Jak działa planetarium?

Kazimierz Schilling

Poniższy artykuł został opublikowany pod tytułem "Planetarium — urządzenie do demonstrowania wyglądu nieba" w specjalnym numerze miesięcznika "Urania" z sierpnia 1976 r., poświęconego w całości polskim planetariom, których wówczas było dziewięć, z czego szerokiej publiczności swoje podwoje udostępniało pięć (Frombork, Olsztyn, Grudziądz, Warszawa, Chorzów). W tekście znajdują się uwagi pisane kursywą i opatrzone moimi inicjałami (TL), aktualizujące niektóre dane. Ponadto pewne informacje są niepełne z powodu techniki rozwiniętej przez ponad trzydzieści lat, jakie minęły od publikacji oryginalnego tekstu. W niektórych placówkach przebiegiem uprzednio nagranych seansów steruje komputer. Niektóre planetaria wykorzystują także rzutniki multimedialne do wyświetlania krótkich filmów i animacji, stosują własne projektory (np. zorzy polarnej) czy systemy rzutników pozwalające na pokrywanie całej kopuły obrazami, co pozwala na znaczne wzbogacenie i uatrakcyjnienie pokazu. Nie jest już również prawdą, jakoby w Polsce można było spotkać wyłącznie planetaria firmy Zeiss: w Częstochowie znajduje się cyfrowe planetarium Evans & Sutherland, w Kielcach japońska aparatura Goto, natomiast w Piotrkowie Trybunalskim, Łodzi i Potarzycy — projektory zbudowane amatorskimi sposobami. Coraz liczniejsze są również planetaria cyfrowe zbudowane z projektora FullHD i sferycznego lustra — takie rozwiązanie stosowane jest w planetariach przenośnych.
Inny artykuł na temat zasady działania aparatury planetaryjnej i jej możliwości projekcyjnych jest tutaj. Przygotowanie i publikacja wersji elektronicznej za zgodą redakcji czasopisma "Urania-Postępy Astronomii".

Wprowadzenie

Z wyrazem planetarium kojarzy się zwykle budynek z kopułą, pod którą można w dzień oglądać gwiazdy. Jest to jednak wtórne znaczenie wyrazu planetarium. Pierwotnie oznaczał on po prostu urządzenie służące do odtwarzania wyglądu nieba. W niniejszym artykule będziemy zajmować się planetarium właśnie jako aparaturą (o planetarium jako instytucji mowa w artykule M. Pańków).

Zamiar skonstruowania "sztucznego nieba" jest prawie tak stary jak sama astronomia. Już w X wieku p.n.e. budowano pierwsze globusy nieba, a w III wieku p.n.e. Archimedes zbudował, napędzane wodą urządzenie do demonstrowania ruchu gwiazd i planet. Od czasów Kopernika do początku XX wieku budowano wiele różnych urządzeń służących do demonstrowania ruchu planet. Urządzenia te: planetaria, planetolabia, stellaria, telluria, lunaria itp., były urządzeniami czysto mechanicznymi i w porównaniu ze współczesnymi planetariami bardzo prymitywnymi.

Pierwsze współczesne planetarium wyprodukowały zakłady Zeissa w latach 1919-1924. Konstruktorem był pracownik firmy Zeiss, niemiecki inżynier, prof. dr Walter Bauersfeld. Jego pomysł, polegający na umieszczeniu szeregu projektorów na powierzchni ruchomej kuli i rzutowaniu obrazów gwiazd i planet na kulisty ekran, jest powszechnie stosowany do dzisiaj. Od momentu wyprodukowania pierwszego egzemplarza, aparatura projekcyjna planetarium była i nadal jest ulepszana i uzupełniana dodatkowymi urządzeniami, poszerzającymi możliwości demonstrowania zjawisk astronomicznych. Prócz zakładów Carl Zeiss Jena (NRD) planetaria produkuje obecnie kilka innych firm (Zeiss — RFN, Spitz — USA, Goto — Japonia), a produkowane przez nie urządzenia różnią się wielkością, możliwościami demonstracji a także szczegółami rozwiązań technicznych.

W Polsce znajdują się wyłącznie planetaria firmy Carl Zeiss Jena, ale za to trzech różnych typów:
- Duże Planetarium Zeissa (drugie zdjęcie — TL) — DP — Chorzów,
- Planetarium Lotów Kosmicznych (trzecie zdjęcie — TL) — PLK — Olsztyn, (obecnie również Toruń — TL)
- Małe Planetarium Zeissa (pierwsze zdjęcie — TL) — MP — Frombork (obecnie ZKP 2 — TL), Gdynia WSM i WSMW, Grudziądz (obecnie ZKP 2 — TL), Kraków (obecnie w Niepołomicach — TL), Szczecin, Warszawa.

W dalszej części artykułu będziemy zasadniczo ograniczać się do skrótów: DP, PLK i MP. Odpowiednie zdjęcia znajdują się na 2, 3 i 4 stronie okładki a objaśnienia do zdjęć w dalszej części artykułu — numery objaśnień są wspólne dla wszystkich trzech zdjęć.

Zdjęcie planetarium typu ZKP 1

Zdjęcie planetarium typu DP

Zdjęcie planetarium typu PLK (Spacemaster)

Oznaczenia na zdjęciach (wspólne dla wszystkich trzech typów planetarium):

1 — projektor gwiazd
2 — kula z projektorami gwiazd: 2a — północ, 2b — południe
3 — projektory Słońca, Księżyca i planet
4 — konstrukcja z projektorami Słońca, Księżyca i planet
5 — projektor Drogi Mlecznej
6 — projektor równika niebieskiego
7 — projektor południka niebieskiego
8 — projektor ekliptyki
9 — projektor sztucznego satelity Ziemi
10 — projektor rysunków gwiazdozbiorów wymienne z projektorami siatek współrzędnych równikowych i ekliptycznych
11 — projektor nazw gwiazdozbiorów
12 — projektor komety
13 — projektor gwiazd zmiennych; 13a — δ Cep, 13b — Algol
14 — projektor Syriusza
15 — projektor rysunków gwiazdozbiorów zodiakalnych
16 — projektor siatki współrzędnych horyzontalnych
17 — projektor róży wiatrów
18 — projektor panoram
19 — pulpit operatorski
20 — magnetofon
21 — rozkaz dla automatyki

Opis planetarium

Planetarium jest aparaturą projekcyjną służącą do odtwarzania wyglądu nieba. W skład planetarium wchodzi kilkadziesiąt różnych projektorów, które rzutują obrazy gwiazd, Słońca, Księżyca, planet i innych obiektów niebieskich na półkulisty ekran, tzn. na wewnętrzną powierzchnię kopuły. Większość tych projektorów jest konstrukcyjnie ze sobą połączona, tworząc tzw. główny projektor planetarium, stojący w środku kopuły. Główny projektor DP jest dostosowany do kopuły a średnicy od 16 do 30 m, PLK — 10 do 15 m, a MP — 6 do 8 m.

Projektory gwiazd (1). Są one umieszczone wewnątrz kuli (2) — na zewnątrz kuli widoczne są tylko ich obiektywy. Każdy z projektorów jest zbudowany (podobnie jak zwykły projektor do wyświetlania przeźroczy) z kondensora i obiektywu, pomiędzy którymi znajduje się "klisza" — metalowa płytka z mikroskopijnymi otworkami, rozmieszczonymi tak, jak gwiazdy na niebie. Wspólnym źródłem światła dla wszystkich projektorów gwiazd, jest żarówka znajdująca się dokładnie w środku kuli. Światło żarówki przechodzi przez kondensory, następnie przez otworki w metalowych płytkach i przy pomocy obiektywów jest rzucane na kopułę. Każdy projektor daje na kopule obrazy pewnego wycinka nieba. W sąsiednich projektorach znajdują się płytki z otworkami imitującymi gwiazdy sąsiednich wycinków nieba. Wszystkie projektory razem dają na kopule wierny obraz gwieździstego nieba. Otworki w metalowych płytkach są różnej wielkości i dlatego obrazy gwiazd na kopule są mniejszymi lub większymi świetlnymi plamkami — im jaśniejsza gwiazda tym większa plamka.

W DP i PLK są po dwie kule (2) — jedna zawiera projektory rzutujące gwiazdy północnej (2a), a druga południowej (2b) półkuli nieba. W MP jest tylko jedna kula (2) z projektorami gwiazd, dającymi obraz całej sfery niebieskiej z wyjątkiem okolic południowego bieguna niebieskiego. DP daje obrazy około 9000 gwiazd, w tym kilka gwiazd ma kolory odpowiadające ich klasom widmowym, PLK — około 6000 gwiazd, a MP — około 5000 gwiazd. Prócz tego na kopułę są rzutowane obrazy kilku gromad gwiazd, mgławic oraz galaktyki w gwiazdozbiorze Andromedy, a w DP i PLK także Obłoków Magellana.

Projektory Słońca, Księżyca i planet (3). W DP i PLK znajdują się one w żebrowanej konstrukcji (4) łączącej obie kule z projektorami gwiazd, a w MP są mocowane pod kulą z projektorami gwiazd. Przy pomocy tych projektorów są rzutowane na kopułę, na tło gwiazd, obrazy Słońca, Księżyca i pięciu planet widocznych gołym okiem — Merkurego, Wenus, Marsa, Jowisza i Saturna. Wewnątrz projektora Księżyca znajduje się dodatkowa przysłona do demonstrowania faz Księżyca. W PLK projektory Słońca i Księżyca są wyposażone w dodatkowe urządzenia służące do demonstrowania całkowitych i częściowych zaćmień Słońca i Księżyca.

Inne projektory wchodzące w skład projektora głównego. Projektor Drogi Mlecznej (5) — rzutujący na kopułę, na tło gwiazd, świetlną smugę Drogi Mlecznej. Projektory; równika niebieskiego (6), południka niebieskiego (7), ekliptyki (8) oraz innych linii i punktów sfery niebieskiej, będących niezastąpioną pomocą naukową podczas lekcji astronomii. Prócz tego są jeszcze projektory:
- w MP: sztucznego satelity Ziemi oraz rysunków gwiazdozbiorów,
- w DP: nazw gwiazdozbiorów (11), sztucznego satelity, komety (12), gwiazd zmiennych (ο Ceti — Mira, δ Cephei (13a), β Persei — Algol (13b), Syriusza (14) i inne)
- w PLK: rysunków gwiazdozbiorów (10), siatek współrzędnych równikowych i ekliptycznych (10) (wymiennie z rysunkami gwiazdozbiorów), rysunków gwiazdozbiorów zodiakalnych (15), sztucznego satelity (9), komety (12), siatki współrzędnych horyzontalnych (16), róży wiatrów (17), panoram (18) i inne.

Urządzenia dodatkowe. Na wyposażeniu DP i PLK znajdują się prócz tego niezależne, tzn. nie związane konstrukcyjnie z projektorem głównym, projektory: spadających gwiazd, ruchomego modelu Układu Słonecznego oraz przezroczy (DP i PLK), rysunków gwiazdozbiorów (DP), zaćmień Słońca i Księżyca (DP) oraz Jowisza z czterema krążącymi wokół niego księżycami (PLK). Projektory te znajdują się na pulpitach operatorskich DP i PLK.

Ruchy

Główny projektor planetarium może wykonywać kilka ruchów:

Ruch dzienny — obrót projektora wokół osi przechodzącej przez północny i południowy biegun niebieski, który jest z kolei odzwierciedleniem obrotu Ziemi wokół osi raz na 24 godziny. W planetarium "ruch dzienny" jest oczywiście szybszy i pełen obrót sfery niebieskiej można zademonstrować w czasie od 0,5 do kilku minut. Następne ruchy są jeszcze bardziej przyspieszone.

Ruch roczny — po włączeniu którego zaczynają się obracać projektory Słońca, Księżyca i planet. Pozwala on. demonstrować przemieszczanie się Słońca, Księżyca i planet po niebie, na tle gwiazd, wywołane sumarycznym efektem: ruchu obiegowego Ziemi wokół Słońca, ruchu obiegowego Księżyca wokół Ziemi oraz ruchów obiegowych poszczególnych planet wokół Słońca. Małe Planetarium "ruchu rocznego" nie posiada — dla danego roku i dnia trzeba specjalnie ustawiać, na tle gwiazd Słońce, Księżyc i planety, wg ich współrzędnych branych z rocznika astronomicznego.

Ruch po południku — obrót projektora w płaszczyźnie południka niebieskiego, tzn. zmiana nachylenia projektora do horyzontu kopuły. Zmiana wyglądu nieba, wywołana tym ruchem, odpowiada zmianie wyglądu nieba przy przemieszczaniu się po powierzchni Ziemi po południku czyli z północy na południe lub odwrotnie. Przy pomocy tego ruchu można zademonstrować wygląd nieba z dowolnej szerokości geograficznej — np. z terenu Polski, z równika, z biegunów, itd. W PLK z ruchem tym jest sprzężony specjalny "projektor mapy", na której widać w jakim miejscu Ziemi aktualnie się znajdujemy.

Ruch precesyjny — obrót projektora wokół osi nachylonej pod kątem około 23° do osi wokół której obraca się projektor ruchem dziennym. Ruch precesyjny odpowiada precesyjnemu ruchowi osi obrotu Ziemi w przestrzeni o okresie około 26 tys. lat i pozwala zademonstrować (dla dowolnej szerokości geograficznej) wygląd nieba w dowolnej epoce wcześniejszej lub późniejszej od naszej.

W DP i PLK wszystkie ruchy odbywają się przy pomocy silników elektrycznych o regulowanej szybkości obrotu. W MP jest tylko silnik ruchu dziennego, a ruch po południku i ruch precesyjny wykonuje się ręcznie, kręcąc odpowiednimi korbkami, zaś ruchu rocznego nie ma w ogóle.

Przez odpowiednią kombinację ruchów można zademonstrować wygląd nieba o dowolnej godzinie (ruch dzienny) dowolnego dnia (ruch roczny) dowolnego roku (ruch roczny lub precesyjny) z dowolnego miejsca na kuli ziemskiej (ruch po południku). W PLK jest jeszcze ruch poziomy, tzn. obrót całego projektora wokół linii pionu. W odpowiedniej kombinacji z pozostałymi ruchami, ruch ten pozwala demonstrować efekty lotu kosmicznego.

Sposób prowadzenia pokazu — projekcji astronomicznej

Małe Planetarium (pierwsze zdjęcie). Osoba prowadząca projekcję stoi po środku kopuły obok projektora głównego i obsługuje aparaturę oraz pokazuje świetlną strzałką to, co aktualnie dzieje się w kopule, komentując równocześnie demonstrowane zjawiska astronomiczne. Prócz "żywego" komentarza stosuje się komentarz wcześniej opracowany i nagrany na taśmie magnetofonowej.

Duże Planetarium (drugie zdjęcie). Aparatura projekcyjna jest sterowana na odległość z pulpitu operatorskiego znajdującego się pod ścianą kopuły. Projekcję prowadzą dwie osoby: operator, który steruje pracą projektorów, oraz lektor, który komentuje demonstrowane zjawiska i pokazuje je świetlną strzałką. Projekcja jest dodatkowo ilustrowana muzyką, odtwarzaną z magnetofonu. Prócz "żywego" komentarza stosuje się wcześniej opracowane projekcje — swoiste widowiska astronomiczno-slowno-muzycz-ne — w których tekst komentarza i muzyka są odtwarzane z magnetofonu. Rola lektora sprowadza się wtedy do pokazywania strzałką omawianych zjawisk i do pomocy operatorowi.

Planetarium Lotów Kosmicznych (trzecie zdjęcie). Podobnie jak w DP, aparatura jest sterowana na odległość z pulpitu operatorskiego (19), z tym, że sterowanie może być ręczne (tak jak w DP) lub automatyczne. Przy ręcznym prowadzeniu projekcji, co stosuje się np. przy pokazach aktualnego wyglądu nieba, postępowanie jest analogiczne jak w DP.

Automatyczne sterowanie projektorem przebiega następująco. W pulpicie sterowniczym (19) znajduje się dwuścieżkowy magnetofon (20). Z pierwszej ścieżki jest odtwarzany dźwięk, tzn. tekst komentarza i muzyka, a z drugiej specjalnie nagrane impulsy, które poprzez czytnik taśmy perforowanej sterują minikomputerem, sterującym z kolei pracą całej aparatury. Rozkazy (21), tzn. cyfrowe oznaczenia poszczególnych czynności, są zakodowane na taśmie perforowanej. Po otrzymaniu impulsu z magnetofonu, minikomputer uruchamia przekaźniki wykonawcze i "każe" aparaturze projekcyjnej wykonać czynność (rozkaz), który uprzednio zapamiętał. Potem czyta z taśmy perforowanej kolejny rozkaz, zapamiętuje go i czeka na następny impuls z magnetofonu. Wszystkie te czynności muszą być oczywiście ściśle zsynchronizowane z tekstem komentarza. Jak z tego widać, opracowanie automatycznej projekcji nie jest rzeczą łatwą, ale za to projekcja taka — widowisko astronomiczno-słowno-muzyczne — jest identyczna przy każdym powtórzeniu, zaś rola operatora sprowadza się do pokazywania strzałką demonstrowanych zjawisk oraz do nadzoru automatyki.

Artykuł powyższy nie daje oczywiście pełnej informacji o konstrukcji i działaniu niezwykle precyzyjnej aparatury projekcyjnej planetarium. Czytelników, których te sprawy zainteresowały, zapraszamy do Planetariów, gdzie można uzyskać wyczerpujące objaśnienia a prócz tego, i to jest najważniejsze, zobaczyć jak działa planetarium.