Меридианный круг — это инструмент для измерения времени прохождения звезд через местный меридиан , события, известного как кульминация , и одновременного измерения их углового расстояния от надира . Это телескопы специального назначения , установленные таким образом, чтобы позволять наводиться только на меридиан , большой круг через северную точку горизонта, северный полюс мира , зенит , южную точку горизонта, южный полюс мира и надир . Меридианные телескопы полагаются на вращение неба, чтобы поместить объекты в поле их зрения , и установлены на фиксированной горизонтальной оси восток-запад.
Подобный транзитный инструмент , транзитный круг или транзитный телескоп также устанавливается на горизонтальной оси, но ось не обязательно должна быть зафиксирована в направлении восток-запад. Например, геодезический теодолит может функционировать как транзитный инструмент, если его телескоп способен совершить полный оборот вокруг горизонтальной оси. Меридианные круги часто называют этими названиями, хотя они менее конкретны.
В течение многих лет транзитные измерения были наиболее точным методом измерения положений небесных тел, и для выполнения этой кропотливой работы полагались на меридианные инструменты. До появления спектроскопии , фотографии и совершенствования рефлекторных телескопов измерение положений (и вывод орбит и астрономических констант ) было основной работой обсерваторий . [1] [2] [3]
Установка телескопа для перемещения только по меридиану имеет преимущества при высокоточных работах, для которых используются эти инструменты:
Здесь описывается современное состояние меридиональных инструментов конца 19-го и начала 20-го века, давая некоторое представление о точных методах их изготовления, эксплуатации и настройки. [4] [5]
Самый ранний транзитный телескоп не был помещен в середину оси, а ближе к одному из концов, чтобы предотвратить изгиб оси под весом телескопа. Позже его обычно помещали в центр оси, которая состояла из одного куска латуни или оружейного металла с точеными цилиндрическими стальными шарнирами на каждом конце. Несколько инструментов были сделаны полностью из стали , которая была намного жестче латуни. Шарниры опирались на V-образные подшипники , либо установленные в массивные каменные или кирпичные опоры, которые поддерживали инструмент, либо прикрепленные к металлическим каркасам на вершинах опор. [6] Температура инструмента и местной атмосферы контролировалась термометрами. [7] Опоры обычно были отделены от фундамента здания, чтобы предотвратить передачу вибрации от здания к телескопу. Чтобы освободить шарниры от веса инструмента, который мог бы исказить их форму и вызвать быстрый износ, каждый конец оси поддерживался крюком или хомутом с фрикционными роликами, подвешенными к рычагу , поддерживаемому опорой, уравновешенному так, чтобы оставить только небольшую часть веса на прецизионных V-образных подшипниках. [6] В некоторых случаях противовес давил на роликовые подшипники снизу. [8] Подшипники были установлены почти по истинной линии восток-запад, но точная регулировка была возможна с помощью горизонтальных и вертикальных винтов. Для контроля любого наклона оси к горизонту использовался спиртовой уровень . Эксцентриситет (состояние не по центру) или другие неровности шарниров оси телескопа в некоторых случаях учитывались путем установки другого телескопа через саму ось. Наблюдая за движением искусственной звезды, расположенной к востоку или западу от центра главного инструмента и видимой через этот осевой телескоп и небольшой коллиматорный телескоп, при вращении главного телескопа можно было определить форму шарниров и любое колебание оси. [9]
Около каждого конца оси, прикрепленный к оси и вращающийся вместе с ней, находился круг или колесо для измерения угла телескопа к зениту или горизонту. Обычно диаметром от 1 до 3 футов или более, он был разделен на 2 или 5 угловых минут на серебряной пластинке, вставленной в поверхность круга около окружности. Эти градуировки считывались микроскопами , обычно по четыре на каждый круг, установленными на опорах или каркасе, окружающем ось, с интервалом 90° вокруг кругов. Усреднение четырех показаний значительно уменьшало эксцентриситет (из-за неточного центрирования кругов) и ошибки градуировки. Каждый микроскоп был снабжен микрометрическим винтом , который перемещал перекрестье , с помощью которого можно было измерить расстояние градуировок круга от центра поля зрения. Барабан винта был разделен для измерения отдельных угловых секунд (оцениваемых 0,1"), в то время как число оборотов подсчитывалось с помощью гребенчатой шкалы в поле зрения. Микроскопы были снабжены таким увеличением и размещены на таком расстоянии от круга, что один оборот микрометрического винта соответствовал 1 угловой минуте (1') на круге. Ошибка определялась время от времени путем измерения стандартных интервалов в 2' или 5' на круге. Периодические ошибки винта учитывались. [10] На некоторых инструментах один из кругов был градуирован и считывался более грубо, чем другой, и использовался только для нахождения целевых звезд.
._Museo_del_Observatorio_Astron%C3%B3mico_de_Quito.jpg/1280px-C%C3%ADrculo_meridiano_(Repsold_&_S%C3%B6hne,_1889)._Museo_del_Observatorio_Astron%C3%B3mico_de_Quito.jpg)
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, поскольку изгиб трубы влиял на отклонения, выведенные из наблюдений. Изгиб в горизонтальном положении трубы определялся двумя коллиматорами — телескопами, размещенными горизонтально в меридиане, к северу и югу от транзитного круга, с их объективными линзами к нему. Они были направлены друг на друга (через отверстия в трубе телескопа или путем снятия телескопа с его крепления) так, чтобы перекрестья в их фокусах совпадали. [11] Коллиматоры часто были постоянно установлены в этих положениях, с их объективами и окулярами, закрепленными на отдельных опорах. [12] Меридиональный телескоп был направлен на один коллиматор, а затем на другой, перемещаясь точно на 180°, и, считывая круг, была найдена величина изгиба (величина, на которую показания отличались от 180°). Абсолютный изгиб, то есть фиксированный изгиб в трубе, был обнаружен путем организации взаимозаменяемых окуляра и объектива, и среднее значение двух наблюдений одной и той же звезды было свободно от этой ошибки.
Части аппарата, включая круги, шарниры и подшипники, иногда заключались в стеклянные корпуса для защиты от пыли. В этих корпусах имелись отверстия для доступа. Затем считывающие микроскопы выдвигались в стеклянные корпуса, а их окулярные концы и микрометры были защищены от пыли съемными шелковыми чехлами. [13]
Некоторые инструментальные ошибки могли быть усреднены путем переворота телескопа на его установке. Была предусмотрена каретка, которая двигалась по рельсам между опорами, и на которой ось, круги и телескоп могли быть подняты винтовым домкратом, выкатлены из-под опор, повернуты на 180°, выкатены назад и снова опущены. [11]
Здание для наблюдения, в котором размещался меридиональный круг, не имело вращающегося купола, как это часто бывает в обсерваториях. Поскольку телескоп наблюдал только в меридиане, вертикальная щель в северной и южной стенах и поперек крыши между ними была всем, что было необходимо. Здание не отапливалось и поддерживалось по возможности на уровне температуры наружного воздуха, чтобы избежать воздушных потоков, которые могли бы нарушить телескопический обзор. В здании также размещались часы, самописцы и другое оборудование для проведения наблюдений.
В фокальной плоскости глазной конец телескопа имел несколько вертикальных и один или два горизонтальных провода ( перекрестия ). При наблюдении за звездами телескоп сначала направлялся вниз на бассейн ртути [14], образуя идеально горизонтальное зеркало и отражая изображение перекрестия обратно вверх по трубе телескопа. Перекрестие настраивалось до совпадения с их отражением, и линия визирования затем становилась идеально вертикальной; в этом положении круги считывались для точки надира .
Затем телескоп был поднят до приблизительного склонения целевой звезды, наблюдая за кругом искателя. Инструмент был снабжен зажимным устройством, с помощью которого наблюдатель, установив приблизительное склонение, мог зажать ось так, чтобы телескоп не мог двигаться по склонению, за исключением очень медленного движения тонким винтом . Этим медленным движением телескоп настраивался до тех пор, пока звезда не перемещалась вдоль горизонтальной проволоки (или, если их было две, посередине между ними) с восточной стороны поля зрения на запад. После этого круги считывались микроскопами для измерения видимой высоты звезды. Разница между этим измерением и точкой надира была расстоянием надира звезды. Также использовался подвижный горизонтальный провод или деклинационный микрометр. [11]
Другой метод наблюдения видимой высоты звезды состоял в том, чтобы взять половину углового расстояния между звездой, наблюдаемой непосредственно, и ее отражением, наблюдаемым в бассейне ртути. Среднее из этих двух показаний было показанием, когда линия зрения была горизонтальной, горизонтальной точкой круга. Небольшая разница в широте между телескопом и бассейном ртути была учтена.
Вертикальные провода использовались для наблюдения за транзитами звезд, каждый провод давал отдельный результат. Время транзита по среднему проводу оценивалось во время последующего анализа данных для каждого провода путем прибавления или вычитания известного интервала между средним проводом и рассматриваемым проводом. Эти известные интервалы были предопределены путем измерения времени прохождения звезды известного склонения от одного провода к другому, причем полярная звезда была лучшей из-за ее медленного движения. [11] \ Первоначально измерение времени производилось методом «глаза и уха», оценивая интервал между двумя ударами часов. Позже измерение времени регистрировалось нажатием клавиши, электрический сигнал делал отметку на ленточном самописце . Еще позже глазной конец телескопа обычно оснащался безличным микрометром , устройством, которое позволяло сопоставлять движение вертикального перекрестия с движением звезды. Установленное точно на движущейся звезде, перекрестие запускало электрическое измерение времени пересечения меридиана, удаляя личное уравнение наблюдателя из измерения. [15]
Поле проводов могло освещаться; лампы располагались на некотором расстоянии от опор, чтобы не нагревать прибор, а свет проходил через отверстия в опорах и через полую ось к центру, откуда направлялся к глазному концу с помощью системы призм . [ 11]
Для определения абсолютных склонений или полярных расстояний необходимо было определить кошироту обсерватории , или расстояние небесного полюса от зенита , путем наблюдения верхней и нижней кульминации ряда околополярных звезд . Разница между показанием круга после наблюдения звезды и показанием, соответствующим зениту, была зенитным расстоянием звезды, и это плюс коширота были северным полярным расстоянием. Для определения зенитной точки круга телескоп был направлен вертикально вниз на бассейн ртути , поверхность которого образовывала абсолютно горизонтальное зеркало. Наблюдатель видел горизонтальную проволоку и ее отраженное изображение, и перемещая телескоп так, чтобы они совпадали, его оптическая ось становилась перпендикулярной плоскости горизонта, а показание круга составляло 180° + зенитная точка. [14]
При наблюдении звезд учитывались рефракция , а также ошибки градуировки и изгиба. Если деление звезды на горизонтальной проволоке не было сделано в центре поля, то делалась поправка на кривизну или отклонение траектории звезды от большого круга и на наклон горизонтальной проволоки к горизонту. Величина этого наклона определялась путем повторных наблюдений зенитного расстояния звезды во время одного транзита, причем наиболее подходящей была полярная звезда из-за ее медленного движения. [16]
Были предприняты попытки записать транзиты звезды фотографическим способом. Фотографическая пластина помещалась в фокус транзитного инструмента и делался ряд коротких экспозиций, их продолжительность и время автоматически регистрировались часами. Экспонирующий затвор представлял собой тонкую полоску стали, закрепленную на якоре электромагнита. Таким образом, пластина записывала ряд точек или коротких линий, а вертикальные провода фотографировались на пластине путем пропускания света через объектив в течение одной или двух секунд. [16]
Меридианные круги требовали точной настройки для выполнения точной работы. [17]
Ось вращения главного телескопа должна была быть строго горизонтальной. Эту функцию выполнял чувствительный спиртовой уровень , предназначенный для опоры на шарниры оси. Путем регулировки одного из V-образных подшипников пузырек был отцентрирован.
Линия визирования телескопа должна быть строго перпендикулярна оси вращения. Этого можно было добиться, наведя на удаленный неподвижный объект, подняв и перевернув телескоп на его подшипниках, и снова наведя на объект. Если перекрестье не пересекало объект, линия визирования находилась на полпути между новым положением перекрестья и удаленным объектом; перекрестье соответствующим образом корректировалось, и процесс повторялся по мере необходимости. Кроме того, если было известно, что ось вращения совершенно горизонтальна, телескоп можно было направить вниз на бассейн с ртутью , и перекрестье освещалось. Ртуть действовала как совершенно горизонтальное зеркало, отражая изображение перекрестья обратно в трубу телескопа. Затем перекрестье можно было отрегулировать до совпадения с их отражением, и тогда линия визирования была перпендикулярна оси.
Линия визирования телескопа должна была находиться точно в плоскости меридиана. Это было сделано приблизительно путем строительства опор и пеленгов оси на линии восток-запад. Затем телескоп был приведен в меридиан путем многократного измерения (кажущихся, неверных) верхних и нижних меридиональных транзитов околополярной звезды и регулировки одного из пеленгов по горизонтали до тех пор, пока интервал между транзитами не становился равным. Другой метод использовал расчетное время пересечения меридиана для определенных звезд, как установлено другими обсерваториями. Это была важная корректировка, и было потрачено много усилий на ее совершенствование.
На практике ни одна из этих корректировок не была идеальной. Небольшие ошибки, вызванные несовершенствами, были математически исправлены в ходе анализа данных.
Некоторые телескопы, предназначенные для измерения транзитов звезд, являются зенитными телескопами, предназначенными для направления прямо вверх в зенит или около него для сверхточного измерения положения звезд. Они используют альтазимутальную монтировку вместо меридионального круга, оснащенную выравнивающими винтами. Чрезвычайно чувствительные уровни прикреплены к монтировке телескопа для выполнения угловых измерений, а телескоп имеет окуляр, оснащенный микрометром . [ 18]
Идея иметь инструмент ( квадрант ), закрепленный в плоскости меридиана, приходила в голову еще древним астрономам и упоминалась Птолемеем , но она не была реализована на практике, пока Тихо Браге не построил большой меридианный квадрант. [6]
Меридианные круги использовались с 18 века для точного измерения положения звезд с целью их каталогизации . Это делается путем измерения момента, когда звезда проходит через местный меридиан. Также отмечается ее высота над горизонтом. Зная географическую широту и долготу, эти измерения можно использовать для получения прямого восхождения и склонения звезды .
Как только появились хорошие звездные каталоги, транзитный телескоп можно было использовать в любой точке мира для точного измерения местной долготы и времени, наблюдая за местным меридианным временем прохождения звезд каталога. До изобретения атомных часов это был самый надежный источник точного времени.
В Альмагесте Птолемей описывает меридианный круг, который состоял из фиксированного градуированного внешнего кольца и подвижного внутреннего кольца с выступами, которые использовали тень для установки положения Солнца. Он был установлен вертикально и выровнен по меридиану. Инструмент использовался для измерения высоты Солнца в полдень, чтобы определить путь эклиптики . [ 19]
Меридианный круг позволял наблюдателю одновременно определять прямое восхождение и склонение , но, похоже, он не очень использовался для прямого восхождения в 17 веке, предпочитая метод равных высот с помощью переносных квадрантов или измерения углового расстояния между звездами с помощью астрономического секстанта . Эти методы были очень неудобны, и в 1690 году Оле Рёмер изобрел транзитный инструмент. [6]
Пассивный инструмент состоит из горизонтальной оси в направлении восток и запад, покоящейся на прочно закрепленных опорах, и имеющей телескоп, закрепленный под прямым углом к ней, свободно вращающийся в плоскости меридиана. В то же время Рёмер изобрел высотный и азимутальный инструмент для измерения вертикальных и горизонтальных углов, а в 1704 году он объединил вертикальный круг со своим транзитным инструментом, чтобы определять обе координаты одновременно. [6]
Эта последняя идея, однако, не была принята в других местах, хотя транзитный инструмент вскоре вошел во всеобщее использование (первый в Гринвиче был установлен в 1721 году), а настенный квадрант продолжал использоваться до конца столетия для определения склонений. Преимущества использования целого круга, который был менее склонен изменять свою форму и не требовал переворота для наблюдения за звездами к северу от зенита, были затем снова признаны Джесси Рамсденом , который также улучшил метод считывания углов с помощью микрометрического микроскопа , как описано ниже. [6]
Созданием кругов вскоре занялся Эдвард Тротон , который построил первый современный транзитный круг в 1806 году для обсерватории Грумбриджа в Блэкхите , транзитный круг Грумбриджа (меридианный транзитный круг). Впоследствии Тротон отказался от этой идеи и спроектировал настенный круг , чтобы заменить настенный квадрант. [6]
В Соединенном Королевстве транзитный инструмент и настенный круг оставались основными инструментами в обсерваториях вплоть до середины XIX века, причем первым транзитным кругом, построенным там, был круг в Гринвиче (установлен в 1850 году). Однако на континенте транзитный круг вытеснил их с 1818–1819 годов, когда два круга Иоганна Георга Репсольда и Георга Фридриха фон Рейхенбаха были установлены в Геттингене , а один — Рейхенбахом в Кенигсберге . Фирму Repsold and Sons на несколько лет затмила фирма Pistor and Martins в Берлине, которая снабжала различные обсерватории первоклассными инструментами. После смерти Мартинса Repsolds снова взяли на себя лидерство и изготовили множество транзитных кругов. В обсерваториях Гарвардского колледжа , Кембриджского университета и Эдинбургского университета были большие круги Троутона и Симмса . [6]
Круги Эйри в Королевской Гринвичской обсерватории (1851) и в Королевской обсерватории на мысе Доброй Надежды (1855) были созданы Рэнсомсом и Мэем из Ипсвича. Гринвичский инструмент имел оптическую и инструментальную работу Тротона и Симмса по проекту Джорджа Бидделла Эйри .
Современным примером такого типа телескопа является 8-дюймовый (~0,2 м) Флагстаффский астрометрический сканирующий транзитный телескоп (FASTT) в обсерватории Флагстаффской станции USNO . [20] Современные меридианные круги обычно автоматизированы. Наблюдатель заменяется ПЗС- камерой. По мере того, как небо дрейфует по полю зрения, изображение, созданное в ПЗС, синхронизируется с чипом (и выходит из него) с той же скоростью. Это позволяет внести некоторые улучшения: [21]
Первым автоматизированным прибором был автоматический меридиональный круг Carlsberg , который был введен в эксплуатацию в 1984 году. [22]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Атрибуция:
