Потомки квадрантов

Уже в XVII веке, вскоре после изобретения телескопа, измерительные инструменты стали снабжать зрительными трубами. Выгода от этого новшества была очевидна: так как телескоп увеличивает угол зрения, значит, при сравнительно небольших размерах инструмента возможно получить точности измерения углов куда большую; чем со старинными, даже гигантскими угломерными инструментами.

В современных угломерных инструментах зрительная труба или телескоп играет роль визира. Эта труба снабжена крестом паутинных нитей, укрепленных в ее фокальной плоскости. Прямая, соединяющая центр объектива с точкой пересечения креста нитей, называется визирной линией. И, конечно, всякий угломерный инструмент непременно имеет точно разделенные металлические круги, насаженные на ось инструмента. По ним и отсчитываются измеряемые углы. Есть несколько типов измерительных инструментов, этих потомков древних квадрантов и астролябий, которые можно встретить на большинстве современных обсерваторий.

На рис. 29 изображен так называемый универсальный инструмент — просто универсал. Труба универсала может поворачиваться как вокруг горизонтальной, так и вокруг вертикальной оси. На этих осях видны крупные, напоминающие колеса, градуированные круги — лимбы. На лимбы направлены небольшие трубки — микроскопы со слабым увеличением, позволяющие четче рассматривать деления на лимбах. На раме универсала укреплены уровни. По ним поворотом опорных регулировочных винтов устанавливают универсал строго в горизонтальной плоскости.

Универсальный инструмент невелик и принадлежит к типу переносных угломерных инструментов. Диаметры лимбов обычно заключены в пределах от 10 до 30 см, а длина трубы универсала не превышает пол метра.

Рис. 29. Универсальный инструмент.

С помощью универсала измеряют с точностью до секунд горизонтальные координаты светила — его азимут и зенитное расстояние или высоту. Зная же момент наблюдения, нетрудно по формулам сферической астрономии вычислить и экваториальные координаты светила, то есть его склонение и прямое восхождение.

Всем хорошо знакомый теодолит — разновидность универсала. Правда, при геодезических измерениях точность обычно требуется меньшая, чем в астрономии, и потому теодолиты в размерах уступают универсалам.

Для максимально точных измерений экваториальных координат звезд используют меридианный круг (рис. 30 слева). Как и квадрант, меридианный круг позволяет измерять углы лишь в плоскости небесного меридиана. Его единственная ось направлена точно с востока на запад и ее концы лежат на так называемых лагерах — подставках, укрепленных на неподвижных прочных столбах.

Рис. 30. Меридианный круг (слева) и пассажный инструмент.

Главная часть меридианного круга — огромный лимб, с помощью которого отсчеты высоты (или зенитного расстояния) звезды можно делать с точностью до одной десятой секунды дуги! Если измерено зенитное расстояние z светила в момент его кульминации (то есть в плоскости небесного меридиана), то склонение светила δ находят по простой формуле:

δ= φ—z,

где φ — широта места наблюдения.

Сложнее найти прямое восхождение звезды. Для этого нужно как можно точнее отметить момент прохождения этой звезды через вертикальную нить инструмента, то есть через небесный меридиан. Легко доказать, что в этом случае прямое восхождение звезды равно так называемому звездному времени в момент ее кульминации. Это звездное время можно вычислить по тому моменту времени, которое отсчитывают обычные часы. Но нужды в этом нет — у астрономов, работающих на меридианном инструменте, есть специальные хронометры, показывающие именно звездное время.

В 1939 году советский астроном Н. Н. Павлов впервые ввел в практику фотоэлектрический метод регистрации прохождения звезд через небесный меридиан. В приборе, созданном Н. Н. Павловым, лучи кульминирующей звезды падают на фотоэлемент, и электрические сигналы от него фиксируются на ленте хронографа. Точность измерения при этом получается намного большей, чем при наблюдениях невооруженным глазом.

Внешне похож на меридианный круг так называемый пассажный инструмент (рис. 30 справа). Его труба также имеет лишь одну ось, направленную с востока на запад. Однако назначение пассажного инструмента иное. С его помощью астрономы фиксируют кульминации звезд, прямое восхождение и склонение которых известно. Тогда звездное время в момент кульминации звезды будет равно ее прямому восхождению. Иначе говоря, пассажный инструмент предназначен для точного измерения времени (сначала звездного, по которому нетрудно рассчитать «обычное», то есть среднее солнечное время). Вот почему у пассажного инструмента нет большого, очень точно градуированного лимба. Вместо него имеется небольшой градуированный круг, который нужен для приближенной установки трубы пассажного инструмента на нужную угловую высоту.

Наряду со стационарными крупными пассажными инструментами есть небольшие переносные. Ось такого инструмента делается полой и в нее с помощью призмы отражаются лучи от звезды. На одном из концов оси укреплен окуляр, в который и ведут наблюдения. Штурманы кораблей и самолетов работают с небольшими оптическими секстантами, которые свободно можно держать в руках. Древние астролябии заменены сложными призменными астролябиями с искусственным ртутным горизонтом. Они используются как переносные инструменты для точного измерения времени и широты места. Как и так называемый зенит-телескоп, предназначенный для измерений зенитных расстояний звезд вблизи зенита, призменная астролябия, по существу, представляет собой своеобразную разновидность универсала.

До изобретения телескопа астрономия, в сущности, была астрометрией, то есть наукой, измеряющей угловые расстояния на небе. Ныне астрометрия — лишь один из разделов астрономии. Служба точного времени — одна из главнейших задач современной астрометрии. Другая, не менее ответственная задача, — составление звездных каталогов. В лучших старинных каталогах зарегистрированы более или менее точно положения нескольких сотен звезд. Современные звездные каталоги включают сведения о сотнях тысяч звезд! Одна из главных проблем современной астрометрии — поиски опорных объектов, образующих в пространстве практически неподвижную основу, по отношению к которой можно было бы отсчитывать координаты звезд. Вполне возможно, что такой опорной системой станет совокупность квазаров — далеких, во многом пока загадочных источников радиодиоизлучения, которые из-за своей удаленности практически неподвижны на небосводе.

Как и древние астрономы, современные астрометристы непрерывно стараются уточнить значения фундаментальных постоянных, в первую очередь постоянной прецессии, впервые вычисленной еще Гиппархом. Все то небесное, чем занимаются астрометристы, имеет самое прямое отношение к Земле. Именно из астрометрических измерений можно узнать точную форму нашей Земли, характер движения Луны и планет и многое другое, без чего не могла бы существовать геодезия, картография и многие «земные» науки. Без астрометрии не было бы и космонавтики, так как именно по астрометрическим данным рассчитываются траектории космических летательных аппаратов.

Воздав должное астрометрии, мы обратимся теперь к инструментам, благодаря которым существует и развивается астрофизика — интереснейший из разделов астрономии.

 

Фотография в астрономии

Как известно, фотография была изобретена французами Ньепсом и Дагерром в сороковых годах прошлого века. Этому предшествовал эксперимент Ньепса, еще в 1822 году впервые получившего при помощи объектива изображение предмета на асфальтовом растворе. Однако «закрепить» это необычное изображение ему не удалось. Лишь в 1835 году Дагерр открыл существование скрытого изображения в слое йодистого серебра, которое он проявлял парами ртути. Первые его снимки, или, как их называли, дагерротипы требовали экспозиции в минуты и даже десятки минут. Однако это не помешало еще в 1841 году получить первый дагерротип Луны. На нем хорошо различались главные формы лунного рельефа.

Четыре года спустя на Гарвардской обсерватории Бонд начал систематически фотографировать Солнце, Луну и звезды. Позже этот успешный опыт распространили и на другие небесные тела. Уже в 1874 году был опубликован первый подробный фотоатлас Луны.

В конце прошлого века в практику астрофотографии вошли броможелатинные пластинки высокой чувствительности, а в 1891 году Липман изобрел цветную фотографию. Хотя первые киносъемочные аппараты братьев Люмьер появились еще в 1895 году, киносъемки в астрономии стали регулярными лишь в последние два-три десятилетия.

Пионерам астрофотографии приходилось преодолевать немалые трудности. Так, например, во время солнечного затмения 1887 года немецкий астроном Фогель собирался фотографировать Солнце на «мокрых» пластинках, заливаемых светочувствительной полужидкой массой (раствором хлористого серебра в коллодии) перед самой съемкой. За несколько минут до начала затмения Фогель залил пластинки коллодием, но труха, обрушившаяся с потолка, застряла в коллодии и съемка была сорвана. В наши дни такие истории выглядят курьезом — современная техника изготовления фотопластинок и пленок очень высока, а приборы, предназначенные для фотографирования небесных тел, весьма совершенны. Для снимков космоса нередко используют пластинки и пленки, чувствительные к невидимым глазом ультрафиолетовым или инфракрасным лучам. Специальные фотокамеры, с помощью которых получают снимки небесных тел, называются астрографами. В отличии от объективов обычных рефракторов, объективы астрографов изготовляют так, чтобы в их главном фокусе сводились воедино не желтые и зеленые, а синие и фиолетовые лучи, то есть как раз те, к которым особенно чувствительна фотопластинка. С другой стороны, принимаются все меры, чтобы объективы астрографов не давали аберраций на умеренных расстояниях от оптической оси. Поэтому объективы астрографов, как правило, состоят не из одной или двух, а из многих линз. Так, например, в фотокамерах Петцваля объектив состоит из четырех линз, а в «планарах» и «биотарах» Цейса — даже из шести!

В малых инструментах фотокамера крепится на тубусе рефрактора, который при фотографировании играет роль гида. В старом здании Московской обсерватории уже много десятилетий действует 15-дюймовый двойной астрограф (рис. 31). Две внешне почти одинаковые сдвоенные трубы укреплены на экваториальной установке. Одна из них представляет собой обычный рефрактор, другая — длиннофокусную фотокамеру. Объектив этой камеры имеет диаметр 38 см и светосилу 1: 100. Поле зрения при этом получается значительным, около трех градусов в поперечнике. Такие стандартные или «нормальные» астрографы есть и на других обсерваториях. Иногда употребляют также тройные и даже четверные астрографы. Наряду с ними широко используют короткофокусные астрографы, поле зрения которых имеет иногда в поперечнике 20–30 градусов. С такими камерами можно фотографировать целые созвездия.

Заметим, что любой рефлектор можно использовать как астрограф, если окулярная часть в нем будет заменена фотопластинкой или пленкой. Вполне годятся для такой цели и зеркально-линзовые системы, например, камеры Шмидта. Словом, семейство астрографов очень многочисленно и разнообразно. Чем же привлекательна для астрономов фотография?.

Есть ряд преимуществ фотографии по сравнению с визуальными наблюдениями. Перечислим лишь главнейшие из них.

Прежде всего это интегральность, то есть способность накапливать световую энергию, поступающую от небесного тела. Глаз такой способностью не обладает. Сколько ни смотри на небо, в конце наблюдения увидишь столько же звезд, как и вначале. Скорее даже из-за утомления глаз постепенно зоркость их притупится.

Рис. 31. Двойной астрограф Московской обсерватории.

Совсем иначе ведет себя фотопластинка. Чем больше экспозиция (конечно, до известного предела!), тем более слабые звезды получаются на снимке. Так, например, на двойном астрографе Московской обсерватории за час экспозиции фиксируются звезды до 16-й звездной величины.

Конечно, беспредельно увеличивать экспозицию нельзя. Наступает момент, когда фон ночного неба, кажущийся темным, а на самом деле слабосветящийся, равномерно «затемнит» негатив и тем самым завуалирует изображения звезд. Предельная экспозиция для нормальных астрографов близка к 17 часам, но для короткофокусных камер она гораздо короче.

Моментальность — это второе достоинство фотографии. На снимке можно зафиксировать явления, совершающиеся так быстро, что глаз не успевает их как следует рассмотреть. Таковы, например, метеоры, детали которых видны лишь на фотографиях.

На снимках неба иногда неожиданно обнаруживают незнакомую комету, спутник, астероид или новую звезду. По фотографиям изучают колебания блеска звезд, их смещение на небосводе (из-за собственного движения в пространстве), изменения в форме солнечной короны. Во всех этих случаях проявляется документальность фотографии и не случайно поэтому на многих обсерваториях созданы «стеклянные библиотеки» из многих тысяч негативов. В таких библиотеках, существующих уже много десятков лет, светом записаны эпизоды истории мироздания.

Когда наблюдаешь визуально Луну или участок звездного неба, трудно сосредоточить внимание глаза сразу на всех деталях. Особенно это относится к таким кратковременным событиям, как появление солнечной короны во время полного солнечного затмения. Фотопластинка этим недостатком не обладает. Она бесстрастно фиксирует всю панораму и потому это ее свойство называется панорамностью.

К преимуществам фотографии надо добавить и объективность, тогда как всякие визуальные наблюдения, как правило, отягощены личными ошибками наблюдателя (например, в его рисунках поверхности планеты).

Мы уже отмечали, что цветочувствительность фотопластинок значительно шире, чем у человеческого глаза. Подбирая сорта эмульсии или применяя разнообразные светофильтры, удается фотографировать то, что глазу просто недоступно. Тем самым значительно расширяются возможности изучения Вселенной.

Пусть не подумает читатель, что наши глаза во всем плохи. Кое в чем и они имеют преимущества над фотопластинками. Так, например, при фотосъемке планет быстрые движения воздуха «замывают» изображения, тогда как глаз в отдельные моменты спокойствия атмосферы видит на диске планеты множество неуловимых для пластинки деталей. Трудно фотографировать слабые телеметеоры, неожиданно появляющиеся в поле зрения телескопа. И здесь глаз фиксирует то, что недоступно пластинке. Дефекты пластинок иногда скрывают очень интересные объекты.

И все-таки визуальные наблюдения, как правило, отошли в прошлое. Фотография в современных обсерваториях применяется практически всюду и везде.

 

Прирученная радуга

Когда Солнце находится над горизонтом примерно на высоте 17°, в противоположной части небосвода при некоторых условиях (обычно на фоне дождевой тучи) возникает разноцветная искривленная прозрачная полоса, именуемая радугой. Образуется она в результате дисперсии, т. е. разложения белого солнечного света на составные цвета при прохождении этого света сквозь мельчайшие водяные капельки. Много веков люди любовались радугой, не подозревая, что дисперсия света может стать ключом к познанию физической природы небесных тел.

Впервые искусственную радугу с научной целью получил в 1665 году Исаак Ньютон. В темную комнату сквозь небольшое отверстие в затемненном оконном стекле Ньютон пропустил ослепительно белый солнечный луч. Когда на пути этого луча Ньютон поставил трехгранную стеклянную призму, на белой стене появилась разноцветная полоска — солнечный спектр. Причина ясна — призма преломляет лучи разного цвета (то есть разной длины волны) по-разному. Чем меньше длина волны светового луча, тем больше его коэффициент преломления. Поэтому среди видимых глазом лучей наибольшее преломление в призме испытывают фиолетовые лучи, а наименьшее — красные. Опыт Ньютона впервые доказал, что белый солнечный луч представляет собой смешение разнообразных цветовых лучей — фиолетового, синего, голубого, зеленого, желтого, оранжевого и красного.

Ньютон таким образом объяснил хроматическую аберрацию линз и неустранимость этих аберраций заставила его изобрести рефлектор. Но великий английский ученый рассматривал дисперсию света как досадную помеху и он не видел, как можно употребить это явление на пользу астрономии.

В 1802 году соотечественник Ньютона Волластон заметил в солнечном спектре несколько темных линий. Он не понял их происхождения и посчитал, что загадочные линии представляют собой простые границы между цветами спектра.

Двенадцать лет спустя Фраунгофер открыл в спектре Солнца около 600 темных линий, с тех пор носящих его имя. Более 300 из них он зарисовал, некоторые обозначил латинскими буквами и эти обозначения Фраунгофера сохранились до сих пор. Но, как и его предшественники, Фраунгофер не знал, какое отношение все эти линии имеют к химическому составу Солнца.

Как не раз бывало в истории человечества, появились самонадеянные пророки, заявлявшие, что человечество никогда не узнает, из чего состоят небесные тела. Так, в 1842 году знаменитый французский философ, основоположник позитивизма, Огюст Конт писал: «Никогда и ни в коем случае нам не удастся изучить химический состав небесных тел». Но наука оказалась сильнее этих пессимистических пророчеств.

В 1859 году немецкий физик Кирхгоф открыл законы, положившие начало спектральному анализу. К этому времени уже был изобретен спектроскоп — простейший спектральный прибор. Спектроскоп состоит из двух трубок и трехгранной призмы, помещенной между ними. Первая из них, обращенная к объекту, называется коллиматором. На одном ее конце имеется узкая щель, а на другом — собирательная линза, причем щель находится в фокусе линзы.

По законам оптики свет, прошедший через коллиматор, выходит из него параллельным пучком и падает на призму, которая разлагает его в спектр. Этот спектр рассматривается затем во вторую трубку, которая, по существу, является обычной зрительной трубой.

Нетрудно сообразить, что спектр, в сущности, есть совокупность разноцветных изображений щели коллиматора. Для «растягивания» спектра в длину иногда вместо одной призмы употребляют несколько.

Рис. 32. Схема спектрографа.

Если зрительную трубу в спектроскопе заменить фотокамерой, получится спектрограф (рис. 32). С его помощью можно получать фотографии спектров небесных светил, называемые спектрограммами. Со времен Кирхгофа различают три основных типа спектров:

Если источником света является твердое или жидкое раскаленное тело, или очень сильно нагретый ионизованный газ, то спектр получается сплошным, или непрерывным. При наблюдении в спектроскоп такой спектр выглядит непрерывной радужной полоской с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому. Непрерывный спектр порождается также очень плотным светящимся газом.

Спектр светящегося разреженного газа представляет собой совокупность отдельных узких разноцветных линий на черном фоне. Такой спектр называется линейчатым. Так как каждый газ дает в спектре только свои, присущие ему линии, изучение линейчатых спектров позволяет установить химический состав светящегося газа.

Если между источником непрерывного спектра и наблюдателем расположен газ, более холодный, чем источник непрерывного спектра, то в этом случае получится спектр поглощения — радужная полоска, испещренная поперечными узкими темными линиями («линиями поглощения»). Характерно, что всякий газ поглощает только те лучи, которые он сам испускает в состоянии свечения. Поэтому спектр поглощения позволяет установить состав газа, поглотившего часть лучей источника непрерывного спектра.

По расположению спектральных линий, их интенсивности и другим особенностям можно определить плотность небесных тел, процентное содержание в них различных химических элементов, наличие магнитного поля и многое другое.

Температуру небесного тела можно узнать по распределению яркости вдоль его спектра. Максимум яркости приходится на разные места спектра в зависимости от температуры небесного тела. Если тело сравнительно холодное и светит красным цветом, то наибольшей яркостью обладает красная часть его спектра. С повышением температуры максимум яркости смещается в сторону меньших длин световых волн, то есть к фиолетовому концу спектра.

При движении источника света вдоль луча зрения спектральные линии смещаются: при приближении светящегося тела — к фиолетовому концу его спектра, при удалении — к красному. Величина смещения зависит от скорости движения тела. В этом заключается так называемый принцип Доплера-Физо, экспериментально подтвержденный русским астрономом А. А. Белопольским. Пользуясь принципом Доплера-Физо, можно измерить скорости движения небесных тел в пространстве и скорости их вращения. Спектр небесного тела позволяет судить и о скорости некоторых процессов, происходящих на его поверхности или в его атмосфере. Спектральный анализ стал одним из самых мощных методов современной астрофизики. Он подтвердил сходство химического состава Земли и небесных тел, что является одним из выражений материального единства Вселенной.

Рис. 33. Объективная призма.

К концу прошлого века благодаря спектральному анализу был хорошо изучен состав и строение солнечной атмосферы. Начались спектральные наблюдения планет и комет. Одним из пионеров в изучении спектров звезд был директор Ватиканской обсерватории патер Анджело Секки, еще в 70-х годах прошлого века предложивший классификацию звездных спектров. Эта классификация была позже расширена и уточнена. К 1924 году обсерватория Маунт Вилсон завершила публикацию громадного Дрэперовского каталога, содержащего спектральную классификацию 225 000 звезд. Изучены и сведены в каталоги параметры движений многих десятков тысяч звезд. Можно смело утверждать, что современное миропонимание было бы невозможным без спектрального анализа. Прирученная радуга раскрыла перед нами необычайное многообразие и сложность космоса. Вместе с тем спектральный анализ верно и успешно служит всем земным наукам.

Какие же спектральные приборы употреблялись и употребляются в астрономии?

Прежде всего упомянем объективную призму, пожалуй, простейший из всех спектральных астрономических приборов (рис. 33). По существу, он представляет собой фотокамеру, перед объективом которой без всякого коллиматора укреплена крупная призма, закрывающая собой весь объектив. Для Солнца, планет, комет и других протяженных объектов такой прибор непригоден. Но для звезд, кажущихся на небе светящимися точками, объективная призма создает на фотопластинке тонкие «ниточные» спектры. Если при фотографировании пластинку с помощью специального приспособления перемещать перпендикулярно к направлению спектра, «ниточные» спектры звезд растянутся в полоску, на которой легко различить линии, характеризующие состав и различные физические параметры звезды.

Замечательно, что с помощью объективной призмы можно одновременно заснять спектры десятков, а то и сотен звезд, попавших в поле зрения фотокамеры. К сожалению, спектры, полученные объективной призмой, обладают небольшой дисперсией (то есть сравнительно коротки), и это затрудняет их изучение.

Спектроскопы употреблялись лишь на заре астрофизики. Позже они повсеместно вытеснены спектрографами, доведенными до высокой степени совершенства. Прежде в некоторых случаях (например, при фотографировании спектров слабых звезд) экспозицию приходилось растягивать на сотни часов, то есть фотографировать один и тот же участок неба много ночей, делая перерывы в дневное время и пасмурную погоду. Так как при этом старались, чтобы изображения спектра звезды попадали в одно и то же место пластинки, придумывали сложные приспособления, решавшие эту задачу. При современных высокочувствительных фотопластинках нужда в сверхдлинных экспозициях, естественно, отпала. Заметим, что во время съемки температура спектрографа должна меняться не более чем на 0,1 градуса, так как иначе линии в спектре «размажутся» и станут недоступными для исследования. И этого удается достичь, причем и в таком случае сложные средства вполне оправданы целью — получением высококачественных спектрограмм.

Все щелевые спектрографы (то есть спектрографы, имеющие коллиматор с щелью) присоединяются к телескопу так, чтобы изображение светила фокусировалось на щели спектрографа (окулярная часть телескопа при этом удаляется) (рис. 34).

Иногда для получения большей дисперсии спектрографы делались двух- и даже трехпризменными. Не всегда призмы изготовлялись из обычного стекла, задерживающего ультрафиолетовые лучи. Если хотели исследовать ультрафиолетовую часть спектра звезд, то употребляли кварцевый спектрограф, в котором призма изготовлена из прозрачного кварца. Так, например, 122-сантиметровый рефлектор Крымской обсерватории был снабжен двумя спектрографами — стеклянным и кварцевым. В настоящее время призменные спектрографы практически вышли из употребления.

Обязательно ли спектрограф должен иметь коллиматор со щелью? Оказывается, необязательно. У бесщелевого спектрографа нет коллиматора, зато есть особая рассеивающая коллиматорная линза. Помещенная перед фокусом телескопа, она сходящийся от объектива световой пучок превращает в параллельный, выполняя тем самым роль коллиматора. Этот пучок затем падает на небольшую призму, за которой помещается фотокамера. В такой системе вместо линз иногда употребляют зеркала. Ее преимущества по сравнению с объективной призмой понятны — для очень больших объективов изготовить крупные хорошие призмы весьма трудно, тогда как в бесщелевом спектрографе призмы небольшие. В то же время бесщелевой спектрограф обладает значительной светосилой и позволяет сразу фотографировать спектры многих звезд.

Рис. 34. Спектрограф, укрепленный на окулярном конце телескопа.

В 1937 году вошли в практику так называемые небулярные спектрографы, предназначенные для спектральных исследований газовых туманностей. Эти протяженные объекты обладают очень небольшой поверхностной яркостью и потому фотографировать их спектры обычными спектральными приборами практически очень трудно.

В небулярном спектрографе, представляющем собой нечто среднее между объективной призмой и щелевым спектрографом, щель помещается на значительном расстоянии от призмы и камеры спектрографа, причем эта щель просто проектируется на наблюдаемый объект. Сейчас небулярные спектрографы не употребляются.

Из астрономических спектральных приборов в настоящее время чаще всего употребляются дифракционные спектрографы. Они основаны на явлении дифракции света, то есть отклонении света от прямолинейного распространения. Свет при этом, огибая препятствие, заходит в область геометрической тени. Суть дифракции объяснена на рис. 35.

Представьте себе, что на узкую щель АВ падает параллельный пучок лучей. Плоскость, перпендикулярная к этому пучку, образует плоский фронт световой волны. Как установил еще Христиан Гюйгенс в XVII веке, каждую точку фронта световой волны можно рассматривать как источник самостоятельных световых колебаний.

Представим себе теперь три параллельных луча, выходящих из точек А, С и В фронта световой волны под углом φ к первоначальному направлению лучей. Двояковыпуклая линза собирает эти лучи в некоторой точке М на экране Е. Разность хода δ  лучей AM и СМ равна отрезку AD, причем очевидно, что δ=l/2 sinφ , где l — ширина щели. Если для точки М δ=(2n—1)λ/2, то есть нечетному числу полуволн, то в точке М благодаря интерференции (сложению) световых колебаний возникает тьма. Там же, где δ=2nλ/2

, возникают области максимальной освещенности.

Таким образом, за щелью на экране появятся светлые и темные полосы разной яркости, причем самая яркая полоса получится прямо за щелью. Так как разность хода, зависит от длины волны, то максимумы света для разноцветных лучей будут приходиться на различные места экрана. Иначе говоря, если на щель падает белый пучок света, на экране получится ряд спектров, яркость которых убывает по мере удаления от середины экрана. Самыми яркими будут спектры первого порядка, то есть ближайшие к центральной белой полосе.

Рис. 35. Дифракция света от одной щели.

Если вместо одной щели взять несколько (то есть дифракционную решетку), действия отдельных щелей сложатся и дифракционные спектры будут тем ярче, чем больше щелей на единицу длины имеет решетка. Еще в конце прошлого века Роуланд в Америке изготовлял решетки, число щелей в которых доходило до 2 000 на 1 мм длины.

В современных звездных дифракционных спектрографах роль призмы выполняет алюминированная плоская пластинка, на которую алмазом нанесены штрихи, действующие как щели. Для получения спектров с низкой дисперсией перед объективом телескопа ставятся очень грубые решетки из стержней, разделенных воздушными промежутками. Наиболее часто в настоящее время используют отражательные дифракционные решетки в виде алюминированного зеркала с нанесенными на него параллельными штрихами.

Дифракционные спектрографы применяются главным образом для наблюдений Солнца, этого ослепительно яркого источника света, дающего яркие дифракционные спектры. Вместе с другими, подчас весьма оригинальными и своеобразными, приборами они составляют оборудование так называемых солнечных обсерваторий.

 

Солнечные обсерватории

Еще в прошлом веке для наблюдений Солнца, как правило, применялись те же инструменты, что и для изучения других небесных тел. Правда, при этом необходимо было всячески ослабить световой поток, поступающий в телескоп от Солнца. Для этой цели использовали темные фильтры, укрепляемые в окулярах, или за окулярной частью телескопа помещали белый экран, на который проектировалось сильно ослабленное в яркости изображение небесного светила. Иногда пользовались специальными «солнечными» окулярами, в которых поток солнечного света ослаблялся поляроидами или другими оптическими приспособлениями.

Все эти несложные методы сохранились и в современной «любительской» астрономии, то есть для малых рефракторов и рефлекторов. Что же касается больших обсерваторий, то постепенно из них выделился особый класс «солнечных» обсерваторий, все оборудование которых предназначено исключительно для наблюдений Солнца. Начался этот процесс специализации уже давно, более ста лет назад, когда в 1868 году английский астрофизик Н. Локьер на заседании Парижской Академии наук доложил об изобретенном им способе наблюдать солнечные протуберанцы в любой солнечный день, а не только во время полных солнечных затмений. Одновременно с Локьером и независимо от него такое же открытие сделал и французский астроном Ж. Жансен.

Как известно, солнечные протуберанцы (или выступы) представляют собой облачные образования, состоящие преимущественно из водорода и гелия. Во время полных солнечных затмений, когда Солнце закрыто черным диском Луны, протуберанцы часто напоминают красные язычки пламени, высовывающиеся из хромосферы. Размеры, форма и движения их весьма разнообразны. Если в момент полной фазы солнечного затмения щель спектроскопа (присоединенного к телескопу) направить по касательной к поверхности Солнца, можно увидеть ряд ярких разноцветных линий — спектр протуберанца. Каждая такая линия есть, в сущности, цветное изображение щели спектроскопа. Если сделать щель, скажем, серповидной, то и цветные линии в спектре также получатся серповидными. Но вот что важно: внутри каждой линии видно цветное изображение протуберанца, причем тем отчетливее, чем больше дисперсия спектроскопа, то есть чем более широкий спектр он дает.

Как это ни удивительно, но и после затмения протуберанцы останутся видимыми, хотя несколько ослабленными. Объясняется это тем, что излучение протуберанца распределяется по нескольким цветным линиям, тогда как свет неба, также попавший в спектроскоп, распределяется по всему непрерывному спектру. Следовательно, относительный контраст изображений неба и протуберанца при описанном способе наблюдения возрастает.

Протуберанц-спектроскоп, первый из специальных солнечных приборов, состоит из небольшого коллиматора, нескольких сложных призм прямого зрения и небольшого рефрактора. Сегодня этот прибор выглядит примитивным и не употребляется. Но сто лет назад он казался чудом астрономической техники и по поводу его изобретения была выбита даже особая золотая медаль с портретами Локьера и Жансена.

В прошлом веке для фотографирования Солнца или его спектра фотокамеры и спектрографы прикрепляли к окулярной части телескопа. Но так как для Солнца и те и другие приборы были весьма массивными, это вызывало неудобства (в частности, гнутие трубы). Выход был найден в изобретении целостата, плоского зеркала, вращающегося с помощью часового механизма вокруг полярной оси со скоростью, вдвое меньшей осевого вращения Земли. Солнечный луч, отраженный целостатом, падает на второе дополнительное зеркало, которое направляет его в объектив горизонтально закрепленного телескопа или спектрографа. В этом случае движущейся частью инструмента является небольшое зеркало, а главная его часть покоится неподвижно. В других случаях отраженный от целостата луч направляется не по горизонтали, а по вертикали, и тогда вместо горизонтального солнечного телескопа получается телескоп вертикальный. В этом случае целостат устанавливают на высокой башне, а вертикальный солнечный телескоп часто называют иначе башенным телескопом.

Башенный телескоп имеет некоторое преимущество перед горизонтальным. В нем целостат находится сравнительно высоко над поверхностью Земли, то есть выше приземного неспокойного и загрязненного слоя воздуха, а это улучшает изображение Солнца.

Башенный солнечный телескоп Крымской астрофизической обсерватории представляет собой сложный оптико-механический агрегат. С башни высотой 20 м целостат направляет солнечный луч вниз на главное распределительное зеркало, расположенное на глубине 4 м под землей. Отсюда с помощью дополнительных зеркал солнечный луч распределяется на несколько приборов, в том числе и дифракционный спектрограф, дающий очень высокую дисперсию (один ангстрем на миллиметр). Замечательно, что всем этим агрегатом управляют лишь два человека — наблюдатель и его помощник.

В Пулковской обсерватории еще до войны Н. Г. Пономаревым был установлен горизонтальный солнечный телескоп, с сожалению, уничтоженный во время войны. В обновленном варианте он был восстановлен в 1951 году и с тех пор на нем ведутся регулярные наблюдения. Замечательно, что этот телескоп не имеет трубы — ее роль выполняет сам павильон солнечного телескопа, кстати сказать, вытянувшийся с юга на север на полсотни метров. С помощью горизонтального телескопа регулярно фотографируются поверхность Солнца и его спектр.

Хорошо известно, что на вершинах гор фон яркого неба значительно темнее, чем у поверхности моря. С атмосферных высот около 200 км наступают условия, равноценные тем, которые характерны для межпланетного пространства — свечение воздуха практически незаметно, и на черном звездном небе ярко сияет Солнце. Если заслонить ослепительный солнечный диск каким-нибудь круглым непрозрачным экраном, вокруг Солнца всегда можно увидеть и хромосферу с протуберанцами и жемчужно-серебристую солнечную корону — наиболее внешние и разреженные части солнечной атмосферы.

В 1930 году французский астроном Лио проделал опыт, напоминающий только что приведенные теоретические рассуждения. Он построил прибор, называемый с тех пор внезатменным коронографом. Это небольшой телескоп, объектив которого создает изображение Солнца на непрозрачном диске, играющем роль Луны. «Искусственная Луна» отражает лучи, света в сторону, где он и поглощается. За «искусственной Луной» располагается фотокамера, с помощью которой в любое время удается заснять внутренние, ближайшие к Солнцу части его короны или (применив бесщелевой спектрограф) спектр короны.

Сам Лио вел наблюдения на обсерватории Пикдю-Миди (высота 2850 м). В Советском Союзе уже много лет под Кисловодском действует Горная астрономическая станция Пулковской обсерватории (высота 2130 м), где также установлен внезатменный коронограф. Главное в этих приборах — максимально устранить основное излучение солнечной поверхности, чтобы как можно ярче проявилось собственное свечение солнечной короны.

Еще в конце прошлого века американец Хэл, и француз Деландр независимо друг от друга построили прибор, ставший впоследствии едва ли не главным инструментом для изучения физики Солнца. Речь идет о спектрогелиографе, позволяющем изучать Солнце как бы по частям, или, точнее говоря, «в лучах» различных химических элементов.

Принцип действия спектрогелиографа достаточно прост. Представьте себе солнечный спектр, спроектированный объективом спектрографа на непрозрачный экран. Сделаем в этом экране узкую щель, которую совместим с какой-нибудь из линий поглощения солнечного спектра, например, с головной линией Hα серии водорода. Хотя в спектре Солнца эта линия, как и остальные линии поглощения, выглядит темной, на самом деле ее «темнота» относительна — она вызвана контрастом в сравнении с окружающими линии поглощения очень яркими участками непрерывного спектра. Поэтому сквозь щель, совмещенную с линией Hα, проникнут солнечные лучи, порожденные солнечными атомами водорода. Если на их пути поставить фотопластинку, на ней получится снимок участка Солнца «в лучах водорода», и именно того участка, который «вырезает» щель спектрографа на диске Солнца.

Рис. 36. Слева спектрогелиограмма Солнца (в лучах водорода). Справа обычный снимок Солнца.

Будем теперь перемещать щель спектрографа по диску Солнца, соответствующим образом смещая и фотопластинку. Как из детских кубиков складывается рисунок, так и из фотографий отдельных узких участков Солнца постепенно сложится общая панорама Солнца в лучах водорода, так называемая спектрогелиограмма (рис. 36).

Совершенно таким же способом удается получить снимки Солнца в лучах гелия, кальция и других элементов. На спектрогелиограммах Солнца хорошо различимы светлые и более темные облака, из которых состоит солнечная атмосфера, или, точнее, ее нижний слой, именуемый хромосферой. Эти облака называются флоккулами и по их характеру и движению астрономы изучают физические процессы, происходящие в хромосфере.

В лучах водорода на спектрогелиограммах видны темные волокна — протуберанцы, проектирующиеся на солнечную поверхность.

Спустя 35 лет после изобретения спектрогелиографа Хэл построил спектрогелиоскоп, работающий на том же принципе, что и спектрогелиограф. Однако в спектрогелиоскопе обе щели сделаны быстроколеблющимися, благодаря чему в глазу наблюдателя задерживается зрительное впечатление. Иначе говоря, спектрогелиоскоп — прибор для визуальных наблюдений Солнца в лучах различных элементов. Глаз наблюдателя подчас фиксирует такие быстрые изменения деталей отдельных флоккул, которые спектрогелиограф запечатлеть не в состоянии. Как спектрогелиографы, так и спектрогелиоскопы имеются в ряде советских обсерваторий, в частности, в Пулкове, Харькове и в Крыму.

Есть и другие способы изучать Солнце «в лучах» какого-нибудь элемента. Такую возможность предоставляют так называемые интерференционно-поляризационные фильтры. Каждый такой фильтр состоит из стопки отполированных кварцевых пластинок разной толщины, разделенных специальными пленками — поляроидами. Последние обладают свойством пропускать лучи лишь определенных длин волн. Можно так подобрать толщину кварцевых пластинок, что фильтр пропустит очень узкий участок солнечного спектра (шириной до одного ангстрема). Интерференционно-поляризационные фильтры применяются, в частности, для кинематографирования солнечных протуберанцев. Эти фильмы оставляют сильное впечатление. В ускоренном по сравнению с действительностью темпе зритель видит взлеты и рассеивание протуберанцев, всасывание их вещества в хромосферу и многое другое, совершенно недоступное при наблюдениях иными средствами. Пожалуй, ныне ни одно космическое тело не изучается так тщательно, как Солнце.

 

Измерители излучений

До сих пор речь шла о визуальных и фотографических наблюдениях небесных тел, при которых приемники излучений (глаз и фотопластинка) фиксировали всю ту долю излучений, к которой они чувствительны. Так, например, в среднем глаз наблюдателя наиболее чувствителен к зеленым лучам с длиной волны около 555 миллимикрон. Границы же участка спектра, к которым вообще чувствителен человеческий глаз, заключены в пределах от 400 до 760 миллимикрон. За этими границами глаз просто ничего не видит.

Чувствительность фотопластинок зависит от сорта эмульсии. Так, например, галоидное серебро поглощает свет с длиной волны, меньшей 500 миллимикрон. Если добавить в эмульсию специальные красители (сенсибилизаторы), то чувствительность фотопластинок существенно расширяется в область красных и инфракрасных лучей (до длин волн около 1300 миллимикрон). Но и глаз и пластинка являются лишь приемниками, но не измерителями излучений. К числу последних относятся те несколько приборов, описания которых даны ниже. Это, разумеется, лишь отдельные примеры — класс измерителей излучений, употребляемых в астрономии, очень широк.

Одна из важных задач астрофизики — измерение температуры Солнца. Сделать это можно по-разному, в частности, с помощью так называемого актинометра. В простейшем варианте он представлял собой жестяную цилиндрическую коробку, целиком наполненную водой. В эту коробку, крышка которой зачернена, с другой ее стороны вставлен термометр, шкала которого выходит наружу. В ясный солнечный день зачерненную крышку актинометра освещали перпендикулярно падающими на нее солнечными лучами и по степени нагрева воды за определенное время рассчитывали солнечную постоянную — количество энергии, получаемой от Солнца одним квадратным сантиметром земной поверхности за одну минуту. Зная же эту величину, нетрудно вычислить температуру солнечной поверхности.

Солнце — уникальный по мощности излучатель. В ночное время от Луны, планет и звезд до Земли доходит несравнимо меньшее количество энергии. Для ее измерения нужны очень чувствительные приборы, среди которых прежде употреблялся термоэлемент (рис. 37 вверху). Он представляет собой спай двух тонких проволочек, сделанных из разных металлов (например, меди и висмута). Если спай нагреть, а свободные концы проволочек соединить с гальванометром, стрелка гальванометра отклоняется в сторону, свидетельствуя о появлении тока. Чем сильнее нагрет спай, тем большей силы ток течет в электрической цепи.

Астрономические термоэлементы состояли из двух спаев, помещаемых в фокальной плоскости телескопа.

Рис. 37. Термоэлемент и болометр.

На один из них направляли Излучение планеты (например, Марса), на второй — излучение соседнего участка неба. Очевидно, что разность нагрева двух спаев вызвана только излучением планеты, температуру которой подсчитывали, измерив силу тока в термоэлементе.

Этот прибор был очень миниатюрен — его проволочки в несколько раз тоньше человеческого волоса, а длина близка к 0,5 мм. Необычайно чувствителен и гальванометр, способный измерять токи силой до 10-11 ампера.

Другой миниатюрный прибор, употреблявшийся раньше в астрофизике, — радиометр. Он представлял собой крошечный пропеллер, лопасти которого были сделаны из крылышек мухи! Одна из этих лопастей зачернена и потому, если поместить радиометр в фокус телескопа, из-за неравномерного нагрева его лопастей пропеллер начнет поворачиваться. По закручиванию нити, на которую подвешен пропеллер, можно измерить величину падающего на радиометр излучения.

Главная часть болометра (см. рис. 37 справа), еще одного измерителя излучений, — зачерненная проволочка Р 1 , представляющая собой одну из плеч мостика Уитстона. В этот мостик входят также второе «плечо» — проволочка Р 2 , сопротивления r и r 1 источник тока В и гальванометр G. Когда проволочка Р 1 нагревается, ее сопротивление меняется, и, следовательно, электрическое равновесие в мостике Уитстона нарушается. По отклонению гальванометра G легко вычислить температуру нагретой проволоки, а затем и величину падающего на болометр излучения.

Если проволочку болометра медленно перемещать вдоль солнечного спектра, можно измерить распределение энергии вдоль спектра и сравнить это распределение с тем, которое характерно для абсолютно черного тела соответствующей температуры. Такая комбинация спектроскопа и болометра называется спектроболометром.

Все рассмотренные измерители излучений (термоэлемент, радиометр и болометр), ныне замененные различной «инфракрасной» техникой, были одинаково чувствительны к излучению любой длины волны. Этого нельзя сказать о фотоэлементе, который подобно глазу и фотопластинке может служить примером селективного (т. е. избирательного) приемника излучений.

Фотоэлемент основан на явлении фотоэффекта — способности некоторых веществ испускать электроны под действием падающего на них света. К числу таких веществ, например, относятся щелочные металлы (натрий, калий, цезий и другие). Если слой со щелочным металлом соединить с отрицательным полюсом аккумулятора, а вблизи поместить металлическое кольцо, на которое дан положительный потенциал, в цепи потечет ток, сила которого зависит от величины падающего на фотоэлемент излучения.

Некоторые из фотоэлементов обладают примерно такой же чувствительностью, как обычная фотопластинка. Другие работают в широком интервале спектра — от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. Для измерения излучений в разных частях спектра употребляются фотоэлектрические спектрофотометры, основой которых служат фотоэлементы.

В настоящее время на смену фотоэлементам практически повсюду пришли более сложные приборы — фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В этих приборах используется так называемая вторичная электронная эмиссия — явление, при котором достаточно энергичные электроны, ударяясь о поверхность проводника, могут выбить еще несколько электронов. Те в свою очередь «вышибают» новые электроны и тем самым первично слабый фототок в многокаскадном ФЭУ может быть значительно усилен. Чувствительность современных ФЭУ несравненно выше чувствительности прежних фотоэлементов.

Мы ограничимся этими примерами и обратимся теперь к особому, обширному и быстро прогрессирующему классу астрономической техники.

 

О будущем оптических телескопов

Естественное стремление увеличивать диаметр вновь создаваемых рефлекторов наталкивается на значительные технические трудности. Как уже говорилось, при очень большом поперечнике главного зеркала его вес становится существенной помехой для всей конструкции телескопа. Приходится прибегать к сложным средствам, препятствующим прогибу зеркала под действием собственного веса и обеспечивающим легкое, плавное его перемещение вокруг двух осей. Система рычагов и воздушных подушек при любом положении телескопа должна «нейтрализовать» вес его зеркала примерно на 99,9 %. В противном случае параболическая поверхность зеркала заметно деформируется и изображения светил сильно искажаются.

Немалые трудности связаны с выбором для зеркала такого материала, который бы обладал практик чески неуловимым термическим расширением, На смену стеклу пришли пирекс, плавленый кварц, а в последнее время ситал, коэффициент расширения которою в сотни раз меньше коэффициента расширения обычного стекла.

Предложены проекты многозеркальных рефлекторов. В одном из таких проектируемых телескопов шесть вогнутых зеркал диаметром 1,83 м каждое собирают от светила излучение, которое затем с помощью двух небольших диагональных зеркал направляется в пространство между главными зеркалами. Такой многозеркальный рефлектор по эффективности равноценен 4,5-метровому однозеркальному телескопу, но стоимость его изготовления несколько ниже. Существует проект рефлектора из 25 зеркал, равноценного 7,6-метровому однозеркальному телескопу, но, увы, у такого рода оптических систем есть существенный недостаток: неискаженное поле зрения у них очень мало и качество изображений светил невысокое.

Заметим, что стоимость телескопа пропорциональна квадрату его диаметра, а трудности его изготовления (с увеличением диаметра) возрастают в еще большей степени. Поэтому астрономы и оптики стремятся найти принципиально новые оптические схемы).

Еще в 20-х годах текущего века вместо параболического главного зеркала было предложено употреблять гиперболическое. Если и второе зеркало в рефлекторе такого типа сделать гиперболическим, то можно получить большое поле практически неискаженных изображений. Такие апланатические, как их называют, оптические системы бесспорно являются перспективными.

Еще интереснее проекты объединения нескольких телескопов в одну оптическую систему. Для этого изображение светила с помощью телевидения должно быть введено в память ЭВМ, где оно может накапливаться сколь угодно долго. Естественно, что ЭВМ может суммировать изображения от нескольких теле скопов, даже если они установлены на разных обсерваториях. Подобные устройства в некоторых проектах оказываются равноценными однозеркальному рефлектору с диаметром 100 метров! Если такие системы войдут в строй в ближайшее время, к концу века нам станут доступны объекты 30-й звездной величины, то есть, иначе говоря, радиус изучаемой нами части Вселенной увеличится в 10 раз!

Еще в прошлом веке астрономы начали строить обсерватории на вершинах гор, где воздух чище, спокойнее и изображения светил гораздо лучше, чем на уровне моря. Будущие оптические телескопы, несомненно, будут устанавливаться в районах с отличным астроклиматом, то есть с атмосферными условиями, максимально благоприятными для астрономических наблюдений.

Наземная оптическая астрономия далеко еще не сказала свое последнее слово. По-прежнему большие оптические телескопы выгоднее устанавливать на Земле, чем выводить на космические орбиты. Земные обсерватории будут успешно служить науке по крайней мере еще много десятилетий.