейіннен Траутон бұл идеядан бас тартып, қабырғалық квадрантты алмастыру үшін қабырғалық шеңберді жобалады. Ұлыбританияда транзиттік аспап және қабырғалық шеңбер 19 ғасырдың ортасына дейін обсерваториялардағы басты құрал болып қала берді, онда салынған алғашқы транзиттік шеңбер Гринвичтегі (1850 жылы орнатылған) болды. Дегенмен, Еуропа континентінде 1818-1819 жылдардан бастап транзиттік шеңбер оларды ығыстырды, осы жылдары Йохан Георг Репсольд пен Георг Фридрих фон Рейхенбахтың екі шеңбері Геттингенде, ал Рейхенбахтың біреуі Кенигсбергте орнатылды. Репсольд және ұлдары фирмасы бірнеше жыл бойы Берлиндегі Пистор мен Мартинс фирмасының артынан қалып қойды, олар түрлі обсерваторияларды жоғары сапалы аспаптармен жабдықтармен қамтамасыз етті. Мартинс қайтыс болғаннан кейін Репсольдтар қайтадан көшбасшылықты өз қолына алып, көптеген транзиттік шеңберлер жасады. Гарвард колледжінің, Кембридж университетінің және Эдинбург университетінің обсерваторияларында Траутон мен Симмстің жасаған үлкен шеңберлері болды. Гринвичтегі Корольдік обсерваториядағы (1851) және Жақсы Үміт мүйісіндегі Корольдік обсерваториядағы (1855) Эйри транзиттік шеңберлерін Рансомс пен Мэй Ипсвич жасады. Гринвич аспаптарының оптикалық және аспаптық жұмысын Траутон мен Симмс Джордж Биделл Эйридің жобасы бойынша орындады.
ХХ ғасыр және одан кейінгі
Бұл типті телескоптың заманауи мысалы – АҚШ Әскери-теңіз обсерваториясының Флагстафф станциясындағы 8 дюймдік (~0,2 м) Флагстафф астрометриялық сканерлеу транзиттік телескопы (FASTT). Қазіргі меридиандық шеңберлер көбінесе автоматтандырылған. Бақылаушы CCD камерасымен алмастырылады. Аспан көріс өрісімен жылғалағанда, CCD-де құрылған кескін чип арқылы (және одан шығып) сол жылдамдықпен жылдырылады. Бұл бірнеше жақсартуларға мүмкіндік береді: CCD кескін оны кесіп өткенге дейін жарықты жинай алады, бұл әлсіз нысандарды анықтау мүмкіндігін арттырады. Телескоп жұмыс істеп тұрған кезде, тіпті бір түн бойы да деректерді жинауға болады, бұл бірнеше градусқа созылған аспанның жолағын сканерлеуге мүмкіндік береді. Деректерді сканерлеу кезінде кез келген анықтамалық нысанмен тікелей салыстыруға болады – әдетте, квазар сияқты, дәл орны белгілі галактикадан тыс жарық нысан. Бұл меридиандық құралды мұқият реттеу қажеттілігін азайтады, бірақ деклинация, азимут және деңгейді бақылау CCD сканерлері мен лазерлік интерферометрлермен жалғастырылады. Ауаның температурасы, қысымы және шық нүктесін электронды түрде бақылау арқылы атмосфералық рефракция автоматты түрде ескеріледі. Деректерді қалауынша сақтауға және талдауға болады. Алғашқы автоматтандырылған құрал – 1984 жылы қолданысқа енген Карлсберг автоматты меридиандық шеңбері.
The CCD can collect light for as long as the image is crossing it, allowing a dimmer limiting magnitude to be reached. The data can be collected for as long as the telescope is in operation – an entire night is possible, allowing a strip of sky many degrees in length to be scanned. Data can be compared directly to any reference object which happens to be within the scan – usually a bright extragalactic object, like a quasar, with an accurately known position. This eliminates the need for some of the painstaking adjustment of the meridian instrument, although monitoring of declination, azimuth, and level is still performed with CCD scanners and laser interferometers. Atmospheric refraction can be accounted for automatically, by monitoring temperature, pressure, and dew point of the air electronically. Data can be stored and analyzed at will. The first automated instrument was the Carlsberg Automatic Meridian Circle, which came online in 1984.