Из истории телескопов

Астрофизические исследования небесных тел всерьез начались с XVII в., когда голландские оптики изобрели "увеличительную трубу". Первым, кто оценил роль этого изобретения для астрономии, был профессор Падуанского университета Галилео Галилей. Собственноручно он изготовил три телескопа с увеличением от 3 до 30 раз. Кстати, наименование "телескопы" было тогда же присвоено увеличительным трубам.

Осенью 1609 г. Галилей начал наблюдения, позже описанные в его известном астрономическом труде "Звездный вестник". Впечатление от раскрывшейся Галилею картины было необычайным. "Я вне себя от изумления,- писал он,- так как успел уже убедиться, что Луна представляет собой тело, подобное Земле". На поверхности Луны Галилей увидел горы и долины. . Венера оказалась похожей на маленькую Луну, и смена ее фаз доказывала обращение Венеры вокруг Солнца. Пла,н?та Юпитер предстала изумленному Галилею крошечным диском, вокруг которого обращались маленькие звездочки - его спутники. Тем самым Юпитер с системой своих лун оказался уменьшенным подобием Солнечной системы. У Сатурна Галилей заметил какие-то странные придатки - следы его знаменитого кольца. На поверхности Солнца четко виднелись темные пятна, что опровергало учение Аристотеля о "неприкосновенной чистоте небес". Физический облик знакомых небесных тел оказался необычным.

Первое, что любому бросается в глаза при наблюдении звездного неба, это различие в кажущейся яркости звезд, или, точнее, в их блеске. Под блеском звезды понимается та освещенность, которую создает звезда на поверхности Земли. Чем более яркой кажется нам звезда, тем больше воспринимаемый нами поток ее излучения.

Еще в древности астрономы "рассортировывали" звезды по их кажущейся яркости (видимому блеску). Наиболее яркие из звезд назвали звездами 1-й звездной величины, звезды в 2,5 (точнее, в 2,512) раза более слабые - звездами 2-й звездной величины и т. д. Наименее яркие из звезд, доступные невооруженному глазу, относятся к звездам 6-й звездной величины. Нетрудно подсчитать, что звезды 6-й звездной величины слабее звезд 1-й звездной величины ровно в 100 раз.

Термин "звездная величина" характеризует, конечно, не размеры звезд, а только поток их излучения. Чем слабее звезда, тем больше ее звездная величина.

Позже для более точной характеристики звезд пришлось ввести дробные значения звездных величин, а для особенно ярких светил - нулевые и даже отрицательные значения звездной величины.

В поле зрения своего телескопа Галилей увидел множество недоступных невооруженному глазу звезд 7-й и 8-й звездных величин. Некоторые "туманности" на звездном небе оказались состоящими из множества звезд. Великим скопищем слабосветящихся звезд оказался и Млечный Путь.

В любом телескопе есть объектив и окуляр. Объектив собирает лучи от светила и создает в своем фокусе его изображение. Это изображение рассматривается через сильную лупу, называемую окуляром.

В телескопах Галилея объективом служила плоско-выпуклая собирающая линза, а окуляром - рассеивающая, плоско-вогнутая линза. По своей оптической схеме они напоминали театральный бинокль.

Иоганн Кеплер в 1611 г. предложил иную схему, в которой и объектив, и окуляр были двояковыпуклыми линзами. Это расширяло поле зрения, и поэтому кеплеровская система телескопа вскоре стала господствующей. Преимущество телескопов двоякое: они собирают гораздо больше света, чем человеческий глаз, и увеличивают угол зрения, под которым наблюдается предмет.

Первые телескопы были крайне несовершенны. Их линзы искажали изображение, т. е., иначе говоря, создавали аберрации. Главные из них - сферическая и хроматическая аберрации. Первая заключается в том, что края линз сильнее преломляют свет, чем их центральные части. По этой причине лучи от объектива сходятся в разных точках (фокусах) и изображение получается нечетким, размытым. Хроматическая аберрация выражается в ином: лучи разного цвета преломляются линзами различно-сильнее всего фиолетовые, наиболее слабо - красные. В итоге изображения в первых телескопах были не только размытыми, но и "радужными", окрашенными в разные цвета.

Чем больше фокусное расстояние объектива (при том же его диаметре), тем меньше аберрация. Поэтому последователи Галилея строили длиннофокусные, необычайно громоздкие и трудные в управлении телескопы. Такая ситуация продолжалась почти полтора века, и некоторые линзовые телескопы тех времен достигали в длину 40 м (рис. 36). При помощи сложной системы блоков их закрепляли на высоких мачтах, а окулярную часть телескопа оставляли на земле. Порой и вовсе обходились без тубуса (трубы) и пользовались "воздушной" системой - объектив крепили на высокой мачте, а окуляр держали в руках!

Рис. 36. Длиннофокусный телескоп XVII в.

Несмотря на все эти ухищрения, длиннофокусные линзовые телескопы давали скверные изображения, и назревала необходимость в коренной перестройке их оптической системы. К середине XVIII в. телескопы с однолинзовыми системами изжили себя, и выход был найден в многолинзовых объективах и окулярах.

Представьте себе сложный объектив, состоящий из двояковыпуклой и плоско-вогнутой линз (рис. 37). Если подобрать соответствующую кривизну поверхностей линз и сорта их стекол, аберрации одной линзы скомпенсируют "противоположные" аберрации другой и получится объектив, не дающий искажений. Теоретически такая возможность была доказана еще в 1695 г. английским оптиком Дж. Грегори, а в 1733 г. Ч. Холл нашел сорта стекол для сложного объектива. Его продолжатель Дж. Доллонд с 1758 г. начал изготовлять "ахроматические" объективы, которые не давали радужных изображений. Конечно, полной компенсации в них не было, и оптики обычно оставляли голубой ореол вокруг изображения, что не мешало наблюдениям.

Рис. 37. Сложный объектив

Доллонд придумал комбинацию из трех линз, дававшую еще лучшие результаты, чем двулинзовый "ахромат". Так появились "апохроматы", создающие изображение превосходного качества.

В начале XIX в. немецкий оптик и астроном Й. Фраунгофер начал строить апохроматы, и по размерам, и по качеству превосходившие телескопы Доллонда. Его ученики Мерц и Малер в 1839 г. изготовили для новой Пулковской обсерватории великолепный 15-дюймовый^*рефрактор (линзовый телескоп), который в течение 8 лет оставался крупнейшим в мире.

^* (1 дюйм≈25 мм. Для телескопов указывается диаметр объектива. )

Усложнились и окуляры. С XVIII в. они становятся двулинзо-выми, а иногда и многолинзовыми.

Борьба с аберрациями в рефракторах продолжалась весь XIX в. Особых успехов в этом деле достиг американский оптик Альван Кларк и его сыновья. По заказу русского правительства в 1885 г. Кларк сделал для Пулковской обсерватории 30-дюймовый рефрактор, к сожалению, погибший во время Великой Отечественной войны. Абсолютный рекорд в соревновании рефракторов был достигнут в 1897 г. На средства миллионера Йеркса фирма "Альван Кларк и сыновья" построила исполинский инструмент - рефрактор с диаметром объектива 102 см (40 дюймов). Сорокадюймовый рефрактор Йерксской обсерватории близ Чикаго и до сих пор остается величайшим рефрактором мира. Строить еще большие линзовые объективы никто не решается - трудности их создания колоссальны, а эффективность мала: поглощение более толстых линз сводит на нет выгоду от увеличения отверстия. Кроме того, громадный вес линз заставляет их прогибаться, что портит изображение. В чемпионате телескопов вперед вырвались рефлекторы.

Идея зеркального телескопа, или рефлектора, впервые была предложена еще при жизни Галилея Н. Цукки (1616) и М. Мерсеном (1638). Несколько позже подобные схемы рефлекторов были теоретически разработаны Д. Грегори (1663) и Кассегреном (1672). В 1664 г. Р. Гук даже изготовил рефлектор по схеме Грегори, однако качество его было настолько низким, что наблюдения с ним не проводились.

Лишь в 1668 г. знаменитый Исаак Ньютон построил первый действующий рефлектор. Это был весьма миниатюрный оптический инструмент, бронзовое вогнутое сферическое зеркало которого имело поперечник всего 2,5 см, а его фокусное расстояние составляло 6,5 см. Лучи от главного зеркала отражались небольшим плоским зеркалом в боковой окуляр (рис. 38, а). Три года спустя Ньютон сделал несколько больший рефлектор с диаметром зеркала 3,4 см при фокусном расстоянии 16 см. Таким образом, объективом в рефлекторе служит не линза, а зеркало.

Рис. 38. Различные системы рефлекторов

В системе Грегори (рис. 38, б) главное зеркало имело в центре отверстие, куда направлялись лучи, отраженные от вогнутого эллипсоидального зеркала. Если заменить это эллипсоидальное зеркало гиперболическим, получаем систему Кассегрена (рис. 38, в).

Рефлекторы выгодно отличаются от рефракторов тем, что у них отсутствует хроматическая аберрация. Если главному зеркалу придать параболическую форму, оно соберет все лучи в одном фокусе, и тем самым будет устранена и сферическая аберрация.Изготовить зеркало легче, чем линзу,- приходится шлифовать только одну поверхность. Эти и другие преимущества обеспечили быстрый прогресс рефлекторов.

В середине XVIII в. английский оптик Д. Шорт организовал фабричный выпуск высококачественных рефлекторов, самый большой из которых имел поперечник зеркала, равный 55 см. Многочисленные и порой весьма крупные рефлекторы строил в XVIII в. знаменитый основоположник звездной астрономии Вильям Гершель, большую часть жизни работавший в Англии. Самый крупный из его рефлекторов имел металлическое зеркало поперечником 122 см. Весило оно около 10 000 Н и заметно прогибалось под действием собственного веса, из-за чего портились изображения. Система блоков и канатов, с помощью которых приводился в движение инструмент, затрудняла работу (рис. 39). Тем не менее Вильям Гершель сумел сделать с ним много открытий.

Рис. 39. Телескоп Гершеля

Еще более крупный рефлектор с металлическим зеркалом диаметром 2 м построил в 1845 г. ирландский аристократ Вильям Парсонс, носивший титул лорда Росса. Его "левиафан", как прозвали современники рефлектор лорда Росса, оставался крупнейшим вплоть до первой четверти текущего века.

В 1917 г. на обсерватории Маунт-Вилсон (США) установили новый 100-дюймовый рефлектор с поперечником главного стеклянного зеркала 258 см и решетчатым тубусом. Долгое время он оставался самым крупным телескопом мира, пока, наконец, уже после второй мировой войны, не был превзойден пятиметровым рефлектором обсерватории Маунт-Паломар. Любопытно, что это был первый телескоп, в котором кабина наблюдателя размещалась внутри трубы.

Стремление свести к минимуму всевозможные аберрации привело в XX в. к созданию комбинированных телескопов, в которых используются и зеркала, и линзы. Первый оптический инструмент такого типа был создан еще в 1930 г. немецким оптиком, эстонцем по происхождению, Б. Шмидтом. В его телескопе (рис. 40) главное отражательное зеркало имеет сферическую поверхность, но зато исправляющая аберрацию коррекционная тонкая линза, помещенная в центре кривизны главного зеркала, имеет весьма сложную форму. Главное преимущество телескопов системы Шмидта- огромное поле зрения (до 25°). В 1941 г. известный советский оптик Д. Д. Максутов изобрел новый тип зеркально-линзового телескопа, в котором вместо сложной коррекционной линзы использовал сферический мениск - слабую рассеивающую выпукло-вогнутую линзу, которая компенсирует сферическую аберрацию главного зеркала. Так как в телескопах системы Максутова поверхности зеркала и мениска сферические, изготовить такие инструменты гораздо легче, чем телескопы Шмидта. Этим и другими достоинствами объясняется широкое распространение максутовских телескопов в астрономической практике.

Рис. 40. Телескопы системы Шмидта (слева) и Максутова (справа)

В настоящее время самым крупным телескопом в мире является шестиметровый рефлектор Специальной астрофизической обсерватории Академии наук СССР (рис. 41).

Рис. 41. Шестиметровый советский рефлектор - крупнейший в мире

Башня шестиметрового телескопа имеет высоту 53 м при диаметре 44 м. Вес алюминиевого купола достигает 10 000 кН. Общий вес рефлектора вместе с установкой составляет 8 500 кН, фокусное расстояние 24 м. При всех этих астрономических размерах специальные устройства обеспечивают точнейшие перемещения телескопа по высоте и азимуту. Наведение телескопа на объект осуществляется при помощи электронно-вычислительных устройств, помещенных в специальном пульте управления. Поразительно, но ошибка в автоматическом наведении на объект не превышает долей угловой секунды. Внутри телескопа на высоте 15-этажного дома укреплена кабина наблюдателя (см. рис. 41).

Крупнейшему телескопу мира доступны звезды 24-й звездной величины, т. е. в миллионы раз более слабые, чем те, которые рассматривал Галилей в свои телескопы.

Хотя существуют проекты 10-метровых рефлекторов, до их осуществления еще очень далеко. Теоретически пределом, по-видимому, можно считать 25-метровый рефлектор. Однако трудности изготовления сверхгигантских телескопов так велики, что более реальными выглядят проекты многозеркальных рефлекторов, где вместо одного исполинского зеркала-объектива используется множество гораздо меньших зеркал, сводящих лучи от светила в одном общем фокусе. Такая система напоминает глаза мухи, так что и в этом случае мы стараемся использовать в технике мудрость природы.