Какой телескоп лучше для астрофотографии - большой или маленький? Можно встретить мнение, что чем больше апертура телескопа, тем лучше. Это правило работает при идеальных условиях, когда атмосфера не влияет на изображение (т.е. когда её нет). В реальных же условиях может оказаться так, что инструмент с большой апертурой не сможет раскрыть свой потенциал и будет выдавать посредственный результат.
Для начала вспомним про такой параметр объектива (телескопа), как светосила. Это отношение эффективного диаметра объектива D (апертура) к его фокусному расстоянию F:
Допустим, диаметр объектива 10 мм, а фокусное расстояние 100 мм. Значит, его светосила равна 1/10. Иногда это записывают как f/10. Иногда, если мало места для надписей, оставляют только знаменатель, как на картинке ниже.
Данный параметр удобен тем, что фотограф легко может оценить сколько света попадает на матрицу, вне зависимости от модели объектива. Если светосила у двух объективов одинаковая, то и количество света, попадающее на матрицу, будет одинаковым.
Например, у нас есть огромный телескоп с апертурой 1000 мм и светосилой f/4. И есть небольшой фотообъектив с апертурой 20 мм и такой же светосилой. Освещенность матрицы в том и в другом случае будет одинаковая. Разница между этими телескопами будет в масштабе формируемого на матрице изображения.
Есть еще одна важная деталь - от апертуры объектива зависит его разрешающая способность. Что это такое? Из-за волновой природы света любой точечный источник света (например, звезда) не выглядит в фокальной плоскости как точка. Любой точечный источник выглядит как набор концентрических колец, яркость которых быстро убывает с удалением от центра источника. Это называется диском Эйри.
Если мы фотографируем две звезды, которые находятся на небе близко друг к другу, то вместо двух точек на изображении будет два таких диска Эйри. Если угловое расстояние между звездами очень маленькое, изображения дисков Эйри сольются и мы не сможем разделить звезды - они будут выглядеть как один точечный источник света.
И чем больше апертура объектива, тем меньше размеры дисков Эйри. А значит, на изображении можно различить более мелкие детали.
В оптике разрешающая способность (разрешающая сила) характеризует способность приборов давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта.
Разрешающая способность зависит не только от апертуры, но и от длины волны света. Для быстрого примерного расчета этой характеристики в зеленом свете (центр видимого диапазона) можно использовать упрощенную формулу:
Здесь r - это угловое разрешение в секундах дуги, а D - апертура объектива в миллиметрах.
Изображение фиксируется при помощи матрицы, которая состоит из отдельных пикселей. Можно посчитать какой телесный угол неба приходится на один пиксель. Зная разрешающую способность объектива, можно выразить её в пикселях матрицы. Оптимальным будет разрешающая способность близкая к одному пикселю. Если больше одного пикселя, значит оптика не раскрывает все возможности матрицы. Если же значение сильно меньше одного пикселя, значит возможности оптики избыточны.
У меня есть телескоп Askar 103 APO с корректором x0,8. По формуле выше его разрешающая способность 1,4'' (апертура 100 мм). Имеется камера ZWO ASI2600MC. Если её пристыковать к этому телескопу, то при фокусном расстоянии 540 мм на каждый пиксель будет приходиться 1,35'' (это можно или расчитать самостоятельно или посмотреть в программе Stellarium, задав параметры телескопа и матрицы). Т.е. разрешающая способность оптики и масштаб формируемого изображения соответствует параметрам матрицы.
Есть другой телескоп - Sky Watcher 200/800. Апертура больше. С той же камерой на один пиксель уже приходится 0,9''. Теоретическое разрешение самого телескопа около 0,7''. Т.е., опять же, разрешение примерно соответствует размеру пикселя.
Оба этих инструмента с данной камерой должны давать хорошо детализированную картинку. Но есть один нюанс - искажения, вносимые атмосферой. Есть параметр, которым оценивается оптическое качество атмосферы - seeing. Турбулентность в атмосфере размывает картинку. Если смотреть на звезду, то она уже не будет точечным источником, а размажется в небольшой диск. По угловому размеру этого диска можно судить о качестве атмосферы - чем меньше это значение, тем лучше. В самых хороших условиях seeing чуть меньше 0,5''. Такие условия в Чили в пустыне Атакама на высоте 5000 метров над уровнем моря. Там и стоят самые большие телескопы человечества. А вот на равнинной местности, где вокруг много озер и рек, seeing очень редко бывает меньше 2''.
При плохом seeing возникает ситуация, когда телескопы с бОльшей апертурой дают картинку хуже по качеству, чем телескопы с меньшей апертурой. Оговорюсь, что речь о DeepSky фотографии. Например, для лунно-планетной съемки дальнейшие рассуждения неприменимы из-за специфики техники получения конечного изображения.
Давайте посчитаем максимальное разрешение в пикселях для примера выше (Askar 103APO x0,8) при seeing 2'':
Теперь сделаем то же самое для Sky Watcher 200/800:
Получилось, что в данном случае телескоп с бОльшей апертурой дает картинку хуже по детализации - любой точечный источник из-за флуктуаций атмосферы размазывается более чем на 2 пикселя. В расчетах использовался seeing 2''. Но это для обычной местности очень хорошая атмосфера. В большинстве случаев всё гораздо хуже и seeing около 3-4''.
Для бОльшей апертуры более значимо качество атмосферы. При плохом seeing телескоп с бОльшей апертурой может давать менее качественную картинку, чем телескоп с меньшей апертурой.
Из доклада Джона Хейза с конференции Galaxy Studio (доктор Джон Хейз — инженер-оптик, предприниматель и профессор, имеющий степень бакалавра физики и астрономии, а также степень магистра и доктора философии по оптике Аризонского университета):
Любой телескоп работает лучше при хорошем качестве атмосферы, но для достижения наилучших результатов крупным телескопам действительно необходимо хорошее качество атмосферы. 24-х дюймовый телескоп при seeing 2'' не будет намного лучше 10-ти или 14-ти дюймового телескопа при равных условиях.
Джон Хейз владелец телескопа ASA600 (24 дюйма). Ему пришлось перевезти этот телескоп в Чили, т.к. использование инструмента с такой апертурой совершенно не целесообразно при плохом seeing.
Темного вам неба!