В настоящее время несколькими ведущими фирмами-производителями оптики предлагается уже свыше десятка фильтров различных типов. Но насколько хорошо работают те или иные модели? Оправдывают ли они свою отнюдь не маленькую стоимость? Чтобы ответить на эти вопросы, мы провели небольшое исследование ряда популярных сегодня моделей.
Световое загрязнение
Для того, чтобы понять принцип действия вышеупомянутых фильтров, давайте рассмотрим причины их использования. Основная из них — так называемое "световое загрязнение" неба, известное нашему читателю еще и как "засветка неба". Оно может иметь несколько источников. Прежде всего, существенный вклад в свечение ночного неба вносит сама атмосфера Земли, вернее, ее верхние слои, постоянно бомбардируемые космическими заряженными частицами, вызывающими свечение атомов кислорода в диапазоне длин волн от 560 до 630 нм. Яркость этого фонового излучения невелика, но может оказаться достаточной, чтобы на его фоне потерялись наиболее слабые галактики или туманности.
Вторая и более существенная причина — местная засветка от ламп ночного освещения. Окруженные еженощно тысячами фонарей, городские любители хорошо знакомы с ней. К сожалению, ни один фильтр не поможет, если вам вздумалось установить свой телескоп недалеко от фонарного столба. Здесь можно только посочувствовать...
Ну и последний источник мешающего астроному света проявляет себя вблизи современных мегаполисов. Даже удалившись на достаточно большое расстояние от крупного города, мы все еще будем ощущать его близкое дыхание по огромному светлому зареву, расположенному над ним. Свет огромного количества фонарей рассеивается на мельчайших частицах пыли или тумана, постоянно присутствующих в городской атмосфере, образуя светящийся шатер над городом.
Свет полезный и вредный
Некоторые диффузные объекты ночного неба светят преимущественно в узких полосах излучения, расположенных в сине-зеленой и красной областях видимого спектра. Это так называемые эмиссионные туманности, большая часть света которых сосредоточена в линиях излучения водорода (Нα, 656.3 нм и Нβ, 486.1 нм) и трехкратно ионизированного кислорода OIII (495.9 и 500.7 нм).
В отличие от обычных ламп накаливания, излучающих непрерывный спектр, многие современные уличные источники света излучают основную часть света также в нескольких вполне определенных полосах излучения, к счастью, не совпадающих с длинами волн в спектрах туманностей. Сегодня все большую популярность приобретают светильники, использующие натриевые лампы высокого давления. Их можно узнать по явно желтому оттенку освещения. Наибольшая доля света этих ламп приходится на области вблизи 550 и 630 нм.
Более старые ртутные лампы, еще используемые в наших уличных фонарях, имеют наибольшую яркость в линиях 405, 436 нм и в диапазоне 540-630 нм.
Теоретически, мешающий свет этих источников может быть резко уменьшен с помощью специально изготовленного фильтра, не пропускающего излучение от ламп освещения и не препятствующего проходу "полезного" излучения от туманностей.
Подобный блокирующий засветку неба фильтр не пропускает свет центральной части видимого спектра между длинами волн 550 и 650 нм. Он ослабляет и фон неба, и свечение астрономических объектов в этом диапазоне. Однако многие объекты, основная часть излучения которых находится по обе стороны от этого "провала", только выигрывают в видимости, поскольку их контраст с фоном неба при этом значительно возрастает.
Первый "туманный" фильтр для любительской астрономии был предложен еще в конце 70-х годов Дэлом Вудсом из американской корпорации DayStar. Его фильтр был оптимизирован для визуальных наблюдений. Он работал в полном соответствии с изложенным выше принципом — вырезал из спектра объекта середину видимого диапазона с сосредоточенными там полосами излучения уличных фонарей.
В 1979 году на рынке появились и первые фотовизуальные фильтры, изготовленные американской компанией Lumicon. Они увеличивали контраст и в дальней красной области спектра, улучшая чувствительность пленок к лучам водородной линии Нα С тех пор появилось и множество других типов фильтров, основанных на этом принципе.
"Туманный" фильтр представляет собой круглую прозрачную стеклянную пластину толщиной несколько миллиметров, на одну из поверхностей которой в вакууме нанесены множество чередующихся слоев диэлектриков. Подбор материалов покрытий и их толщины приводит к интерференции света в слоях и изменению величины пропускания лучей разных длин волн. Именно по этой причине подобные фильтры часто называют интерференционными. Получающаяся комбинация слоев очень нежна и может быть легко повреждена при неаккуратном обращении, поэтому она заклеивается дополнительной прозрачной стеклянной пластинкой.
Типы фильтров
По характеру полосы пропускания интерференционные фильтры можно разделить на три основных типа: широкополосные, узкополосные и монохроматические. Широкополосные фильтры имеют хорошее пропускание в широкой области спектра — примерно от 430 до 550 нм. Узкополосные фильтры работают в диапазоне длин волн приблизительно между 480 и 520 нм. Монохроматические фильтры пропускают излучение только вблизи одной, вполне определенной длины волны света.
В зависимости от природы наблюдаемого источника света, фильтр может улучшить его видимость, совсем не повлиять на вид объекта или ухудшить его видимость вплоть до исчезновения оного из поля зрения. Другими словами, универсального фильтра для всех типов астрономических объектов не существует!
Ниже будут рассмотрены наиболее распространенные фильтры разных типов. В частности, автор исследовал широкополосные фильтры Celestron LPR, Lumicon’s Deep-Sky, Meade 908В, Orion SkyGlow. Была проверена работа и узкополосных фильтров типа DayStar 300, Lumicon UHC, Meade 908N и Orion UltraBlock. В общий обзор были включены и несколько монохроматических фильтров, а именно: Lumicon’s Нβ и OIII.
Все фильтры представляют собой стеклянные пластинки, размещенные в металлических резьбовых оправах для ввинчивания в стандартные посадочные втулки 1.25- и 2-дюймовых окуляров. Кроме того, некоторые из фильтров фирм Lumicon и Orion могут быть установлены на объектив фотокамеры.
Испытания
С каждым фильтром автор провел наблюдения множества объектов, используя различные телескопы, в том числе 100-мм (1:9.8) ахроматический рефрактор, 200-мм (1:7) и 450-мм (1:4.5) рефлекторы Ньютона. Пробные наблюдения проводились в трех разных местах. Первое было выбрано в пригороде Нью-Йорка, где обычно невооруженному глазу доступны звезды примерно 5-й величины. Второе место было выбрано в промышленном районе с большим количеством ламп уличного освещения и предельной звездной величиной для невооруженного глаза примерно Зт. Наконец, все фильтры были испытаны во Флориде, в месте с отличными условиями наблюдения и вдали от городских огней. Искусственная засветка неба в этом месте была настолько мала, что у меня появилась возможность оценить эффективность фильтров по увеличению контраста объектов на фоне только естественного свечения неба.
Для проведения испытательных наблюдений был составлен список небесных объектов различных классов. В него вошли рассеянные и шаровые звездные скопления, эмиссионные, отражательные и темные туманности, а также галактики всех типов. В список также были внесены Марс и Юпитер, чтобы удостовериться в возможности повышения контраста деталей на дисках планет.
Широкополосные фильтры
Основное назначение широкополосных фильтров состоит в блокировании мешающего света от искусственных источников освещения, а не в увеличении контраста туманностей. По этой причине не стоило ожидать от этих фильтров чего-то особенного при наблюдениях звезд, и мои наблюдения лишь подтвердили это. Для начала я пронаблюдал несколько прекрасных зимних рассеянных звездных скоплений на разных высотах: от горизонта до зенита. После этого наблюдались шаровые скопления. Во всех случаях применение фильтров приводило к уменьшению наблюдаемого блеска звезд примерно на одну звездную величину, а самые слабые звезды просто исчезали из поля зрения телескопа.
После этого я просмотрел много объектов каталога Мессье — от сравнительно ярких и небольших галактик типа М81 и М82 в Большой Медведице до крупных спиралей малой поверхностной яркости М51 и М101. Оказалось, что яркость большинства галактик ослабляется фильтрами практически в той же степени, что и фон неба. Приятным исключением из этого правила оказалась галактика М101 в Большой Медведице, известная своей низкой поверхностной яркостью: фильтр Lumicon Deep-Sky заметно улучшил ее видимость. После этого я попробовал широкополосный фильтр на других галактиках с низкой поверхностной яркостью (МЗЗ и М109), результатом чего стало значительное улучшение общей видимости галактики в поле зрения телескопа. Однако попытка использовать фильтр для обнаружения галактик, находящихся на пороге видимости того или иного телескопа, оказалась неудачной.
Наблюдение эмиссионных, отражательных и планетарных туманностей с помощью широкополосных фильтров показало незначительное улучшение их видимости. В пригороде Нью-Йорка 200-мм "Ньютон" без фильтра показывал М78 в Орионе лишь как некое бесформенное сияние, окружающее пару звезд. Широкополосные фильтры всех фирм-производителей улучшили видимость самой туманности, выделив характерную кометообразную форму газового облака, в то время как сами звезды оказались несколько ослабленными.
Широкополосные фильтры первоначально не предназначались для наблюдения планет. Однако тесты показали, что они позволяют несколько улучшить видимость отдельных деталей на их дисках. Так, фильтр Lumicon Deep-Sky позволил лучше выделить полярную шапку Марса на фоне планеты, а на Юпитере более резко оттенить границы облачных поясов и следы падения фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9. Найти этому объяснение весьма просто. Широкополосный фильтр работает подобно слабому голубому фильтру, увеличивающему контраст облачных образований в атмосферах планет.
Важное замечание для любителей астрофотографии. Широкополосные фильтры могут здорово помочь при съемке туманностей в условиях незначительного светового загрязнения неба. Правда, при съемке на цветную пленку звезды на фотографии могут оказаться слегка синеватыми, что потребует изменения цветового баланса при печати. В связи с этим изготовители фильтров рекомендуют для фотосъемки с фильтрами использовать преимущественно черно-белые эмульсии, чувствительные к красным лучам.
Узкополосные фильтры
Беглый осмотр звездных скоплений, галактик и планет с узкополосным фильтром показал, что использовать такие фильтры для этих объектов бессмысленно.
Подобные фильтры применимы исключительно к эмиссионным и планетарным туманностям типа Кольца в Лире, Большой Туманности Ориона, Розетке или Лагуне. Различия в работе нескольких фильтров были несущественны при наблюдениях в телескопы систем Ньютона или Шмидта-Кассегрена. Но для некоторых объектов у меня сложилось впечатление, что Orion UltraBlock и Lumicon UHC работали несколько лучше, хотя DayStar 300 и Meade 908N все время "наступали им на пятки"...
Намного большие отличия в работе фильтров наблюдались при использовании их с рефрактором. Здесь Meade 908N вышел победителем, особенно в условиях отсутствия засветки неба. Это обстоятельство подчеркивает тот факт, что каждый фильтр имеет уникальную рабочую характеристику. Рабочая длина волны, для которой и создан интерференционный фильтр, изменяется вместе с величиной угла, под которым свет падает на фильтр. Чем более узкая полоса у того или иного фильтра, тем более чувствителен он к углу падения лучей. В то время, как почти невозможно обнаружить разницу в работе широкополосного фильтра в телескопах с относительными отверстиями 1:5 и 1:8, пропускание узкополосного фильтра может серьезно измениться.
Здесь следует остановиться на двух важных моментах, относящихся к наблюдениям планетарных туманностей через узкополосные фильтры. Большинство этих крошечных облачков газа (кроме, быть может, дюжины самых ярких и крупных, типа Кольца в Лире или Гантели в Лисичке) в небольшой телескоп практически неотличимы от звезд. Если вы любите охотиться за ними, узкополосные фильтры могут помочь вам в более быстрых поисках туманности. Рассматриваемая в поле зрения телескопа поочередно через фильтр и без него (вводя и выводя рукой стеклянную пластинку фильтра из хода лучей позади окуляра) звездообразная планетарная туманность будет как бы подмигивать вам.
Но этот же эффект может сослужить вам и недобрую службу. После удачных поисков самой туманности большинство наблюдателей старается при большом увеличении отыскать и ее центральную звезду. Интерференционный фильтр сильно ослабляет все звезды, поэтому при таких наблюдениях не забудьте его снять.
Монохроматические фильтры
В полном соответствии с названием такие фильтры пропускают излучение только вполне определенных длин волн. И как результат — максимально возможное увеличение контраста между фоном неба и деталями объекта, излучающими свет на этой длине волны. Ведь все остальное излучение попросту обрезается...
Фильтр Lumicon OIII, выделяющий линии ионизированного кислорода, оказался универсальным. Он показал отличные результаты при наблюдениях и эмиссионных, и планетарных туманностей. Детали и их структура очень четко выявлялись практически у всех из десятка просмотренных мной объектов. В пригороде Нью-Йорка вид диффузной туманности М42 в Орионе в 200-мм Ньютон был лучше, чем с любым другим фильтром. Туманность выглядела даже лучше, чем без фильтра в месте без посторонней засветки!
Темное небо Флориды позволило выделить через фильтр OIII доселе невидимые особенности в туманности ц Киля. Несмотря на ее низкое положение над горизонтом (всего лишь 5°), 450-мм рефлектор позволил увидеть тонкие темные волокна и водовороты газа, которые ранее были видны лишь на фотографиях.
Однако, не во всех случаях фильтр OIII позволяет улучшить вид объекта. Повышение контраста происходит за счет большого падения яркости самого объекта. Поэтому применять монохроматические фильтры следует только с крупными телескопами. Так, после установки этого фильтра в 100-мм рефрактор Большая туманность Ориона стала видна намного хуже. По качеству изображения, полученного на этом телескопе, Lumicon OIII превзошли все узкополосные фильтры, а особенно — Meade 908N.
Монохроматический фильтр оказался явно непригодным для объектов с непрерывным спектром, характерным для звезд и отражательных туманностей. Действительно, многие галактики, еще наблюдавшиеся с широкополосными фильтрами, просто исчезали из поля зрения телескопа, когда в ход лучей вводился фильтр OIII.
Подводя некоторые итоги, можно смело утверждать, что телескопы среднего и большого диаметра в условиях даже небольшого светового загрязнения способны показать доселе недоступные подробности в виде многих эмиссионных туманностей. Для телескопов же малого размера эффективность использования этого фильтра оказывается низкой, а иногда и вовсе отрицательной!
Фильтр Hβ фирмы Lumicon известен еще и как "Фильтр Конской Головы" (по названию одноименной туманности в созвездии Ориона). Уже одно это указывает на некоторые ограничения в его использовании. Действительно, этот фильтр улучшает видимость всего лишь нескольких объектов, наиболее известными из которых являются туманности Конская Голова в Орионе и Калифорния в Персее. Яркие туманности типа Туманности Ориона, Лагуны и Омеги сильно ослабляются этим фильтром и становятся еле видны, а более слабые и вовсе пропадают из поля зрения.
Выводы
Так нужны ли интерференционные фильтры любителю астрономии? Если вы увлекаетесь визуальными наблюдениями небесных объектов, ответ напрашивается сам собой — да, да и еще раз да! Однако, учитывая их довольно значительную стоимость, вам будет нелегко остановиться на конкретной модели. Окончательный выбор должен зависеть от места, где вы проводите наблюдения.
Как показали мои испытания, городские жители, страдающие от сильной засветки неба, должны приобрести, прежде всего, широкополосный фильтр. Улучшая видимость почти всех туманных объектов, такой фильтр повышает его контраст с фоном. Среди них я рекомендую Orion SkyGlow, как наиболее приемлемый. Следом за ним идет Lumicon Deep-Sky. Фильтры Meade 908В и Celestron LPR разделили, соответственно, третье место.
Если же вы можете проводить свои наблюдения на загородной площадке, свободной от посторонней засветки, я бы рекомендовал вам приобрести узкополосный или монохроматический фильтр. Хорошим вариантом для владельцев рефлекторов и зеркально-линзовых телескопов может стать Orion UltraBlock или Lumicon UHC. Следом за ними идут DayStar 300 и Meade 908N. Владельцам же рефракторов следует, прежде всего, обратить внимание на фильтр Meade 908N.
Кроме того, если в вашем распоряжении находится достаточно крупный телескоп, вы должны рассмотреть возможность приобретения фильтра Lumicon OIII. Несмотря на то, что лично я предпочитаю узкополосные фильтры монохроматическим, фильтр OIII имеет заслуженную репутацию среди наблюдателей дип-скай объектов. Для многих эмиссионных туманностей этот фильтр превосходит все остальные, хотя для некоторых объектов использование Orion UltraBlock и Lumicon UHC было бы все же более предпочтительным. Фильтр OIII может слишком сильно уменьшать общую яркость туманности в угоду повышению контраста.
Наконец, фильтр Нβ фирмы Lumicon может показать особенности структуры некоторых туманностей, недоступные другим фильтрам! Его нечем заменить при наблюдениях туманностей Конская Голова и Калифорния, которые являются любимыми объектами для многих любителей астрономии.
Почти каждый наблюдатель, с которым я тесно общался во время тестирования набора фильтров, соглашался со мной в том, что интерференционные фильтры являются обязательными инструментами современного любителя астрономии в их бесконечной борьбе с засветкой ночного неба. Они помогут вам увидеть более слабые туманности или до сих пор невидимые детали в них. В общем и целом эти фильтры повышают эффективность визуальных наблюдений, хотя и страдают некоторыми ограничениями принципиального характера. В конце концов, никакой фильтр не сможет показать вам красоту истинно темного неба, доступного взору вдалеке от городского шума.
Принцип работы фильтров
Для того, чтобы лучше понять принцип работы современных "противофонарных" фильтров, обратимся к одному из основных понятий оптики - контрасту. Допустим, мы наблюдаем некий объект вполне определенной яркости LO на однородном фоне (светлом или темном), имеющем свою яркость LФ. Под контрастом объекта с окружающим фоном понимается отношение разностей яркостей объекта и фона к яркости самого фона или
При незначительном отличии яркостей объекта и фона контраст получается очень малым, и мы просто не сможем ничего разглядеть. Именно такая ситуация чаще всего складывается при наблюдениях слабых туманностей, яркость которых лишь немного превосходит яркость свечения самого ночного неба. Что можно предпринять в такой ситуации? Увеличить яркость туманности мы не в силах. Ослабить светлый фон неба, на первый взгляд, также невозможно. Эти рассуждения кажутся вполне закономерными, пока мы рассматриваем общий зрительный эффект, даваемый излучением, попадающим в глаз наблюдателя. Однако, несмотря на то, что ночью все объекты представляются нам черно-белыми, приходящий с неба свет имеет разные длины волн. И вот, как только мы посмотрим на спектры излучения различных небесных тел и самого ночного неба, вырисовывается интересная картина. Оказывается, спектры многих небесных объектов имеют линейчатый вид, т.е. основная часть излучаемой ими энергии приходится на вполне определенные длины волн. К таким объектам относятся, прежде всего, диффузные и планетарные туманности, а также кометы.
Спектр свечения ночного неба также имеет линейчатый вид. Объяснение этому можно найти в причинах свечения неба. Оно возникает преимущественно в верхних слоях атмосферы Земли, непрерывно бомбардируемой заряженными частицами из окружающего космического пространства. Атомы (в первую очередь, кислорода и натрия) переизлучают получаемую при ударах энергию в видимом диапазоне длин волн, образуя яркие линии вблизи 560, 590 и 630 нм.
Помимо этого света свой вклад в свечение атмосферы вносят пыль и грязь, постоянно присутствующие в воздухе в виде аэрозолей. Пылинки рассеивают свет звезд и планет, образуя светлую пелену, типа той, что обволакивает все небо вблизи полнолуния. Это излучение обычно имеет непрерывный спектр, не привязанный к каким-то конкретным длинам волн.
Вблизи городов свечение неба "обогащается" рассеянным светом от светильников, освещающих городские улицы. Их излучение имеет различную природу — от обычных ламп накаливания с их непрерывным спектром, до современных мощных ртутных и натриевых ламп, излучающих преимущественно в узких полосах вблизи длин волн 430, 550 и 570-580 нм.
Таким образом, общий спектр свечения неба складывается из излучения всех этих источников и обычно представляется в виде довольно слабого непрерывного спектра с несколькими яркими линиями излучения.
Обратимся вновь к определению контраста. Чтобы его повысить, достаточно каким-либо способом ослабить яркость фона. Учитывая, что фон в нашем случае имеет вполне определенный спектр, состоящий из нескольких ярких линий, нам достаточно ослабить их в достаточной мере, не затронув излучение самого наблюдаемого объекта. По счастливому стечению обстоятельств, наиболее яркие линии излучения ночного неба (как, впрочем, и ламп уличного освещения) не совпадают с линиями излучения туманных объектов (хотя и находятся в непосредственной близости от них). Поэтому, достаточно сделать специальный фильтр с узкими полосами поглощения, совпадающими с линиями излучения неба, но не затрагивающими излучение "полезных" длин волн, и яркость мешающего фона окажется значительно уменьшенной.
В результате мы будем иметь заметное увеличение контраста туманности с более темным фоном неба и, соответственно, можем получить намного более детальное ее изображение. Именно по такому принципу работают популярные в последнее время так называемые "дип-скай фильтры".
