Geniální britsko-německý astronom, objevitel planety Uran, měsíců Enceladus a Titania, objevitel infračerveného záření a tvůrce velkých reflektorů.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Posedlost výrobou dokonalých zrcadel
2.březen 1781: Objev planety Uran
3.Další astronomické triumfy
4.Objev infračerveného záření (1800)
5.Tvar Mléčné dráhy a odkaz

William Herschel: Dobyvatel hlubokého vesmíru a objevitel Uranu

Sir William Herschel (15. listopadu 1738 – 25. srpna 1822) byl německo-britský astronom, hudebník, skladatel a konstruktér teleskopů. Je obecně považován za jednoho z největších pozorovacích astronomů všech dob a zakladatele moderní stelární astronomie a kosmologie.

Jeho životní příběh připomíná pohádku: původně chudý vojenský hobojista z Hannoveru uprchl před válkou do Anglie, kde se vypracoval na úspěšného varhaníka a hudebního skladatele v lázeňském městě Bath. Z čisté vášně pro geometrii a taje vesmíru se začal zabývat optikou a astronomií. Vlastnoručně vybudoval nejvýkonnější zrcadlové teleskopy své éry, v roce 1781 objevil planetu Uran (první novou planetu známou od starověku!), nalezl měsíce Enceladus a Mimas u Saturnu, objevil infračervené záření a jako první se pokusil zmapovat trojrozměrný tvar naší Galaxie.

1. Posedlost výrobou dokonalých zrcadel #

V 18. století byly čočkové dalekohledy limitovány chromatickou vadou (barevnou vadou skla) a astronomická zrcadla ze slitiny mědi a cínu (tzv. speculum metal) rychle matněla. Herschel se rozhodl odlévat a brousit zrcadla sám.

Ve svém domě v Bathu proměnil salon na optickou dílnu a kuchyň na slévárnu. Se svou oddanou sestrou a celoživotní vědeckou spolupracovnicí Caroline Herschel leštil zrcadla nepřetržitě i 16 hodin v kuse, přičemž ho Caroline musela krmit lžící, aby nemusel přerušit přesný lešticí rytmus rukou. Herschelova zrcadla předčila veškerou tehdejší produkci na světě.

2. 13. březen 1781: Objev planety Uran #

V noci na 13. března 1781 prováděl Herschel na zahradě svého domu systematický průzkum slabých hvězd v souhvězdí Blíženců pomocí zrcadlového dalekohledu o ohniskové délce 2,1 metru. V zorném poli spatřil těleso, které se chovalo zvláštně: při zvyšování zvětšení se jeho obraz zvětšoval do disku, zatímco okolní hvězdy zůstávaly pouhými body.

Herschel těleso zprvu nahlásil jako kometu. Následná měření však ukázala, že obíhá daleko za Saturnem. Stal se prvním člověkem v zaznamenané historii lidstva, který objevil novou planetu. Objev způsobil celosvětovou senzaci, král Jiří III. jmenoval Herschela královským astronomem s doživotní rentou a Herschel mohl zanechat hudební dráhy a věnovat se výhradně vědě.

3. Další astronomické triumfy #

Díky královské podpoře postavil Herschel v Slough monumentální dalekohled – čtyřicetistopý reflektor o délce tubusu 12 metrů a průměru primárního zrcadla 1,22 metru. Po celých 50 let šlo o největší vědecký přístroj na světě:

Měsíce Uranu (1787): Objevil dva největší měsíce Uranu – Titanii a Oberon.
Měsíce Saturnu (1789): Hned v první noci pozorování svým obřím teleskopem objevil u Saturnu měsíc Enceladus a o několik dní později Mimas.
Katalog mlhovin a hvězdokup: Společně se sestrou Caroline provedli kompletní přehlídku severní oblohy a objevili přes $2,500$ nových mlhovin a hvězdokup. Tento soupis se stal přímým základem pro slavný katalog NGC (New General Catalogue), který astronomové používají dodnes.
Dvojhvězdy: Prokázal, že mnohé dvojhvězdy nejsou pouhým optickým zákrytem dvou náhodně promítnutých hvězd, nýbrž fyzickými binárními systémy obíhajícími kolem společného těžiště podle Newtonova gravitačního zákona.

4. Objev infračerveného záření (1800) #

V roce 1800 prováděl Herschel experimenty s barevnými filtry pro pozorování Slunce a zajímalo ho, jaké množství tepla nesou jednotlivé barevné složky slunečního světla.

Nechal sluneční paprsek projít skleněným hranolem a do jednotlivých barev spektra umístil rtuťové teploměry se začerněnými baňkami. Zjistil, že teplota roste od fialové k červené. Když však umístil kontrolní teploměr zcela mimo viditelné spektrum těsně za červený konec, k jeho ohromení teplota stoupla ještě více!

Herschel tak objevil neviditelnou formu záření, kterou nazval „kalorické paprsky“ – dnes je nazýváme infračervené záření. Šlo o první důkaz, že viditelné světlo tvoří pouhý nepatrný zlomek celého elektromagnetického spektra.

5. Tvar Mléčné dráhy a odkaz #

Herschel byl prvním člověkem, který se pokusil změřit trojrozměrný tvar naší Galaxie. Metodou systematického sčítání hvězd ve vybraných oblastech oblohy (tzv. star gauging) dospěl k závěru, že Mléčná dráha má tvar zploštělého disku (přirovnával ji k „broušenému kameni“). Ačkoli mylně umístil Slunce blízko jejího středu, princip diskové struktury byl naprosto správný.

Jeho syn John Herschel pokračoval v otcově díle, odjel do Jižní Afriky zmapovat jižní oblohu a stal se jedním z největších polyhistorů 19. století.

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Pozorovací astrofyzika a přístrojová optika Williama Herschela: Hvězdné sondování, IR termodynamika a velkoškálové reflektory

Sir William Herschel (1738–1822) transformoval deskriptivní pozorovací astronomii v exaktní stelární statistiku a kalorimetrickou spektrometrii.

1. Kalorimetrie rozptýleného slunečního záření a objev IR spektra #

V experimentu publikovaném v Philosophical Transactions (1800) analyzoval Herschel distribuci zářivého toku $d\Phi / d\lambda$ slunečního spektra rozloženého hranolem z flintového skla.

Podle Planckova vyzařovacího zákona pro záření absolutně černého tělesa ( $T_\odot \approx 5,778\text{ K}$ ):

B_\lambda(T) = \frac{2\pi h c^2}{\lambda^5} \frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda k_B T}} - 1}

Wienův posunovací zákon pro maximum spektrální hustoty vlnových délek dává:

\lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T} \approx \frac{2{,}8977 \times 10^{-3}}{5\,778} \approx 501\text{ nm} \quad (\text{zelená barva})

Při hranolovém rozkladu je však disperze $d\theta / d\lambda$ silně nelineární (hranol stlačuje infračervenou oblast):

\frac{d\Phi}{d\theta} = \frac{d\Phi}{d\lambda} \left| \frac{d\lambda}{d\theta} \right|

V energetické škále na úhlovou jednotku proto maximum vyzařování posouvá za hranici viditelného červeného spektra do oblasti blízkého infračerveného záření (NIR, $\lambda \sim 800-1,200\text{ nm}$ ). Měřením ohřevu začerněného rezervoáru teploměru:

\Delta T(t) = \frac{\alpha}{\kappa_{\text{loss}}} \int_{\lambda_1}^{\lambda_2} I(\lambda) \, d\lambda \left( 1 - e^{-t / \tau} \right)

Zaznamenal Herschel nejvyšší teplotní diferenci $\Delta T$ v oblasti za viditelným červeným okrajem, čímž experimentálně prokázal existenci neviditelného elektromagnetického spektra přenášejícího tepelnou energii se stejnými zákony odrazu a lomu jako viditelné světlo.

2. Metoda hvězdného sondování (Star Gauging) a geometrie Galaxie #

K určení prostorové struktury Mléčné dráhy vyvinul Herschel metodu statistického sčítání hvězd v pevném prostorovém úhlu $\Omega$ :

N(m) = \Omega \int_0^{r_{\text{max}}(m)} D(r) \, r^2 \, dr

Za předpokladu homogenní prostorové hustoty hvězd $D(r) = D_0$ a konstantní absolutní magnitudy $M_0$ :

r_{\text{max}} = 10^{\frac{m - M_0 + 5}{5}}

N(m) = \frac{1}{3} \Omega D_0 \, r_{\text{max}}^3 \propto r_{\text{max}}^3

Měřením počtu hvězd ve $2,400$ vybraných zorných polích po celé obloze odvodil, že rozměr Mléčné dráhy podél galaktického rovníku převyšuje její tloušťku v polárním směru v poměru přibližně $5 : 1$ . Ačkoli zanedbání mezihvězdné extinkce prachem ( $A_V$ ) vedlo k chybnému umístění Slunce do blízkosti středu, Herschelova metoda představovala historicky první kvantitativní tomografii Galaxie.

3. Konstrukce optických reflektorů: Herschelův systém #

Klasický Newtonův reflektor vyžaduje rovinné sekundární zrcadlo nakloněné pod úhlem $45^\circ$ , které způsobuje difrakční kříž a světelnou ztrátu odrazem na kovovém zrcadle (slitina speculum odrážela pouze $60-65,%$ světla, dvě zrcadla propustila pouze $(0{,}65)^2 \approx 42,%$ fotonů).

Herschel zavedl mimososý reflektor (Herschelian telescope):

Primární parabolické zrcadlo bylo mírně nakloněno vůči ose tubusu.
Ohnisko se nacházelo přímo na horním okraji předního vstupu tubusu.
Pozorovatel se díval okulárem přímo do primárního ohniska, čímž bylo zcela eliminováno sekundární zrcadlo a propustnost vzrostla o $50,%$ .

Jeho 40stopý teleskop v Slough ( $f = 12{,}2\text{ m}$ , $D = 1{,}22\text{ m}$ , světelnost $f/10$ ) měl teoretické difrakční rozlišení:

\theta_{\text{Airy}} = 1{,}22 \frac{\lambda}{D} = 1{,}22 \times \frac{5{,}5 \times 10^{-7}}{1{,}22} \approx 0{,}11''

4. Vědecké reference a primární literatura #

[1] Herschel, W. (1781). Account of a Comet. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 71, 492–501.
[2] Herschel, W. (1785). On the Construction of the Heavens. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 75, 213–266.
[3] Herschel, W. (1789). Catalogue of a Second Thousand of New Nebulae and Clusters of Stars; with Remarks on the Construction of the Heavens. Phil. Trans., 79, 212–255.
[4] Herschel, W. (1800). Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 90, 284–292.
[5] Hoskin, M. (2011). Discoverers of the Universe: William and Caroline Herschel. Princeton: Princeton University Press.
[6] King, H. C. (2003). The History of the Telescope. Mineola: Dover Publications.

Literatura a vědecké reference

Herschel, W.: Account of a Comet (Objev planety Uran). Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol 71, pp. 492–501 (1781)[online]
Herschel, W.: Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol 90, pp. 284–292 (1800)[online]
Hoskin, M.: Discoverers of the Universe: William and Caroline Herschel. Princeton University Press (2011)[online]

Jmeno	Sir William Herschel
Datum narození	15. listopadu 1738 (Hannover, Německo)
Datum úmrtí	25. srpna 1822 (83 let, Slough, Anglie)
Vědní obor	Astronomie, optika, hudební kompozice
Funkce	Královský astronom krále Jiřího III., prezident Královské astronomické společnosti
Klíčová díla a objevy	Objev planety Uran (1781), objev měsíců Enceladus, Mimas, Titania, Oberon
Objev zareni	Infračervené záření (kalorické paprsky, 1800)
Katalogy	Katalog 2 500 mlhovin a hvězdokup (základ New General Catalogue - NGC)
Hlavni pristroj	Čtyřicetistopý reflektor (zrcadlo 1,22 m, ohnisko 12,2 m)

Plne jmeno	Friedrich Wilhelm Herschel
Konstrukce teleskopu	Herschelův mimososý reflektor (bez sekundárního zrcadla)
Slitina zrcadla	Speculum metal (70 % měď, 30 % cín, R ~ 65 %)
Hvezdna statistika	Metoda hvězdného sondování (Star Gauging)
Struktura galaxie	Diskový model Mléčné dráhy (poměr os 5 : 1)
Fyzika binarnich hvezd	Potvrzení platnosti Newtonova gravitačního zákona u vizuálních dvojhvězd
Mereni slunecniho pohybu	Apex slunečního pohybu v souhvězdí Herkula (1783)

William Herschel

William Herschel

Obsah hesla

William Herschel: Dobyvatel hlubokého vesmíru a objevitel Uranu

1. Posedlost výrobou dokonalých zrcadel #

2. 13. březen 1781: Objev planety Uran #

3. Další astronomické triumfy #

4. Objev infračerveného záření (1800) #

5. Tvar Mléčné dráhy a odkaz #

Pozorovací astrofyzika a přístrojová optika Williama Herschela: Hvězdné sondování, IR termodynamika a velkoškálové reflektory

1. Kalorimetrie rozptýleného slunečního záření a objev IR spektra #

2. Metoda hvězdného sondování (Star Gauging) a geometrie Galaxie #

3. Konstrukce optických reflektorů: Herschelův systém #

4. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

William Herschel

Obsah hesla

William Herschel: Dobyvatel hlubokého vesmíru a objevitel Uranu

1. Posedlost výrobou dokonalých zrcadel #

2. 13. březen 1781: Objev planety Uran #

3. Další astronomické triumfy #

4. Objev infračerveného záření (1800) #

5. Tvar Mléčné dráhy a odkaz #

Pozorovací astrofyzika a přístrojová optika Williama Herschela: Hvězdné sondování, IR termodynamika a velkoškálové reflektory

1. Kalorimetrie rozptýleného slunečního záření a objev IR spektra #

2. Metoda hvězdného sondování (Star Gauging) a geometrie Galaxie #

3. Konstrukce optických reflektorů: Herschelův systém #

4. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík