Sledování sluneční fotosféry patří k nejpoutavějším amatérským pozorováním, které mohou mít při systematické práci i svůj vědecký význam. Rychle se měnící vzhled slunečních skvrn je zajímavý i pro začínající hvězdáře-amatéry, kteří si pro tyto účely snaží obstarat vhodný dalekohled.
Přinášíme popis jednoduchého přístroje, helioskopu, pro pozorování Slunce, který je určen hlavně pro amatéry. Jeho konstrukce se vyplatí i přes to, že je to přístroj jednoúčelový, který nemůžeme použít k jiným astronomickým pozorováním, pro jeho jednoduchost a nízké náklady. Významným přínosem pro každého konstruktéra budou i zkušenosti, které při této práci získá a které bude moci uplatnit i při konstrukci nákladnějších a dokonalejších zařízení.
Princip helioskopu
Tento přístroj pracuje na principu Newtonova zrcadlového dalekohledu, reflektoru. Slunce nám poskytuje takové množství světla, že ho musíme při pozorování tlumit, aby neškodilo našemu zraku. Z tohoto důvodu využíváme v našem přístroji stejné součásti, jako v Newtonově reflektoru, ale jejich povrch není pokryt odrážející vrstvou stříbra nebo hliníku. Skleněná plocha bez vrstvy těchto kovů totiž odráží jen malou část přicházejícího světla, takže po třech odrazech má obraz Slunce již jen zlomek původní světelné intenzity.
Sluneční paprsky dopadají na povrch konkávního (dutého) zrcadla, které funguje jako objektiv, odrážejí se zde a soustřeďují se do ohniska. Část paprsku však přechází přes zrcadlo, které nemá zvětšenou odrazovou plochu, a tím se světlo Slunce poprvé zeslabuje. Do cesty tohoto kužele paprsků potom umístíme skleněnou destičku, která je od osy zrcadla odkloněná o 45°. Je to tzv. sekundární zrcadélko, které odráží vytvořený obraz do okuláru. Zde opět přechází podstatná část světla přes skleněnou destičku dál a jen malá část se odráží do okuláru, intenzita světla se podruhé snižuje. I po tomto druhém zeslabení je však obraz Slunce ještě příliš jasný a můžeme ho pozorovat jen tehdy, když za okulár vložíme tmavý filtr.
Důležité upozornění! Při konstrukci helioskopu se musíme vyhnou tomu, aby se nám dostal do oka obraz Slunce, který nebyl dostatečně ztlumený. Proto při kontrole obrazu přiložíme vždy na okulár tmavý filtr. Vhodné je např. sklo, které se používá ve svářečských brýlích a štítech.
Optika helioskopu
Nejdůležitější součástí optické soustavy našeho přístroje je duté zrcadlo s průměrem 50 až 80 mm, bez odrazové kovové vrstvy. Vybrousit kulové zrcadlo tohoto průměru s ohniskovou vzdáleností 1 000 až 1 200 mm není příliš náročná úloha. Popis celé práce najdeme ve starších ročnících časopisu Říše hvězd (ročník 1977 č. 1 až 12), případně v knize V. a J. Erhardtových o amatérských dalekohledech, která vyšla v roce 1990. V poslední době se objevuje mnoho nabídek různých výrobců na zhotovení astronomického zrcadla (např. v časopise Kosmos). Nepokovené kulové zrcadlo malého průměru by mělo být poměrně laciné.
Někdy se podaří získat obraz Slunce i optickou čočkou s průměrem okolo 50 mm, která má jednu plochu mírně dutou. Když čočku použijeme ve funkci zrcadla helioskopu, může poskytovat velmi dobrý obraz. Rozhodnout, zda je určitá plocha čočky rovinná, nebo dutá jen zběžným pohledem není dobře možné. K tomuto účelu použijeme projekční metodu.
Čočku obrátíme dutou stranou ke Slunce a mezi toto zrcadlo a Slunce vložíme kousek papíru a pohybujeme s ním od povrchu zrcadla směrem ke Slunci tak dlouho, až se na jeho ploše objeví obraz Slunce. Jeho průměr se rovná přibližně 1/100 ohniskové vzdálenosti použitého zrcadla. Vlastní ohniskovou vzdálenost zjistíme, když změříme vzdálenost mezi povrchem zrcadla a papírkem v okamžiku, kdy je obraz Slunce přesně zaostřený.
Další optickou částí našeho helioskopu je sekundární zrcadélko, které usměrňuje svazek optických paprsků jdoucích od zrcadla směrem k okuláru, přičemž se mění jejich směr o 90°.
Zrcadélko má, být pokud, možno jen tak velké, aby obsáhlo celý svazek paprsků v daném místě jeho dráhy. Potřebný rozměr si zjistíme tak, že nakreslíme rovnoramenný trojúhelník, jehož základnu představuje průměr našeho zrcadlového objektivu a výšku udává jeho ohnisková vzdálenost. Od vrcholu trojúhelníka odměříme na výšku vzdálenost, která se rovná přibližně poloměru tubusu helioskopu, a v dané vzdálenosti vedeme rovnoběžku se základnou DE. Úsečka DE nám udává délku malé osy elipsy odrazového zrcadélka. V místě, kde se protíná výška trojúhelníku s úsečkou DE narýsujeme přímku, která svírá s výškou úhel 45°.
Úsečka FG, která je na této přímce ohraničená stranami trojúhelníku, nám potom určuje minimální délku osy odrazového zrcadélka. Protože výroba eliptického odrazového zrcadélka je náročná, můžeme použít kruhové zrcadélko o něco většího průměru nebo vyrobíme zrcadélko tvaru obdélníku.
Odrazová plocha zrcadélka by měla být přesně rovinná. Destička by měla být dostatečně hrubá, aby se po zachycení v nosiči nedeformovala. Světlo odráží nejen venkovní plocha destičky, ale i protilehlá vnitřní plocha. Z tohoto důvodu přebrousíme jemným brusným práškem (např. brusným papírem) odvrácenou plochu destičky tak, aby byla matná. Potom ji načerníme např. tuží a přelepíme černým papírem.
Když máme k dispozici pravoúhlý hranol, budeme mít práci o dost jednodušší. Namísto zrcadélka použijeme vnější stranu jeho přepony jako odrazovou plochu.
Nakonec si musíme zajistit vhodný okulár. Protože náš optický systém není zatížen chromatickou vadou objektivu, můžeme zde použít okulár s ohniskovou vzdáleností přibližně 20 mm, ale i s kratší ohniskovou vzdáleností, a tedy i vyšším zvětšením. Zvětšení helioskopu zjistíme podle vzorce
Z = f1 / f2
Kde f1 je ohnisková vzdálenost objektivu a f2 je ohnisková vzdálenost okuláru. Můžeme použít jednoduchou spojnou čočku (nejlépe ploskovypuklou), nebo systém dvou čoček, případně hotový okulár (astronomický, nebo určený pro mikroskop). Podrobnější údaje najdeme v příručce astronomické optiky nebo v astronomických populárních časopisech.
Mechanické části helioskopu
Objektiv našeho přístroje umístíme tak, abychom ho mohli naklánět do správného směru. Vlastní zrcadlo je plechovými páskami upevněno ke kruhové destičce ze dřeva, jejíž průměr je menší než průměr tubusu helioskopu, a asi o 20 mm větší než průměr zrcadla. Destička musí být 10 až 12 mm vysoká,protože jejím středem bude procházet šroub o průměru 4 mm, zatímco jeho hlavička bude zapuštěna v prohlubni pod zrcadlem. Tento šroub dlouhý 40 až 50 mm bude přecházet středem další kruhové destičky, kterou vyrobíme nejlépe z plastické hmoty. Jeho průměr by měl odpovídat průměru použitého tubusu helioskopu. Mezi destičkou nesoucí zrcadlo a tímto uzávěrem tubusu bude na šroubu navlečena ocelová pružina, která bude odtlačovat obě tyto části od sebe. Otvor pro šroub ve dně tubusu musí mít mírně kuželovitý tvar, aby se šroub mohl naklánět do stran. Kromě toho zde uděláme 3 otvory se závity pro šrouby o průměrech přibližně 4 mm, které budou rozmístěny symetricky na obvodu kružnice. Jejich poloměr se bude rovnat 2/3 průměru nosné destičky zrcadla. Když budeme šrouby povolovat a přitahovat, můžeme regulovat směr optické osy zrcadla tak, aby mířila na střed odrazového zrcadélka. Destičku uzávěru s uvedenými šrouby upevníme do tubusu krátkými šrouby.
Když nám bude vyhovovat jednodušší provedení umístění zrcadla, upevníme ho plíšky přímo na uzávěr tubusu bez regulačních šroubů. Potom musíme zabezpečit jeho polohu přesně ve středu uzávěru kolmo na podélnou osu přístroje.
Při upevňování odrazového zrcadélka nebo hranolu musíme zabezpečit možnost jeho posunu v několika směrech tak, abychom mohli odrazový systém správně nastavit oproti okuláru a oproti zrcadlu.
Sklíčko zrcadla nebo hranolu umístíme na plechový nosník tvaru písmene L a upevníme ho plechovými jazýčky, které necháme při stříhání plechu přečnívat na okrajích a po usazení součástky je zahneme. Svislou částí nosníku potom prochází šroub o průměru 3 mm a 15 mm dlouhý, který je prostrčen přes trojúhelníkovitou destičku s regulačními šrouby a přes nosný sloupek odrazového systému. Destička regulačního systému je kovová, asi 3 mm vysoká a má tvar rovnoramenného trojúhelníku. Při vrcholech trojúhelníku jsou vypracované otvory se závity pro regulační šrouby, které tlačí na nosník se zrcadélkem, a umožňují měnit jeho sklon oproti podélné ose přístroje. V nosném sloupku je vypracovaný podélný otvor, který dovoluje posouvat nosník zrcadla i destičku s regulačními šrouby ve svislém směru. Na centrální šroub je mezi nosníkem zrcadélka a regulační destičkou navlečena ocelová pružina, za níž následuje matice. Potom je šroub prostrčen otvorem v regulační destičce a otvorem v nosném sloupku, ke kterému se přitahuje opět maticí. Tím je umožněna regulace polohy ve směru osy přístroje i ve směru kolmém na tuto osu.
Nosný sloupek zrcadla je z ocelového pásu 2,5 až 3 mm vysokého, na spodním konci je zahnutý v délce asi 25 mm. V této části je opět vypracován podélný otvor, který dovoluje posouvat celý sloupek směrem k zrcadlu. Přes otvor přechází šroub přichycený přes stěnu tubusu maticí.
V případě, že použijeme místo odrazového zrcadélka pravoúhlý hranol, musí být zadní (svislá) část nosníku vyšší, aby se do něj mohla zapustit hlavička středového šroubu. Ploché zrcadélko zabezpečíme před uvolněním tak, že do prostoru nosníku natlačíme před vložením zrcadélka vatu.
Tubus helioskopu může být plechový, nebo použijeme trubici z plastu. Vnitřek jako i všechny součásti, které se zde nacházejí, vyčerníme barvou (např. matnou barvou na tabule).
Průměr tubusu by měl být asi o 1/3 větší, než průměr zrcadla, u malých zrcadel i dvojnásobný.
Je potřeba dobře uvážit umístění otvoru s tubsem pro okulár, aby se okulár nacházel ve správné vzdálenosti od zrcadla. Když se nám to nepodaří, tak buď nebude vůbec možné obraz zaostřit (odrazový systém a otvor okuláru jsou příliš daleko od zrcadla), nebo pro zaostření obrazu budeme muset okulár vytáhnout z okulárového tubusu (okulárový výtah je příliš blízko k zrcadlu). Při zaostřeném obrazu nekonečně vzdáleného předmětu (t. j. při všech hvězdných objektech, Slunci i Měsíci) je mezi zrcadlem a středem optické roviny okuláru vzdálenost, která se rovná součtu ohniskové vzdálenosti zrcadla a ohniskové vzdálenosti okuláru.
Aby bylo možné obraz pohodlně zaostřit, je výhodné vyrobit alespoň jednoduchý výtah pro okulárový tubus, např. v podobě objímky s posouvající se trubičkou, do které vložíme okulár.
Pro lepší odhad polohy jednotlivých částí přístroje je výhodné vyzkoušet si nejprve celý systém upevněný na dřevěné destičce a přitom si zjistit, jaká je správná vzdálenost jednotlivých částí.
Při justaci zařízení musíme nastavit regulační šrouby odrazového zrcadélka tak, abychom viděli zrcadlo ve středu okulárové trubičky (bez okuláru). Potom vyregulujeme šrouby zrcadlo do takové polohy, ve které se nám promítá obraz odrazového zrcadélka do středu zrcadla. Z toho vidíme, že zde platí stejná pravidla jako při justaci Newtonova reflektoru.
Helioskop
Helioskop, který jsme zkonstruovali je potřeba upevnit na montáž, jakou běžně používáme pro Newtonův zrcadlový dalekohled. Protože tento přístroj však dodává do okuláru stále příliš mnoho světla, musíme při pozorování Slunce zařadit za okulár tmavý filtr.
Připojením jednoduchého zařízení máme však možnost přeměnit helioskop na tzv. heliostat, který nepotřebuje pro vlastní dalekohled pohyblivou montáž a zároveň dále zeslabuje světlo Slunce, takže odpadá i použití filtru za okulárem.
Jedná se o skleněnou odrazovou plochu, kterou umístíme do osy dalekohledu a upevníme ji do pohyblivé vidlice. Dalekohled je potom uložen vodorovně a obraz Slunce do něho usměrňuje zrcadlová plocha, která se otáčí okolo své osy, a může tak sledovat cestu Slunce po obloze.
Vlastní zrcadlo o rozměrech přibližně 75×75 mm zhotovíme z hrubšího zrcadlového skla, které bývá dostatečně rovné. Zadní plochu zrcadlové desky upevníme přebroušením tak, jak bylo uvedeno v případě zrcadélka helioskopu. Zrcadlo namontujeme do kovového nebo dřevěného rámu a ten upevníme do vidlice z ocelového pásku 2 až 3 mm širokého. Zrcadlo se otáčí ve vidlici okolo vodorovné osy, je upevněno dvěmi šrouby. Na spodní straně přivrtáme a upevníme vidlici maticí na šroub o průměru 6 mm, asi 90 mm dlouhý. Potom si připravíme dřevěný hranol 50×50×60 mm z tvrdého dřeva, který rozdělíme na dvě části tak, aby rovina řezu s výškou hranolu vytvářely úhel odpovídající přibližně zeměpisné šířce místa. Vrchní, nižší část hranolu umístíme na jeden konec destičky o rozměrech 30×6×1 cm tak, jako je naznačené na obrázku. Potom upevníme druhou část hranolu symetricky pod destičku a celý hranol i destičku převrátíme otvorem přecházejícím jeho středem ve směru delší osy. Do tohoto otvoru nastrčíme šroub upevněný na vidlici se zrcadlem a zajistíme ho maticí.
Na opačný konec destičky ve vzdálenosti asi 25 cm upevníme náš helioskop tak, aby jeho podélná osa mířila do středu otočného zrcadla heliostatu. Tubus upevníme k destičce pomocí dřevěného hranolu a plechových pásků.
Celý přístroj umístíme na vhodnou stabilní podložku (stůl, zeď) a orientujeme ho tak, aby byl ve směru od severu k jihu. Zrcadlo heliostatu musí být na severní straně přístroje. Potom nasměrujeme vhodným pootočením zrcadla obraz Slunce do helioskopu. Abychom udrželi jeho obraz v zorném poli, stačí posouvat zrcadlo otáčením vidlice okolo její osy, která zde má funkci osy hodinové
Při zkušebním pozorování použijte i v tomto případě nejprve tmavé sklo za okulárem, abyste se přesvědčili, zda je obraz Slunce dostatečně ztlumený, aby nedošlo k poškození zraku.
původní článek byl publikován v Astronomické ročenke (SK) v roce 1992
úprava textu: Petra Váňová, Jihlavská astronomická společnost
—
Články ze seriálu TELESKOPIE byly v minulých letech postupně uveřejňovány v Astronomické ročenke vydávané Slovenskou ústrednou hvezdárňou v Hurbanove (www.suh.sk). Děkujeme vedení tohoto ústavu za souhlas se zveřejněním těchto aktualizovaných příspěvků na webu Jihlavské astronomické společnosti (www.jiast.cz) a České astronomické společnosti (www.astro.cz).
