Первые телескопы

Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Известно, что еще древние употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас и легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бэкон, один из наиболее замечательных ученых и мыслителей XIII века, в одном из своих трактатов утверждал, что он изобрел такую комбинацию линз, с помощью которой отдаленные предметы при рассматривании их кажутся близкими.

Так ли это было в действительности — неизвестно. Бесспорно, однако, что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении подзорной трубы заявили три оптика — Липперсгей, Мециус и Янсен. Рассказывают, что будто бы дети одного из оптиков, играя с линзами, случайно расположили две из них так, что далекая колокольня вдруг показалась близкой. Как бы там ни было, к концу 1608 года первые подзорные трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических инструментах быстро распространились по Европе.

В Падуе в это время уже пользовался широкой известностью Галилео Галилей, профессор местного университета, красноречивый оратор и страстный сторонник учения Коперника. Услышав о новом оптическом инструменте, Галилей решил собственноручно построить подзорную трубу. Сам он рассказывает об этом так:

«Месяцев десять тому назад стало известно, что некий фламандец построил перспективу, при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они находятся вблизи. Это и было причиной, по которой я обратился к изысканию оснований и средств для изобретения сходного инструмента. Вскоре после этого, опираясь на учение о преломлении, я постиг суть дела и сначала изготовил свинцовую трубу, на концах которой я поместил два оптических стекла, оба плоских с одной стороны, с другой стороны одно стекло выпукло-сферическое, другое вогнутое».

Этот первенец телескопической техники давал увеличение всего в три раза. Позже Галилею удалось построить более совершенный инструмент, увеличивающий в 30 раз. И тогда, как пишет Галилей, «оставив дела земные, я обратился к небесным».

7 января 1610 года навсегда останется памятной датой в истории человечества. Вечером этого дня Галилей впервые направил построенный им телескоп) на небо. Он увидел то, что предвидеть заранее было невозможно. Луна, испещренная горами и долинами, оказалась миром, сходным хотя бы по рельефу с Землей. Планета Юпитер предстала перед глазами изумленного Галилея крошечным диском, вокруг которого обращались четыре необычные звездочки — его спутники. Картина эта в миниатюре напоминала Солнечную систему по представлениям Коперника. При наблюдениях в телескоп планета Венера оказалась похожей на маленькую Луну. Она меняла свои фазы, что свидетельствовало о ее обращении вокруг Солнца. На самом Солнце (закрыв глаза темным стеклом) Галилей увидел черные пятна, опровергнув тем самым общепринятое учение Аристотеля о «неприкосновенной чистоте небес». Эти пятна смещались по отношению к краю Солнца, из чего Галилей сделал правильный вывод о вращении Солнца вокруг оси.

В темные прозрачные ночи в поле зрения галилеевского телескопа было видно множество звезд, недоступных невооруженному глазу. Некоторые туманные пятна на ночном небе оказались скопищами слабо светящихся звезд. Великим собранием скученно расположенных звездочек оказался и Млечный Путь — беловатая, слабо светящаяся полоса, опоясывающая все небо.

Несовершенство первого телескопа помешало Галилею рассмотреть кольцо Сатурна.

Рис. 11. Телескопы Галилея.

Вместо кольца он увидел по обе стороны Сатурна два каких-то странных придатка и в своем «Звездном вестнике» — дневнике наблюдений — Галилеи был вынужден записать, что «высочайшую планету» (то есть Сатурн) он «тройною наблюдал».

Открытия Галилея положили начало телескопической астрономии. Но его телескопы (рис. 11), утвердившие, окончательно новое коперниканское мировоззрение, были очень несовершенны. Уже при жизни Галилея им на смену пришли телескопы несколько иного типа. Изобретателем нового инструмента был уже знакомый нам Иоганн Кеплер. В 1611 году в трактате «Диоптрика» Кеплер дал описание телескопа, состоящего из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер, будучи типичным астрономом-теоретиком, ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым, кто построил такой телескоп и употребил его для астрономических целей, был иезуит Шейнер, оппонент Галилея в их горячих спорах о природе солнечных пятен.

Рассмотрим оптические схемы и принцип действия галилеевского и кеплеровского телескопов. Линза А, обращенная к объекту наблюдения, называется объективом, а та линза В , к которой прикладывает свой глаз наблюдатель — окуляром. Если линза толще посередине, чем на краях, она называется собирательной или положительной, в противном случае — рассеивающей или отрицательной. Заметим, что в телескопе самого Галилея объективом служила плоско-выпуклая линза, а окуляром — плоско-вогнутая. По существу, галилеевский телескоп был прообразом современного театрального бинокля, в котором используются двояковыпуклые и двояковогнутые линзы. В телескопе Кеплера и объектив и окуляр были положительными двояковыпуклыми линзами.

Рис. 12. Галилеевский (вверху) и кемеровский телескопы (схема)

Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется оптической осью линзы. Если на такую линзу падают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием. Нетрудно сообразить, что чем больше кривизна поверхностей собирательной линзы, тем меньше ее фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.

Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Падающий на них параллельно оптической оси пучок света они рассеивают и в фокусе такой линзы сходятся не сами лучи, а их продолжения. Потому рассеивающие линзы имеют, как говорят, мнимый фокус и дают мнимое изображение.

На рис. 12 показан ход лучей в галилеевском телескопе. Так как небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то изображения их получаются в фокальной плоскости, то есть в плоскости, проходящей через фокус F и перпендикулярной к оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение MN.

Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле зрения — так называют угловой поперечник кружка неба, видимого в телескоп. Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его Галилею было очень трудно. По той же причине галилеевские телескопы после смерти их изобретателя в астрономии не употреблялись и их реликтом можно считать современные театральные бинокли.

В кеплеровском телескопе (см. рис. 12) изображение CD получается действительное, увеличенное и перевернутое. Последнее обстоятельство, неудобное при наблюдениях земных предметов, в астрономии несущественно — ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому небесные тела не могут быть повернутыми телескопом «вверх ногами».

Первое из двух главных преимуществ телескопа — это увеличение угла зрения, под которым мы видим небесные объекты. Как уже говорилось, человеческий глаз способен в отдельности различать две части предмета, если угловое расстояние между ними не меньше одной минуты дуги. Поэтому, например, на Луне невооруженный глаз различает лишь крупные детали, поперечник которых превышает 100 км. В благоприятных условиях, когда Солнце затянуто облачной дымкой, на его поверхности удается рассмотреть самые крупные из солнечных пятен. Никаких других подробностей невооруженный глаз на небесных телах не видит. Телескопы же увеличивают угол зрения в десятки и сотни раз.

Второе преимущество телескопа по сравнению с глазом заключается в том, что телескоп собирает гораздо больше света, чем зрачок человеческого глаза, имеющий даже в полной темноте диаметр не больше 8 мм. Очевидно, что количество света, собираемого телескопом, во столько раз больше того количества, которое собирает глаз, во сколько площадь объектива больше площади зрачка. Иначе говоря, это отношение равно отношению квадратов диаметров объектива и зрачка.

Собранный телескопом свет выходит из его окуляра концентрированным световым пучком. Наименьшее его сечение называется выходным зрачком. В сущности, выходной зрачок — это изображение объектива, создаваемое окуляром. Можно доказать, что увеличение телескопа (то есть увеличение угла зрения по сравнению с невооруженным глазом) равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, увеличивая фокусное расстояние объектива и уменьшая фокусное расстояние окуляра, можно достичь любых увеличений. Теоретически это так, но практически все выглядит иначе. Во-первых, чем больше употребляемое в телескопе увеличение, тем меньше его поле зрения. Во-вторых, с ростом увеличения становятся все заметнее движения воздуха. Неоднородные воздушные струи размазывают, портят изображение и иногда то, что видно при малых увеличениях, пропадает для больших. Наконец, чем больше увеличение, тем бледнее, тусклее изображение небесного светила (например, Луны). Иначе говоря, с ростом увеличения хотя и видно больше подробностей на Луне, Солнце и планетах, но зато уменьшается поверхностная яркость их изображений. Есть и другие препятствия, мешающие применять очень большие увеличения (например, в тысячи и в десятки тысяч раз). Приходится искать некоторый оптимум и потому даже в современных телескопах, как правило, наибольшие увеличения не превосходят нескольких сотен раз.

При создании телескопов со времен Галилея придерживаются следующего правила: выходной зрачок телескопа не должен быть больше выходного зрачка наблюдателя. Легко сообразить, что в противном случае часть света, собранного объективом, будет напрасно потеряна. Очень важной величиной, характеризующей объектив телескопа, является его относительное отверстие, то есть отношение диаметра объектива телескопа к его фокусному расстоянию. Светосилой объектива называется квадрат относительного отверстия телескопа. Чем «светосильнее» телескоп, то есть чем больше светосила его объектива, тем более яркие изображения объектов он дает. Количество же света, собираемого телескопом, зависит лишь от диаметра его объектива (но не от светосилы!). Из-за явления, именуемого в оптике дифракцией, при наблюдениях в телескопы яркие звезды кажутся небольшими дисками, окруженными несколькими концентрическими радужными кольцами. Разумеется, к настоящим дискам звезд дифракционные диски никакого отношения не имеют.

В заключение сообщим читателю основные технические данные о первых галилеевских телескопах. Меньший из них имел диаметр объектива 4 см при фокусном расстоянии 50 см (его относительное отверстие было равно 4/50 = 0,08). Он увеличивал угол зрения всего в три раза. Второй, более совершенный телескоп, с помощью которого Галилей совершил свои великие открытия, имел объектив диаметром 4,5 см при фокусном расстоянии 125 см и давал увеличение в 34 раза. При наблюдениях в этот телескоп Галилей различал звезды до 8-й звездной величины, то есть в 6,25 раз более слабые, чем те, которые еле видит на ночном небе невооруженный глаз.

Таково было скромное начало развернувшегося позже «чемпионата» телескопов — длительной борьбы за усовершенствование этих главных астрономических инструментов.

 

Динозавры телескопической техники

До сих пор, рассуждая о ходе световых лучей в телескопе, мы считали эти лучи идеальными геометрическими прямыми, а точки их схождения — идеальными математическими точками. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Прежде всего астрономам приходится сталкиваться с так называемой дифракцией света (подробнее см. стр. 110). Суть же этого явления заключается в следующем.

Представьте себе поток световых лучей, падающих на объектив телескопа. Плоскость, перпендикулярную к направлению лучей, назовем фронтом световой волны. Согласно так называемому принципу Гюйгенса каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный источник света, посылающий лучи во все стороны. Принимая этот принцип, можно доказать, что изображение звезды, создаваемое телескопом, никогда не будет точечным, как того требуют законы «идеальной» геометрической оптики. Оно, это изображение, выглядит светлым кружочком, окруженным несколькими концентрическими кольцами, причем с удалением от изображения звезды яркость дифракционных колец быстро уменьшается, а ширина возрастает.

Настоящие диски звезд ни в один даже самый крупный современный телескоп рассмотреть невозможно. Дифракционные диски, особенно хорошо заметные у ярких звезд, — неизбежная помеха при астрономических наблюдениях. Теория показывает, что угловой радиус r дифракционного диска (в секундах дуги) для желто-зеленых лучей, к которым глаз наиболее чувствителен, определяется простой формуле

где D — диаметр объектива телескопа в сантиметрах. Значит, чем больше объектив телескопа, тем меньше дифракционные диски наблюдаемых в него звезд, а значит, тем выше разрешающая сила телескопа, то есть тем мельче подробности, различаемые с его помощью.

Так, например, если в телескоп наблюдается двойная звезда и оба ее компонента на небе так близки друг к другу, что их дифракционные диски сливаются, то ни в один окуляр (то есть ни при каком увеличении) различить эти звезды в отдельности не удастся. Следовательно, разрешающая сила телескопа полностью определяется поперечником его объектива.

Казалось бы, отсюда вытекает естественный практический вывод: надо строить телескопы с возможно большим диаметром объектива. Однако изготовление крупных оптических линз — необычайно сложная даже для современной техники задача. Нужно очень прозрачное, совершенно однородное стекло, с правильно отшлифованными поверхностями. Малейшие уклонения от этих весьма жестких норм сводят на нет все усилия и линзу приходится браковать. Но если даже все кончится хорошо и линза изготовлена по всем правилам высшего оптического искусства, она неизбежно будет создавать искажение изображений, то есть, как говорят оптики, аберрации.

Одна из главных аберраций линз — так называемая хроматическая аберрация. Выражается она в том, что лучи разного цвета линза преломляет по разному — сильнее всего фиолетовые, слабее других — красные. Поэтому для лучей разного цвета и фокусы получаются разные (рис. 13, вверху). Из них самый близкий к объективу «фиолетовый» фокус, самый дальний — «красный». В результате наблюдатель видит в телескопе окрашенные в «радужные» цвета изображения небесных тел. Особенно заметны радужные ореолы на краях изображения.

Хроматическая аберрация создает большие неудобства. Она искажает действительную окраску космического объекта, портит его изображение в телескопе.

Другой недостаток линз — сферическая аберрация. Суть ее в том, что края линзы сильнее преломляют световые лучи, чем ее центральная часть. Из-за этого, независимо от цвета лучей, разные лучи будут собираться в разных фокусах (рис. 13, внизу). В итоге изображение в телескопе не будет повсюду одинаково четким — либо четки его края и тогда размыта, размазана его середина, либо наоборот.

Рис. 13. Хроматическая (вверху) и сферическая аберрации.

Если лучи от звезды падают наклонно по отношению к оптической оси телескопа, то возникает еще одна аберрация, называемая комой. Она выражается в том, что по краям поля зрения звезды похожи на маленькие хвостатые кометы. Из-за дисторсии (еще один недостаток линз!) изображение к краям поля зрения растягивается, а прямые линии искривляются. Есть и другие аберрации, например, астигматизм, при котором изображения звезд растягиваются в светлые черточки. Словом, линзы обладают множеством естественных недостатков, в принципе неустранимых (если речь идет об однолинзовых объективах и окулярах).

Уже первые конструкторы телескопов заметили, что действия двух главных аберраций — хроматической и сферической — заметно ослабляются, если применять длиннофокусные объективы сравнительно небольшого диаметра (порядка 10 см). В этом случае при очень малой светосиле масштаб изображения увеличивается, а обе аберрации становятся почти незаметными.

Рис. 14. Рефрактор XVII века.

Удивительный облик имели длиннофокусные телескопы XVII и XVIII веков (рис. 14). Их трубы длиной в 30, а иногда и 40 метров с помощью сложной системы блоков укреплялись на высоких мачтах, а наблюдатель окулярную часть телескопа держал в руках. Трубы сравнительно коротких телескопов (примерно до 30 м ) делались сплошными, а более длинные — ажурными. Управлять таким телескопом было очень трудно и потому при наблюдениях астроному помогали несколько ассистентов. Из-за суточного движения и маленького поля зрения астрономические объекты непрерывно ускользали от глаз наблюдателя, который должен был непрерывно перемещаться по земле (примерно на четверть метра в минуту). Порой и вовсе отказывались от тубуса (трубы) телескопа, предпочитая «воздушную систему». В этом случае объектив укреплялся высоко на мачте, а окуляр наблюдатель держал в руках! Для удобства наблюдений (если вообще здесь можно говорить о каком-либо удобстве) оправа объектива соединялась с окуляром специальным шнуром (рис. 15). Воздушные телескопы, эти динозавры телескопической техники, достигали иногда поистине исполинских размеров. Так, например, Ян Гевелий, знаменитый польский астроном XVII века, работал с воздушным телескопом длиной около 50 м ; Христиан Гюйгенс, голландец по происхождению, большую часть жизни проведший во Франции, пользовался воздушным телескопом длиной 64 м. Но все эти рекорды были побиты А. Озу, который в 1664 году во Франции соорудил воздушный телескоп длиной 98 м. По длине телескоп Озу остался чемпионом и доныне. Но качества его были так плохи, а наблюдать с ним было так неудобно, что в изучений Вселенной Озу не сделал ни одного открытия.

Рис. 15. «Воздушный» телескоп.

Иные результаты получили такие великие наблюдатели XVII столетия, как Гюйгенс, Гевелий и Жан Кассини. Редкое терпение и большое искусство наблюдения с необычайно громоздкими телескопами были награждены очень важными открытиями. Галилей из-за аберрации не мог рассмотреть кольцо Сатурна — ему мерещились какие-то два придатка этой планеты. Гюйгенс был первым, кто ясно увидел, что (как он писал) Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся к эклиптике наклоненным». Он же открыл Титан — главный спутник Сатурна.

Гевелий положил начало селенографии — подробному описанию рельефа лунной поверхности. Его труд «Селенография», изданный впервые в 1647 году — плод личных многолетних наблюдений Луны. Хотя телескопы Гевелия были очень громоздки и несовершенны, ему удалось составить каталог 1564 звезд, гораздо более точный и подробный, чем каталог Тихо Браге.

Жан Доминик Кассини, родоначальник известной династии французских астрономов, с помощью воздушных телескопов (!) открыл четыре спутника Сатурна, названные им Япет, Рея, Диона и Тефия. Ему же удалось в кольце Сатурна увидеть тонкую щель, названную позже его именем. Жан Кассини составил одну из первых подробных карт Луны, а также открыл «моря» и полярные шапки Марса. Вместе с Гюйгенсом, впервые заметившим полосы в атмосфере Юпитера, Жан Кассини положил начало планетологии — отрасли астрономии, изучающей физическую природу планет и их эволюцию.

Галилей не имел какой-либо специально оборудованной обсерватории — его легкие и небольшие телескопы были, как мы теперь говорим, переносными инструментами. Ян Гевелий соорудил личную обсерваторию на крыше своего дома, где работал с небольшими инструментами. Воздушный же 50-метровый телескоп был установлен на обширном поле, откуда открывался широкий горизонт. Гевелий сам изготовлял свои телескопы — в те времена специальности оптика-механика и астронома сочетались в одном лице. Кстати сказать, во всех его трудах и наблюдениях Гевелию усердно помогала его жена, бывшая к тому же неплохой вычислительницей. Кажется, она была одной из первых в истории человечества женщин-астрономов.

В 1671 году в Париже была основана первая государственная обсерватория, директором которой стал Жан Кассини. Ее оборудовали лучшими астрономическими инструментами. Любопытно, что наряду с квадрантами и другими угломерными инструментами древней астрономии здесь использовались воздушные телескопы длиной 10, 30 и 40 метров.

Четыре года спустя в Англии начала свою деятельность Гринвичская обсерватория, первым директором (Королевским астрономом) которой стал Д. Флемстид. В отличие от Парижской обсерватории, где закладывались основы астрофизики, Гринвичская обсерватория с самого начала приобрела астрометрический уклон. Она предназначалась для практических целей, для нужд мореплавания и потому английские астрономы занимались главным образом измерениями точного положения звезд и планет. Благодаря использованию микрометра, точность в определении координат звезд возросла до 10''. В Гринвиче не было длиннофокусных, в частности, воздушных телескопов. Главными инструментами Гринвичской обсерватории служили секстант с радиусом 2,1 м, метровый квадрант и телескопы с фокусными расстояниями 2,1 и 4,6 м.

Вторым директором Гринвичской обсерватории (Королевским астрономом) стал Эдмунд Галлей, открывший собственное движение звезд и периодическое обращение комет вокруг Солнца. В начале XVIII века третьим королевским астрономом был назначен Д. Брадлей. В отличие от своих предшественников, он воспользовался длиннющим 65-метровым воздушным телескопом и с его помощью открыл годичную аберрацию — кажущееся смещение звезд, вызванное обращением Земли вокруг Солнца. Эта аберрация света не связана с расстоянием до звезды, а вызвана сложением скорости света со скоростью орбитального движения нашей планеты.

Первые успехи телескопической техники не могли, конечно, заслонить ее недостатки. Длиннофокусные, в частности, воздушные телескопы явно вели в тупик. Они ослабляли аберрации, но не устраняли их. По необходимости приходилось пользоваться небольшими объективами с диаметрами, не большими 10–20 см. И если бы в ту пору кому-нибудь посчастливилось изготовить объектив с поперечником в 1 м, то для мало-мальски приличных изображений соответствующий телескоп должен был бы иметь длину около двух километров!

Ясно, что решение проблемы находилось не на этом пути. Телескопы с однолинзовыми объективами и окулярами к середине XVIII столетия изжили себя. Выход был найден в использовании многолинзовых оптических систем.

 

Устранение аберраций

На школьных уроках физики иногда показывают нехитрый опыт. Небольшой диск, секторы которого раскрашены в «семь цветов радуги», приводят в быстрое вращение. И разноцветный диск неожиданно становится белым! Произошло, как говорят, смешение цветов, нечто обратное дисперсии света , то есть разложению белого луча света на составные разноцветные лучи. Важно заметить, что ощущение белого цвета создается не только от смешения всех цветов спектра, но и от соединения некоторых простых цветных лучей, как, например, красного и голубовато-зеленого, желтого и синего, зеленого и пурпурного. Все такие цвета называются дополнительными.

Отсюда ясен и принцип создания ахроматического объектива, то есть объектива, не дающего окрашенные изображения. Представим себе объектив, состоящий из двух линз — двояковыпуклой А и плоско-вогнутой В (рис. 16). Обе они обладают хроматическими аберрациями, но действия этих линз противоположны. Лучи света, пройдя двояковыпуклую линзу, затем преломляются в рассеивающей плоско-вогнутой линзе, которая, в отличие от первой, удлиняет фокусное расстояние для синих лучей и укорачивает его для красных. Степень преломления в линзах зависит не только от формы их поверхностей, но и от сорта стекла, то есть от показателя преломления этой прозрачной среды. Чем плотнее, или, как иногда говорят, «тяжелее стекло», тем сильнее преломляет оно лучи. Таким образом, две совершенно одинаковые двояковыпуклые линзы, изготовленные из разного стекла, имеют разные фокусы — у «тяжелой» линзы он короче, чем у более легкой.

Если в рассматриваемом нами сложном объективе подобрать соответствующую кривизну для поверхностей линз, а также разные сорта их стекол, то в принципе можно достичь желаемого — все разноцветные лучи практически соберутся в одной точке и изображение получится неокрашенным.

Рис. 16. Ахроматический объектив.

Теоретически возможность создания ахроматических объективов была доказана еще в 1695 году известным английским оптиком Д. Грегори.

В 1733 году Ч. Холл нашел, что двояковыпуклую линзу следует изготовить из «кронгласа» — «легкого» стекла, содержащего кремнекислоту с примесью калия. Это стекло, сравнительно слабо рассеивающее свет, используется и для оконных стекол. Вторая же рассеивающая линза, как доказал Холл, должна состоять из «тяжелого», сильно рассеивающего сорта стекла, так называемого «флинтгласа», содержащего в качестве примеси окись свинца. По заказу Холла были изготовлены несколько двухлинзовых объективов с диаметром 5 см и фокусным расстоянием 5 м, однако плохое качество стекол сильно ухудшало видимость небесных светил.

Труды Холла были продолжены Джоном Доллондом, достигшим в создании ахроматических объективов больших успехов. Объяснялось это не только высоким мастерством Доллонда, научившимся чисто опытным путем подбирать нужные кривизны линз и сорт их стекла, но и чистой случайностью: в мастерских Доллонда оказались крупные блоки очень однородного и чистого флинта. Когда кончились эти запасы, качество доллондовых труб заметно ухудшилось.

Пусть этот факт не удивляет читателя. Во второй половине XVIII столетия (с 1758 года), когда работал Доллонд, техника изготовления хорошего оптического стекла оставалась очень примитивной. Расплавленное стекло в течение нескольких дней вручную размешивали в глиняных тиглях, стремясь достичь полной однородности и прозрачности стеклянной массы. После остывания стеклянная масса из-за неравномерности охлаждения растрескивалась и распадалась на много кусков, как правило, не очень крупных. Эти осколки подвергались вторичной плавке, во время которой им придавалась форма круглых толстых стеклянных пластинок. Наконец эти остывшие блоки подвергались шлифовке, а иногда и новой переплавке в специальных тиглях, из которых блоки выходили в форме линз. Заметим, что охлаждение первичных блоков растягивалось на несколько месяцев. Тонкая же шлифовка линз требовала еще больших сроков.

Как бы там ни было, уже первые ахроматические телескопы Доллонда произвели переворот в телескопической технике. Телескоп Гюйгенса длиной 64 м давал худшие изображения, чем ахромат Доллонда длиной всего около полутора метров. Доллонд обнаружил, однако, что полностью избавиться от хроматической аберрации практически невозможно — некоторая окраска изображения (или, как говорят, вторичный спектр) все же остается. Позже для «визуальных» рефракторов вторичный спектр оставляли в виде желто-зеленых лучей, к которым наиболее чувствителен человеческий глаз. Для фотографических же наблюдений удобнее коротковолновый синий или фиолетовый вторичный спектр. В поисках новых средств для уменьшения хроматической аберрации Доллонд изобрел апохроматический объектив, состоящий из трех линз — двояковогнутой, расположенной между двояковыпуклой и плоско-вогнутой. Из-за сложности изготовления апохроматы до сих пор являются большой редкостью. Зато качество изображений в них превосходное.

Дальнейшее совершенствование ахроматических рефракторов выразилось в постепенном увеличении диаметра их объектива и улучшении качества оптического стекла. В этом деле в начале XIX века особенно преуспел немецкий оптик и астроном Иосиф Фраунгофер. Когда Наполеон ввел континентальную блокаду, из Англии в Европу перестали поступать «доллонды». Как их строить, никто не знал. Лишь Фраунгофер, с юных лет очень тщательно изучавший оптику, нашел выход из положения. Он сам стал изготовлять высококачественный флинтглас, изобрел новые, более совершенные шлифовальные машины и вскоре добился того, что его рефракторы и по размерам и по качеству значительно превзошли «доллонды».

Крупнейший из рефракторов Доллонда имел объектив диаметром 4 дюйма. Первый же из телескопов Фраунгофера был почти вдвое больше — он обладал ахроматическим 7-дюймовым объективом. В 1818 году Фраунгофер начал изготовление 9-дюймового рефрактора. Этот инструмент был лучшим творением знаменитого немецкого оптика. В 1824 году его установили на Дерптской обсерватории и некоторое время он оставался крупнейшим рефрактором мира. Дерптский рефрактор был снабжен часовым механизмом, вращавшим его в сторону суточного движения звезд. На окулярном его конце употребляли для угловых измерений высокоточный микрометр. Словом, фраунгоферовский 9-дюймовый рефрактор считался в ту пору высшим достижением телескопической техники. На нем было измерено расстояние до звезды Веги.

В 1826 году преждевременная смерть помешала Фраунгоферу создать более крупные инструменты. Но его преемники и ученики Мерц и Малер продолжили его дело. В 1839 году им удалось изготовить для новой Пулковской обсерватории великолепный 15-дюймовый рефрактор, который восемь лет сохранял первенство среди рефракторов мира. При диаметре объектива 38 см пулковский рефрактор имел в длину около 7 м. Он был удобен в обращении и отличался превосходными оптическими качествами. Больший рефрактор с объективом в 18 дюймов Мерцу удалось изготовить для Миланской обсерватории лишь в 1879 году.

Еще Гюйгенс предложил в качестве окуляра использовать систему из двух плоско-выпуклых линз, направленных выпуклостью в одну сторону (рис. 17, слева). Позже Рамсден предложил сходный окуляр, где плоско-выпуклые линзы обращены выпуклостью друг к другу (рис. 17, справа). В отличие от окуляра Гюйгенса, окуляр Рамсдена можно использовать как обыкновенную лупу.

Рис. 17. Окуляры Гюйгенса (слева) и Рамсдена. D — диафрагма.

Оба типа окуляров хотя и лучше однолинзовых, но все же и у них оставались многие аберрации. Для максимально возможного устранения этих искажений были созданы многолинзовые сложные окуляры, обеспечивающие высокое качество изображения в сочетании с большим полем зрения. Кстати сказать, ахроматические оптические системы и объективов и окуляров в лучших своих вариантах уменьшают не только хроматическую, но и сферическую и другие типы аберраций. Полное устранение всех искажений — вот к чему уже третий век стремится телескопическая техника.

 

Старинные обсерватории России

Уже спустя шесть лет после изобретения зрительных труб в Москве появились заморские диковины — «трубочки, что дальнее, а в них смотря, видится близко». В описях дворцового имущества первых Романовых встречается перечень зрительных труб, которые, видимо, употреблялись больше для забавы, чем для каких-либо серьезных целей.

Вскоре появились в России и угломерные астрономические инструменты, завезенные с Запада. Однако до конца XVII века, по-видимому, никто их для научных целей не использовал. В начале второй половины XVII века в России был опубликован перевод книги Гевелия «Селенография», что способствовало распространению астрономических знаний среди просвещенной части тогдашнего русского общества. Первым русским астрономом принято считать Алексея Артемьевича Любимова, известного в исторической литературе под именем Афанасия, архиепископа Холмогорского.

В последнем десятилетии XVII века на побережье Ледовитого океана, в далеких от столицы Холмогорах, Афанасий занимался астрономическими наблюдениями в специально оборудованном для этой цели помещении. Судя по дошедшим до нас документам, Афанасий устроил обсерваторию в «задней келье» своего дома. К 1691 году в Холмогорах завершили строительство каменного собора, построенного под руководством Афанасия. Вполне возможно, что высокую колокольню этого собора Афанасий использовал как астрономическую вышку (что позже русские астрономы делали не раз). К сожалению, сведения о научной деятельности Афанасия крайне скудны и мы не знаем ни характера, ни результатов его астрономических наблюдений. На Куроострове, всего в двух километрах от Холмогор, в 1711 году, спустя девять лет после смерти Афанасия, родился Михаил Васильевич Ломоносов. В юности он, несомненно, слышал рассказы об Афанасии и его обсерватории, так что вполне возможно, что эти рассказы возбудили у Ломоносова интерес к астрономии.

Эпоха великих преобразований, связанных с энергичной деятельностью Петра и его соратников, была вместе с тем эпохой зарождения в России астрономической науки. Сам Петр, как известно, высоко ценил астрономические знания, понимая их значение для кораблевождения и картография. Во время заграничных путешествии Петр посетил Гринвичскую, Парижскую и Копенгагенскую обсерватории, где произвел самостоятельно астрономические наблюдения. В разных европейских странах Петр приобретал телескопы и угломерные инструменты, предполагая организовать в России научные астрономические наблюдения с их практическим выходом в теорию кораблевождения и геодезию. Особенно интересовали Петра солнечные затмения и солнечные пятна, которые он неоднократно наблюдал. Под руководством Петра началось систематическое картографирование нашей Родины, невозможное без астрономических определений широты и долготы. Весьма успешной оказалась экспедиция по картографированию Каспийского моря, об очертаниях и размерах которого в Европе были самые смутные представления. Подробную карту побережья Каспийского моря, составленную по заданию и под руководством Петра, высоко оценили на западе и Парижская Академия наук по этому случаю избрала Петра своим членом. Но Петра гораздо больше волновали не почетные звания, а дальнейшее развитие отечественной науки. Задумав учредить в России собственную Академию наук, Петр в проекте этого крупнейшего научного учреждения России предусмотрел и государственную астрономическую обсерваторию.

Впрочем, еще раньше (в 1700 году) в здании Московской Сухаревой башни, несколько напоминавшей адмиральский корабль тех времен, Петр учредил школу математических и «навигацких» наук. Здесь готовились офицерские кадры военно-морского флота и поэтому в 1716 году школа была переведена в новую столицу и преобразована в Санкт-Петербургскую морскую академию.

В первые же 16 лет XVIII века Сухарева башня служила не только школой, но и астрономической обсерваторией, где на одном из верхних этажей вел наблюдения ближайший соратник Петра Яков Вилимович Брюс. Кроме небольших рефракторов на Сухаревской обсерватории находились секстанты и квадранты, а также огромный звездный глобус диаметром более 2 м, вывезенный из Голландии еще при отце Петра. Наблюдения Брюса, как и Петра, носили, по-видимому, «ознакомительный» характер. Никаких открытий в астрономии они не сделали, но их роль в распространении астрономических знаний в России, конечно, очень велика.

В 1726 году, покинув государственную службу, Брюс уединился в своем подмосковном имении Глинки, где целиком предался научным занятиям, главным образом астрономии. Дом Брюса в Глинках имеет по обе свои стороны две обширные лоджии, которые и служили Брюсу площадками для наблюдений. Многие из астрономических инструментов Брюса после его смерти в 1735 году достались в наследство Петербургской академической обсерватории.

Стоит упомянуть и еще об одной частной обсерватории, построенной А. Д. Меншиковым в его Ораниенбауманском дворце. Сам Меншиков вряд ли занимался астрономией, но его обсерваторией пользовался Феофан Прокопович, один из главных иерархов русской церкви и немногих образованнейших людей России. Небольшие частные обсерватории были и в Петербурге.

Первая государственная обсерватория Петербургской Академии наук была сооружена в 1727 году в здании Кунсткамеры на Васильевском острове. Она просуществовала более 40 лет и долгое время оставалась крупнейшей обсерваторией России (рис. 18). Ее первым директором был парижский астроном Жозеф Делиль, приглашенный на постоянную работу в Россию. Здание обсерватории, сохранившееся до сих пор, представляет собой остроконечную башню, расположенную в центре фасада Кунсткамеры. Башня увенчивалась небольшой круглой огороженной площадкой, куда вела наружная винтовая лестница. Таскать по ней инструменты было крайне неудобно и вряд ли верхняя площадка использовалась когда-нибудь для серьезных астрономических наблюдений. Собственно обсерваторией, вероятно, служили верхние круглые залы башни с рядом широких и высоких окон. В таких условиях о длиннофокусных или воздушных телескопах не могло быть и речи. Поэтому на протяжении всей своей истории астрономы Петербургской академической обсерватории употребляли для наблюдений небольшие переносные рефракторы и угломерные инструменты. В частности, в обсерватории находился квадрант радиусом 45 см со зрительной трубой и астрономические часы. И то и другое было привезено из Франции.

В 1761 году произошло редкое событие — прохождение Венеры перед диском Солнца. Наблюдая это явление из разных мест, можно найти расстояние до Солнца. В Петербургской академической обсерватории в небольшие рефракторы прохождение Венеры наблюдали астрономы А. Д. Красильников и Н. Г. Курганов. Но они не заметили того, что заметил М. В. Ломоносов, проводивший одновременно наблюдения на своей домашней обсерватории. Она представляла собой небольшое одноэтажное здание с плоской, огороженной перилами крышей, куда изнутри вела лестница с верхним люком. С этой крыши в доллондонский рефрактор длиной 1,5 м (снабженный темным фильтром) Ломоносов заметил, как при вступлении на край Солнца вокруг Венеры появился ярко светящийся ободок — ее освещенная солнечными лучами «знатная» атмосфера. Это было первое крупное астрономическое открытие, сделанное русскими астрономами.

Рис. 18. Петербургская обсерватория.

В 1824 году на Дерптской обсерватории, как уже говорилось, был установлен ахроматический рефрактор Фраунгофера с поперечником объектива в 24 см. С этим отличным инструментом директор обсерватории В. Я. Струве в 1837 году впервые в история астрономии измерил расстояние до звезд. Он выбрал для наблюдений Вегу, одну из ярчайших звезд северного полушария неба, и нашел, что расстояние до нее составляет почти 27 световых лет.

В 1835 году, наблюдая комету Галлея в фраунгоферовский рефрактор. В, Я. Струве заметил, что блеск звезд, загороженных хвостом кометы, совершенно не изменился. Отсюда он сделал вывод о крайней разреженности вещества, из которого состоят хвосты комет.

Примерно в то же время, в 1831 году, на окраине Москвы в районе «Трех гор» начала свою деятельность Московская обсерватория, первым директором которой был Д. М. Перевощиков. Первоначальное оборудование обсерватории выглядело скромно — ее главным инструментом служил 4-дюймовый фраунгоферовский рефрактор. Кроме того, имелись различные небольшие, но высокоточные угломерные инструменты. Лишь в 1859 году на Московской обсерватории установили 10-дюймовый рефрактор Фраунгофера. В первой половине XIX века небольшие обсерватории возникли в Казани, Киеве и других русских городах.

Сто лет спустя после основания Петербургской академической обсерватории, в 1827 году, начались поиски места для постройки новой крупной обсерватории. В конце концов выбрали Пулковские высоты, в 30 км от сильно разросшейся столицы. Здесь в 1839 году в торжественной обстановке была открыта знаменитая Пулковская обсерватория, некоторое время считавшаяся астрономической столицей мира. Директором обсерватории был назначен В. Я. Струве, к тому времени уже академик. С момента закладки обсерватории в 1835 году и до ее вступления в строй Струве непосредственно руководил всеми строительными работами.

Главным инструментом Пулковской обсерватории стал великолепный рефрактор работы Мерца и Малера с диаметром объектива в 15 дюймов (38 см ) и длиной 7 м. Его поместили в центральной башне здания, снабженной вращающимся куполом и раздвижным люком. С его помощью В. Я. Струве открыл много новых двойных звезд (его предварительный каталог двойных звезд, опубликованный в 1837 году, содержал 2710 объектов и был лучшим в мире). В 1847 году В. Я. Струве опубликовал монографию «Очерки звездной астрономии», где, вопреки распространенному в ту пору мнению, доказал, что Солнце находится не вблизи центра, а на периферии нашей звездной системы — Галактики. Другой важнейшей работой В. Я. Струве было открытие им поглощения света в межзвездном пространстве.

Пулковская обсерватория была оснащена лучшими в то время угломерными инструментами, позволявшими с невиданной до той поры точностью измерять координаты звезд. Эта кропотливая работа стала одним из главных направлений научной деятельности Пулковской обсерватории. Пулковские звездные каталоги принесли ей всемирную славу.

«Ни один астроном не может считать себя вполне усвоившим современную наблюдательную астрономию в ее наиболее разработанной форме, если он не познакомится с Пулковской обсерваторией во всех ее особенностях, — писал английский астроном прошлого века Эри. — Я ничуть не сомневаюсь в том, — продолжает он, — что одно пулковское наблюдение стоит по меньшей мере двух, сделанных где бы то ни было в другом месте».

Таким образом, к середине прошлого века русская астрономия прочно завоевала международный авторитет. Но совершенствование телескопов продолжалось и первенство 15-дюймового пулковского рефрактора оказалось недолгим.

 

Рекорды Альвана Кларка

При создании нового рефрактора два обстоятельства определяют успех — высокое качество оптического стекла и искусство его шлифовки. По почину Галилея многие из астрономов XVII века сами занимались изготовлением линз. В одном лице тогда должны были сочетаться таланты оптика, механика и астронома. Сочетание такого рода встречается не часто и потому уже в следующем XVIII веке функции были разделены: изготовлением линз занимались оптики, механической частью (то есть установкой телескопа) — механики, а наблюдениями — астрономы.

Из оптиков этого далекого прошлого следует вспомнить прежде всего Пьера Гинана, швейцарского рабочего, начавшего в XVIII веке свою карьеру оптика с изготовления очков и примитивных рефракторов с картонными тубусами. Однажды ему удалось увидеть английский «доллонд», и Гинан решил сам во что бы то ни стало научиться изготовлять такие рефракторы. В течение семи лет он пробовал самостоятельно отливать оптические стекла, однако поначалу успеха не имел. Но Гинан был человеком очень настойчивым и неудачи лишь подстрекали его к новым опытам. Он построил новую большую плавильную печь, в которой можно было плавить до 80 кг стекла. На это ушли почти все средства Гинана и много лет его семье пришлось жить впроголодь.

В конце концов упорство было вознаграждено. В 1799 году Гинану удалось отлить несколько отличных дисков поперечником от 10 до 15 сантиметров — успех по тем временам неслыханный. Спустя шесть лет Гинан отправился в Мюнхен, где стал первым инструктором Фраунгофера. В 1814 году, вернувшись во Францию, Гинан изобрел остроумный способ для уничтожения струйчатого строения в стеклянных болванках: отлитые заготовки распиливались и после удаления брака снова спаивались. Тем самым открывался путь к созданию крупных объективов.

Наконец Гинану удалось отлить превосходный диск диаметром 18 дюймов (45 см), который французский оптик Кошуа в 1823 году отшлифовал для Дублинской обсерватории. Это был последний успех Пьера Гинана. После его смерти в 1824 году секреты стекольного производства перешли к его сыну Г. Гинану, который спустя 4 года передал их французской фирме Г. Бонтана. Позже Г. Гинан создал фирму «Фейль-Гинан», которая после кончины Г. Гинана слилась с фирмой «Парра-Мантуа». Во время революции 1848 года Г. Бонтан переехал в Англию, где стал в Бирмингеме совладельцем стекольной фирмы «Ченс и братья». Вот от этих французских и английских фирм, использовавших секреты Гинана, получил стеклянные диски для крупнейших рефракторов мира знаменитый американский оптик Альван Кларк.

По профессии Кларк был живописец-портретист. В юности он был поденщиком, занимался разными механическими работами и, вероятно, это способствовало его первоначально любительскому увлечению — шлифовке старых линз. По совету старшего сына Джорджа Альван Кларк решил заняться изготовлением телескопов. Так возникла крупнейшая в западном полушарии оптическая фирма «Альван Кларк и сыновья». Объективы изготовлялись в американском Кеймбридже, причем испытание их оптических качеств производилось по искусственной звезде в тоннеле длиной 70 метров. Уже к 1853 году Альван Кларк достиг значительных успехов — в изготовленные им рефракторы удалось наблюдать ряд неизвестных ранее двойных звезд.

В 1862 году на Дирборнской обсерватории в штате Миссисипи был установлен 18-дюймовый рефрактор Кларка. В первые же ночи его великолепные оптические качества проявились в полной мере — сын Кларка Джордж обнаружил у Сириуса слабенькую звездочку-спутник, как оказалось впоследствии, первый белый карлик. Существование спутника по неправильностям в движении Сириуса было предсказано Бесселем, но знаменитый немецкий астроном, конечно, не предполагал, что спутник Сириуса откроет новую главу в астрофизике.

Одиннадцать лет спустя в Вашингтоне на Морской обсерватории начал действовать еще более крупный инструмент — 26-дюймовый рефрактор фирмы «Альван Кларк и сыновья». С помощью этого инструмента Асаф Холл в 1877 году открыл два спутника Марса — Фобос и Деймос. В том же памятном году весь мир облетело сообщение Скиапарелли об открытии на поверхности Марса загадочных «каналов». Разговоры о марсианской цивилизации увлекли многих и в 1894 году в штате Аризона Персиваль Ловелл, бывший дипломат, построил на свои средства крупную обсерваторию, главной задачей которой было решение проблемы об обитаемости Марса. В 1896 году на этой обсерватории появился очередной великолепный рефрактор Кларка с поперечником объектива в 24 дюйма.

Но еще раньше, в 1885 году, Альван Кларк побил свои прежние рекорды. В 1878 году Пулковская обсерватория обратилась к фирме Кларка с заказом на изготовление 30-дюймового, самого крупного в мире рефрактора. На создание этого инструмента русское правительство ассигновало 300 000 рублей. Заказ был выполнен за полтора года, причем объектив изготовил сам Альван Кларк из стекол парижской фирмы Фейль, а механическая часть телескопа была сделана немецкой фирмой Репсольд.

Новый Пулковский рефрактор оказался превосходным инструментом, одним из лучших рефракторов мира. Но уже в 1888 году на горе Гамильтон в Калифорнии начала свою работу Ликская обсерватория, оснащенная 36-дюймовым рефрактором Альвана Кларка (рис. 19). Отличные атмосферные условия сочетались здесь с превосходными качествами инструмента.

К концу прошлого века в «чемпионат» телескопов включились американские миллионеры. Им показалось соблазнительным увековечить свое имя пожертвованием средств на строительство крупной обсерватории. Начало этой «благотворительной» деятельности положил Джемс Лик, во время «золотой лихорадки» в Америке сколотивший себе огромное состояние. Он пожертвовал 700 000 долларов на строительство новой обсерватории при условии, что она будет носить его имя, а ее главный телескоп будет крупнейшим в мире. Условия эти были выполнены, а самого Лика по его завещанию похоронили в помещении построенной на его средства обсерватории.

Пример Лика нашел подражателей. Чикагский трамвайный магнат Чарльз Йеркс пожертвовал Чикагскому университету более миллиона долларов на создание телескопа, который по размерам и качествам превзошел бы Ликский рефрактор. Это невероятно сложное задание выполнила все та же фирма «Альван Кларк и сыновья», увы, без участия своего основателя — знаменитый оптик умер в 1887 году.

Исполинский объектив поперечником в 40 дюймов (точнее, 107 см) уже к 1893 году вчерне был готов.

Рис. 19. 36-дюймовый Ликский рефрактор.

В 1897 году недалеко от Чикаго начала свою деятельность Йеркская обсерватория, обладательница величайшего в мире рефрактора. Любопытно, что мастера фирмы Кларк тонкую шлифовку выполняли вручную, подгоняя отдельные части объектива под нужную форму. Эта мучительная работа, требующая огромного терпения и мастерства, заняла пять лет. Зато был достигнут рекорд, не превзойденный до сих пор. Вот уже более 80 лет не предпринимают даже попытки «побить» рекорды Альвана Кларка и его фирмы. Возможно, что здесь уже достигнут разумный предел. Объективы с поперечником более 40 дюймов должны быть слишком толстыми и потому поглощающими много света. Кроме того, под влиянием огромного собственного веса они прогибаются и по этой причине портятся создаваемые ими изображения.

Нет смысла побивать рекорды Альвана Кларка и по другим причинам. Длиннофокусные рефракторы типа Йеркского или Ликского обладают очень большим вторичным спектром и фотосъемка с их помощью дает расплывчатые изображения. Неудобны они и для спектральных и для астрометрических наблюдений — с меньшими инструментами получаются лучшие результаты. Видимо, рефракторы достигли «потолка» и будущее не за ними.

И все-таки в истории астрономии рефракторы Альвана Кларка, лучшие из существующих, сыграли огромную роль. Они обогатили и планетную и звездную астрономию открытиями первостепенного значения. Успешная работа на этих инструментах продолжается и поныне.

 

В игру вступают рефлекторы

Идея создания зеркального телескопа, или рефлектора была высказана при жизни Галилея Я. Цукки (1616 г.) и М. Мерсеном (1638 г.). Однако они, как позже Д. Грегори (1663 г.) и Г. Кассегрен (1672 г.) предложили лишь теоретические схемы инструментов, а сами инструменты построены не были. В 1664 году Роберт Гук изготовил рефлектор по схеме Грегори, но качество его оказалось настолько низким, что наблюдать что-либо в него не удалось.

Лишь Исаак Ньютон в 1668 году, наконец, построил первый действующий рефлектор. Этот крошечный телескоп по размерам уступал даже галилеевским трубам. Главное вогнутое сферическое зеркало из полированной зеркальной бронзы имело в поперечнике всего 2,5 см, а его фокусное расстояние составляло 6,5 см. Лучи от главного зеркала (рис. 20, а) отражались небольшим плоским зеркалом в боковой окуляр, представлявший собою плоско-выпуклую линзу. Первоначально рефлектор Ньютона увеличивал в 41 раз, но поменяв окуляр и снизив увеличение до 25 раз, Ньютон нашел, что небесные светила при этом вы-? глядят ярче и наблюдать их удобнее.

Рис. 20. Ход лучей в рефлекторах системы Ньютона (а), Грегори (б) и Кассегрена (в).

В 1671 году Ньютон соорудил второй рефлектор, чуть побольше первого (диаметр его главного зеркала был равен 3,4 см при фокусном расстоянии 16 см). Система Ньютона получилась весьма удобной и она успешно применяется до сих пор. Заметим, что вместо плоского зеркала в некоторых телескопах используются призмы полного внутреннего отражения.

Рефлектор по системе Грегори (рис. 20, 6) имеет несколько иное устройство. Лучи от главного зеркала падают на небольшое вогнутое эллипсоидальное зеркало, отражающее их в окуляр, который врезан в центральное отверстие главного зеркала. Эта система имеет некоторые преимущества перед системой Ньютона. Так как эллипсоидное зеркало находится дальше главного фокуса телескопа, изображения в рефлекторе Грегори прямые (как в театральном бинокле). При рассматривании земных предметов это удобно, а при наблюдении небесных тел безразлично. Так как эллипсоидное зеркало как бы удлиняет фокусное расстояние телескопа, в рефлекторах Грегори при прочих равных условиях можно применять большие увеличения, чем в рефлекторах Ньютона. Кроме того, наблюдатель смотрит на небесный объект прямо, что при наведении на светило представляет некоторое удобство.

Если вогнутое Эллипсоидальное зеркало заменить выпуклым гиперболическим, получаем систему Кассегрена (рис. 20, б). Так как гиперболическое зеркало встречает лучи, отраженные главным зеркалом до фокуса, кассегреновские рефлекторы короткие, компактные, что удобно для некоторых астрофизических наблюдений.

Позже были предложены и другие оптические системы рефлекторов, но наиболее популярными оказались три описанные системы. Любопытно, что в современных крупных рефлекторах есть устройства, позволяющие от ньютоновской комбинации переходить к кассегреновской и обратно.

Первые рефлекторы Ньютона были настолько примитивными, что явно не выдерживали конкуренции даже с «воздушными» рефракторами. Однако вскоре выявились некоторые неоспоримые достоинства рефлекторов, которые в конечном счете позволили им одержать решительную и окончательную победу в чемпионате телескопов.

Главное преимущество рефлекторов — отсутствие у зеркал хроматической аберрации. Если же главному зеркалу придать форму параболоида вращения, то можно теоретически свести к нулю и сферическую аберрацию (во всяком случае для лучей, падающих на главное зеркало параллельно его оптической оси). Изготовление зеркал — дело более легкое, чем шлифовка огромных линзовых объективов, и это также предрешило успех рефлекторов. Из-за отсутствия хроматической аберрации рефлекторы можно делать очень светосильными (до 1:3), что совершенно немыслимо для рефракторов. При изготовлении рефлекторы обходятся гораздо дешевле, чем равные им по диаметру рефракторы.

Есть, конечно, недостатки и у зеркальных телескопов. Их трубы открыты и токи воздуха внутри трубы создают неоднородности, портящие изображения. Отражающие поверхности зеркал сравнительно быстро тускнеют и нуждаются в восстановлении. Для отличных изображений требуется почти идеальная форма зеркал, что трудно исполнить, так как в процессе работы форма зеркала слегка меняется от механических нагрузок и колебаний температуры. И все-таки рефлекторы оказались наиболее перспективным типом телескопов.

Уже в 1721 году Джон Гадлей построил ньютоновский рефлектор с диаметром бронзового зеркала 15 см при фокусном расстоянии 158 см. В него легко наблюдались не только спутники Юпитера, но и такие объекты, как щель Кассини в кольце Сатурна, которую с трудом различал Гюйгенс в свой 37-метровый «воздушный» рефрактор.

В-1732 — 1768 гг. сначала в Эдинбурге·, а затем в Лондоне Джемс Шорт организовал фабричный выпуск высококачественных рефлекторов. Большинство из них было построено по системе Грегори, причем самый большой имел поперечник главного зеркала, равный 55 см. Даже спустя 200 лет при, проверке шортовских рефлекторов советские ученые могли еще раз убедиться в их очень высоких качествах.

На Петербургской академической обсерватории употреблялись для наблюдения небольшие рефлекторы системы Грегори. Большого успеха в изготовлении рефлекторов достиг Яков Брюс — крупнейшее из зеркал, им изготовленных, имело поперечник полметра. Строил рефлекторы и знаменитый русский изобретатель И. П. Кулибин.

М. В. Ломоносов применил в рефлекторах новую систему, получившую позже его имя. Главное зеркало он слегка наклонял так, что фокальное изображение получалось вблизи входного отверстия телескопа. Здесь Ломоносов укреплял окуляр, в который и вел наблюдения. Система Ломоносова имела то преимущество, что в ней не требовались промежуточные зеркала или призмы, в которых терялась часть света. Но, с другой стороны, давали себя знать различные аберрации (кома, астигматизм, дисторсия), менее заметные в других системах рефлекторов. Тем не менее система Ломоносова использовалась впоследствии и другими астрономами при наблюдениях в очень крупные рефлекторы. Среди них был и основоположник звездной астрономии Вильям Гершель.

 

Вильям Гершель и его последователи

Гершели были выходцами из Моравии. В XVII веке, вероятно, по религиозным убеждениям, семейство Гершелей покинуло родину и переселилось в Саксонию, где в 1738 году у полкового музыканта Исаака Гершеля родился сын Вильям. Это был четвертый сын в многодетной семье, которому предстояло стать одним из величайших астрономов мира.

Уже в детские и юношеские годы Вильям Гершель проявил любовь к точным наукам. Однако долгое время ему приходилось идти по стопам своего отца, что, впрочем, он делал с большим успехом. Вильям Гершель прекрасно играл на гобое, скрипке и уже в 17-летнем возрасте вместе с отцом ездил в Англию на гастроли. Два года спустя он окончательно переехал из Ганновера в Англию, которая и стала его второй родиной. Здесь в городе Бате Вильям Гершель стал органистом местной капеллы и учителем музыки. Хотя обе должности приносили немалый доход, Гершель все же не считал занятия музыкой своим основным призванием. Все свободное время он уделял чтению книг по астрономии, оптике, математике. В конце концов у него возникло сильнейшее желание самому увидеть те небесные объекты, о которых он читал в книгах.

В 1773 году в руки Гершеля на короткое время попал небольшой телескоп. Качество этого инструмента было невысокое и первый опыт астрономических наблюдений побудил Гершеля самому заняться изготовлением рефлекторов. Здесь проявились замечательные качества великого астронома — необыкновенное трудолюбие, соединенное с высоким мастерством. За два последующих десятилетия Гершель собственноручно изготовил 430 параболических зеркал! Заметим, что первые 15 лет он шлифовал зеркала вручную и лишь после этого изобрел специальные машины для шлифовки и полирования.

Шлифовать металлические зеркала очень трудно. Это нудная работа, которую нельзя прерывать ни на минуту и которая длится иногда подряд около шестнадцати часов. В такие тяжелые дни сестра Вильяма Каролина Гершель кормила своего брата — шлифовальщика из собственных рук. Женщина эта оставила заметный след в истории астрономии. Кроме постоянной помощи брату в наблюдениях и вычислениях, Каролина Гершель за свою долгую 98-летнюю жизнь самостоятельно открыла несколько комет.

Первый рефлектор Гершель построил по системе Грегори. Его зеркало имело диаметр 16 см и фокусное расстояние около двух метров. Первое наблюдение с этим инструментом (туманности Ориона) в дневнике Гершеля помечено 4 марта 1774 года. Среди последующих многочисленных телескопов Гершеля особо следует отметить 20-футовые и 40-футовые рефлекторы.

Первый из этих инструментов обладал зеркалом с поперечником в 47 см и был в ту пору крупнейшим телескопом мира. Его штативом служила громоздкая и примитивная установка из лестниц, канатов и блоков. Нижняя рама этой установки имела ролики, катившиеся по кольцевому желобу. Таким образом 20-футовый рефлектор Гершеля мог перемещаться и по высоте и по азимуту.

Свои главные астрономические открытия Гершель сделал именно с этим телескопом. За долгие годы наблюдений он открыл около 2500 туманностей, 806 двойных звезд, совершил четыре полных обзора доступной ему части звездного неба. Его подсчет количества звезд в разных направлениях (знаменитый «метод черпков») позволил впервые, разумеется, в самых общих чертах, представить себе строение нашей звездной системы — Галактики. Гершель не щадил себя — иногда за ночь он успевал внимательно пронаблюдать до 400 различных небесных объектов!

13 марта 1781 года, наблюдая окрестности звезды Эта Близнецов, Гершель неожиданно заметил странное тело с заметным диском. Это была новая, неизвестная дотоле крупная планета Солнечной системы, обращающаяся вокруг Солнца далеко за орбитой Сатурна. Поначалу Гершель в честь английского короля Георга назвал новую планету Георгией. Но традиция в конце концов восторжествовала и новая планета окончательно получила наименование Уран (по имени мифического бога неба).

Это первое крупное открытие Гершеля сразу принесло ему всемирную известность. Из скромного музыканта, любителя астрономии, Гершель стал Королевским астрономом Англии — должность, тотчас предоставленная ему королем. Гершель вместе с сестрой переехал в Слоу (близ Виндзора) и ему правительством были отпущены средства на строительство исполинского по тем временам 40-футового рефлектора.

В 1789 году новый телескоп был готов. Еще до того как телескоп укрепили в рабочем положении, его тубус, лежащий на Земле, осмотрели король, архиепископ Кентерберийский и прочая английская знать. Размеры и качества инструмента вызвали всеобщее восхищение. Король сам залез внутрь трубы и пригласил последовать за собою главу английской церкви, шутливо сказав при этом, что он «покажет ему путь на небо».

Крупнейший из гершелевских телескопов и впрямь даже на рисунке (рис. 21) производит внушительное впечатление. Его установка почти копировала ту, которую Гершель использовал для 20-футового рефлектора. Наблюдения с ним велись по системе Ломоносова — малого отражающего плоского зеркала не было, а окуляр укреплялся около входного отверстия трубы. Иногда Гершель обходился и вовсе без окуляра — его роль выполнял хрусталик глаза наблюдателя.

И все-таки свой крупнейший телескоп Гершель редко использовал для наблюдений. Гигантский тяжелый инструмент с его системой блоков и канатов был очень неуклюж, а огромное металлическое зеркало прогибалось под действием собственного веса, из-за чего сильно портились изображения. Это зеркало диаметром 122 см при толщине 9 см весило немногим менее тонны. Оно представляло собою сплав из 75 % меди и 25 % олова. Зеркала такого типа быстро тускнели, давали трещины и требовали частой переполировки. И такими несовершенными инструментами Гершель сумел сделать великие открытия!

Рис. 21. 40-футовый телескоп Гершеля.

К тому, что уже говорилось выше, добавим, что Вильям Гершель первым обнаружил движение Солнечной системы в пространстве; он открыл ряд спутников других планет; им впервые замечены активные вулканические процессы на Луне. Вообще трудно назвать ту отрасль астрономии, в которую не внес бы крупный вклад этот неутомимый труженик науки.

Вильям Гершель скончался в 1822 году на 84-м году своей жизни. Он похоронен в Слоу, недалеко от крупнейшего своего детища. Его единственному сыну Джону предстояло выполнить для южного полушария неба такую же работу, которую его отец совершил в Англии.

В отличие от Вильяма Гершеля, Джон Гершель уже сразу получил специальное физико-математическое образование в Кембриджском университете. Позже вместе с отцом он успешно проводил астрономические наблюдения, открыв при этом ряд новых двойных звезд и туманностей.

В 1833 году Джон Гершель вместе с семьей переехал в Южную Африку. С ним на 15 судах были доставлены в Капштадт 20-футовый рефлектор и другие инструменты. У подножия Столовой горы, недалеко от Капштадта, Джон Гершель построил обсерваторию. Здесь в течение четырех лет он подробно исследовал южное звездное небо, открыв множество неизвестных двойных звезд, звездных скоплений и туманностей. Тут же был снова применен «метод черпков», что позволило уточнить структуру Галактики.

После возвращения в Англию в 1838 году Джон Гершель привел в систему результаты наблюдений как своих, так и своего отца. В конце 1839 года по распоряжению Джона Гершеля труба исполинского 40-футового телескопа была положена на землю, а год спустя семейство Гершелей устроило внутри этой трубы некую церемонию. Здесь был пропет реквием в память Вильяма Гершеля, сочиненный его сыном, а затем трубу заколотили и, как сказано в реквиеме, она была «отдана в жертву всесокрушающему времени». Зеркало же телескопа до сих пор хранится в доме Гершелей, в Слоу.

Пример Вильяма Гершеля нашел себе последователей. В 1845 году английский пивовар Вильям Лассель после долгих трудов собственноручно построил отличный по качеству рефлектор с поперечником зеркала 61 см. Этот инструмент Лассель установил в своем имении Старфильд, вблизи Ливерпуля, и уже 10 октября 1846 года с его помощью был открыт Тритон — спутник недавно открытого Нептуна. Позже в 1851 году Лассель открыл два спутника Урана — Ариэль и Умбриэль.

В 1861 году ему удалось построить вдвое больший рефлектор с поперечником зеркала в 122 см — таким же, как у 40-футового телескопа В. Гершеля. Оба свои телескопа Лассель перевез на остров Мальту, где и погода была устойчивее и часть южного полушария звездного неба, недоступная в Англии, была здесь легко наблюдаемой.

Самый крупный рефлектор с металлическим зеркалом был сооружен ирландским аристократом Вильямом Парсонсом, носившим титул лорда Роеса. Окончив Кембриджский университет и не нуждаясь в средствах, лорд Росс почти полностью отдался научным занятиям. Располагая громадным богатством, он решил соорудить крупнейший в мире телескоп, превзойдя в этом Вильяма Гершеля. После неудачных опытов с жидкими линзами Росс всю свою энергию обратил на создание исполинского рефлектора. К великому сожалению, Джемс Шорт, великий умелец в изготовлении высококачественных рефлекторов, перед смертью уничтожил все секреты своей фирмы и потому Росс должен был до всего доходить сам. Не было у него и деятельных, знающих помощников. Но все эти трудности не сломили его упорство.

В своем поместье Росс построил оптико-механические мастерские, своих крестьян он обучил оптике и механике, превратив их тем самым в опытных механиков и инженеров. Все вспомогательное оборудование находилось на высшем уровне тогдашней техники. Шлифовальные механизмы обслуживали паровые машины; всюду, где можно было механизировать ручной труд, Росс это сделал. Короче говоря, ирландский лорд всерьез превратился в знающего руководителя большого оптико-механического предприятия.

Трудно представить себе более тяжелый для обработки материал, чем сплав из четырех частей меди и одной части олова, на котором в конце концов остановился Росс. Этот материал был тверже стали, но хрупок как стекло, так что при малейшей неловкости в обращении с ним он дробился на множество мелких осколков. Но зато после полировки он отражал гораздо больше света, чем любые другие известные в те времена металлические сплавы.

Исполинское зеркало в 2 м диаметром и 15 см толщиной с фокусным расстоянием 14 м было отлито весной 1842 года. Три года ушло на его обработку и наконец в феврале 1845 года «левиафан» лорда Росса стал пригодным для созерцания Вселенной.

Установка телескопа вполне отвечала его размерам. Чтобы огромное зеркало не изгибалось под действием собственного веса, Росс придумал сложную систему платформ, подпорок и рычагов, обеспечивающих стабильность формы зеркала. Труба рефлектора длиной 18 м была сделана из еловых досок, скрепленных железными обручами. Внутри этой трубы свободно мог пройти человек с зонтиком (что, кстати сказать, и сделал местный пастор).

Рис. 22. Телескоп лорда Росса.

С двух сторон телескоп прикрывали огромные каменные стены, служившие и защитой от ветра и опорой для инструмента (рис. 22). Нижний конец, весивший 15 г, опирался на универсальный чугунный шарнир. Верхний же конец трубы фиксировался с помощью крепких цепей. Двое рабочих, вращая ворот, опускали или, наоборот, поднимали трубу по указанию Росса. К сожалению, по азимуту она могла сдвигаться в обе стороны не более чем на 12 градусов Так как Росс для своего «левиафана» использовал систему Ньютона, площадка наблюдателя находилась сбоку от инструмента. Впрочем, иногда Росс наблюдал и по системе Ломоносова.

Открытия, сделанные Россом, трудно переоценить. Он увидел много новых двойных звезд, звездных скоплений и туманностей. Некоторые из последних, казавшиеся Гершелю облачками белого тумана, распались при наблюдениях в телескоп Росса на отдельные звезды. Россу удалось разложить на звезды даже края туманности Андромеды, чем было положено начало детальному изучению других звездных систем. Росс был первым, кто открыл спиральное строение некоторых из внегалактических туманностей.

После смерти Росса зеркало его телескопа быстро потускнело и пришло в негодность. Однако вплоть до первой четверти текущего века никому не удавалось создать телескоп более крупный, чем тот, с которым работал лорд Росс — пожалуй, величайший из любителей астрономии.

 

Крупнейшие рефлекторы XX века

Во второй половине прошлого века постепенно приобрели популярность рефлекторы со стеклянными зеркалами. Это объясняется тем, что французский физик Фуко и независимо от него немецкий физик Штейнгейль к тому времени изобрели удачные способы серебрения зеркал. На поверхность отшлифованного стеклянного блока наносился так называемый фильм — тонкая серебряная пленка, полученная воздействием виноградного сахара на соли азотнокислого серебра. Посеребренное зеркало рефлектора отражало свет вдвое лучше, чем старые металлические зеркала, и задача состояла в том, чтобы научиться отливать и достаточно точно полировать крупные стеклянные блоки.

Вплоть до 1914 года поставщиком таких блоков была французская фирма Сен-Гобен. Уже в 1878 году в Париже установили рефлектор со стеклянным зеркалом, посеребренным по методу Фуко. Диаметр этого зеркала (122 см) был таким же, как у крупнейшего из гершелевских телескопов. Десять лет спустя, в 1888 году, в Англии был построен (но почти не работал) 153-сантиметровый «стеклянный» рефлектор, созданный Коммоном. Такого же размера рефлектор работы Ричи в 1908 г. был установлен в Калифорнии на горе Вильсон и в течение 9 лет этот великолепный по качеству 60-дюймовый рефлектор оставался крупнейшим из действующих телескопов.

Решительная победа «стеклянных» рефлекторов над «металлическими» была обусловлена еще и тем, что Фуко изобрел оригинальный метод проверки качества зеркала («метод теней»), сразу резко повысивший качество их изготовления. К тому же, отражая 90–95 % падающего на зеркало света, «стеклянные» рефлекторы при одном и том же диаметре были гораздо светосильнее «металлических». Позже, в 1930 году, изобрели способ алюминировать стеклянные зеркала. Преимущество этого способа заключается в том, что алюминиевые фильмы сохраняются очень долго и, кроме того, они хорошо отражают ультрафиолетовые лучи, на что серебряная пленка неспособна.

В 1917 году на обсерватории Маунт Вилсон установили новый 100-дюймовый рефлектор работы Ричи. На протяжении последующих 33 лет этот телескоп прочно держал первенство и его облик запечатлен на множестве фотографий и рисунков (рис. 23). При диаметре 258 см зеркало 100-дюймового рефлектора весит 5 тонн, а общий вес подвижных частей установки превосходит 100 тонн. И при этом сама установка и «прозрачная» решетчатая труба телескопа не производят впечатление чего-то громоздкого и неуклюжего, похожего на телескопы Гершеля и Росса, Вся современная, в особенности звездная астрономия была в значительной мере создана благодаря наблюдениям на 100-дюймовом рефлекторе. Вторым по величине рефлектором мира на протяжении ряда лет был 205-сантиметровый рефлектор обсерватории Мак-Дональд (Канада), начавший свою работу в 1939 году. До второй мировой войны крупнейшие зарубежные обсерватории создавались за счет пожертвований частных лиц. Мы уже говорили о богачах Лике и Йерксе, чьи имена носят знаменитые американские обсерватории. Канадская обсерватория Мак-Дональд была построена на средства, заимствованные из фонда Рокфеллера. Делец из Лос-Анджелеса некий Гукер оплатил создание 100-дюймового рефлектора Маунт Вилсоновской обсерватории. Лишь после второй мировой войны американское правительство сочло наконец возможным частично оплатить расходы на завершение строительства 200-дюймового рефлектора обсерватории Маунт Паломар (Калифорния). Впрочем, и на этот раз шесть с половиной миллионов долларов выделил фонд Рокфеллера.

Рис. 23. 100-дюймовый рефлектор обсерватории Маунт Вилсон.

Еще в 30-х годах текущего века советские ученые И. В. Гребенщиков и Н. Г. Пономарев предложили применять в исполинских рефлекторах зеркала с ребристой структурой на тыльной стороне. Это существенно уменьшало вес зеркала при полном сохранении его «жесткости». Идея была вполне актуальной, так как вес сплошного зеркала 100-дюймового рефлектора давал себя чувствовать и в утяжелении конструкции телескопа и в очень небольших, но нежелательных изгибах зеркала под действиями собственного веса.

Американские оптики, изготовившие с огромным трудом зеркало 200-дюймового рефлектора, использовали идею советских ученых. Зеркало с тыльной части имеет ребристую структуру. При диаметре 5 м оно имеет фокусное расстояние 16,5 м (относительное отверстие 1:3,3). Зеркала рефлектора для облегчения веса имеют ячеистую структуру и изготовлены из особого сорта стекла — пирекса — с ничтожным коэффициентом теплового расширения. И все-таки несмотря на все ухищрения вес главного зеркала составляет 13 тонн!

Чтобы обеспечить достаточную жесткость такого зеркала, в 5-метровом рефлекторе используется сложная система разгрузочных механизмов, мешающих зеркалу прогибаться.

По конструкции трубы 200-дюймовый рефлектор внешне несколько напоминает своего предшественника — тубус сделан решетчатым, но элементы конструкции здесь, естественно, более массивны и прочны, чем на обсерватории Маунт Вилсон. Труба 200-дюймового телескопа принадлежит к так называемым трубам компенсационного типа. В нерабочем состоянии зеркало телескопа предохраняется специальной крышкой, надежно защищающей его от случайного падения даже весьма тяжелых предметов.

Пятиметровый рефлектор — первый телескоп, в котором кабина наблюдателя укреплена внутри трубы (рис. 24). Она имеет диаметр 1,8 м и, конечно, частично заслоняет зеркало, как бы несколько уменьшая его светосилу, но на качестве изображений это существенно не сказывается. До кабины астроном добирается в специальном лифте, а внутри кабины во время наблюдения он находится в сидячем положении.

Рис. 24. 200-дюймовый рефлектор обсерватории Маунт Паломар.

Уже первые испытания пятиметрового гиганта показали, что ему доступны объекты в четыре раза более слабые, чем те, которые наблюдались на обсерватории Маунт Вилсон. За четверть века работы 5-метровый рефлектор открыл перед человечеством такие звездные дали, от которых до нас лучи света доходят за миллиарды лет!

 

И зеркала, и линзы

Стремление свести к минимуму всевозможные аберрации рефракторов и рефлекторов привело к созданию комбинированных зеркально-линзовых телескопов. В этих оптических инструментах функции зеркал и линз разделены таким образом, что зеркала формируют изображение, а линзы исправляют аберрации зеркал. Первый телескоп такого типа был создан в 1930 году немецким оптиком Б. Шмидтом.

Рис. 25. Зеркально-линзовые системы Шмидта (слева) и Максутова.

В телескопе Шмидта главное зеркало имеет сферическую отражающую поверхность, а значит, тем самым отпадают трудности, связанные с параболизацией зеркал. Естественно, что сферическое зеркало большого диаметра обладает весьма заметными аберрациями, в первую очередь сферической. Для того чтобы максимально уменьшить эти аберрации, Шмидт поместил в центре кривизны главного зеркала тонкую стеклянную коррекционную линзу (рис. 25, слева). На глаз она кажется обыкновенным плоским стеклом, но на самом деле поверхность ее очень сложна (хотя отклонение от плоскости не превышает нескольких сотых долей миллиметра). Она, эта поверхность, рассчитана так, чтобы исправить сферическую аберрацию, кому и астигматизм главного зеркала. Происходит при этом как бы взаимная компенсация аберраций зеркала и линзы. Хотя в системе Шмидта остаются неисправленными второстепенные аберрации (например, дисторсия), телескопы этого типа заслуженно считаются лучшими инструментами для фотографирования небесных тел. Впрочем, при съемке неба перед фотопластинкой помещают специальную плоско-выпуклую линзу Пиацци-Смита, которая исправляет так называемую кривизну поля — искажения, выражающиеся в искривлении фокальной поверхности.

В отличие от рефлекторов, тубус камеры Шмидта наглухо закрыт коррекционной пластинкой и это исключает возникновение токов воздуха в трубе, которые портят изображение. Одно из главных достоинств телескопов Шмидта — огромное поле зрения и светосила. У большинства таких инструментов диаметр поля зрения доходит до 25°, а в некоторых случаях и того больше. Относительное отверстие в камерах Шмидта может быть доведено до 1:0,5!

Кстати сказать, для обеспечения большого поля зрения сферическое зеркало в системе Шмидта имеет больший диаметр, чем коррекционная линза. В некоторых вариантах телескопов Шмидта используется система Кассегрена, однако второе зеркало при этом сильно экранирует свет, идущий от небесных тел. Поэтому телескопы системы Шмидта работают главным образом как астрографы, то есть аппараты для фотографирования небесных объектов.

Самый крупный телескоп системы Шмидта с диаметром зеркала 122 см с 1956 года действует на обсерватории Маунт Паломар. Его поле зрения составляет 36 кв. градусов и с помощью этого фотоинструмента недавно выполнили грандиозную работу — составлен фотографический атлас всего наблюдаемого в Калифорнии звездного неба. При выдержке в 10 минут на фотопластинках фиксировались звезды до 20-й звездной величины. В Паломарском Атласе неба запечатлены сотни миллионов звезд и десятки миллионов галактик. Исследуя этот колоссальный по объему эмпирический материал, известный советский астроном профессор Б. А. Воронцов-Вельяминов открыл множество новых, неизвестных ранее типов галактик и явные следы взаимодействия между ними. Некоторые из галактик оказались соединенными длинными (многие тысячи световых лет!) перемычками, состоящими из звезд. Камера Шмидта представила человечеству совершенно неожиданный, удивительный облик Большой Вселенной.

Есть недостатки и у телескопов системы Шмидта. Так как коррекционная линза укреплена на двойном фокусном расстоянии от зеркала, тубус шмидтовских камер получается сравнительно длинным (у паломарской камеры — 5 метров). Главная же беда в другом — из-за сложной формы коррекционной пластинки изготовление ее сопряжено с огромными трудностями. Поэтому создание крупных камер Шмидта — редкое событие в астрономической технике.

В 1941 году известный советский оптик член-корреспондент Академии наук СССР Д. Д. Максутов изобрел новый тип зеркально-линзового телескопа, свободного от главного недостатка камер Шмидта. В системе Максутова (рис. 25, справа), как и в системе Шмидта главное зеркало имеет сферическую вогнутую поверхность. Однако вместо сложной коррекционной линзы Максутов использовал сферический мениск — слабую рассеивающую выпукло-вогнутую линзу, сферическая аберрация которой полностью компенсирует сферическую аберрацию главного зеркала. А так как мениск слабо изогнут и мало отличается от плоскопараллельной пластинки, хроматическую аберрацию он практически не создает.

Заметьте, в системе Максутова все поверхности зеркала и мениска сферические, что сильно облегчает их изготовление. Центральная часть мениска посеребрена и используется как второе отражательное зеркало в системе Кассегрена. Из-за этого максутовские телескопы получаются сравнительно короткими, компактными, удобными в обращении. В инструментах такого типа можно использовать и ньютоновскую систему и систему Грегори.

В 1950 году менисковый телескоп с диаметром входного отверстия 0,5 м был установлен на Алма-Атинской обсерватории и с его помощью изучена тонкая структура волокнистых газовых туманностей. Пять лет спустя менисковый телескоп диаметром 0,7 м начал работать в Грузии на Абастуманской обсерватории. Этот телескоп может работать по двум системам — ньютоновской и кассегреновской, причем переход от одной системы к другой осуществляется сменой дополнительных зеркал. Кстати сказать, такая «многосистемность» применяется в большинстве современных крупных рефлекторов. Абастуманский рефлектор системы Максутова до сих пор остается крупнейшим в мире инструментом этого типа.

Упорная борьба с аберрациями привела в конце концов к созданию очень сложных зеркально-линзовых систем. Так, например, в камерах «Супершмидт», созданных Ф. Уипплом, кроме главного сферического зеркала используются два мениска, обращенных вогнутостями друг к другу и ахроматизирующая коррекционная линза между ними. В систему, разработанную Г. Г. Слюсаревым, входят сферическое зеркало, кассегреновское зеркало и ахроматическая линза, которые дают параллельный пучок в отверстие главного зеркала. Имеется в ней и дополнительная система линз с призмой прямого зрения. Крупнейший 13-дюймовый телескоп этой сложной системы работает в Пулковской обсерватории. Можно быть уверенным, что совершенствование зеркально-линзовых систем на этом не прекратится.

Заметим в заключение, что в последнее время большую популярность приобрели зеркальные телескопы системы Ричи — Кретьена. По существу, эта система представляет собой улучшенный вариант кассегреновской. Главное зеркало — вогнутое гиперболическое, вспомогательное зеркало также гиперболическое выпуклое. Окулярная часть укрепляется в центральном отверстии главного зеркала.

В системе Ричи-Кретьена исправлена сферическая и некоторые другие аберрации. Она удобна в конструктивном отношении, так как при большом фокусном расстоянии труба телескопа получается короткой. С помощью системы Ричи-Кретьена удобно получать крупномасштабные снимки небесных объектов, причем поле зрения у этой системы порядка четырех градусов.

Телескопы системы Ричи-Кретьена поперечником 4 м в последние годы установлены в США, Чили, ФРГ, Канаде, Австралии и других странах. В современной астрономической практике они считаются одними из лучших.

 

Механика телескопов

Как бы ни был совершенен телескоп сам по себе, без штатива или установки работать с ним невозможно. Даже подзорную трубу стараются на что-нибудь опереть — дрожание рук сильно мешает наблюдениям.

Первые телескопы имели азимутальные штативы, которые позволяли поворачиваться трубе телескопа вокруг двух взаимно перпендикулярных осей — горизонтальной и вертикальной. Такими азимутальными установками пользовались и Гевелий, и Гершель и даже Росс, причем, как, вероятно, помнит читатель, подвижность по азимуту россовского левиафана была весьма ограниченной. Простота азимутальной установки, к сожалению, сочетается и с ее главным недостатком: так как у небесных светил, обладающих кажущимся суточным движением, непрерывно меняются и азимут и высота над горизонтом, телескоп на азимутальной установке все время приходится поворачивать вокруг двух ее осей, что для больших инструментов до последнего времени считалось очень неудобным.

Если вертикальную ось азимутальной установки сделать параллельной земной оси, то есть, иначе говоря, направить ее на Полярную звезду (или, точнее, на полюс мира), азимутальная установка превращается в параллактическую (рис. 26). В этом случае во время наблюдений приходится вращать инструмент лишь вокруг одной «полярной» оси — все небесные светила ведь движутся на небе параллельно небесному экватору. Это главное и очень важное преимущество параллактической или экваториальной установки сделало ее очень популярной — даже самые небольшие телескопы ныне снабжены параллактическим штативом.

Есть несколько разновидностей параллактических установок. В монтировке немецкого типа (рис. 26, а) на разных концах «оси склонений», перпендикулярной к полярной оси, уравновешены труба телескопа и противовес. Кстати сказать, все мало-мальски крупные телескопы снабжены искателем или гидом — небольшим рефрактором, укрепленным параллельно главной трубе. Гид играет роль прицела — при небольшом увеличении и значительном поле зрения в него при начале наблюдений легче «поймать» светило.

Рис. 26. Типы установок (штативов) телескопов: немецкий (а), английский (б), американский (в).

В немецкой монтировке полярная ось закреплена на двух подшипниках, а наклон ее к плоскости горизонта в точности равен широте места. Как на полярной оси, так и на оси склонений, закреплены специальные градуированные круги, по которым можно отсчитывать координаты наблюдаемого светила — его склонение и часовой угол. Все крупнейшие рефракторы мира, начиная с 40-дюймового Йеркского, имеют немецкую монтировку.

В монтировке английского типа (рис. 26, б) полярная ось телескопа опирается концами на две колонны, что придает ей дополнительную устойчивость. Иногда полярную ось заменяют четырехугольной рамой, внутри которой оказывается и телескоп. В этом варианте противовес не нужен, что облегчает конструкцию. Именно такой установкой обладает 100-дюймовый рефлектор обсерватории Маунт Вилсон.

Если в английской установке убрать северную, более высокую колонну и соответствующий подшипник, получаем «вилочную» американскую монтировку (рис. 26,в). С ней можно наблюдать области неба, близкие к Полярной звезде, чего английская «рамочная» монтировка не позволяет. На модернизированной монтировке английского типа укреплен 200-дюймовый рефлектор обсерватории Маунт Паломар.

В современных крупных телескопах часто пользуются так называемой системой куде (от французского слова «coude», что означает «коленчатый»). В этом случае полярная ось телескопа делается полой и в нее с помощью дополнительного зеркала внутри телескопа отражаются лучи, идущие от объектива (линзы или зеркала). Окулярная же часть, укрепленная на нижнем конце полярной оси, при наблюдениях остается неподвижной.

Еще Роберт Гук, знаменитый современник Ньютона, предложил использовать в установках телескопов часовой механизм, который вел бы трубу телескопа вслед за движущимся светилом. Эта идея нашла себе самое широкое применение — ныне лишь небольшие, переносные телескопы не имеют часовых механизмов.

Поначалу часовые механизмы были пружинными или гиревыми, требующими частого завода. Позже, в XX веке начали применять электромоторы со сложной системой регуляторов хода, Точность и плавность движения современных телескопов Должны быть очень высокими.

Заметим, что монтировки крупных телескопов имеют столь внушительные размеры, что астроному приходится при наблюдениях пользоваться лестницами, специальными лифтами и даже подъемным полом.

Пока телескопы были небольшими, для них не устраивали особых помещений — наблюдения велись в окна или с балконов. Так, например, наблюдали первые петербургские астрономы. Специальные астрономические обсерватории (Парижская и Гринвичская), возникшие в XVII веке, как и обсерватория Тихо Браге, внешне напоминали скорее загородные замки, чем научные учреждения. Гигантские рефлекторы Гершеля и Росса фактически находились под открытым небом.

Лишь во второй половине прошлого века появились обсерватории современного типа — круглые здания с вращающимся куполом. В этом куполе имеется люк, прикрытый специальными створками, которые раздвигают во время наблюдений. Этот самый распространенный тип обсерваторий сегодня является почти повсеместным. Лишь для небольших телескопов иногда устраивают павильоны иного типа (например, с отодвигающейся крышей).

Разумеется, вся механическая часть сооружений должна быть надежной — различные моторы и иные устройства обеспечивают плавное, почти бесшумное движение купола и его створок.

 

Шестиметровый гигант

В ходе Великой Отечественной войны советская астрономия понесла тяжелые утраты. Была разрушена до основания Пулковская обсерватория, частично или полностью выведены из строя обсерватории Украины и Крыма. К счастью, удалось спасти объектив знаменитого пулковского рефрактора, изготовленный Альваном Кларком. Однако до сих пор новый рефрактор для этого объектива не построен и восстановленная после войны Пулковская обсерватория обходится пока меньшими по размеру оптическими инструментами.

В 1961 году закончился монтаж 102-дюймового рефлектора новой Крымской астрофизической обсерватории. Зеркало этого крупнейшего в ту пору в Европе телескопа имеет диаметр 2,6 м. Замечательно, что этот телескоп весьма высокого качества был полностью изготовлен Ленинградским оптико-механическим объединением под руководством Баграта Константиновича Иоаннисиани, ныне лауреата Ленинской премии, доктора технических наук. В царской России вообще не было собственной оптико-механической промышленности. Крымский 102-дюймовый рефлектор, в ту пору второй в мире по размерам, был первым исполинским рефлектором, созданным в нашей стране. С его помощью исследуются вспыхивающие звезды, межзвездная среда, галактики и другие объекты звездного мира.

Еще в 1960 году, учитывая быстрый прогресс зарубежной телескопической техники, было принято решение о строительстве Специальной астрофизической обсерватории, главный рефлектор которой имел бы зеркало диаметром 6 м (236 дюймов!). Главным конструктором этого огромного инструмента был назначен Б. К. Иоаннисиани.

Одновременно с проектированием крупнейшего в мире телескопа начались поиски подходящего места для новой обсерватории. В этом месте, далеком от крупных городов, которые загрязняют и засвечивают атмосферу, должен быть соблюден оптимальный атмосферный режим — прозрачность воздуха, частая ясная погода, спокойствие атмосферы. После 16 экспедиций в Крым, Памир, на Дальний Восток и в другие районы наконец было найдено место, вполне отвечающее поставленной задаче. Им оказалась гора Пастухова высотой 2100 метров, в Карачаево-Черкесской автономной области, недалеко от станицы Зеленчукской и в 20 км от Архыза.

Прежде всего здесь была сооружена башня высотой 53 м (то есть с 20-этажный дом!) и диаметром 44 м. При выборе ее формы и материала учитывались скорость и сила ветра, перепады температуры. Когда створки люка вращающегося купола этой башни раздвигаются, открывается прорезь шириной 11 м. Вес створок люка равен 30 тоннам, а общий вес алюминиевого купола, издалека кажущегося серебряным (рис. 27), достигает 1000 тонн! Так как во избежание вредных конвекционных течений воздуха температура внутри купола не должна отличаться от внешней температуры, внутри купола действует особое холодильное устройство, перед наблюдением понижающее температуру воздуха внутри башни. Только когда внешняя и внутренняя температуры сравняются, створки люка купола автоматически раскрываются.

Рис. 27. Башня 6-метрового телескопа Специальной астрофизической обсерватории АН СССР.,

Для изготовления зеркала пришлось разработать совершенно новую технологию, позволяющую получить стекло очень высокого качества. Первый наладочный отлив получили спустя четыре года после начала работы. Затем изготовили еще несколько отливок, на которых выявлялись оптимальные режимы разогрева и отжига. Наконец окончательная 70-тонная заготовка, отлитая при температуре 1600 градусов, прошла постепенное остывание за 2 года и 4 месяца. Казалось, можно было бы значительно ускорить этот процесс. Однако в этом случае получилось бы не оптическое стекло, а стеклянная глыба с множеством микротрещин. Заметим, что изготовленная заготовка для зеркала была самым крупным стеклянным изделием за всю историю стеклопроизводства.

После этого пришлось снять 28-тонный «припуск» и на это ушло 15 000 карат алмаза. Любопытно, что зал, где велась обработка зеркала, был отделен от остального помещения тройным кольцом стен — требовались постоянство температуры и незапыленность помещения. Люди в белых халатах, работавшие в этом зале, походили на медиков, занятых сложной операцией. Летом 1974 года полировальная машина была остановлена. Поверхность 42-тонного зеркала приняла нужную параболоидную форму с точностью до одной десятой микрона. Специально созданная по новой схеме вакуумная установка нанесла на поверхность зеркала тончайший слой алюминия. Крупнейшему в мире зеркалу предстояло теперь совершить длительное и сложное путешествие из Ленинграда на Кавказ.

В мае — июне 1974 года состоялась генеральная репетиция. На 120-тонном трайлере поместили макет 6-метрового зеркала и со всеми предосторожностями перевезли его от ворот Ленинградского завода на далекий Кавказ. В процессе подготовки к настоящему «действу» были усилены мосты, укреплено дорожное покрытие, обеспечена полная, стопроцентная безопасность движения по всей трассе.

И вот, наконец, путешествие состоялось. В четыре часа ночи под конвоем ГАИ, состоящем из 17 «Волг» и «Москвичей», двинулось в путь «Око» планеты. Сначала по асфальту зеркало было доставлено в Южный порт Москвы, затем по воде в Ростов-на-Дону, а оттуда снова по шоссе к месту назначения. Во избежание неожиданных осложнений скорость движения по шоссе не превышала 8 км/час, а на отдельных участках она снижалась до 3 км / час .. Подъем на гору Пастухова занял 6 часов, причем на некоторых крутых поворотах автопоезд длиной 50 м напоминал исполинскую свернувшуюся змею.

Наконец гигантский инструмент был полностью смонтирован (рис. 28). Когда-то Галилей легко переносил свои первые телескопы одной рукой. Общий вес 6-метрового рефлектора вместе с установкой достигает 950 тонн, причем почти 300 тонн приходится на зеркало и решетчатую стальную трубу телескопа. Вся сложная конструкция телескопа включает в себя 25 тысяч наименований отдельных деталей. Когда стоишь рядом с крупнейшим телескопом мира, высота которого достигает 42 м, глаз с трудом охватывает разом весь инструмент. Словом, все параметры этого телескопа поистине «астрономические»!

До сих пор у всех крупных телескопов установки были параллактическими. Шестиметровый гигант и в этом отношении уникален — его установка азимутальная (отсюда и официальное обозначение инструмента «БТА», что означает Большой Телескоп Азимутальный). Создатели БТА отошли от привычных традиций. Так, например, чтобы уменьшить нагрузки в осях и подшипниках инструмента, в БТА употребляются специальные подшипники жидкостного трения — труба телескопа как бы плавает на тончайшей масляной пленке, толщина которой близка к 0,1 мм.

Разумеется, при азимутальной установке приходится непрерывно перемещать телескоп и по высоте и по азимуту. Для этого создана специальная система БТА, включающая в себя электронно-вычислительные устройства, которые по прямому восхождению, склонению светила и моменту времени вычисляют его азимут и высоту. Наведение телескопа на заданный участок неба осуществляется с пультов управления, а погрешности наведения «подправляют» фотоэлектрические гиды.

Главный из них представляет собой рефлектор с диаметром зеркала 0,7 метра — сам по себе весьма крупный телескоп. Изображение, создаваемое гидом с помощью телевизионной системы, передается на пульт оператора и при этом фотоэлектрическая система гида автоматически выдает соответствующие сигналы в систему управления БТА. Как это ни поразительно, слежение за звездой получается необыкновенно точным — ошибка не превышает нескольких долей угловой секунды.

Фокусное расстояние главного зеркала БТА равно 24 м (относительное отверстие 1:4). Внутри телескопа на высоте 15-этажного дома укреплена цилиндрическая кабина наблюдателя. Некоторые сравнивают ее с бочкой «впередсмотрящих» на парусных кораблях. И на самом деле, астрономы Специальной астрофизической обсерватории с полным основанием могут считать себя впередсмотрящими астрономической науки.

Рис. 28. Крупнейший в мире 6-метровый рефлектор.

Возможности нового инструмента огромны. Уже опыт первых наблюдений показал, что БТА доступны объекты 24-й звездной величины, то есть в миллионы раз более слабые, чем те, которые наблюдал Галилей в свои телескопы. Кроме главного телескопа, Специальная астрофизическая обсерватория располагает множеством вспомогательных инструментов, предназначенных, в частности, для подробного изучения таких экзотических объектов, как квазары или ставшие в последние годы популярными «черные дыры» — тела или системы тел с совершенно непривычными с земной точки зрения свойствами. Есть основания полагать, что в БТА удастся наблюдать объекты, удаленные от нас на 10 миллиардов световых лет!

Руководит крупнейшей обсерваторией мира доктор физико-математических наук Иван Михеевич Копылов, опытный советский астрофизик. Коллектив обсерватории молодежный — средний возраст ее сотрудников 27–28 лет. И это вполне естественно — кому, как не молодежи прокладывать новые пути в науке?

В итоге «чемпионата» телескопов, растянувшегося почти на три столетия, первенство завоевано нашей Родиной. Новая «астрономическая столица мира», станет крупным научным центром международного значения — она будет предоставлена для исследований не только советским, но и зарубежным ученым. Вряд ли можно сомневаться, что уже в ближайшие годы шестиметровый гигант принесет астрономам множество поразительных открытий.