ГЛАЗА И УШИ АСТРОНОМОВ

Некогда требования мореходной астрономии стимулировали создание хронометров - сложных и точных приборов-автоматов, которые стали первой ласточкой грядущей промышленной революции. На исходе XIX в. запросы астрономии привели к созданию уникальных телескопов - предвестников той революции в технике научного эксперимента, в результате которой вскоре в корне изменились представления ученых об окружающем мире.

Использование грандиозных автоматических установок для ядерных исследований, химические заводы-лаборатории, огромные вычислительные машины - будни современной науки. Начинался же этот бурный прогресс в оснащении научных лабораторий новинками технической мысли именно с астрономии. Путь к этому, как водится, был труден и тернист.

Первым на свет, в руках Галилея, появился линзовый телескоп-рефрактор. Неимоверно длинные, неуклюжие телескопы-рефракторы Яна Гевелия дали возможность на практике выявить все их основные недостатки. Пальма первенства после этого надолго переходит к отражательньы телескопам-рефлекторам, крупнейшие из которых строит Вильям Гершель.

Отражательный телескоп-рефлектор с большим зеркалом собирает свет со значительной площади и дает возможность наблюдать очень слабые объекты. Но и он страдает серьезными недостатками. Поле зрения телескопов-рефлекторов, как правило, чрезвычайно мало: в него не помещается обычно даже диск Луны, и наблюдатель может рассматривать, не перемещая телескоп, лишь крохотные участки лунной поверхности (Поле зрения телескопа не надо путать с полем зрения окуляра, которое уменьшается в случае применения окуляров с большим увеличением. Поле зрения телескопа ограничивается объективом и конструкцией трубы, а окуляр может давать возможность рассматривать либо сразу все поле зрения, либо - при большом увеличении - только его часть. В последнем случае, перемещая окуляр, можно осмотреть все поле зрения телескопа, и это не является серьезным недостатком. Если же, как у рефлекторов, мало само поле зрения телескопа, то обзор большой площади требует смещения всего инструмента, что, в частности, в процессе фотографирования вообще недопустимо.). Ограниченность поля зрения вызывает дополнительные затруднения, особенно при фотографировании. Кроме того, телескопы-рефлекторы в большинстве случаев непригодны для точных позиционных измерений.

В начале XIX в. конструкторская мысль вновь обращается к линзовым телескопам-рефракторам.

Быстрое усовершенствование телескопов-рефракторов произошло благодаря мастерству Йозефа Фраунгофера. Как оптик, Фраунгофер соединил в объективе линзы из двух различных сортов стекла - кронгласа и флинтгласа. Оба сорта стекла приготавливаются из кварцевого песка, различаясь только применяемыми добавками. Но различные коэффициенты преломления света в кронгласе и флинтгласе позволяют резко ослабить окрашивание изображений - основной недостаток старых линзовых систем, с которым безуспешно боролся Ян Гевелий.

Фраунгофер первым научился изготавливать крупные линзовые объективы поперечниками в несколько десятков сантиметров. Огромные трудности связаны здесь с тонкостями технологии процесса варки стекла и охлаждения готового стеклянного диска.

Диск, из которого предстоит отшлифовать объектив, должен быть сварен без пузырей и охлажден таким образом, чтобы в нем не возникло никаких напряжений. Если же такие напряжения возникнут, то в течение длительного времени они будут приводить к медленным и неравномерным изменениям формы объектива, который шлифуется с точностью до долей микрона.

Фраунгофер не только усовершенствовал линзовую оптику телескопа-рефрактора, но и превратил его в высокоточный измерительный инструмент. Ни Гевелий, ни Гершель не нашли удачных решений, как повести телескоп вслед за звездой. Ведь из-за суточного движения небесной сферы звезда постоянно перемещается и, двигаясь по кривой, быстро выходит из поля зрения неподвижного телескопа.

Телескоп работы И. Фраунгофера с объективом поперечником 24 см, установленный в 1824 г. на обсерватории в Дерпте

Фраунгофер наклонил ось вращения телескопа, направив ее в полюс мира. Теперь, чтобы следить за звездой, достаточно было вращать его только вокруг одной полярной оси. А этот процесс легко автоматизируется добавлением к телескопу часового механизма, что Фраунгофер и сделал.

Фраунгофер первым стал уравновешивать все подвижные части телескопа и в результате отлично отрегулированные инструменты, несмотря на их большой вес, могли поворачиваться буквально благодаря легкому нажиму пальца.

Первоклассным инструментом Фраунгофера с поперечником объектива в 24 см была оснащена обсерватория в Дерпте, в которой начинал работу молодой В. Я. Струве. Впоследствии именно Фраунгоферу заказал Струве 38-сантиметровый меридианный инструмент для Пулковской обсерватории.

Расцветшее в Германии искусство мастеров-оптиков сначала распространилось по Европе, а во второй половине XIX в. на первое место выходит уже американский оптик Альван Кларк. В 1885 г. Альван Кларк изготовил для пулковского телескопа-рефрактора крупнейший по тем временам в мире объектив с поперечником в 76 см.

Астрономия к этой поре утрачивает положение ведущей государственной науки. Те нужные для мореходства позиционные измерения, ради которых возникли в XVII в. Парижская и Гринвичская обсерватории, оказались давно завершенными, а на собственно научные исследования капиталистические государства не торопятся тратить заметные суммы. Астрономия вновь попадает в зависимость от богатых меценатов. И эти меценаты оказываются наиболее щедрыми за океаном, в Америке.

Много воды утекло с тех пор, когда североамериканские колонии вели революционную борьбу за свободу от тирании британской короны, когда в Америку на помощь сражающимся колонистам спешили Тадеуш Костюшко и генерал Лафайет.

В конце XIX в. Северо-Американские Соединенные Штаты переродились в процветающую буржуазную республику, где лучше всего жилось тем, кто успел прибрать к рукам разработку еще не освоенных природных богатств огромного континента.

Сколотившие миллионные состояния дельцы искали случая увековечить свое имя, и лучшим приложением денег для создания себе «нетленных» памятников им казалось покровительство науке, особенно же постройка крупных астрономических инструментов.

На деньги Джемса Лика, в прошлом мастера по роялям и органам, сколотившего огромное состояние спекуляцией недвижимым имуществом в период «золотой лихорадки», на горе Гамильтон близ Сан-Франциско был сооружен линзовый телескоп-рефрактор с поперечником объектива в 92 см. Изготовил для него объектив все тот же Альван Кларк. Основанная в 1888 г. на горе Гамильтон обсерватория согласно завещанию Лика получила название Ликской.

Вскоре еще больший инструмент, с изготовленным Кларком объективом в 102 см, был установлен на обсерватории Чикагского университета. Субсидировал обсерваторию чикагский трамвайный магнат, миллионер Иеркс. Обсерватория, само собой разумеется, получила в дальнейшем название Йеркской.

Новые гигантские рефракторы были по своей конструкции повторением гораздо более скромных инструментов Фраунгофе-ра. Они имели тот же стройный, изящный вид, легко управлялись, но из-за поглощения света в стеклах объектива и прогибания труб размеры новых инструментов оказались предельными. Строить рефракторы большего размера было признано неразумным. Внимание астрономов вновь, в который раз, обратилось к зеркальным телескопам-рефлекторам.

В 1919 г. на горе Вилсон в Калифорнии вступил в строй телескоп-рефлектор с поперечником зеркала в 2,5 м. Опыт его изготовления был учтен в проекте 5-метрового телескопа, на строительство которого американским специалистам потребовалось четверть века. Он вступил в строй в обсерватории на горе Паломар уже после второй мировой войны, в 1949 г.

Слово «гора» по-английски произносится как маунт, и поэтому обсерватории на горе Вилсон и на горе Паломар чаще называют соответственно Маунт Вилсон и Маунт Паломар.

С победой Великой Октябрьской социалистической революции советская наука получила возможность развиваться при всесторонней и активной поддержке государства. Значительно расширилась в нашей стране инструментальная база астрономических исследований.

За годы Советской власти в разных частях страны было построено много новых обсерваторий.

В Крымской астрофизической обсерватории Академии наук СССР ныне установлен и работает крупнейший в Европе телескоп-рефлектор с поперечником зеркала 2,6 м. Этому телескопу присвоено имя видного советского астрофизика, академика Г. А. Шайна.

Несколько лет тому назад было принято решение о сооружении в СССР телескопа-рефлектора с поперечником зеркала в 6 м. Этот инструмент станет крупнейшим в мире.

Сооружение невиданного по размерам телескопа сопряжено с решением огромного количества ранее не встречавшихся проблем - и научных, и технических.

Снова возник, например, удачно решенный некогда Фраун-гофером вопрос о перемещении телескопа вслед за звездами. Если, как обычно, направить одну из осей вращения телескопа на полюс мира, то труба телескопа оказывается расположенной асимметрично относительно несущей ее конструкции. При гигантском весе 6-метрового телескопа такое решение перестает быть удовлетворительным, и в новом инструменте используется совсем иной принцип.

Труба телескопа будет покоиться на простой конструкции с одной вертикальной и одной горизонтальной осями. Гидравлические подшипники обеих осей будут вращаться на тончайшей пленке масла, нагнетаемого в них под большим давлением. А как будет осуществляться наблюдение за звездами? Специальная управляющая электронно-вычислительная машина рассчитает смещения звезд, учтет необходимые поправки за влияние рефракции и гнутие трубы и будет непрерывно поворачивать телескоп по каждой из осей точно с той скоростью, с какой это необходимо.

Та же электронная машина будет управлять поворотом кассеты с фотопластинкой при фотографировании небесных объектов и вращением купола.

В отличие от монтировки, примененной Фраунгофером, которая называется параллактической, монтировка 6-метрового телескопа носит название азимутальной. А весь телескоп, согласно заводской документации, именуется БТА - большой телескоп азимутальный.

Огромные трудности связаны с креплением главного зеркала уникального телескопа в металлической оправе. В любом положении зеркало должно находиться как бы в состоянии невесомости, или, как говорят инженеры, быть разгруженным. Оправа зеркала напоминает глубокую тарелку с очень сложной системой разгрузки. Зеркало БТА ляжет на 60 точек, три из которых, фиксирующие положение зеркала, будут несущими, а остальные -разгрузочными.

Нелегко было выбрать и наиболее подходящее место для установки БТА. Десятки экспедиций обследовали с этой целью Сибирь, Крым, Кавказ. После долгих поисков решено было установить инструмент в горах Кавказа, неподалеку от станицы Зеленчукской, на высоте свыше 2000 м над уровнем моря.

Если оптические телескопы справедливо называть «глазами» астрономов, то в связи с бурным развитием радиоастрономии у них появились теперь еще и «уши».

Крупнейшим из радиотелескопов, которые могут поворачиваться и наводиться в любую точку неба, остается пока телескоп в английской обсерватории Джодрелл Бэнк. Он состоит из одного металлического зеркала диаметром в 76 м.

Мощнейшим радиотелескопом является советская антенна дальней космической связи, состоящая из 8 установленных на общей раме параболических зеркал. С помощью этой антенны велись наблюдения за космическими летательными аппаратами, уходящими в дальний космос, в частности за теми, которые совершали спуск в атмосфере Венеры и Марса.

В наши дни стало очевидным, что заметно увеличить размеры радиотелескопов, сохранив их полную подвижность, технически невозможно. Поэтому стали строить такие радиотелескопы, которые могут изменять свое положение только в одном направлении, или даже полностью неподвижные. Перед неподвижным радиотелескопом, благодаря вращению небесной сферы, в течение суток проходит целая полоса неба, куда, конечно же, попадает много интересных объектов.

Крупнейший из неподвижных радиотелескопов построен в Пуэрто-Рико, в кратере потухшего вулкана Аресибо. Кратер вулкана был тщательно выровнен и получил форму параболоида, потом забетонирован и получившаяся чаша застелена металлической сеткой. Диаметр радиотелескопа Аресибо - 300 м.

Человеческий глаз и глаз любого животного характеризуется чрезвычайно важной величиной - разрешающей способностью. Разрешающей способностью называют тот наименьший угол, под которым два объекта - две черты или две точки - различаются как самостоятельные.

Разрешающая способность глаза зависит от очень многих обстоятельств. Для человека с нормальным зрением и невооруженным глазом в обычных условиях она составляет около Г.

Величиной разрешающей способности характеризуются и телескопы. Она увеличивается с увеличением диаметра объектива телескопа и с уменьшением длины волны принимаемого излучения. Однако для оптических телескопов разрешающая способность лимитируется атмосферой и не превышает 0,3".

Схема работы радиоинтерферометра. С помощью двух радиотелескопов, находящихся на расстоянии В друг от друга, наблюдается один и тот же объект. Принятые сигналы усиливаются и подводятся к специальной аппаратуре, которая регистрирует суммарный результат. За счет суточного вращения небесной сферы положение исследуемого радиоисточника относительно базы интерферометра (т. е. угол α) непрерывно меняется. При этом суммарный результат обнаруживает интерференционную картину периодических чередований максимумов и минимумов, расшифровка которой и позволяет исследовать тонкую структуру радиоисточника. Если через α мы обозначим длину волны принимаемого сигнала, то два соседних максимума возникают при изменении угла α на величину Δα = α/B sin α. Эта величина и является пределом углового разрешения радиоинтерферометра

В радиоастрономии долгие годы дело обстояло гораздо хуже, поскольку радиоастрономы наблюдают не видимый свет с длинами волн в 4000-7000 А, а радиоволны, длины которых в десятки тысяч раз больше. Отсюда и возникла необходимость в постройке радиотелескопов с огромными объективами-параболоидами. Но разрешение радиотелескопов все равно оставалось плохим. Оно составляло многие минуты и десятки минут дуги. А это значит, что не имелось никакой возможности изучать тонкую структуру наблюдаемых на небе радиоисточников, Нельзя было даже ответить на такой простой вопрос: какова протяженность радиоисточника? То ли наблюдается на небе один большой радиоисточник размерами в десятки минут дуги, то ли на этом участке неба расположено рядом несколько источников, но все они маленькие?

Радиоастрономы сумели преодолеть эту, казалось бы, непреодолимую трудность. Они стали использовать два радиотелескопа, отнесенных друг от друга на сотни и даже тысячи километров,- так называемый радиоинтерферометр. Сравнение одновременных наблюдений на обоих телескопах дает возможность при больших базах добиться разрешающей способности, невиданной даже для оптических инструментов и доходящей до 0,001".

Этот пример в очередной раз показывает, что природа не может положить границ пытливости человеческого разума, и все трудности, даже самые, казалось бы, непреодолимые, можно преодолеть,