astronomian instrumentti From Wikipedia, the free encyclopedia
Meridiaaniympyrä eli ohikulkukone[1] on tähtitieteellinen havaintoväline, jolla voidaan todeta, millä hetkellä jokin taivaankappale kulkee havaintopaikkakunnan meridiaanin poikki, eli näkyy suoraan etelässä tai pohjoisessa, ja jolla voidaan samaan aikaan myös mitata sen korkeuskulma. Sen muodostaa kaukoputki joka on kiinnitetty länsi-itä-suuntaiseen kiinteään akseliin siten, että sitä voidaan kääntää ainoastaan pystysuunnassa. Sellaisia rakennettiin varsinkin 1800-luvulla moniin observatorioihin[1], ja niitä käytetään tähtien absoluuttisten paikkojen mittaamiseen ja ajan määrittämiseen.[1]
Meridiaaniympyrä oli pitkät ajat kaikkein tarkin väline taivaankappaleen aseman mittaamiseen. Ennen spektroskopian, tähtivalokuvauksen ja peilikaukoputkien kehittymistä tämä sekä siihen liittyen taivaankappaleiden kiertoratojen ja tähtitieteellisten vakioiden määrittäminen olivatkin observatorioiden tärkein tehtävä. [2][3][4]
Kun kaukoputki kiinnitetään siten, että sitä voidaan kääntää vain meridiaanin suunnassa, saavutetaan etuja niiden tarkkuustöiden kannalta, joihin meridiaaniympyröitä käytetään. Tärkeimmät edut ovat:
Meridiaaniympyröitä onkin käytetty 1700-luvulta lähtien tähtien tarkkojen sijaintien mittaamiseen tähtiluetteloita varten. Tämä suoritetaan mittaamalla hetki, jolloin tähti kulkee paikallisen meridiaanin poikki. Sen korkeuskulma horisontista luettuna mitataan myös. Kun observatorion maantieteellinen leveys- ja pituusaste tunnetaan, näiden mittaustulosten avulla voidaan määrittää tähden rektaskensio ja deklinaatio. Tähden kulkiessa havaintopaikan meridiaanin yli zeniitin eteläpuolitse sen deklinaatio on sama kuin sen zeniittietäisyyden ja havaintopaikan leveysasteen erotus, ja sen rektaskensio on sama kuin paikallinen tähtiaika.[5]
Kun kunnolliset tähtiluettelot oli saatu aikaan, meridiaaniympyrän avulla voitiin missä tahansa maapallolla määrittää paikallinen pituusaste ja paikallisaika katsomalla, millä hetkellä jokin luetteloon merkitty tähti kulki paikallisen meridiaanin poikki. Ennen atomikellon keksimistä tämä oli tarkin keino, jolla aika voitiin määrittää.
Seuraavassa kuvataan lähinnä 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa rakennettujen meridiaaniympyröiden rakennetta ja toimintaperiaatetta.[6][7] Nykyaikaisista automatisoiduista meridiaaniympyröistä kerrotaan artikkelin lopussa.
Varhaisimpia meridiaaniympyröitä ei kiinnitetty akselin keskikohtaan vaan lähelle sen jompaakumpaa päätä, jotta akseli ei taipuisi kaukoputken painosta. Myöhemmin akseli valmistettiin yleensä messingistä tai asemetallista ja kiinnitettiin lieriömäisillä terästapeilla telineeseen. Tällöin kaukoputki voitiin sijoittaa akselin keskikohtaan. Jotkut laitteet valmistettiin kokonaan teräksestä, joka on paljon jäykempää kuin messinki. Kiinnitystapit olivat V:n muotoisten laakerien päällä joko laitetta kannattavien kivisten tai tiilisten tukien päällä tai kiinnitettynä metallirunkoon tukien päällä. Laakereiden lämpötilaa seurattiin lämpömittareilla.[8]
Meridiaaniympyrän tukirakenteet eivät yleensä olleet kiinni rakennuksen perustuksista, jotta rakennuksen mahdollinen värähtely ei vaikuttaisi kaukoputkeen. Laakerit asetetaan mahdollisimman tarkkaan itä-länsi-suuntaan, mutta hienosäätö on mahdollista vaaka- ja pystysuorien ruuvien avulla. Vesivaa'an avulla voidaan tarkistaa, että akseli on vaakasuorassa. Kaukoputken mahdollinen epäkeskisyys on toisinaan otettu huomioon sijoittamalla akselin sisään toinen kaukoputki. Kun tällä putkella havaitaan jotakin keinotekoista kohdetta ja varsinaista kaukoputkea samaan aikaan kierretään, kiinnitystappien muoto ja mikä tahansa akselin liike voidaan todeta.[9]
Lähellä akselin kumpaakin päätä, siihen kiinnitettyinä ja sen mukana kiertyvinä, oli kiekko tai pyörä kaukoputken ja horisontin välisen kulman mittaamiseksi. Ne olivat halkaisijaltaan yleensä noin 90 - 110 senttimetrin levyiset, ja lähellä niiden reunaa oli kulmamitta-asteikko, jossa oli merkinnät noin 2 - 5 kulmaminuutin välein. Näitä asteikkoja luettiin mikroskooppien avulla, joita oli yleensä neljä kumpaakin kiekkoa kohti, joko kiinnitettyinä laitteen tukirakenteeseen tai sitä ympäröivään tukirakenteeseen. Vertaamalla näistä saatua neljää lukemaa voitiin kaukoputken mahdollisesta epäkeskisyydestä tai kiekkojen väärästä asennosta johtuvia virheitä suuresti pienentää. Jokainen mikroskooppi oli varustettu mikrometriruuvilla, mikä tekee mahdolliseksi mitata kulmia jopa sekunnin tarkkuudella. Toisinaan jompikumpi kiekoista oli jaettu vain asteisiin ja siitä kulmat saatiin vain karkeasti määritetyksi, ja sitä käytettiin vain tarkkailtavan tähden löytämiseen.
Kaukoputki muodostui kahdesta putkesta, jotka on kiinnitetty ruuveilla akselin keskikohdassa olevaan kuutioon. Putket olivat yleensä kartion muotoisia ja mahdollisimman jäykkiä, etteivät ne taipuisi. Ne oli myös kiinnitetty akseliin niin lujasti kuin mahdollista, jotta putken taipuminen ei vaikuttaisi taivaankappaleiden deklinaatioiden mittaustuloksiin. Putken taipuminen vaakasuorassa suunnassa voidaan määrittää kahdella kollimaattorilla eli vaakasuorasti meridiaanin suuntaan osoittavalla kaukoputkella, jotka sijoitettiin meridiaaniympyrän pohjois- ja eteläpuolelle, objektiivit sitä kohti suunnattuina. Täten ne osoittivat toisiaan kohti siten, että niiden polttopisteet yhtyivät, mikä oli todennettavissa meridiaaniympyrässä olleiden aukkojen avulla tai irrottamalla se. Kollimaattorit oli usein pysyvästi asetettu paikoilleen, objektiivit ja okulaarit kiinnitettyinä omiin kannattimiinsa.[10] Kun meridiaaniympyrä suunnattiin ensin toiseen, sitten toiseen kollimaattoriin, jolloin se kääntyi tasan 180°, ja jos kulmamittauskiekoista voitiin todeta, että kiertokulma tällöin poikkesi 180°:sta, voidaan samalla todeta, minkä verran kaukoputki oli vääntynyt. Putken pysyvä vääntymä voitiin todentaa vaihtamalla objektiivi ja okulaari keskenään, ja tällöin samasta tähdestä saatujen havaintojen keskiarvossa ei esiintynyt tästä aiheutuvaa virhettä.
Osat laitteesta suljetaan toisinaan lasikoteloon niiden suojaamiseksi pölyltä. Näissä koteloissa on aukkoja, jotta laitteeseen päästiin käsiksi. Muut osat suojattiin pölyltä silkkipeitteillä.[11]
Rakennuksissa, joihin meridiaaniympyrä sijoitetaan, ei tarvita sellaista kierrettävää kupolia, jollainen on monissa tähtitorneissa. Koska niillä havaitaan vain meridiaanilla olevia kohteita, riittää, että rakennuksen etelä- ja pohjoisseinässä ja katossa niiden välillä on kapea aukko.
Kaukoputken okulaarin puoleisessa päässä oli useita pystysuoria ja yksi tai kaksi vaakasuoraa metallilankaa. Tähtiä havainnoitaessa putki käännettiin ensin suoraan alaspäin, kohti sen alla olevaa elohopealla täytettyä allasta, joka muodosti täydellisen vaakasuoran peilin ja heijasti täydellisen kuvan okulaarissa olevasta ristikosta. Sen asentoa säädettiin, kunnes se sattui täsmälleen yhteen peilikuvansa kanssa, jolloin putki oli tarkalleen pystysuorassa. Tällä tavoin kiekoista saatiin tarkalleen määritetyksi nadiiria vastaava kohta.
Sen jälkeen putki suunnattiin etsintäkiekon avulla ylöspäin suunnilleen havaittavan tähden suuntaan. Laitteessa oli ruuvipuristin, jolla havaitsija saattoi kiinnittää putken paikoilleen, niin ettei se liikkunut pystysuorassakaan suunnassa paitsi hyvin hitaasti hienosäätöruuvin avulla. Tämän hitaan liikkeen avulla putken suuntausta tarkennettiin, kunnes tähti oli suoraan vaakasuoran langan takana, tai jos niitä oli kaksi, näkyi niiden välistä kulkiessaan idästä länteen. Tämän jälkeen mittakiekoilta saatiin mikroskoopin avulla lukema, joka osoitti tähden korkeuskulman horisonttijärjestelmässä. Tämän ja nadiiripisteen välinen erotus oli tähden nadiirietäisyys.
Toinen menetelmä tähden korkeuskulman määrittämiseksi oli suunnata kaukoputki ensin tähteen, sitten sen peilikuvaan elohopea-altaassa. Mittakiekoilta luettiin kumpaakin vastaava kulma, ja näiden keskiarvo osoitti vaakasuoran suunnan. Pieni ero maantieteellisessä leveydessä kaukoputken ja elohopea-altaan välillä oli otettava huomioon.
Pystysuoria lankoja käytettiin havainnoitaessa tähtien kulkua meridiaanin poikki, jolloin jokainen lanka antoi eri tuloksen. Tuloksia analysoitaessa hetki, jolloin se kulki keskimmäisen langan taitse, voitiin arvioida, koska jonkin sellaisen tähden avulla, jonka deklinaatio tunnettiin, voitiin todeta, kuinka kauan sen kulku vastaavan alueen läpi kesti. Tähän tarkoitukseen Pohjantähti soveltui hitaan liikkeensä vuoksi erityisen hyvin.
Jotta kohteiden deklinaatiot tai etäisyydet taivaannavasta saatiin määritetyiksi, oli observatorion kolatitudi tunnettava eli taivaannavan etäisyys zeniitistä tunnettava. Se saatiin määritetyksi sirkumpolaaristen tähtien ylimmän ja alimman kulminaation avulla. Erotus niiden lukeman välillä, jotka kiekosta saatiin putken toisaalta osoittaessa toisaalta havaittavaa tähteä, toisaalta kohti zeniittiä, oli tähden zeniittietäisyys, ja kun siihen lisättiin observatorion kolatitudi, saatiin sen etäisyys taivaannavasta. Ympyrän zeniittipisteen määrittämiseksi putki suunnattiin pystysuorasti alaspäin elohopea-altaaseen, jonka pinta oli täysin vaakasuora peili. Tällöin havaitsija näki vaakasuoran langan ja sen peilikuvan, ja kun ne yhtyivät, putki oli pystysuorassa ja kiekon lukema oli 180° + zeniittipisteen lukema.
Tarkoissa mittauksissa oli otettava huomioon myös valon taittuminen ilmakehässä sekä mitta-asteikosta ja laitteen taipumisesta aiheutuvat virheet.
On myös tehty yrityksiä tallentaa tähden ohikulku valokuvaamalla. Tätä varten valokuvauslevy asettiin meridiaaniympyrän polttopisteeseen ja suoritettiin useita lyhyitä valotuksia, joiden kesto ja ajankohta tallennettiin kellon avulla automaattisesti.
Jo antiikin aikaiset tähtitieteilijät esittivät, että havaintoväline, kvadrantti, voitaisiin kinnittää meridiaanin tasoon. Myös Ptolemaios kuvasi kyseistä laitetta teoksessaan Almagest. Siinä kuvattu meridiaanikvadrantti koostui kiinteästä, kulmamitta-asteikolla varustetusta ulommasta renkaasta ja siirrettävästä sisemmästä renkaasta, jossa olleiden tappien varjoista saatiin määritetyksi auringon suunta. Renkaat oli kiinnitetty vaakasuoraan tankoon ja asetettu meridiaanin suuntainen. Laitetta käytettiin auringon korkeuskulman mittaamiseen keskipäivällä eri aikoina vuodesta, jotta saatiin määritetyksi ekliptikan sijainti taivaalla.[12]
Huomattavampaa merkitystä tällaiset laitteet kuitenkin saivat vasta 1500-luvulta lähtien, kun Tycho Brahe rakensi suuren meridiaanikvadrantin. Vuonna 1690 Ole Rømer keksi transit-laitteen tähtien ohikulun havaitsemiseksi. Siinä oli kaukoputki kiinnitettynä kohtisuorasti länsi-itä-suuntaiseen tankoon.
Ennen transit-laitteiden ja meridiaaniympyröiden käyttöön ottoa tähtien rektaskensio määritettiin tavallisimmin yhtäsuurien korkeuskulmien menetelmällä. Siinä käytettiin siirrettäviä kvadrantteja tai mitattiin kahden tähden välinen kulmaetäisyys sekstantilla. Nämä menetelmät olivat kuitenkin hyvin hankalia.
Samaan aikaan transit-laitteen kanssa Rømer keksi myös vaakasuorien ja pystysuorien kulmien mittaamiseen käytetyn laitteen, jolla saatiin määritetyksi tähtien korkeuskulma ja atsimuutti. Vuonna 1704 hän yhdisti laitteeseensa pystysuoran ympyrän, jolloin sillä saatiin samalla kertaa mitatuksi sekä horistontti- että ekvaattorijärjestelmän mukaiset koordinaatit.
Jälkimmäistä ideaa ei kuitenkaan sovellettu muualla, mutta transit-laitteet tulivat pian yleiseen käyttöön. Esimerkiksi Greenwichiin ensimmäinen sellainen asennettiin vuonna 1721. Myös observatorion seinään kiinnitettyä kvadranttia käytettiin tähtien deklinaatioiden mittaamiseen 1700-luvun lopulle saakka. Edut, jotka saatiin sillä, että laitetta voitiin kääntää täyden ympyrän verran, tunnisti myös Jesse Ramsden: tällöin laitteella voitiin tehdä havaintoja myös zeniitin pohjoispuolella sijainneista tähdistä. Ramsden paransi myös kulman mittausmenetelmiä ottamalla käyttöön mikrometriruuvin ja mikroskoopin, kuten edellä on kerrottu.
Vuonna 1806 Edward Trougton rakensi ensimmäisen nykyaikaisen meridiaaniympyrän Groombridgen observatorioon Lontoon Blackheathiin.
Britanniassa rakennuksen seinään kiinnitetyt transit-laitteet olivat 1800-luvun puoliväliin saakka observatorioiden pääasiallisia havaintovälineitä, kunnes maan ensimmäinen meridiaaniympyrä rakennettiin Greenwichiin vuonna 1850. Sitä vastoin manner-Euroopassa meridiaaniympyrät syrjäyttivät varhaisemmat transit-laitteet jo vuosina 1818-1819, jolloin Göttingeniin rakennettiin kaksi sellaista, Reisenbachin ja Repsoldin suunnittelemina, ja niin ikään Königsbergiin yksi Reisenbachin suunnittelema. Repsoldin ja hänen poikiensa yrityksen jätti moneksi vuodeksi varjoonsa berliiniläinen Postor ja Martins, joka toimitti moniin observatorioihin ensiluokkaisia havaintovälineitä, mutta Martinsin kuoltua Repsoldin yritys nousi alalla jälleen johtavaan asemaan ja valmisti monia meridiaaniympyröitä. Cambridgen ja Edinburghin observatorioissa Britanniassa samoin kuin Harvard Collegessa Yhdysvalloissa on suuret Troughton and Simms -yhtiön rakentamat meridiaaniympyrät, ja sama yhtiö rakensi myös Airyn suunnitteleman Greenwichin kuninkaallisen observatorion meridiaaniympyrän.
Nykyaikainen esimerkki tämän tyypin kaukoputkesta on 8-tuumainen (noin 0,2 metrin läpimittainen) Flagstaffin astrometrinen skannaava transit-teleskooppi (engl. Flagstaff Astrometric Scanning Transit Telescope, FASTT) Yhdysvaltain merivoimien observatoriossa (United States Naval Observatory, USNO) Flaggstaff Stationilla.[13]
Nykyaikaiset meridiaaniympyrät on yleensä automatisoitu. Havaitsija on korvattu CCD-kennolla. Kun taivas kiertyy näkökentän ympäri, CCD:n tallentama kuva ajastetaan mikrosirulla. Tällä saadaan eräitä etuja:[14]
Ensimmäinen tällainen automatisoitu laite oli Carlsbergin automaattinen meridiaaniympyrä, joka otettiin käyttöön vuonna 1984.[15]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
