Меридианный круг: астрономический инструмент для определения времени прохождения звезд.

Введение

Астрономический инструмент для определения времени прохождения звезд

Круг меридиана – это инструмент для определения времени прохождения звезд через местный меридиан, событие, известное как кульминация, одновременно измеряя их угловое расстояние от надира. Это специальные телескопы, смонтированные таким образом, чтобы обеспечивать наведение только на меридиан – большой круг, проходящий через северную точку горизонта, северный небесный полюс, зенит, южную точку горизонта, южный небесный полюс и надир. Меридианные телескопы используют вращение неба для ввода объектов в поле зрения и устанавливаются на фиксированную горизонтальную ось, ориентированную с востока на запад. Аналогичный транзитный инструмент, транзитный круг или транзитный телескоп также монтируется на горизонтальной оси, но эта ось не обязательно должна быть зафиксирована в направлении восток-запад. Например, геодезический теодолит может функционировать как транзитный инструмент, если его телескоп способен совершать полный оборот вокруг горизонтальной оси. Круги меридиана часто называют этими же терминами, хотя они менее точны. На протяжении многих лет определение времени прохождения через меридиан было наиболее точным методом определения положения небесных тел, и меридианные инструменты использовались для выполнения этой кропотливой работы. До появления спектроскопии, фотографии и совершенствования рефлекторных телескопов, измерение положений (и вывод орбит и астрономических констант) было основной задачей обсерваторий.

Основной инструмент

Здесь описывается уровень развития меридианных инструментов конца XIX и начала XX века, дающий представление о точных методах их изготовления, эксплуатации и настройки.

Строительство

Самый ранний транзитный телескоп был расположен не в центре оси, а ближе к одному концу, чтобы предотвратить прогиб оси под весом телескопа. Позже его обычно размещали в центре оси, состоявшей из цельного куска латуни или баббита с токарными цилиндрическими стальными цапфами на каждом конце. Некоторые инструменты были изготовлены полностью из стали, которая была значительно жестче латуни. Цапфы опирались на V-образные подшипники, установленные либо в массивные каменные или кирпичные пилоны, поддерживающие инструмент, либо прикрепленные к металлическим каркасам на вершинах пилонов. Температуру инструмента и окружающей атмосферы контролировали термометры. Пилоны обычно отделялись от фундамента здания, чтобы предотвратить передачу вибраций от здания на телескоп. Для уменьшения нагрузки на цапфы, что могло привести к их деформации и быстрому износу, каждый конец оси поддерживался крюком или коромыслом с роликами трения, подвешенными на рычаге, опирающемся на пилон и сбалансированным таким образом, чтобы на прецизионные V-образные подшипники приходилась лишь небольшая часть веса. В некоторых случаях противовес давил на роликовые подшипники снизу. Подшипники располагались почти по линии восток-запад, но была предусмотрена точная регулировка с помощью горизонтальных и вертикальных винтов. Для контроля наклона оси к горизонту использовался спиртовой уровень. Эксцентриситет (смещение от центра) или другие неровности цапф оси телескопа учитывались, в некоторых случаях, путем установки дополнительного телескопа внутри самой оси. Наблюдая за движением искусственной звезды, расположенной восточнее или западнее центра главного инструмента, и видя ее через этот осевой телескоп и небольшой коллимационный телескоп при вращении главного телескопа, можно было определить форму цапф и любое колебание оси. Вблизи каждого конца оси, прикрепленные к оси и вращающиеся вместе с ней, находились круги или колеса для измерения угла телескопа к зениту или горизонту. Обычно диаметром от 1 до 3 футов и более, они были разделены на 2 или 5 угловых минут на полоске серебра, вставленной в поверхность круга возле окружности. Эти деления считывались микроскопами, обычно по четыре для каждого круга, установленными на пилонах или каркасе, окружающем ось, с интервалом в 90° вокруг кругов. Усредняя четыре показания, значительно уменьшались погрешности, вызванные эксцентриситетом (из-за неточного центрирования кругов) и ошибками градуировки. Каждый микроскоп был оснащен микрометрическим винтом, который перемещал перекрестные нити, позволяя измерять расстояние от делений круга до центра поля зрения. Барабан винта был разделен для измерения единичных угловых секунд (0,1" оценивалось), а количество оборотов отсчитывалось по шкале, напоминающей гребень, в поле зрения. Микроскопы имели такое увеличение и располагались на таком расстоянии от круга, чтобы один оборот микрометрического винта соответствовал 1 угловой минуте (1') на круге. Погрешность периодически определялась путем измерения стандартных интервалов в 2' или 5' на круге. Учитывались периодические ошибки винта. На некоторых инструментах один из кругов был градуирован и считывался более грубо, чем другой, и использовался только для поиска звезд. Телескоп состоял из двух труб, привинченных к центральному кубу оси. Трубы обычно были коническими и максимально жесткими, чтобы предотвратить изгиб. Соединение с осью также было максимально прочным, так как изгиб трубы мог повлиять на склонения, вычисленные на основе наблюдений. Изгиб трубы в горизонтальном положении определялся двумя коллиматорами – телескопами, расположенными горизонтально в меридиане, к северу и югу от транзитного круга, с их объективами, направленными к нему. Они были наведены друг на друга (через отверстия в трубе телескопа или путем снятия телескопа с крепления), чтобы перекрестные нити в их фокусах совпали. Коллиматоры часто были постоянно установлены в этих положениях, а их объективы и окуляры закреплены на отдельных пилонах. Меридианный телескоп наводился на один коллиматор, а затем на другой, поворачиваясь ровно на 180°, и, считывая показания круга, определялась величина изгиба (разница между показаниями и 180°). Абсолютный изгиб, то есть постоянный изгиб трубы, обнаруживался путем возможности замены окуляра и объектива, а среднее значение двух наблюдений одной и той же звезды было свободно от этой ошибки. Части аппарата, включая круги, цапфы и подшипники, иногда заключались в стеклянные корпуса для защиты от пыли. Эти корпуса имели отверстия для доступа. Микроскопы для считывания показаний затем выдвигались в стеклянные корпуса, а их окулярные концы и микрометры защищались от пыли съемными шелковыми чехлами. Определенные инструментальные ошибки можно было усреднить, переворачивая телескоп на его креплении. Была предусмотрена тележка, которая двигалась по рельсам между пилонами, и на которой ось, круги и телескоп могли быть подняты с помощью винтового домкрата, вывезены из-под пилонов, повернуты на 180°, возвращены на место и опущены. Здание, в котором размещался меридианный круг, не имело вращающегося купола, как это часто встречается в обсерваториях. Поскольку телескоп наблюдал только в меридиане, вертикального проема в северной и южной стенах, а также в крыше между ними, было достаточно. Здание не отапливалось и поддерживалось максимально близким к температуре наружного воздуха, чтобы избежать воздушных потоков, которые могли бы нарушить телескопическое зрение. В здании также размещались часы, регистраторы и другое оборудование для проведения наблюдений.

The earliest transit telescope was not placed in the middle of the axis, but nearer to one end, to prevent the axis from bending under the weight of the telescope. Later, it was usually placed in the centre of the axis, which consisted of one piece of brass or gun metal with turned cylindrical steel pivots at each end. Several instruments were made entirely of steel, which was much more rigid than brass. The pivots rested on V shaped bearings, either set into massive stone or brick piers which supported the instrument, or attached to metal frameworks on the tops of the piers. The temperature of the instrument and local atmosphere were monitored by thermometers. The piers were usually separate from the foundation of the building, to prevent transmission of vibration from the building to the telescope. To relieve the pivots from the weight of the instrument, which would have distorted their shape and caused rapid wear, each end of the axis was supported by a hook or yoke with friction rollers, suspended from a lever supported by the pier, counterbalanced so as to leave only a small fraction of the weight on the precision V shaped bearings. In some cases, the counterweight pushed up on the roller bearings from below. The bearings were set nearly in a true east–west line, but fine adjustment was possible by horizontal and vertical screws. A spirit level was used to monitor for any inclination of the axis to the horizon. Eccentricity (an off center condition) or other irregularities of the pivots of the telescope's axis was accounted for, in some cases, by providing another telescope through the axis itself. By observing the motion of an artificial star, located east or west of the center of the main instrument, and seen through this axis telescope and a small collimating telescope, as the main telescope was rotated, the shape of the pivots, and any wobble of the axis, could be determined. Near each end of the axis, attached to the axis and turning with it, was a circle or wheel for measuring the angle of the telescope to the zenith or horizon. Generally of 1 to 3 feet or more in diameter, it was divided to 2 or 5 arcminutes, on a slip of silver set into the face of the circle near the circumference. These graduations were read by microscopes, generally four for each circle, mounted to the piers or a framework surrounding the axis, at 90° intervals around the circles. By averaging the four readings the eccentricity (from inaccurate centering of the circles) and the errors of graduation were greatly reduced. Each microscope was furnished with a micrometer screw, which moved crosshairs, with which the distance of the circle graduations from the centre of the field of view could be measured. The drum of the screw was divided to measure single seconds of arc (0.1" being estimated), while the number of revolutions were counted by a comb like scale in the field of view. The microscopes were given such magnification and placed at such a distance from the circle that one revolution of the micrometer screw corresponded to 1 arcminute (1') on the circle. The error was determined occasionally by measuring standard intervals of 2' or 5' on the circle. The periodic errors of the screw were accounted for. On some instruments, one of the circles was graduated and read more coarsely than the other, and was used only in finding the target stars. The telescope consisted of two tubes screwed to the central cube of the axis. The tubes were usually conical and as stiff as possible to help prevent flexure. The connection to the axis was also as firm as possible, as flexure of the tube would affect declinations deduced from observations. The flexure in the horizontal position of the tube was determined by two collimators—telescopes placed horizontally in the meridian, north and south of the transit circle, with their objective lenses towards it. These were pointed at one another (through holes in the tube of the telescope, or by removing the telescope from its mount) so that the crosshairs in their foci coincided. The collimators were often permanently mounted in these positions, with their objectives and eyepieces fixed to separate piers. The meridian telescope was pointed to one collimator and then the other, moving through exactly 180°, and by reading the circle the amount of flexure (the amount the readings differed from 180°) was found. Absolute flexure, that is, a fixed bend in the tube, was detected by arranging that eyepiece and objective lens could be interchanged, and the average of the two observations of the same star was free from this error. Parts of the apparatus, including the circles, pivots and bearings, were sometimes enclosed in glass cases to protect them from dust. These cases had openings for access. The reading microscopes then extended into the glass cases, while their eyepiece ends and micrometers were protected from dust by removable silk covers. Certain instrumental errors could be averaged out by reversing the telescope on its mounting. A carriage was provided, which ran on rails between the piers, and on which the axis, circles and telescope could be raised by a screw jack, wheeled out from between the piers, turned 180°, wheeled back, and lowered again. The observing building housing the meridian circle did not have a rotating dome, as is often seen at observatories. Since the telescope observed only in the meridian, a vertical slot in the north and south walls, and across the roof between these, was all that was necessary. The building was unheated and kept as much as possible at the temperature of the outside air, to avoid air currents which would disturb the telescopic view. The building also housed the clocks, recorders, and other equipment for making observations.

Корректировка

Для точной работы круги меридиана требовали прецизионной настройки. Ось вращения главного телескопа должна была быть строго горизонтальной. Эту функцию выполнял чувствительный спиртовой уровень, предназначенный для установки на опоры оси. Путем регулировки одного из V-образных подшипников пузырек центрировался. Линия визирования телескопа должна была быть точно перпендикулярна оси вращения. Это достигалось путем наведения на удаленный неподвижный объект, подъема и переворачивания телескопа на опорах, и повторного наведения на объект. Если перекрестие не совпадало с объектом, линия визирования находилась посередине между новым положением перекрестия и удаленным объектом; перекрестие корректировалось соответствующим образом, и процесс повторялся при необходимости. Кроме того, если ось вращения была известна как идеально горизонтальная, телескоп можно было направить вниз на чашу с ртутью, и перекрестие освещалось. Ртуть действовала как идеально горизонтальное зеркало, отражая изображение перекрестия обратно в трубку телескопа. Затем перекрестие регулировалось до совмещения со своим отражением, после чего линия визирования становилась перпендикулярной оси. Линия визирования телескопа должна была точно лежать в плоскости меридиана. Это достигалось приблизительно путем установки опор и подшипников оси на линии восток-запад. Затем телескоп приводился в меридиан путем многократного измерения (очевидно неточных) верхних и нижних меридианных прохождений циркумполярной звезды и горизонтальной регулировки одного из подшипников до тех пор, пока интервал между прохождениями не становился одинаковым. Другим методом было использование рассчитанного времени прохождения меридиана для отдельных звезд, установленного другими обсерваториями. Это была важная настройка, и было приложено много усилий для ее совершенствования. На практике ни одна из этих настроек не была идеальной. Небольшие ошибки, вносимые несовершенствами, математически корректировались при анализе данных.

Телескопы Zenith

Некоторые телескопы, предназначенные для измерения звёздных транзитов, представляют собой зенитные телескопы, нацеленные строго вверх, в зенит или вблизи него, для достижения предельно высокой точности при измерении координат звёзд. Они используют альтазимутальную монтировку вместо меридианного круга, оснащённую регулировочными винтами. К монтировке телескопа прикреплены сверхчувствительные уровни для измерения углов, а сам телескоп оснащён окуляром с микрометром.

Обзор

Идея прибора (квадранта), зафиксированного в плоскости меридиана, возникла ещё у древних астрономов и упоминается Птолемеем, но практической реализации она достигла лишь после того, как Тихо Браге построил большой меридианный квадрант. С XVIII века меридианные круги использовались для точного измерения координат звёзд с целью составления каталогов. Это достигается путём измерения момента прохождения звезды через местный меридиан, а также определения её высоты над горизонтом. Зная географическую широту и долготу, по этим измерениям можно определить прямое восхождение и склонение звезды. После появления хороших звездных каталогов транзитный телескоп можно было использовать в любой точке мира для точного определения местной долготы и времени, наблюдая за моментами прохождения каталожных звёзд через местный меридиан. До изобретения атомных часов это был наиболее надёжный источник точного времени.

Античность

В "Альмагесте" Птолемей описывает меридианный круг, состоящий из неподвижного градуированного внешнего кольца и подвижного внутреннего кольца с отметками, использовавшими тень для определения положения Солнца. Он устанавливался вертикально и ориентировался по меридиану. Прибор применялся для измерения высоты Солнца в полдень с целью определения пути эклиптики.

17 век

Круг меридиана позволял наблюдателю одновременно определять прямое восхождение и склонение, но, по-видимому, в XVII веке он не получил широкого распространения для определения прямого восхождения, предпочтение отдавалось методу равных высот с использованием портативных квадрантов или измерению углового расстояния между звездами астрономическим секстантом. Эти методы были весьма неудобны, и в 1690 году Оле Рёмер изобрел транзитный инструмент.

18 век

Транзитный инструмент состоит из горизонтальной оси, ориентированной с востока на запад и опирающейся на прочно закрепленные опоры, а также телескопа, закрепленного под прямым углом к ней и свободно вращающегося в плоскости меридиана. Одновременно Рёмер изобрел прибор для измерения высоты и азимута, предназначенный для определения вертикальных и горизонтальных углов, а в 1704 году он объединил вертикальный круг со своим транзитным инструментом, чтобы определять обе координаты одновременно. Однако эта последняя идея не получила распространения, хотя транзитный инструмент вскоре стал широко использоваться (первый из них был установлен в Гринвиче в 1721 году), а муральный квадрант продолжал применяться для определения деклинаций вплоть до конца века. Преимущества использования целого круга – его меньшая подверженность деформации и отсутствие необходимости в обращении при наблюдении звезд к северу от зенита – были вновь признаны Джесси Рамсденом, который также усовершенствовал метод считывания углов с помощью микрометрического микроскопа, как описано ниже.

19 век

Вскоре после этого Эдвард Траутон создал первый современный транзитный круг в 1806 году для обсерватории Громбриджа в Блэкхите, получивший название Громбриджский транзитный круг (меридианный транзитный круг). Позднее Траутон отказался от этой идеи и разработал муральный круг, чтобы заменить муральный квадрант. В Великобритании транзитный инструмент и муральный круг оставались основными инструментами в обсерваториях до середины XIX века, первым транзитным кругом там был инструмент, установленный в Гринвиче (в 1850 году). Однако на континенте транзитный круг вытеснил их начиная с 1818–1819 годов, когда два круга, изготовленные Иоганном Георгом Репсольдом и Георгом Фридрихом фон Райхенбахом, были установлены в Геттингене, а один – Райхенбахом в Кёнигсберге. Фирма Repsold and Sons на несколько лет была в тени фирмы Pistor and Martins в Берлине, которая поставляла различные обсерватории первоклассными инструментами. После смерти Мартинса фирма Repsold вновь вышла на ведущие позиции и изготовила множество транзитных кругов. Обсерватории Гарвардского колледжа, Кембриджского и Эдинбургского университетов были оснащены крупными кругами, изготовленными Траутоном и Симмсом. Транзитные круги Эйри в Королевской Гринвичской обсерватории (1851) и в Королевской обсерватории на мысе Доброй Надежды (1855) были изготовлены компаниями Ransomes and May из Ипсуича. Оптические и инструментальные работы для гринвичского инструмента были выполнены Траутоном и Симмсом по проекту Джорджа Бидделла Эйри.

XX век и далее

Современным примером такого типа телескопа является 8-дюймовый (~0,2 м) Флагстаффский астрометрический сканирующий транзитный телескоп (FASTT) в обсерватории станции Флагстафф USNO. Современные меридианные круги обычно автоматизированы. Наблюдатель заменяется ПЗС-камерой. По мере смещения неба в поле зрения, изображение, накапливаемое на ПЗС-матрице, считывается (и выводится) с чипа с той же скоростью. Это позволяет добиться ряда улучшений: ПЗС-камера может накапливать свет в течение всего времени, пока изображение пересекает матрицу, что позволяет достичь большей предельной звездной величины. Данные могут собираться на протяжении всего времени работы телескопа – возможна работа всю ночь, что позволяет сканировать полосу неба длиной в несколько градусов. Данные можно напрямую сравнивать с любым опорным объектом, попадающим в область сканирования – обычно это яркий внегалактический объект, такой как квазар, с точно известными координатами. Это устраняет необходимость в некоторых трудоемких настройках меридианного инструмента, хотя мониторинг деклинации, азимута и уровня все еще осуществляется с помощью ПЗС-сканеров и лазерных интерферометров. Атмосферная рефракция может быть автоматически учтена путем электронного мониторинга температуры, давления и точки росы воздуха. Данные могут храниться и анализироваться по мере необходимости. Первым автоматизированным инструментом был автоматический меридианный круг Карлсберга, введенный в эксплуатацию в 1984 году.