Обычный человек за всю жизнь своими глазами видит и узнает лишь три объекта Солнечной системы – Солнце, Луну и Землю. Любитель астрономии, пользуясь указаниями астрономического календаря или собственным опытом, узнает на ночном небе еще и Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. А если у любителя есть хороший бинокль или небольшой телескоп, то становятся доступными галилеевы спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), крупнейший спутник Сатурна (Титан), а также самые далекие планеты – Уран и Нептун. В сумме – 14 тел. А в Солнечной системе, если верить астрономическим справочникам, обнаружено уже более 500 тысяч объектов! Где же они? Как их открыли? Можно ли их увидеть с Земли или нужно лететь к ним на ракете? Как астрономы собираются их изучать?

 

Небо дневное и ночное

Жителям Земли выпала редкая удача, на которую мы почти не обращаем внимания: над нами простирается бездонное небо. Тонкая воздушная оболочка, отделяющая живой мир Земли от безбрежного и опасного космоса, обладает удивительными, почти несовместимыми качествами: она оберегает нас от губительных космических излучений, и в то же время она настолько прозрачна, что позволяет видеть и изучать самые далекие планеты и звезды. Первое из этих качеств вполне закономерно, зато второе – воистину удивительно. Не будь атмосфера Земли способной создавать условия для жизни, не было бы самой жизни и этих строк в книге. Но почему атмосфера позволяет нам видеть Вселенную? Это уже не закономерность, а игра случая. Наша атмосфера вполне могла бы быть заполнена рассеивающим свет туманом, который практически не влияет на фотосинтез, но губит изображения. Поэтому астрономы считают своим профессиональным счастьем прозрачность воздушного слоя, эквивалентного по массе 10 метрам воды! С такой глубины морские животные не видят звезд, а мы их видим со дна воздушного океана.

Говорят, человек стал человеком, когда разогнул спину и поднял взгляд вверх. Действительно, это легкое движение меняет масштаб мироздания. Глядя вниз, мы видим лишь поверхность Земли на расстоянии 1–2 метров от наших глаз, не ближе и не дальше. Зато, посмотрев вверх, мы каждый раз видим новую даль: вот кучевое облако – до него метров 500, а рядом с ним видны перистые облака – до них километров 10, а вот между облаками проглянуло Солнце – до него аж 150 миллионов километров. Значит, днем наш взгляд углубляется в космос на сотни миллионов километров. Впрочем, лучу света на такое путешествие требуется менее 10 минут. Но вот наступает ночь. Если это конец июня в средних широтах, то вполне возможно, что на севере невысоко над горизонтом блестят серебристые облака – до них 100 км. А вот озарили небо сполохи полярного сияния – до них 1000 км; взошла Луна – до нее почти 400 тыс. км, но луч света пролетает это расстояние за секунду. Рядом с Луной блестят звезды – их свет идет к нам сотни лет. А если присмотреться внимательнее, то увидишь бледное пятнышко в созвездии Андромеда – это далекая галактика, Туманность Андромеды, свет от которой добирался до нас 2 млн лет! Такова глубина ночного неба для наблюдателя, не вооруженного никакими техническими средствами.

Впрочем, наш глаз сам по себе – замечательный оптический прибор. Он совершенствовался миллионы лет и стал очень чувствительным и зорким. Восприимчивость глаза к слабому свету выше, чем у самой хорошей фотопленки, и практически не уступает чувствительности ПЗС-матрицы электронного фотоаппарата. Ночью глаз видит тусклые звезды, а днем спокойно переносит яркий солнечный свет, от которого вмиг чернеет любая фотопленка.

По четкости изображения с нашим глазом могут соперничать только лучшие фотоаппараты с дорогими объективами. Здоровый глаз различает по отдельности вот эти две точки (:) с расстояния в 3–5 м. Можете проверить! При этом угол между прямыми, проведенными от зрачка к этим точкам, составляет всего 1–2′. Правда, такой четкостью изображения глаз обладает только в центре поля зрения: если мы смотрим на предмет в упор, то видим мельчайшие детали, но стоит немного отвести взгляд в сторону, как изображение расплывается, мелкие детали становятся неразличимыми. Зато недостаток четкости «бокового зрения» компенсируется его повышенной чувствительностью к свету. Если хотите увидеть тусклую звезду, то не смотрите на нее в упор, а немного отведите взгляд в сторону – почти наверняка вы заметите звезду боковым зрением.

Для наблюдения ночного неба глаза нужно готовить. Выйдя из ярко освещенной комнаты на темную улицу, мы вначале не замечаем звезды. Но если отойти от фонарей и подождать 5–7 минут, то наше зрение адаптируется к темноте, и на небе «появляются» сначала яркие, а затем все более слабые звезды. По остроте и чувствительности зрения в природе у человека почти нет соперников. Даже странно, что в ходе эволюции у человека выработалось настолько острое зрение. Зачем оно ему? Ведь не для того, чтобы заглядывать в глубины

Вселенной на миллионы световых лет? Но, так или иначе, мы, к счастью, обладаем такой способностью, и атмосфера Земли позволяет нам видеть космос.

А почему ночью видно дальше, чем днем? Ответ прост: потому что ночью небо темное. Отсутствие солнечного света, рассеянного в воздухе, позволяет ночью заметить слабый свет далеких звезд и планет. Если по какой-то причине рассеянный свет Солнца ослабнет, например произойдет полное солнечное затмение, то яркие звезды и планеты станут видны и днем. Так же хорошо они видны в открытом космическом пространстве и с поверхности Луны. Почему же рассеянный в атмосфере солнечный свет скрывает их от нас? Ведь свет самих звезд при этом не ослабевает.

Чтобы понять это, нужно вспомнить механизм нашего зрения. Свет попадает в глаз через зрачок. Глазные линзы – роговица и хрусталик – фокусируют свет и создают изображение на задней поверхности глаза, покрытой светочувствительным слоем – сетчаткой. Она состоит из множества простейших приемников света – колбочек и палочек, каждая из которых передает в мозг информацию о потоке падающего на нее света, а мозг синтезирует из этих отдельных сигналов цельную картину увиденного. Глаз – сложный приемник информации; в некотором роде он подобен «умному» электронному устройству, например радиоприемнику. У глаза тоже есть система автоматической регулировки усиления, которая снижает его чувствительность при ярком свете и повышает ее в темноте. Есть у нашего зрения и система шумоподавления, которая сглаживает случайные флуктуации светового потока, как по времени, так и по поверхности изображения. Эта система имеет определенные пороговые характеристики. Поэтому, например, мы не замечаем быстрой смены изображений (принцип кино); не замечает наш глаз и малых флуктуаций яркости.

Когда мы наблюдаем звезду ночью, поток света от нее на один элемент сетчатки (ночью работают в основном палочки) хотя и мал, но существенно превосходит поток от темного неба, падающий на соседние элементы. Поэтому мозг фиксирует это как значимый сигнал. Но днем на все светочувствительные клетки сетчатки попадает так много света от неба, что небольшая добавка в виде света звезды, приходящая на одну из них, не ощущается мозгом как реальное различие потоков света, а «списывается на флуктуации». Звезда может стать видимой на фоне дневного неба только в том случае, если поток света от нее сравним с потоком от площадки голубого неба, которую зрачок проецирует на одну колбочку или палочку. Угловой размер такой площадки называется разрешающей способностью человеческого глаза и составляет 1–2′.

Рис. 3.1. Опыт Перельмана.

Много это или мало? Рублевая монета (диаметр около 21 мм) видна под углом в 1′ с расстояния 72 м. С меньшего расстояния мы различаем ее диск, с большего – видим как точку. По остроте зрения среди животных мало кто может сравниться с человеком. Пожалуй, в этом отношении нам не уступают лишь обезьяны, крысы и хищные птицы. А вот кошка, курица или лошадь видят во много раз менее четко. Что уж говорить о хомячке или пчеле, которые не могут различить даже диски Луны и Солнца: эти светила кажутся им такими же «точками», как нам звезды и планеты (которых хомячки вообще не замечают). Кстати, обычный человек не отличит звезду от планеты: они нам кажутся точками одинакового размера. Но встречаются счастливцы с особенно острым зрением, которые различают спутники Юпитера и даже видят Венеру в форме серпа (ведь у нее те же фазы, что и у Луны). Эти «остроглазые» и тусклых звезд видят больше, чем прочие люди.

Простой опыт, описанный Яковом Перельманом в его «Занимательной астрономии», показывает, почему исчезают звезды при дневном свете: «В боковой стенке картонного ящика пробивают несколько дырочек, расположенных наподобие какого-нибудь созвездия, а снаружи наклеивают лист белой бумаги. Ящик помещают в темную комнату и освещают изнутри: на пробитой стенке явственно выступают тогда освещенные изнутри дырочки – это звезды на ночном небе. Но стоит только, не прекращая освещения изнутри, зажечь в комнате достаточно яркую лампу – и искусственные звезды на листе бумаги бесследно исчезают: это „дневной свет“ гасит звезды».

Из всех звездообразных объектов лишь очень яркая Венера иногда видна на дневном голубом небе. Но и ее увидеть очень непросто: небо должно быть идеально чистым, и нужно хотя бы приблизительно знать, в каком месте на небе в данный момент она находится. Все остальные планеты и звезды имеют блеск значительно слабее, чем у

Венеры, поэтому увидеть их без телескопа днем совершенно невозможно. Впрочем, некоторые астрономы утверждают, что им удавалось днем наблюдать Юпитер, который раз в 7–8 бледнее Венеры. Но это возможно лишь при идеальных условиях: ранним утром, пока Солнце еще поднялось невысоко и атмосфера чистая; Юпитер должен быть в максимуме блеска, проецироваться на самую темную область голубого неба и располагаться рядом с заметным объектом – Луной. Только при таком сочетании условий и известной настойчивости некоторым наблюдателям (не всем!) удавалось заметить Юпитер днем. А вот ярчайшую звезду нашего небосвода – Сириус, поток света от которого почти в 15 раз слабее, чем от Венеры, и вдвое слабее, чем от Юпитера, пока еще никому не удалось увидеть днем на уровне моря. Говорят, что Сириус видели днем высоко в горах, на фоне темно-голубого неба. Это не удивительно: яркость неба высоко в горах значительно меньше, чем на уровне моря.

 

Небо разных эпох и разных планет

Мы так привыкли к виду земного неба, что обычно не задумываемся, почему оно такое, всегда ли оно было и останется таким, как выглядит небо иных планет? А некоторые любознательные люди с давних пор задавались этими вопросами. Например, почему небо голубое? Пытаясь объяснить этот общеизвестный факт, различные гипотезы предлагали Леонардо да Винчи (1452–1519), Исаак Ньютон (1643–1727), Иоганн Гёте (1749–1842) и Леонард Эйлер (1707–1783). Каждый из них считал, что сам воздух бесцветен, а голубую окраску ему придают какие-то примеси. Глядя, как из камина поднимается голубоватый дым, Леонардо да Винчи думал, что цвет неба тоже создается рассеянными в воздухе похожими на дым мелкими частицами. Ньютон полагал, что дневное небо окрашивают мельчайшие капельки воды, но и он заблуждался. Оказалось, что даже самый чистый горный воздух все равно окрашен в голубой цвет, а все из-за молекул самого воздуха.

Это открытие было сделано всего лишь 110 лет назад. Английский физик лорд Рэлей опубликовал в 1899 г. работу «О свете от неба, его поляризации и цвете», в которой доказал, что голубые лучи солнечного света рассеиваются в атмосфере не какими-то примесями, а самими молекулами воздуха. Еще раньше, в 1871 г., Рэлей вывел закон отклонения лучей света мелкими частицами вещества. Закон рэлеевского рассеяния гласит: чем голубее свет, тем сильнее его рассеивают очень мелкие частицы. Основываясь на нем, Рэлей объяснил голубой цвет неба. В XX в. физики Мариан Смолуховский (1872–1917) и Альберт Эйнштейн (1879–1955) уточнили теорию Рэлея. Они обнаружили, что солнечный свет рассеивают не столько сами молекулы, сколько их небольшие группы, постоянно возникающие и распадающиеся из-за случайных флуктуаций плотности. Но все же главная идея этого открытия принадлежит Рэлею. Кстати, полное имя ученого, открывшего тайну голубого неба, – Джон Уильям Стретт (1842–1919), а титул лорда Рэлея III он унаследовал в 1873 г. от своего отца. Его сын, Роберт Джон Стретт (1875–1947), ставший лордом Рэлеем IV, тоже был известным физиком, он изучал атмосферу. Чтобы не путать двух ученых, отца обычно называют Рэлеем Рассеивающим, а сына – Рэлеем Атмосферным.

На фоне голубого неба особенного красивы белые облака. Кстати, почему они белые? Оказывается, их цвет объясняется свойствами мелких частиц, летающих в воздухе; их называют аэрозолями. К ним относятся и частицы облаков – мельчайшие капельки воды величиной в сотые доли миллиметра. Но все же эти капельки гораздо крупнее молекул воздуха, поэтому солнечные лучи они рассеивают иначе: одинаково, независимо от их цвета. Поэтому облака того же цвета, что и Солнце: днем белые, а на закате оранжевые.

Тут самое время спросить: «А почему на закате и на восходе солнечный диск красновато-оранжевый?» Впрочем, у горизонта краснеет не только Солнце, но также и Луна, и любое другое небесное светило. Зная о рэлеевском рассеянии, мы легко объясним и это явление. Синим лучам сложнее всего пройти через атмосферу – их рассеивает даже чистый воздух. А толстый слой воздуха рассеивает также зеленые и даже желтые лучи. Когда Солнце высоко над горизонтом, до нас доходит весь его свет, кроме некоторой части голубого, когда же оно приближается к горизонту, нас достигает все меньше его голубых, зеленых и желтых лучей. У самого горизонта слой воздуха вдоль луча зрения особенно толстый, поэтому из всех цветов заходящего и восходящего Солнца сквозь воздух пробивается лишь красный, да и то сильно ослабленный.

Днем больно смотреть на Солнце – оно очень яркое. Зато вечером его диск светится мягко и не режет глаза. Как вы думаете, во сколько раз чистая безоблачная атмосфера ослабляет блеск светила? Когда оно опускается до высоты 15° над горизонтом, его яркость ослаблена атмосферой лишь вдвое по сравнению с той, какая была бы в зените. Когда высота составляет 5° (для Луны и Солнца это 10 их видимых диаметров), яркость становится меньше примерно в 10 раз. А у самого горизонта блеск светила ослаблен в несколько тысяч раз!

Почему же у горизонта столь велико поглощение света? Когда мы видим светило у горизонта, его луч проходит длинный путь вдоль поверхности Земли, преодолевая слой атмосферы почти в 40 раз более толстый, чем когда светило наблюдается в зените. Чтобы ощутить, насколько трудно лучам света пробиться сквозь атмосферу на закате, проделайте простой опыт: направьте настольную лампу себе в лицо и поместите перед глазами чистый лист белой бумаги. Яркость света весьма высока. Теперь добавьте второй лист… третий… Вам не понадобится и десяти листов, чтобы полностью преградить путь свету.

Необходимость учитывать рассеяние света в атмосфере Земли создает астрономам множество хлопот. И все же это большая удача, что воздушная оболочка нашей планеты, сохраняя на ней жизнь, позволяет видеть космос. Но всегда ли атмосфера Земли благоприятствовала наблюдениям Вселенной? Никто не знает точно, каким было небо Земли в древности; об этом можно лишь догадываться. Вид неба зависит от свойств атмосферы, которые меняются со временем. Ученым уже кое-что известно об эволюции земной атмосферы в прошлом. К тому же ее можно сравнивать с атмосферами других планет, которые отстали от Земли в своей эволюции или обогнали ее.

Сейчас в атмосфере Земли содержится по объему 78 % азота, 21 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа и немного водяного пара. Но атмосфера не всегда являлась такой: в прошлом она была плотнее и состояла из других газов. Около 3,8 млрд лет назад, когда у Земли образовалась твердая гранитная кора, она была усеяна многочисленными вулканами. Через их жерла из недр Земли вырывались газы, формировавшие атмосферу и океан; в основном это были углекислый газ, водяной пар и азот. Кислорода тогда не было вовсе.

На Земле в ту эпоху было жарко, и она была немного похожа на современную Венеру, атмосфера которой очень плотная и на 96 % состоит из углекислого газа. На Венере, расположенной ближе к Солнцу, чем Земля, всегда было теплее, и поэтому эволюция атмосферы там шла иным путем. Если на остывающей Земле водяной пар сконденсировался в жидкость, и поверхность нашей планеты покрыл океан, то на Венере пар разрушился под действием солнечного излучения и улетучился в космос. Было это так: солнечный ультрафиолет расщеплял молекулы Н2O на водород и кислород. Подвижный водород покидал атмосферу Венеры в первую очередь, причем так интенсивно, что захватывал с собой и большую часть кислорода (планетологи называют это гидродинамическим оттоком газа из атмосферы). Но захватить с собой более тяжелые молекулы CO2 водородный поток не смог. Так атмосфера Венеры лишилась воды. А без воды, необходимой для связывания углекислого газа в известняк, молекулы CO2 накапливались в атмосфере и создали тот ад, который мы наблюдаем сейчас на Венере. Если на Земле зародившаяся жизнь способствовала удалению CO2 из атмосферы, то на Венере жизнь так и не возникла, ее атмосфера осталась плотной и до сих пор состоит из углекислого газа. Поэтому ученые считают, что Венера похожа на Землю далекого прошлого.

А какое небо на Венере? Оно там всегда затянуто густыми облаками, которые ураганный ветер мчит высоко над поверхностью планеты. Эти облака не очень плотные, они больше напоминают туман. Но их слой толщиной 30 км сильно поглощает солнечный свет, а остатки света рассеивает так, что днем не угадаешь, с какой стороны светит Солнце. Облачное небо Венеры окрашено в оранжевые тона, а у горизонта становится желто-зеленым. Ночью на Венере не видно звезд, лишь сполохи далеких молний и вулканических извержений подсвечивают облака. Вероятно, таким же было и небо юной Земли. В ту эпоху астрономам на ней нечего было бы делать.

Чтобы узнать будущее земной атмосферы, мы должны посмотреть на Марс. Из-за своей удаленности от Солнца он никогда не был особенно горячим, но, имея небольшую массу, он плохо удерживает летучие газы в своей атмосфере. Марс красный из-за того, что его водяной пар расщепился на водород и кислород; водород улетел в космос, а кислород окислил (покрыл ржавчиной) грунт. Отсутствие у Марса магнитного поля и мощная метеоритная бомбардировка тоже способствовали улетучиванию атмосферы. Странно, что Марсу вообще удалось хоть что-то сохранить. Сегодня его атмосфера в 100 раз тоньше земной. Она почти не препятствует астрономическим наблюдениям с поверхности планеты, но и жизнь на ней поддержать не в состоянии. Если Землю ожидает такая же судьба, то каким будет ее небо?

Днем на Марсе небо розовое из-за мелкой неоседающей пыли, которую ветер поднимает в период весенне-летних пылевых бурь. Сила тяжести на Марсе вдвое меньше, чем на Земле, поэтому пыль долго держится в воздухе. Поскольку атмосфера Марса очень разрежена, розовое небо там не такое яркое, как голубое небо Земли. Облака из водяных кристаллов на Марсе – редкое явление, слишком уж сухой там воздух. Зато над поверхностью иногда поднимаются плотные пылевые облака. Они обволакивают почти всю планету на многие дни и даже месяцы. Сквозь них не видны звезды и с трудом пробиваются лучи Солнца.

Ночью на Марсе прекрасно видны звезды, планеты и все прочие астрономические явления. Яркие стрелы метеоров вспыхивают там, вероятно, даже чаще, чем на Земле, поскольку в окрестности Марса движется больше мелких космических частиц, чем вблизи Земли. По утрам и вечерам, пока Солнце еще не взошло, марсиане (например, будущие колонисты с Земли) смогут любоваться двумя яркими светилами – Венерой и Землей. Впрочем, эти планеты, а также спутники Марса Фобос и Деймос должны быть легко заметны и днем, ведь безоблачное небо Марса довольно темное. Возможно даже, на нем видны некоторые яркие звезды, если Солнце находится не слишком близко от них и его рассеянный свет не мешает наблюдениям.

Итак, на Венере звезд не видно даже ночью, а на Марсе они видны и днем. Лишь на земном небе каждому светилу предоставлено свое время суток.

Пока наша Земля идет «марсианским» путем: она тоже теряет атмосферу, прежде всего водород, образующийся при расщеплении водяного пара. Мощность солнечного излучения растет, и высыхание Земли ускоряется. Сегодня водород оттекает из земной атмосферы «тонкой струйкой», так как основной носитель водорода – водяной пар – обычно не поднимается в стратосферу, где он может быть разрушен ультрафиолетом. Пар конденсируется в нижних слоях атмосферы и падает дождем обратно на поверхность. Но Солнце постепенно становится ярче, примерно на 10 % за каждый миллиард лет. Когда Солнце разогреет нашу планету и ее океаны, атмосфера станет более влажной, и струйка утекающего водорода превратится в могучий поток. Считается, что этот процесс станет ощутимым, когда яркость Солнца возрастет на 10 %, то есть через миллиард лет, и еще миллиард лет понадобится для осушения земных океанов. Земля станет пустынной планетой с крохотными полярными шапками и жалкими озерцами воды. Еще через два миллиарда лет Солнце так нещадно опалит Землю, что даже полярные оазисы исчезнут и последние остатки воды испарятся. Парниковый эффект усилится настолько, что начнут плавиться камни. Земля станет такой же безжизненной, как Венера. А дальнейшая эволюция Солнца, его превращение в красный гигант и усиление мощности свечения в сотни раз приведет к полной потере атмосферы. Земля станет похожа на современный Меркурий: место, идеальное для астрономических наблюдений и больше ни для чего.

Впрочем, в своих футуристических построениях мы зашли слишком далеко. Сегодня на Земле мы имеем идеальный баланс условий для жизни и наблюдения Вселенной. Чтобы в полной мере воспользоваться этими благами, астрономы изобрели телескоп.

 

Рождение телескопа

Тысячи лет астрономы изучали Вселенную без телескопа. Хотя стекло было известно египтянам еще в 3800 г. до н. э., да и финикийцы славились как стеклоделы, оптические свойства стекла были полностью оценены лишь в эпоху Средневековья. В XIII в. Роджер Бэкон одним из первых начал изучать свойства линз и зеркал. Очки появились в Италии около 1300 г., а к началу XVI в. оптические центры возникли в Германии и Голландии. Первая зрительная труба была сделана в Голландии в 1608 г., но трудно сказать, кем именно. Возможно, ее создали независимо друг от друга мастера очковых стекол Ганс Липперсгей, Яков Мециус и Захария Янсен. Кажется, Липперсгей был первым, кто для увеличения удаленных объектов применил комбинацию линз – положительную в качестве объектива и отрицательную как окуляр. Такая комбинация до сих пор используется в самых простых – театральных и детских – биноклях. Весной 1609 г. о голландском изобретении узнал в Италии Галилей и, не имея детального описания, сам за несколько недель разработал конструкцию и построил то, что теперь мы называем телескопом. Направив инструмент на небо, Галилей открыл новую эру в наблюдательной астрономии, о которой не мечтали его предшественники и которая продолжается до наших дней.

Галилей сделал много телескопов с диаметром объектива до 6 см, фокусным расстоянием до 170 см и увеличением до 35 раз. Они были устроены по одной схеме: объектив – плосковыпуклая или двояковыпуклая линза, окуляр – плосковогнутая или двояковогнутая. Изображение в таком телескопе прямое и довольно яркое, но поле зрения маленькое. Как все конструкции с простым объективом, телескоп Галилея страдал сильной сферической и очень сильной хроматической аберрацией.

Рис. 3.2. Слева: хроматическая аберрация. Стекло преломляет коротковолновый свет сильнее, чем длинноволновый, и фокус фиолетовых лучей (Оф ) лежит ближе к линзе, чем красных (Ок). При любом расположении экрана изображение звезды получается расплывчатым, в окружении цветного ореола. Справа: сферическая аберрация. Краевая зона сферической линзы фокусирует свет на меньшем расстоянии (точка С), чем центральная зона (точка D), и даже в области наилучшей фокусировки (плоскость fе ) точечный источник проецируется как пятно.

Рис. 3.3. Телескопы Галилея, хранящиеся в Музее истории науки, рядом с галереей Уффици, Флоренция. Трубы двух телескопов привязаны шелковыми ленточками к музейной подставке (это не штатив, которым пользовался Галилей!). Разбитый объектив третьего телескопа вставлен в виньетку из слоновой кости.

Сферическая аберрация возникает потому, что у линзы со сферическими поверхностями разные радиальные зоны имеют различное фокусное расстояние. Поэтому лучи, прошедшие вблизи центра и вблизи края линзы, собираются в разных точках и нигде не дают резкого изображения. Хроматическая аберрация возникает из-за того, что стекло имеет разный коэффициент преломления для лучей разного цвета, из-за чего простая линза не может собрать все лучи в одну точку: если в лучах одного цвета изображение звезды сфокусировано в точку, то вокруг нее виден расплывчатый ободок, образованный лучами других цветов. Сам Галилей боролся с этими недостатками линз, закрывая их внешнюю часть диафрагмой. Например, на одном из сохранившихся его телескопов (рис. 3.3) объектив диаметром 5.1 см задиафрагмирован до 2,6 см, а окуляр диаметром 2,6 см – до 1.1 см. Второй телескоп на рис. 3.3 имеет объектив 3,7 см, задиафрагмированный до 1,6 см. Этот прием частично помогал: изображение становилось более четким, но его яркость значительно снижалась.

Рис. 3.4. Ян Гевелий у одного из своих длинных телескопов.

После Галилея многие работали над усовершенствованием телескопа. В 1611 г. Иоганн Кеплер теоретически обосновал новую конструкцию, в которой окуляром служит положительная линза. Такой телескоп дает перевернутое изображение, но имеет значительно большее поле зрения. Впервые телескоп системы Кеплера изготовил иезуит Христоф Шейнер в 1613 г. Вскоре среди астрономов кеплерова труба полностью вытеснила «голландскую» (галилееву), поскольку перевернутое изображение не доставляло им хлопот. Но для морских подзорных труб и биноклей голландская схема использовалась еще долго, вплоть до изобретения призменного бинокля.

Исследуя сферическую аберрацию, Кеплер теоретически обнаружил, что ее можно устранить, придав линзам форму гиперболоидов. В 1637 г. Рене Декарт предложил для телескопов делать линзы с гиперболическими поверхностями, но попытки изготовить их оказались безуспешными. Марен Мерсенн в 1636 г. развил идею создания телескопа из двух параболических зеркал, высказанную иезуитом Николло Цукки двадцатью годами ранее. Но и эту идею не удалось тогда осуществить из-за сложности изготовления параболических поверхностей. Первый телескоп с отражательными поверхностями – рефлектор – был создан лишь три десятилетия спустя. А тем временем линзовый телескоп – рефрактор – продолжал совершенствоваться.

Рис. 3.5. Крупнейший, 150-футовый телескоп Яна Гевелия (1645 г.).

В середине XVII в. стало ясно, что сферическая и хроматическая аберрация значительно ослабевает при увеличении фокусного расстояния объектива. Ян Гевелий из Гданьска и братья Христиан и Константин Гюйгенсы одними из первых стали строить длинные телескопы. Крупнейший телескоп Гевелия имел объектив диаметром 12 см с фокусным расстоянием 45 м и на сложной системе тросов и блоков подвешивался на 27-метровой мачте. Христиан Гюйгенс укреплял объектив на небольшой платформе, скользящей вверх и вниз по мачте, а окуляр – отдельно на небольшой подставке, которую можно было переносить в поисках фокуса. Такой телескоп называли «воздушным», поскольку он не имел трубы.

Рис. 3.6. Воздушный телескоп Гюйгенса. Отдельно показаны объектив и окуляр.

Длина телескопов Гюйгенса в 1686 г. достигала 210 футов (64 м), а диаметр объективов – 22 см. Правда, свои знаменитые астрономические открытия – кольца Сатурна и его крупнейший спутник Титан, полярные шапки Марса и его вращение, межзвездные туманности и др. – Гюйгенс открыл за 30 лет до этого с помощью скромного 12-футового телескопа с объективом 5 см.

Итак, в XVII–XVIII вв. пользовались длинными рефракторами с фокусными расстояниями в десятки метров. Это было очень неудобно.

Роберт Гук придумал, как укоротить телескоп с помощью нескольких плоских зеркал, но выяснилось, что сделать хорошее плоское зеркало не так-то легко, и от идеи отказались.

Около 1663 г. Исаак Ньютон начал свои знаменитые опыты по отражению и преломлению света, в ходе которых он ясно понял различие между сферической и хроматической аберрацией. Однако он ошибочно полагал, что все вещества обладают одинаковой силой преломления, из чего заключил, что невозможно сделать линзовую систему, свободную от хроматической аберрации. (На самом деле – можно, если использовать линзы из разных сортов стекла.) Сделав такой вывод, Ньютон обратился к зеркальным системам, поскольку лучи любого цвета отражаются от зеркала одинаково. Вообще говоря, зеркальные телескопы предлагались и до Ньютона. Я уже упоминал об идеях Цукки и Мерсенна. Около 1664 г. Джеймс Грегори предложил телескоп с главным параболическим зеркалом и вспомогательным эллиптическим. Эта схема была свободна не только от хроматической, но и от сферической аберрации. Однако изготовить столь сложные зеркальные поверхности Грегори не смог.

Рис. 3.7. Оптические схемы телескопов-рефлекторов. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, Ок — окуляр.

Ньютон разработал методы шлифовки и полировки сложных зеркал. В 1668 г. он построил первый телескоп-рефлектор длиной всего 16 см с параболическим зеркалом диаметром 3,1 см. Упростив схему Грегори, он с помощью маленького плоского зеркала вывел фокус главного зеркала наружу сквозь отверстие в трубе телескопа. Такая конструкция тоже свободна от сферической аберрации. Ньютон делал зеркала из оптической бронзы или спекулума – сплава меди с оловом, имевшего блеск, сравнимый с блеском серебра. К сожалению, этот сплав из-за присутствия меди быстро тускнеет и требует переполировки. Но его использовали для астрономических зеркал вплоть до 1850 г., когда изобрели метод серебрения стекла.

Таблица 3.1

Открытия спутников планет в XVII–XIX вв.

Рефлектор иной системы, также свободной от сферической аберрации, предложил в 1672 г. француз Лоран Кассегрен (Laurent Cassegrain, 1629–1693), о котором мало что известно. И хотя Ньютон резко критиковал эту конструкцию, она широко используется до сих пор. Главное зеркало в ней параболическое, а вторичное – выпуклое гиперболическое. Свет выходит сквозь центральное отверстие в главном зеркале.

Для XVIII в. характерен быстрый прогресс в изготовлении рефлекторов. Английский оптик Джон Хэдли (Гадлей, 1682–1744) первым использовал оптический метод контроля формы зеркала. Шотландский оптик и астроном Джеймс Шорт (1710–1768) построил множество прекрасных телескопов по схеме Грегори. А Вильям Гершель с помощниками создал в 1789 г. крупнейший по тем временам телескоп с зеркалом диаметром 126 см и фокусным расстоянием 12 м; с этим «Великим 40-футовым» мы уже познакомились в главе 2. Заметим, что в нем впервые было реализовано наблюдение в главном фокусе, смещенном к краю апертуры (система Ломоносова – Гершеля). После изобретения фотографии наблюдение в главном фокусе стало нормой.

Но и до появления фотопластинки большие рефлекторы уверенно демонстрировали свое главное преимущество – высокую проницающую способность, то есть позволяли замечать тусклые объекты. Вильям Гершель с помощью своего любимого «Большого 20-футового» диаметром 18 дюймов в 1787 г. открыл спутники Урана – Титанию и Оберон, имеющие блеск около 14m. До этого астрономы замечали спутники с блеском не слабее 11m, и вдруг – скачок сразу на три звездные величины (табл. 3.1). Результат Гершеля немного улучшил другой любитель астрономии – английский пивовар Уильям Ласселл (1799–1880), построивший близ Ливерпуля рефлектор диаметром 24 дюйма. И это было вполне закономерно: используя зеркало почти вдвое большей площади, он и продвинулся к вдвое более тусклым объектам. При этом Ласселл повторил рекорды Галилея, Кассини и Гершеля – открыл 4 спутника (он обнаружил Гиперион независимо от американских астрономов отца и сына Бондов). Любопытно, что вслед за Гершелем и лордом Россом Ласселл в 1855 г. тоже построил огромный 48-дюймовый рефлектор. Понимая, что Англия – не лучшее место для астрономических наблюдений, Ласселл установил свой гигантский инструмент в прекрасном районе – на острове Мальта. Однако, как и его предшественники, он не обнаружил новых спутников. Для этого требовался новый технологический рывок.

Фактически прорыв Гершеля не был превзойден в течение столетия. Лишь в самом конце XIX в. американский астроном Уильям Пикеринг смог продвинуться еще на две звездных величины, обнаружив спутник Сатурна Фебу, но дело тут было не в качестве телескопа: Феба стала первым спутником, открытым с помощью фотографии. Вообще говоря, этот факт обескураживает: фотоэмульсия обладает неоспоримым преимуществом перед нашим зрением: она может долго накапливать свет тусклых звезд. Почему же в течение полувека развития фотографии глаз выдерживал конкуренцию с фотокамерой?

 

Глаз и телескоп

Вначале этой главы мы уже говорили об особенностях зрения. Если продолжить сравнение нашего глаза с оптической техникой, созданной человеком, то придется перевести разговор со старых фотоаппаратов на современные видеокамеры. Наши глаза, как хорошая камера, имеют собственный «процессор», передающий в мозг уже частично проанализированную и исправленную картину увиденного. У электронных устройств есть система стабилизации изображения, делающая незаметным дрожание рук оператора – глаз тоже имеет систему, которая стремится сделать незаметными для нас дрожание головы и глазного яблока, смазывающее «картинку». Эта же система работает при визуальном наблюдении в телескоп: наше зрение компенсирует атмосферное дрожание и размытие изображения, чего фотокамера делать не умеет. Точнее, не умела до недавних пор, но об этом чуть позже.

Каждый орган человека становится более умелым в результате тренировки – и руки пианиста, и ноги балерины. Оказывается, что и глаза тоже можно научить видеть лучше. Известно, что первый опыт наблюдения в телескоп часто обескураживает. «Я не вижу никаких деталей», – сетует начинающий наблюдатель, глядя на Марс или даже на огромный Юпитер. А опытный астроном с помощью того же телескопа составляет подробные карты поверхности планет: у него «тренированный глаз», он научился настраивать свое зрение на астрономические наблюдения. До определенной степени этому может научиться каждый, если будет систематически наблюдать небо. Но и природные данные тоже важны, так же как у пианистов и балерин. У большинства людей практический предел при наблюдении звезд или звездообразных объектов, таких как спутники планет или астероиды, лежит между 5 m и 6m. Но возможности глаза улучшает оптика. Даже применение простого полевого бинокля 7x50 (т. е. 7-кратный с объективами диаметром 50 мм) делает доступными звезды 9 m . В телескоп можно увидеть еще более тусклые звезды, хотя наблюдение в окуляр одним глазом немного снижает общую чувствительность зрения.

Таблица 3.2

Предельная звездная величина (V Lim ) при визуальных наблюдениях

* Наблюдение ведется двумя глазами.

Табл. 3.2. демонстрирует возможности нашего зрения, усиленные оптической техникой. В третьей колонке указано примерное расстояние, на котором глаз различает свет обычной свечи. Нужно помнить, что таблица составлена для среднего человека, а некоторые астрономы-наблюдатели отличаются повышенной чувствительностью зрения (и большим опытом наблюдений!), поэтому способны продвинуться еще на 1m.

 

Эволюция телескопа

Итак, в XVIII в. вперед вырвался рефлектор с металлическим зеркалом. Но в эти же годы постепенно совершенствовалась и конструкция рефрактора. Важнейшим событием в оптике стало открытие ахроматического объектива. Это сделал в 1729 г. адвокат Честер Мур Холл, заметивший, что объектив, составленный из двух линз – выпуклой из легкого стекла крона и вогнутой из тяжелого флинта (соответственно с ничтожной и с большой примесью окиси свинца), – не окрашивает изображений. Такой «дублет» имел значительно меньшую хроматическую аберрацию, чем длиннофокусные одиночные линзы. Холл никак не закрепил за собой это изобретение. Знавший об открытии Холла Джон Доллонд в 1760 г. взял патент и стал выпускать ахроматические объективы. Но они были небольшого размера, не более 10–13 см, и качество стекла, особенно флинта, было невысоким. Поэтому конкурировать с зеркалами Шорта и Гершеля они не могли.

Однако ситуация изменилась после того, как швейцарец Пьер Луи Гинан после многих экспериментов, проводившихся в 1784–1790 гг., научился отливать заготовки линз из флинта великолепного качества. Сначала их диаметр был 13–15 см, но к 1820-м гг. он достиг 30–45 см. Одним из секретов успеха, ревностно охраняемых Гинаном, например, было то, что значительно более высокая однородность стеклянной массы достигалась при ее размешивании мешалкой из огнеупорной глины, а не из дерева. С 1806 по 1814 гг. Гинан работал в Германии, где его учеником был Йозеф фон Фраунгофер (1787–1826), быстро постигший искусство стекловарения и ставший ведущим оптиком Германии. Один из его лучших рефракторов диаметром 24 см в 1824 г. приобрела Россия для Дерптской обсерватории (ныне г. Тарту, Эстония), где этот телескоп до сих пор и находится. В нем впервые была применена современная экваториальная установка с двумя осями – осью склонения и перпендикулярной к ней полярной осью, вокруг которой инструмент непрерывно поворачивался часовым механизмом со скоростью вращения Земли, но в обратном направлении. После введения в астрономию фотографии, требовавшей длительных экспозиций, такая монтировка телескопов стала абсолютно необходимой. На рефракторе Фраунгофера впервые был установлен и окулярный микрометр, с помощью которого В. Я. Струве в 1837 г. первым измерил параллакс звезды, Веги. Таким образом, дерптский рефрактор Фраунгофера стал прообразом современных телескопов и позволил осуществить прорыв в астрономии – впервые измерить расстояния до звезд.

Рис. 3.8. Вверху: рефрактор Дерптской обсерватории работы Фраунгофера. Весьма оригинальна система разгрузки трубы: две штанги с шарами препятствуют гнутию телескопа. Внизу: разрез здания обсерватории, сохранившегося без существенных изменений до наших дней.

К середине XIX в. все обсерватории мира стали пользоваться рефракторами, оказавшимися для астрометрических целей значительно удобнее рефлекторов с их быстро тускнеющими бронзовыми зеркалами. Да и проницающая способность рефракторов оказалась более высокой: в 1848 г. спутник Сатурна Гиперион позволили заметить только два телескопа – 24-дюймовый рефлектор Ласселла и 15-дюймовый рефрактор Бондов, в то время крупнейший в мире. Можно сказать, что в этот момент рефлекторы уступили свое первенство по «зоркости». Лишь отдельные энтузиасты продолжали строить крупные рефлекторы. Уже знакомый нам Уильям Парсонс (лорд Росс) построил несколько 91-сантиметровых ньютоновских рефлекторов, а в 1845 г. создал колоссальный 182-сантиметровый рефлектор «Парсонстаунский левиафан», с помощью которого открыл множество новых деталей в туманностях, в частности спиральную структуру некоторых из них, оказавшихся галактиками.

Перелом в судьбе телескопов-рефлекторов наступил в 1853 г., когда Юстус фон Либих предложил метод выделения металлического серебра из раствора нитрата серебра для наружного покрытия стекла тонкой отражающей пленкой. В 1856 г. немецкий физик Карл Август фон Штейнгейль и независимо от него французский физик Леон Фуко применили этот метод для изготовления астрономических зеркал. С этого момента почти без исключений зеркала телескопов делали из стекла, которое легче бронзы и проще в обработке. К тому же серебряная пленка лучше отражает свет, чем полированный спекулум. Когда слой серебра тускнеет, его просто смывают и наносят новый; металлическое же зеркало в этом случае необходимо заново полировать.

Рис. 3.9. Ахроматический двухлинзовый объектив. Пунктирные линии показывают ход лучей в том случае, если бы свет прошел только сквозь положительную линзу. Вторая, отрицательная линза обладает сильным обратным хроматизмом. Она удлиняет фокусное расстояние и сводит оба цвета в одном фокусе (0).

Развив метод Хэдли, Фуко предложил новый способ проверки сферической формы зеркала. Он освещал его через маленькое отверстие, помещенное чуть в стороне от центра кривизны сферы, и рассматривал изображение этого отверстия, образованное рядом с ним отраженными лучами. Это же делал 200 лет назад и Хэдли. Но Фуко рассматривал изображение не на экране, как Хэдли, а глазом, поместив перед ним пластинку с острым и ровным прямолинейным краем – «нож». Двигая ее, Фуко наблюдал, как изменяется освещенность поверхности зеркала, и по форме тени легко определял отклонение поверхности от идеальной сферы. Этот метод настолько прост и чувствителен, что «нож Фуко» до сих пор применяется при изготовлении зеркал.

Рис. 3.10. Крупнейший в мире Йерксский рефрактор (1897 г.) диаметром 40 дюймов (102 см), установленный чуть севернее г. Чикаго, на берегу небольшого озера Женева.

В то время как технология изготовления рефлекторов во второй половине XIX в. быстро совершенствовалась, эволюция рефрактора практически остановилась. Современные рефракторы мало изменились с эпохи Фраунгофера. Правда, улучшились качество и ассортимент оптического стекла, но полностью победить хроматическую аберрацию все равно не удалось. Ее сводят к минимуму лишь в небольшой области спектра: в желто-зеленой, если телескоп предназначен для визуальных наблюдений, и в голубой, если для фотографических. Оба крупнейших в мире рефрактора, Ликский и Йерксский, – визуальные, с объективами диаметром около 1 м. Оба были построены в конце XIX в. и установлены на экваториальных монтировках немецкого типа, какие делал Фраунгофер. Заготовки для линз их объективов были отлиты во Франции, а сами объективы изготовила знаменитая американская фирма «Алван Кларк и сыновья».

Рис. 3.11. Ликский рефрактор (1888 г.) диаметром 36 дюймов (91 см), установленный на горе Гамильтон в Калифорнии.

Хотя ахроматические объективы уже применялись, рефракторы все равно делали весьма длинными. Отчасти это диктовалось желанием окончательно устранить хроматическую аберрацию, но были и другие соображения. Дело в том, что размер изображения в фокальной плоскости объектива зависит от его фокусного расстояния. У 40-дюймового Йерксского рефрактора фокусное расстояние 19 м, при котором угол в 0,5″, соответствующий высочайшей четкости изображений при абсолютно спокойной атмосфере, эквивалентен расстоянию 37 мкм в фокальной плоскости. Примерно такого же размера и зерно фотоэмульсии. Поэтому такой телескоп мог фиксировать на фотопластинках самые четкие изображения. Да и визуально рассматривать в него крупные изображения тесных двойных звезд и мелких деталей на поверхности планет было очень удобно. У Йерксского рефрактора диаметр лунного диска в фокусе получается около 17 см. Размер фотопластинок у этого телескопа 20x25 см, так что полная Луна легко умещается на них. Длиннофокусные рефракторы позволили получить прекрасные фотографии целиком всего лунного диска. Заметим, что астрономы для съемки неба всегда использовали не пленку, а именно стеклянные фотопластинки из-за их высокой жесткости: даже через 100 лет хранения они не деформируются и позволяют измерять относительное положение звездных изображений с точностью до 3 мкм, что для крупных рефракторов, подобных Йерксскому, соответствует на небе дуге в 0,03″.

Рис. 3.12. З6-дюймовый двухлинзовый объектив (флинт + крон) для Ликского рефрактора (одна его флинтовая линза весит 170 кг).

Представление о крупнейшем в мире рефракторе дают следующие цифры: основание монтировки Йерксского телескопа имеет высоту Ими весит 50 т. Полярная и экваториальная оси вместе весят 5 т. Часовой механизм с приводом на большую шестерню в верхней части полярной оси весит 20 т. Труба телескопа имеет в длину 18,5 м и весит 6 т. У Ликского телескопа труба при длине 17,4 м и диаметре 1,22 м весит около 12 т.

Рис. 3.13. Английский астроном Чарльз Гровер (1842–1921) у своего рефрактора, укрепленного на экваториальной монтировке. Вращение вокруг полярной оси осуществляется через приводной вал гиревым часовым механизмом, скорость которого контролирует регулятор Уатта (его шары видны в прозрачной верхней части кожуха). Астроном сидит на лесенке с выдвигающимися ступенями-сиденьями, высота которых подбирается в зависимости от положения окулярного конца телескопа.

Рис. 3.14. Рефлектор с зеркалом диаметром 6,5 дюймов, изготовленный Дж. Браунингом в 1866 г. Иллюстрация: English Mechanic and Mirror of Science от 25 мая 1866 г.

Попытки создать рефракторы крупнее Йерксского оказались неудачными. Более крупные объективы для полноповоротных телескопов вообще никогда не изготавливались. На Парижской выставке 1900 г. демонстрировался неподвижный горизонтальный телескоп-рефрактор с объективом 125 см и сидеростатом (система из двух плоских вращающихся зеркал) для наведения на объекты, но для научной работы он не использовался. До тех пор, пока линзы делаются из стекла, изготовить объективы большего размера не удастся. Даже если оптическое качество стеклянного диска окажется превосходным, огромные линзы будут прогибаться под собственным весом.

Хотя в XX в. строительство рефракторов продолжалось, все они имели скромный диаметр (20–40 см) и предназначались либо для публичных обсерваторий, либо для фотографирования больших площадок неба, поскольку линзовый объектив легче сделать широкоугольным, чем зеркальный.

Рис. 3.15. Варианты выноса фокальной поверхности у телескопа системы Кассегрена. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, 3 – плоские диагональные зеркала, F – фокальная плоскость, δδ – ось склонения, tt – полярная ось телескопа.

Но зеркальные объективы имеют несколько важных преимуществ. Поскольку свет отражается от их наружной поверхности, оптическое качество стекла не имеет значения. К тому же зеркало можно поддерживать снизу, чтобы оно не гнулось. Его вес можно значительно снизить, придав ему форму пчелиных сот. Труба и монтировка у рефлектора, в котором тяжелое зеркало находится снизу, значительно проще, чем у рефрактора сравнимого размера, у которого объектив вынесен далеко от осей вращения. Все это определило победу крупных рефлекторов над достигшими своего предела рефракторами.

Сейчас в мире работают сотни крупных рефлекторов; около 30 из них имеют апертуру (полезный диаметр зеркала) более 4 м. Как правило, это телескопы со сменными вторичными зеркалами, что позволяет, в зависимости от задачи, вести наблюдения в первичном фокусе главного зеркала или по оптической схеме Ньютона, Кассегрена, Несмита или куде́ (от фр. coude – изгиб).

Рис. 3.16. Телескоп-рефрактор фирмы «Карл Цейсс», сделанный по схеме куде. При поворотах объектива расположенный в основании полярной оси окуляр остается неподвижным. Это удобно, особенно при проведении публичных демонстраций в планетариях и народных обсерваториях.

Рис. 3.17.100-дюймовый рефлектор «Хукер» обсерватории Маунт-Вилсон.

Каждая из них имеет свои преимущества. В первичном (главном) фокусе минимальны потери света, но неудобно работать, так как он находится на вершине телескопа, да и громоздкую аппаратуру там расположить нельзя. В фокусе Кассегрена больше масштаб изображения и удобнее работать (он внизу). Фокус Несмита, выведенный в ось склонений, и особенно фокус куде, выведенный в полярную ось, позволяют использовать тяжелую светоприемную аппаратуру, например спектрографы высокого разрешения.

Рис. 3.18. 200-дюймовый рефлектор «Хейл» обсерватории Маунт-Паломар: внешний вид и внутреннее устройство телескопа и его башни. Рисунки Р. У. Портера, выполненные по рабочим чертежам в 1939 г.

XX век стал эпохой триумфа больших рефлекторов. В первой половине века ими располагала обсерватория Маунт-Вилсон, созданная вблизи Лос-Анджелеса по инициативе Джорджа Эллери Хейла (1868–1938), блестящего астронома и организатора науки.

Рис. 3.19. Вид 200-дюймового телескопа «Хейл» с юго-востока.

Именно он в начале своей карьеры стимулировал создание 40-дюймового рефрактора и сам с 1895 по 1905 гг. возглавлял Йерксскую обсерваторию. Убедившись в ограниченных возможностях равнинных обсерваторий и рефракторов, Хейл с помощью Фонда Карнеги основал горную обсерваторию Маунт-Вилсон на юге штата Калифорния, на высоте 1742 м. Для изучения Солнца на ней были созданы крупнейшие в мире башенные телескопы, а первым «ночным» инструментом стал 60-дюймовый (1,5 м) рефлектор «Хейл», названный так в честь отца астронома, Уильяма Хейла, финансировавшего изготовление зеркала. Этот телескоп с 1908 по 1917 гг. дер жал мировое первенство и прославился выполненными на нем важными работами в области звездной спектроскопии и изучения галактик. Ныне этот инструмент завершил свою работу для науки и стал доступным для публики (в июне 2009 г. за полночи наблюдений на нем нужно было заплатить 900 долларов).

В 1917 г. на обсерватории Маунт-Вилсон начал работать 100-дюймовый (2,5 м) рефлектор «Хукер», остававшийся крупнейшим в мире до 1948 г. Его зеркало, оплаченное американским меценатом Дж. Хукером, отлили во Франции, а полировал его с 1910 по 1915 гг. знаменитый американский оптик и конструктор телескопов Джордж Ричи (1864–1945). Труба телескопа была укреплена во вращающейся прямоугольной раме, игравшей роль полярной оси. Имеющая две опоры – на северном и южном концах, такая монтировка (ее называют английской) обладает высокой прочностью, но не позволяет наблюдать звезды вблизи полюса. Этот телескоп знаменит тем, что на нем впервые был измерен размер некоторых звезд (А. Майкельсон и Ф. Пиз, 1920–1923 гг.) и с его помощью Э. Хаббл осуществил большинство своих исследований в «царстве туманностей». В 1985 г. работа на телескопе была прекращена, но его решили сохранить как реликвию. Однако в 1992 г. он был модернизирован и вновь стал использоваться.

Рис. 3.20. Рабочее место астронома (на фото Эдвин Хаббл) в «стакане» главного фокуса Паломарского телескопа. Внизу видно 5-метровое «око» телескопа.

В 1948 г. с помощью Рокфеллеровского фонда был создан и до 1975 г. оставался крупнейшим в мире 200-дюймовый (5 м) рефлектор «Хейл» на обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии. На этот раз телескоп был назван именем сына-астронома, Джорджа Эллери Хейла, организовавшего его строительство. Полярная ось телескопа тоже выполнена в виде рамы, но ее северная сторона сделана в форме подковы, что позволяет наблюдать околополярные звезды. Плавное вращение 540-тонного телескопа обеспечивается тем, что подковообразная опора «плавает» на тонком слое масла, нагнетаемом под давлением 20 атмосфер. На верхнем конце ферменной трубы телескопа находится небольшая кабина, в которой астроном ведет наблюдения в фокусе главного зеркала, на расстоянии 17 м от него. С помощью сменных вторичных зеркал телескоп может работать в системах Кассегрена или куде с эквивалентными фокусными расстояниями соответственно 81 или 152 м.

С 1975 по 1991 гг. крупнейшим был 6-метровый рефлектор БТА (Большой телескоп альт-азимутальный) Российской академии наук, установленный в Специальной астрофизической обсерватории (САО) близ станицы Зеленчукская на Северном Кавказе, на высоте 2170 м. Фокусное расстояние главного зеркала этого телескопа 24 м, масса главного зеркала – 42 т, а весь телескоп весит 850 т. Этот колоссальный инструмент был спроектирован Б. К. Иоаннисиани и построен в Ленинграде на фирме ЛОМО. Телескоп БТА завершил эволюцию классических рефлекторов с жесткими монолитными зеркалами. Требование жесткости при диаметре более 6 м делает их безнадежно тяжелыми. Уже создатели телескопа БТА в борьбе с весом были вынуждены искать нетрадиционные решения. БТА стал первым современным телескопом, установленным на альт-азимутальной монтировке, имеющей вертикальную и горизонтальную оси вращения. Это существенно упростило конструкцию телескопа (рис. 3.21) и уменьшило размер его башни, хотя для компенсации суточного вращения Земли приходится вращать инструмент вокруг двух осей с переменной скоростью. Теперь по такой схеме строят все крупные телескопы.

Нужно заметить, что зеркала телескопов давно уже не покрывают серебром. В 1930-е гг. Р. Уильямс, Дж. Стронг и Ч. Картрайт разработали технику алюминирования зеркал. Их помещают в вакуумную камеру, где под действием электрического тока испаряются алюминиевые проволочки, и тонкая алюминиевая пленка покрывает поверхность зеркала, сообщая ей лучшие отражающие свойства, чем это делало серебро. На воздухе отражающая поверхность тотчас же покрывается прозрачной пленкой окиси алюминия толщиной всего в один атом, которая не дает зеркальному слою тускнеть. Но все же раз в несколько лет зеркало приходится алюминировать заново, поэтому рядом с каждым крупным телескопом есть вакуумная камера соответствующего диаметра.

Рис. 3.21. 238-дюймовый телескоп БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН. На боковые площадки его монтировки выведены фокусы Несмита.

Мы еще вернемся к современным большим телескопам, а сейчас обсудим специализированные инструменты среднего калибра, играющие очень важную роль в исследовании Солнечной системы. Одна из проблем ее изучения заключается в том, что мы находимся внутри нее. Поэтому, чтобы искать новые объекты Солнечной системы и изучать уже открытые, астрономы должны наблюдать все небо, во всех направлениях. К сожалению, с помощью обычного рефлектора можно сфотографировать лишь маленькую область на небе. Основная причина в том, что эти телескопы страдают двумя аберрациями – комой и астигматизмом, которые сильно искажают изображения звезд при удалении от оптической оси телескопа. Например, в главном фокусе 5-метрового Паломарского рефлектора поле с хорошим изображением имеет размер почтовой марки и покрывает на небе площадку с угловым размером 2,5′х2,5′. Разместив перед фотопластинкой специальный линзовый корректор, можно частично исправить искажения на краях, увеличив размер хорошего поля зрения в 10–15 раз. Но и при этом классический рефлектор имеет небольшое поле зрения, едва достигающее углового размера Луны. С таким телескопом невозможно проводить поисковые или патрульные работы, когда за короткое время требуется сфотографировать значительную часть неба.

Широкоугольный телескоп был создан в 1932 г. эстонским оптиком Бернхардом Шмидтом (1879–1935) на Гамбургской обсерватории. Он использовал сферическое главное зеркало, поставив перед ним для исправления сферической аберрации тонкую линзу сложной формы, так называемую коррекционную пластину. Она очень трудна в изготовлении и, будучи размещена в центре кривизны, на удвоенном фокусном расстоянии от зеркала, делает трубу инструмента довольно длинной. Но преимущества этой системы так велики, что в мире уже создано немало подобных телескопов; их называют камерами Шмидта, поскольку используют только для фотографирования неба. Крупнейшая изготовлена фирмой «Карл Цейсс» и находится в обсерватории им. К. Шварцшильда близ Йены (Германия). Построенная в 1960 г., она имеет сферическое зеркало диаметром 200 см с фокусным расстояние 400 см и коррекционную пластину диаметром 134 см (рис. 3.22). Поле зрения хорошего качества при этом 4,7°х4,7°. Любопытно, что этот телескоп может также работать по схеме Несмита и куде.

Вторая по размеру камера Шмидта работает с 1948 г. на обсерватории Маунт-Паломар и имеет зеркало диаметром 183 см и пластину 122 см. На фотопластинке 35x35 см она фотографирует область неба размером 6°х6°. С помощью этого инструмента создан знаменитый Паломарский атлас неба и обнаружено множество астероидов и спутников планет.

Рис. 3.22. Двухметровая камера Шмидта обсерватории им. Карла Шварцшильда в Таутенбурге, близ Йены (Германия).

Но поскольку эта камера находится в Северном полушарии, ей недоступны наиболее южные части неба. Поэтому в 1973 г. в Австралии, на англо-австралийской обсерватории в Сайдинг Спринг была построена точно такая же камера для обзоров южного неба. Одним из крупнейших телескопов этого типа является также космический телескоп «Кеплер» (NASA), запущенный в марте 2009 г. Он имеет зеркало диаметром 1,4 м и пластину 0,95 м. Этот инструмент предназначен для поиска планет земного типа у других звезд.

В 1941 г. русский оптик Дмитрий Дмитриевич Максутов (1896–1964) изобрел новую систему широкоугольного телескопа. В ней тоже используется сферическое зеркало, но его аберрация устраняется не сложной коррекционной пластиной, как у Шмидта, а значительно более простым в изготовлении мениском – тонкой выпукло-вогнутой линзой со сферическими поверхностями.

Рис. 3.23. Телескоп системы Максутова-Кассегрена диаметром 102 мм на складном штативе с полувилочной монтировкой и автоматическим наведением. Мечта начинающего любителя астрономии! Телескоп снабжен искателем и окулярной призмой, позволяющей наблюдать в удобном положении. Максимальное штатное увеличение 240х. Прекрасно подходит для наблюдения Луны и планет. Изготовитель – фирма «Celestron»; цена – около 600 долларов.

Эта конструкция в разных модификациях нашла широкое применение при производстве как телескопов, так и длиннофокусных фотообъективов. Крупные камеры Максутова используют для массовой спектральной классификации звезд, помещая перед мениском тонкую стеклянную призму, превращающую изображение каждой звезды в ее маленький спектр. А среди любителей астрономии весьма популярны телескопы системы Максутова – Кассегрена, у которых вторичным зеркалом служит центральная часть мениска, покрытая отражающим слоем алюминия. У таких телескопов много преимуществ: при большом диаметре они короткие, обладают большим полем зрения и удобны в эксплуатации, поскольку мениск защищает зеркало от пыли и повреждений.

 

Где живет телескоп?

Небольшой телескоп может жить где угодно, даже в коробке под кроватью. Обычно так и бывает у любителей астрономии, обладающих легкими телескопами, которые на время наблюдений можно устанавливать на балконе, в саду или за городом на раздвижном штативе-треноге. Но профессиональные крупные инструменты размещают стационарно на территории особых научных учреждений – обсерваторий (от лат. observare — наблюдать).

Вообще обсерватория – это место, где ученые проводят регулярные наблюдения природных явлений. Наиболее известны астрономические обсерватории, в большинстве своем располагающие оптическими телескопами. Но существуют также радиоастрономические обсерватории, обсерватории по изучению космических лучей, а также метеорологические, сейсмологические и др.

В прежние времена астрономические обсерватории сооружали, как правило, вблизи университетов, но затем стали располагать на вершинах гор – подальше от плотных слоев атмосферы и крупных городов. Радиообсерватории часто строят в глубоких долинах, со всех сторон закрытых горами от радиопомех искусственного происхождения.

Телескопы – очень тонкие и чувствительные инструменты. Для защиты от непогоды и перепадов температуры каждый стационарный телескоп помещают в специальное здание – астрономическую башню. Небольшие башни имеют прямоугольную форму с плоской раздвигающейся крышей, а башни крупных телескопов обычно делают круглыми, с полусферическим вращающимся куполом, в котором для наблюдений открывается узкая щель. Такой купол хорошо защищает телескоп от ветра во время работы. Это важно, поскольку ветер раскачивает телескоп и вызывает дрожание изображения. Вибрация почвы и здания башни также плохо влияет на качество изображений, поэтому телескоп монтируют на отдельном фундаменте, отделенном от фундамента башни. Места для строительства оптических обсерваторий подбирают очень тщательно. Обычно это вершина горы: чем выше, тем тоньше слой атмосферы, сквозь который приходится вести наблюдения. Воздух должен быть сухим и чистым, желательно безветренным. Вблизи не должно быть городов с их ярким ночным освещением и смогом. Некоторые обсерватории располагаются в экстремальных условиях (рис. 3.24), поэтому там находятся только специалисты, которые работают посменно. Другие обсерватории размещаются в «компромиссных» местах, благоприятных для наблюдений и при этом сравнительно легко доступных, с хорошим климатом. Там многие наблюдатели живут постоянно, с семьями.

Желательно, чтобы крупные обсерватории были равномерно распределены по поверхности Земли: в этом случае в любой момент можно наблюдать любой небесный объект как на северном, так и на южном небе. Однако исторически сложилось, что большинство обсерваторий расположено в Европе и Северной Америке, поэтому небо Северного полушария изучено лучше. В последние десятилетия крупные обсерватории стали сооружать в Южном полушарии (Чили, Южная Африка, Австралия), а также вблизи экватора (например, на Гавайях), откуда можно наблюдать как северное, так и южное небо.

Рис. 3.24. Высокогорная обсерватория «Сфинкс» в Швейцарских Альпах на высоте 3570 м. Здесь занимаются инфракрасными исследованиями атмосферы и Солнца. В башне находится 76-сантиметровый кассегреновский рефлектор.

Как правило, на обсерваториях устанавливают несколько инструментов разного «калибра» и различной специализации. С помощью пассажного инструмента определяют моменты прохождения звезд через меридиан и таким образом уточняют скорость вращения Земли.

Это необходимо для службы точного времени, сигналы которого передаются по радио. Меридианный круг позволяет измерять не только моменты, но и место пересечения звездой меридиана. Это необходимо для создания точных карт звездного неба. Такие фундаментальные работы обычно проводят в крупных государственных обсерваториях: Морской обсерватории США, Королевской Гринвичской обсерватории в Великобритании, Пулковской и Московской обсерваториях в России.

Большинство телескопов имеет возможность поворачиваться вокруг одной или двух осей. К первому типу относятся меридианный круг и пассажный инструмент. Это небольшие телескопы, поворачивающиеся вокруг горизонтальной оси в плоскости небесного меридиана, проходящей через точки севера, юга и зенита. Двигаясь с востока на запад, каждое светило дважды в сутки пересекает эту плоскость. При этом в поле зрения телескопа светило непрерывно перемещается. Задача астронома – зафиксировать момент и место пересечения светилом небесного меридиана. Раньше это делали визуально, теперь – при помощи электронных камер.

Современные астрономы редко наблюдают в телескоп глазом. В основном телескопы используют для фотографирования небесных объектов или для регистрации их света или спектра с помощью различных электронных детекторов. Для таких работ требуется довольно длительное и чрезвычайно точное сопровождение объекта. Когда телескоп используется для фотографирования тусклых (астрономы говорят – слабых) небесных объектов, экспозиция может составлять несколько часов. Все это время телескоп должен быть нацелен точно на объект. Поэтому, как мы уже знаем, с помощью часового механизма он плавно поворачивается с востока на запад вслед за светилом, компенсируя этим вращение Земли с запада на восток. В принципе достаточно поворачивать телескоп вокруг одной оси, параллельной земной. Ее называют часовой осью, она-то и связана с часовым механизмом. Вторую ось, перпендикулярную часовой, называют осью склонений; она служит для исходного наведения телескопа на объект вдоль линии север – юг. Такую конструкцию механической части телескопа называют экваториальной монтировкой. Ее используют практически для всех телескопов, за исключением наиболее крупных, для которых более компактной и дешевой оказалась альт-азимутальная монтировка, когда телескоп следит за светилом, поворачиваясь одновременно с переменной скоростью вокруг двух осей – вертикальной и горизонтальной. Это значительно усложняет работу часового механизма, требуя компьютерного контроля.

Несмотря на наличие у телескопа высокоточного часового механизма, до недавних пор участие астронома-наблюдателя в процессе экспозиции было совершенно необходимым. Он был вынужден с помощью дополнительного телескопа-гида, укрепленного на главном инструменте, следить за точностью сопровождения объекта, компенсируя ошибки работы часового механизма, эффект атмосферной рефракции, а иногда – и атмосферное дрожание изображения. Он также должен был наводить телескоп на очередные объекты наблюдения, менять фотопластинки или переключать режимы электронной камеры, поворачивать купол башни, чтобы телескоп всегда был направлен в ее открытую щель. Все это приходилось делать в полной или почти полной темноте, чтобы зрение не теряло темновую адаптацию, фотопластинки не засвечивались, а электронные детекторы не страдали от яркого света. Максимум, что мог позволить себе наблюдатель, – это очень слабый свет темно-красного фонаря, почти не разрушающий ночное зрение. Поскольку в башне телескопа исключен какой-либо обогрев, неподвижное бдение у окуляра длинными зимними ночами требовало определенной «морозоустойчивости», а необходимость тонких движений ручками управления телескопом исключала наличие перчаток. При этом работа наблюдателя требовала большого навыка и порой граничила если не с искусством, то со спортом.

 

Современный телескоп

В последние десятилетия XX в. работа наблюдателя начала меняться. Были автоматизированы наведение телескопа на объекты наблюдения, движение купола вслед за телескопом и работа электронных детекторов света. На крупных телескопах были установлены автогиды – устройства, автоматически удерживающие телескоп точно наведенным на исследуемый объект. В результате постоянное присутствие наблюдателя у телескопа перестало быть необходимым, он снял тулуп и валенки и уютно устроился в отдельном теплом помещении перед экранами управляющих компьютеров. Фактически астронома у телескопа заменили инженеры у компьютера. Теперь работа ученого может ограничиваться тем, что днем он составляет программу ночных наблюдений. Но разве настоящий астроном позволит себе спать, когда на телескопе выполняются исследования по его программе? До утра в зале управления он помогает инженерам, чем может, а днем приступает к обработке полученных данных.

Рис. 3.25. Зеркало 5-метрового Паломарского рефлектора до алюминирования. Сделанное из пирекса (стекло с низким коэффициентом теплового расширения), оно благодаря сотовой структуре имело исходный вес 20 т, а после шлифовки и полировки – 14,5 т.

Стремление освободиться от рутинного труда и повысить эффективность работы телескопов привела к тому, что на некоторых обсерваториях были созданы полностью автоматические телескопы – так называемые патрульные камеры, постоянно фиксирующие вид звездного неба. Это необходимо для наблюдения переменных звезд, для поиска новых астероидов и комет, для регистрации метеоров и других неожиданных явлений. Появились также дистанционно управляемые телескопы: астроном теперь может сидеть в своем университетском кабинете, а послушный ему телескоп – располагаться на горной вершине тропического острова. Замечательно, что к некоторым таким телескопам-роботам открыт доступ для любителей астрономии (см.: ).

Рис. 3.26. Зеркало 3-метрового Ликского рефлектора на шлифовальном станке. Несмотря на сотовую структуру, жесткое зеркало даже сравнительно небольшого диаметра имеет изрядную толщину.

В последние годы создаются телескопы нового поколения с апертурой 8-10 м. Если бы зеркало такого диаметра изготавливалось по старой технологии, оно весило бы сотни тонн. Поэтому используются новые технические принципы: главное зеркало делается либо составным из нескольких небольших зеркал, либо настолько тонким, что само не может поддерживать свою форму и требует специальной механической системы. Крупнейшими сейчас являются 10-метровые телескопы-близнецы «Кек-1» и «Кек-2», установленные в обсерватории Мауна-Кеа (о. Гавайи), и Большой канарский телескоп (Gran Telescopio Canarias, GTC) на о. Пальма. Их зеркала собраны из 36 шестиугольных элементов диаметром по 2 м. Компьютерная система постоянно регулирует их относительное положение для согласованной работы как единого зеркала.

Рис. 3.27.120-дюймовый (305 см) рефлектор «Шейн» Ликской обсерватории (1959 г.).

Немного меньшего размера четыре телескопа VLT (Very Large Telescope), имеющие монолитные зеркала диаметром 8,2 м. Они установлены на вершине горы Серро-Паранал, расположенной в самом сердце безжизненной пустыни Атакама (Чили), в 12 км от тихоокеанского побережья, где условия для астрономических наблюдений почти идеальны. Этот комплекс принадлежит Европейской южной обсерватории (ESO) и успешно работает уже 10 лет. Приступил к работе и «Большой бинокулярный телескоп» (Large Binocular Telescope, LBT) в обсерватории Маунт-Грэхем (Аризона), имеющий на одной монтировке два 8,4-метровых зеркала.

Тут я должен заметить, что дата рождения большого телескопа – понятие не вполне определенное. Гигантский телескоп – очень сложная машина. Есть несколько моментов, которые можно назвать его «рождением»: установка главного зеркала, первый свет – получение первой фотографии неба, торжественное открытие с разрезанием ленточки в присутствии гостей и начальства (бутылку шампанского о телескоп не разбивают). Один из этих моментов указывают как дату рождения телескопа. Но его окончательная доводка обычно растягивается на годы. Крупные телескопы, как крупные животные, медленно растут и долго не стареют. Они живут и работают по 100 и более лет, постепенно приобретая все большие возможности и принося все более важные результаты. Нередко случается, что телескоп теряет возможность работать не потому, что сам постарел, а потому, что изменилась окружающая среда. Об этом мы поговорим в конце главы, когда речь пойдет об астроклимате. А сейчас – небольшое отступление.

У астрономов сложилась традиция давать крупным телескопам собственные имена. До сих пор это были имена знаменитых ученых или меценатов, чьи усилия и деньги способствовали рождению уникальных научных инструментов. Например, метровые рефракторы «Лик» и «Йеркс», 100-дюймовый рефлектор «Хукер», 10-метровые телескопы «Кек» были названы в честь меценатов, а телескопы 3-5-метрового диаметра «Хейл», «Гершель», «Мейол», «Струве», «Шейн» и «Шайн» – в честь известных астрономов. Уникальному космическому телескопу дали имя знаменитого американского астронома Эдвина Хаббла. Сотрудники ESO в Чили, создающие гигантскую систему VLT из четырех 8-метровых и трех 2-метровых телескопов, решили не отступать от этой традиции и тоже дать своим гигантам имена собственные. Надо сказать, что это очень удобно, когда длинные технические обозначения заменяют простыми именами. Учитывая местные традиции, этим телескопам решили дать имена, почерпнутые из языка народа мапуче, живущего в южной части Чили. Отныне восьмиметровые телескопы называют в порядке их рождения так: «Анту» (Солнце), «Куйен» (Луна), «Мелипаль» (Южный Крест) и «Йепун» (Венера). Красиво, хотя запомнить с первого раза сложновато.

Таблица 3.3

Шесть поколений телескопов-рефлекторов

Нужно сказать, что и сами астрономы поначалу запутались в этих именах. Назвав четвертый телескоп звучным индейским именем Йепун (Yepun), ученые перевели его смысл как «ярчайшая звезда ночного неба», а поскольку таковой является Сириус, то астрономы были уверены, что именем этой звезды они и назвали свой телескоп. Однако, когда «крестины» телескопов уже состоялись, некоторые специалисты по языкам усомнились в правильности этого перевода и провели дополнительные изыскания. Не так-то легко оказалось найти знатоков почти вымершего языка. Но все же удалось выяснить, что слово «йепун» означает не «ярчайшая звезда ночи» (т. е. Сириус), а «вечерняя звезда» и относится оно к планете Венере. Заметим, что индейцы мапуче, как и многие древние народы, не отождествляли «вечернюю звезду» и «утреннюю звезду» с одной планетой Венерой в ее разных положениях относительно Солнца, а считали их двумя разными светилами. Итак, четвертый 8-метровый телескоп ESO, нареченный как «Йепун», носит имя «вечерней звезды» – Венеры. Весьма достойное астрономическое имя, хотя и не такое «звездное», как было изначально задумано.

Хотя ни один большой телескоп не повторяет предыдущие, а несет в себе новые инженерные элементы, все же эволюцию крупнейших телескопов-рефлекторов можно представить в виде смены нескольких поколений (табл. 3.3).

Каковы же особенности наземных телескопов последнего, пятого поколения? Этих особенностей много: они и в материалах, и в технологиях, и в принципиально новых идеях, уже воплощенных или ждущих своего часа. Главная черта новых телескопов – отказ от жесткого зеркала. Теперь поддержание идеальной формы главного зеркала и вообще заданных оптических параметров телескопа возложено на систему активной оптики. Что это такое?

 

Активная оптика

Система активной оптики – это автоматическая система для поддержания идеальной формы и правильного расположения оптических элементов телескопа-рефлектора, прежде всего его главного и вторичного зеркал. Идеальную форму (параболоида, гиперболоида или сферы, в зависимости от оптической схемы телескопа) стараются придать зеркалам при их изготовлении на оптическом предприятии, но нередко при этом остаются невыявленные дефекты. В дальнейшем качество зеркал ухудшается при их транспортировке в обсерваторию и сборке телескопа в башне. Во время эксплуатации телескопа его элементы подвергаются переменным механическим и термическим нагрузкам, вызванным поворотами телескопа при его наведении на объекты наблюдения, суточными перепадами температуры и т. п. Особенно сильно искажают форму главного зеркала телескопа его повороты по высоте, они же приводят к переменному гнутию конструкции телескопа, сбивая настройку оптических элементов.

Исторически поддержание формы оптических элементов телескопа основывалось на их жесткости. Как мы уже знаем, к концу XIX в. телескопы-рефракторы приблизились к своему пределу: с ростом диаметра и веса линз поддерживать их форму становилось все сложнее, поскольку крепление линзы возможно лишь по ее периметру. Когда диаметр линзовых объективов достиг 1 м, технические возможности оказались исчерпаны: два крупнейших в мире линзовых телескопа: рефракторы Ликской (91 см) и Йерксской (102 см) обсерваторий – никогда не будут превзойдены, во всяком случае до тех пор, пока линзы делают из стекла, а сами телескопы располагаются на поверхности Земли, в условиях обычной силы тяжести.

Рис. 3.28. Принципиальная схема системы активной оптики, применяемой на Европейской южной обсерватории.

Проблему деформации объектива удалось решить путем перехода к телескопам-рефлекторам: жесткая монтировка телескопа поддерживает зеркальный диск объектива по всей его нижней поверхности, препятствуя изгибу. Теперь такие оптические системы называют пассивными. Вес зеркала удавалось значительно снизить без потери жесткости, придав ему форму пчелиных сот и оставив сплошной только верхнюю, зеркальную поверхность. Наконец, для наиболее крупных зеркал диаметром 2,5–6,0 м была разработана механическая система разгрузки. Она поддерживает зеркало снизу в нескольких точках так, что сила упора зависит от положения телескопа: чем ближе к зениту смотрит телескоп, а значит, чем более горизонтально расположено его главное зеркало, тем сильнее упираются в него снизу поддерживающие «пальцы», не позволяя зеркалу прогибаться. Фактически это стало первым шагом к системе активной оптики.

Рис. 3.29. Оправа главного зеркала одного из телескопов VLT. Видны выступающие вверх «пальцы» 150 актюаторов, управляющих формой 8,2-метрового зеркала.

Главная особенность современных астрономических систем активной оптики – электронная линия обратной связи, позволяющая контролировать качество изображения и при необходимости исправлять его, управляя деформацией главного зеркала и перемещая вторичное зеркало телескопа. Контроль выполняется по изображению гидировочной звезды, которая выбирается на небе вблизи от изучаемого объекта и одновременно используется для точного ведения телескопа за объектом (гидирования). Размещенный у выходного зрачка телескопа анализатор волнового фронта исследует изображение звезды, пропущенное через матрицу из множества небольших линз (например, 30x30 линз). Каждая линза строит изображение звезды, которое регистрируется ПЗС-камерой. Разработано несколько способов выявления кривизны волнового фронта: по взаимному положению изображений, построенных каждой линзой, по степени их контраста и др. Чтобы результат анализа не зависел от случайного атмосферного дрожания изображения, измерения накапливаются и усредняются на интервалах в 20–30 секунд. По данным анализатора волнового фронта компьютер вырабатывает управляющие сигналы, которые усиливаются и передаются на многочисленные механические домкраты (актюаторы), упирающиеся снизу с необходимым усилием в главное зеркало, а также слегка перемещающие вторичное зеркало.

Рис. 3.30. Актюаторы главного зеркала VLT.

Рис. 3.31. Зеркало диаметром 8,3 м японского телескопа «Субару» в процессе монтажа.

При наличии системы активной оптики требования к главному зеркалу телескопа меняются принципиально: оно должно быть не предельно жестким, как раньше, а достаточно мягким, чтобы поддаваться управлению. Поэтому у современных крупных телескопов главное зеркало либо относительно тонкое (например, при диаметре 8–9 м имеет толщину всего 20 см), либо состоит из нескольких независимых элементов (например, у 10-метровых телескопов «Кек-1» и «Кек-2» главное зеркало составляют 36 гексагональных двухметровых пластин).

Рис. 3.32. Телескоп «Субару» в башне на вершине Мауна-Кеа. При диаметре зеркала 8,3 м телескоп весит 500 т. Фокусное расстояние главного зеркала 15 м.

Тонкое и легкое зеркало объектива позволяет существенно облегчить всю конструкцию телескопа. К тому же такое зеркало быстро принимает температуру окружающего воздуха, а это снимает проблему термических деформаций.

Рис. 3.33. Зеркало телескопа «Субару» в процессе тестирования (до алюминирования). Изготовлено оно из стекла ULE (ultra-low thermal expansion glass). Обратите внимание на его малую толщину – всего 20 см. Вес зеркала 22,8 т. Его формой управляет 261 актюатор.

Первая система активной оптики была реализована в 1989 г. на 3,5-метровом «Телескопе новых технологий» (New Technology Telescope, NTT) Европейской южной обсерватории (Ла-Силья, Чили). В 1992 г. подобная система была создана для управления главным сегментным зеркалом 10-метрового телескопа «Кек-1» (Мауна-Кеа, Гавайи). Затем полностью активной оптической системой были оснащены четыре главных 8,2-метровых телескопа с тонкими монолитными зеркалами, входящие в состав «Очень большого телескопа» (VLT) Европейской южной обсерватории (Паранал, Чили). Сейчас все наземные телескопы диаметром 8-10 м имеют систему активной оптики. В будущем такие системы станут применяться и на крупных космических многозеркальных телескопах, подверженных тепловой деформации. При этом они будут давать идеальные изображения, качество которых ограничено только дифракцией света.

Но у наземных телескопов есть свой враг – атмосфера. Хотя при использовании активной оптики их собственное качество становится практически идеальным, качество получаемого ими изображения ограничено нестабильностью атмосферы, для подавления которой предназначена система адаптивной оптики. А что это такое?

 

Адаптивная оптика

Система адаптивной оптики – это автоматическая система, предназначенная для исправления в реальном времени атмосферных искажений изображения, построенного телескопом. Сейчас системы адаптивной оптики применяются в оптических и инфракрасных телескопах наземного базирования для увеличения четкости изображения. Они особенно необходимы также для работы астрономических интерферометров, используемых для измерения размеров звезд и поиска их близких спутников, особенно планет. Системы адаптивной оптики имеют и неастрономические приложения: например, когда требуется наблюдать форму искусственных спутников Земли с целью их опознания. Разработка систем адаптивной оптики началась в 1970-е гг. и приобрела особый размах в 1980-е гг. в связи с программой «звездных войн», включавшей разработку лазерного противоспутникового оружия наземного базирования. Первые штатные системы адаптивной оптики начали работать на крупных астрономических телескопах в районе 2000 г.

На первый взгляд кажется, что исправить атмосферное искажение изображений в принципе невозможно. Откуда мы знаем, каким было исходное изображение и как именно его испортила неоднородная атмосфера? Тем не менее это возможно! Давайте познакомимся с принципом работы этой удивительной системы. Это величайшее достижение оптической астрономии, и оно достойно подробного рассмотрения.

Атмосферные помехи. Идущие от космических источников лучи света, проходя сквозь неоднородную атмосферу Земли, испытывают сильные искажения. Например, волновой фронт света, приходящего от далекой звезды (которую можно считать бесконечно удаленной точкой), на внешней границе атмосферы имеет идеально плоскую форму, но пройдя сквозь турбулентную воздушную оболочку и достигнув поверхности Земли, он становится похож на волнующуюся морскую поверхность. Это приводит к тому, что изображение звезды превращается из «точки» в непрерывно дрожащую и бурлящую кляксу. При наблюдении невооруженным глазом мы воспринимаем это как быстрое мигание и дрожание звезд, а при наблюдении в телескоп вместо «точечной» звезды видим дрожащее и переливающееся пятно; изображения близких друг к другу звезд сливаются и становятся неразличимы по отдельности; протяженные объекты – Луна и Солнце, планеты, туманности и галактики – теряют резкость, у них становятся неразличимыми мелкие детали. Обычно на фотографиях, полученных телескопами, угловой размер мельчайших деталей равен 2–3″, на лучших обсерваториях он изредка составляет 0,5″. Следует иметь в виду, что при отсутствии атмосферных искажений телескоп с объективом диаметром в 1 м дает угловое разрешение около 0,1″, а с объективом в 5 м – 0,02″. Фактически такое высокое качество изображения у обычных наземных телескопов никогда не реализуется из-за искажающего влияния атмосферы.

Пассивный метод борьбы с атмосферными искажениями заключается в том, что обсерватории строят на вершинах гор, обычно на высоте 2–3 км, выбирая при этом места с наиболее прозрачной и спокойной атмосферой. Но строить обсерватории и работать на высоте более 4,5 км практически невозможно. Поэтому даже на самых лучших высокогорных обсерваториях большая часть атмосферы располагается все же выше телескопа и существенно портит изображения.

Роль астронома-наблюдателя. Вообще говоря, задачу «получить изображение лучше, чем позволяет атмосфера», в астрономии решают разными средствами. Исторически, в эпоху визуальных наблюдений в телескоп, астрономы научились внимательно ловить моменты хорошего изображения. В силу случайного характера атмосферных искажений в некоторые мгновения эти искажения на короткое время становятся незначительными, и в изображении проявляются мелкие детали. Наиболее опытные и настойчивые наблюдатели часами караулили эти моменты и смогли таким образом зарисовать очень тонкие детали поверхности Луны и планет, а также обнаружить и измерить очень тесные двойные звезды. Но крайняя необъективность этого метода ярко проявилась в истории с марсианскими каналами: одни наблюдатели их видели, другие – нет.

Применение в астрономии фотопластинок позволило выявить множество новых объектов, недоступных глазу из-за их низкой яркости. Однако фотоэмульсия при слабой освещенности имеет очень малую чувствительность к свету, поэтому в начале XX в. при астрономическом фотографировании требовались многочасовые экспозиции. За это время атмосферное дрожание заметно снижает качество изображения по сравнению с визуальным. Некоторые астрономы пытались бороться с этим явлением, самостоятельно выполняя функции активной и отчасти адаптивной оптических систем. Так, американские астрономы Джеймс Килер (1857–1900) и Вальтер Бааде (1893–1960) регулировали во время экспозиции фокус телескопа, наблюдая с очень большим увеличением (около 3000 раз) форму комы звезды на краю поля зрения. А известный конструктор телескопов Джордж Ричи разработал особую фотокассету на подвижной платформе – так называемую «кассету Ричи», с помощью которой можно быстро выводить фотопластинку из фокуса телескопа, заменяя ее фокусировочным прибором (нож Фуко), а затем возвращать кассету точно в прежнее положение. Во время экспозиции Ричи несколько раз отодвигал кассету, когда чувствовал, что нужно поправить фокус. К тому же Ричи непрерывно наблюдал за качеством изображения и его положением в окуляр, размещенный рядом с кассетой, при этом он постоянно поправлял положение кассеты и научился быстро закрывать затвор, когда изображения становились плохими. Эта работа требовала от астронома очень высокого напряжения, но зато Ричи получил таким способом великолепные фотографии спиральных галактик, на которых впервые стали видны отдельные звезды; эти прекрасные снимки воспроизводились во всех учебниках XX в. Однако широкого применения кассета Ричи не получила ввиду большой сложности работы с ней.

Развитие фото– и видеотехники позволило быстро фиксировать изображение объекта в режиме киносъемки с последующим отбором наиболее удачных изображений. Были разработаны и более тонкие методы апостериорного анализа изображений, например, методы спекл-интерферометрии, позволяющие выявлять в размытом атмосферой пятне расположение и яркость объектов с заранее известными свойствами, таких как «точечные» звезды. Математические методы восстановления изображений также позволяют повышать контраст и выявлять мелкие детали. Но все эти методы неприменимы в процессе наблюдения.

Принципы адаптивной оптики. Запуск на орбиту в 1990 г. оптического телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 м и его чрезвычайно эффективная работа в последующие годы доказали большие возможности телескопов, не обремененных атмосферными искажениями. Но высокая стоимость создания и эксплуатации космического телескопа заставила астрономов искать пути компенсации атмосферных помех у поверхности Земли. Появление быстродействующих компьютеров и, не в последнюю очередь, желание военных создать систему космического оружия с лазерами наземного базирования сделали актуальной работу по компенсации атмосферных искажений изображения в реальном времени. Система адаптивной оптики, выравнивая и стабилизируя фронт прошедшего сквозь атмосферу излучения, дает возможность не только получать в фокусе телескопа четкое изображение космического объекта, но и выводить с Земли в космос остро сфокусированный луч лазера. К счастью, военные устройства такого типа реализованы не были, но проделанная в этом направлении работа чрезвычайно помогла астрономам почти полностью реализовать теоретические параметры крупных телескопов по качеству изображения.

Обычно адаптивная система работает совместно с системой активной оптики, поддерживающей конструкцию и оптические элементы телескопа в идеальном состоянии. Действуя совместно, системы активной и адаптивной оптики приближают качество изображения к предельно высокому, определяемому принципиальными физическими эффектами (в основном дифракцией света на объективе телескопа).

В принципе системы активной и адаптивной оптики подобны друг другу. Обе они содержат три основных элемента: 1) анализатор изображения, 2) компьютер с программой, вырабатывающей сигналы коррекции, и 3) исполняющие механизмы, изменяющие оптическую систему телескопа так, чтобы изображение стало «идеальным». Количественное различие между этими системами состоит в том, что коррекцию недостатков самого телескопа (активная оптика) можно проводить сравнительно редко – с интервалом от нескольких секунд до 1 минуты, но исправлять помехи, вносимые атмосферой (адаптивная оптика), необходимо значительно чаще – от нескольких десятков до нескольких тысяч раз в секунду. Ясно, что с такой высокой частотой система адаптивной оптики не может изменять форму массивного главного зеркала телескопа и вынуждена управлять формой специального дополнительного легкого и мягкого зеркала, установленного у выходного зрачка телескопа

Реализация адаптивной оптики. Впервые на возможность коррекции атмосферных искажений изображения при помощи деформируемого зеркала указал в 1953 г. американский астроном Хорее Бэбкок (Babcock H. W., 1912–2003). Для компенсации искажений он предложил использовать отражение света от масляной пленки, поверхность которой деформируется электростатическими силами. Тонкопленочные зеркала с электростатическим управлением разрабатываются для аналогичных целей и в наши дни, хотя более популярным исполнительным механизмом служат пьезоэлементы с зеркальной поверхностью.

Плоский фронт световой волны, пройдя сквозь атмосферу, искажается и вблизи телескопа имеет довольно сложную структуру. Для характеристики искажения обычно используют параметр r 0 – радиус когерентности волнового фронта, определяемый как расстояние, на котором среднеквадратическая разность фаз достигает 0,4 длины волны. В видимом диапазоне, на волне длиной 500 нм, в подавляющем большинстве случаев r 0 лежит в интервале от 2 до 20 см; условия, когда r 0 =10 см, нередко считаются типичными. Угловое разрешение крупного наземного телескопа, работающего через турбулентную атмосферу с применением длительной экспозиции, равно разрешению идеального телескопа диаметром r 0 , работающего вне атмосферы. Поскольку значение r 0 возрастает приблизительно пропорционально длине волны излучения (r 0 ∞ λ6/5), атмосферные искажения в инфракрасном диапазоне существенно меньше, чем в видимом.

Рис. 3.34. Принципиальная схема адаптивной оптической системы телескопа.

Для небольших наземных телескопов, диаметр которых сравним с r 0 , можно считать, что в пределах объектива волновой фронт плоский и в каждый момент времени наклонен случайным образом на некоторый угол. Наклон фронта соответствует смещению изображения в фокальной плоскости, или, как говорят астрономы, дрожанию (в физике атмосферы принят термин «флуктуации угла прихода»). Для компенсации дрожания в таких телескопах достаточно ввести плоское управляемое зеркало, наклоняющееся по двум взаимно перпендикулярным осям. Опыт показывает, что такое простейшее исполнительное устройство в системе адаптивной оптики малого телескопа весьма существенно повышает качество изображения при длительных экспозициях.

У телескопов большого диаметра (D) на площади объектива укладывается порядка (D/r 0 )2 квазиплоских элементов волнового фронта. Этим числом и определяется сложность конструкции компенсирующего зеркала, т. е. количество пьезоэлементов, которые, сжимаясь и расширяясь под действием управляющих сигналов, с высокой частотой (до тысяч герц) изменяют форму «мягкого» зеркала. Нетрудно оценить, что на крупном телескопе (D = 8-10 м) полное исправление формы волнового фронта в оптическом диапазоне потребует корректирующего зеркала с (10 м/10 см)2 = 10 000 управляемых элементов.

Рис. 3.35. Мгновенное изображение яркой звезды, Веги, полученное французским астрономом А. Лабейри на 5-метровом Паломарском телескопе при атмосферном качестве изображений 1,5″. Именно такой угловой диаметр имеет вся эта «клякса» на фото, но состоит она из множества мелких частей – спеклов, каждый размером около 0,02″. Спеклы – это результат интерференции света, прошедшего через объектив телескопа и получившего случайные фазовые задержки при прохождении через атмосферу.

При нынешнем развитии систем адаптивной оптики это практически невыполнимо. Однако в близком инфракрасном диапазоне, где значение r 0 – 1 м, корректирующее зеркало должно содержать около 100 элементов, что вполне достижимо. Например, система адаптивной оптики «Интерферометра Очень большого телескопа» (VLTI) Европейской южной обсерватории в Чили имеет корректирующее зеркало из 60 управляемых элементов.

Для выработки сигналов, управляющих формой корректирующего зеркала, обычно анализируется мгновенное изображение яркой одиночной звезды. В качестве приемника используется анализатор волнового фронта, размещенный у выходного зрачка телескопа. Сквозь матрицу из множества небольших линз свет звезды попадает в ПЗС-камеру, сигналы которой оцифровываются и анализируются компьютером. Управляющая программа, изменяя форму корректирующего зеркала, добивается того, чтобы изображение звезды имело идеально «точечный» вид. По сути, в этом-то и заключается главная идея астрономической системы адаптивной оптики: нам заранее известно, каким в идеальном телескопе должно быть изображение звезды! Звезда должна выглядеть точкой (точнее, маленьким дифракционным кружочком). Искривив мягкое зеркало так, чтобы изображение звезды стало точкой, мы сделаем четкими и изображения всех соседних с ней объектов!

Эксперименты с системами адаптивной оптики начались в конце 1980-х гг., а к середине 1990-х гг. уже были получены весьма обнадеживающие результаты. Одним из первых телескопов, на которых тестировалась система компенсации атмосферных искажений, в 1992 г. стал уже знакомый нам старенький 60-дюймовый «Хейл» обсерватории Маунт-Вилсон. 69-канальная система адаптивной оптики позволила повысить его угловое разрешение с 0,5–1,0″ до 0,07″. С 2000 г. практически на всех крупных телескопах используются такие системы, позволяющие довести угловую разрешающую способность телескопа до его физического (дифракционного) предела. В конце ноября 2001 г. система адаптивной оптики начала работать на 8,2-метровом телескопе «Йепун» (VLT, Чили). Это существенно улучшило качество наблюдаемой картины: теперь угловой диаметр изображений звезд составляет 0,07″ в спектральном диапазоне К (2,2 мкм) и 0,04″ в диапазоне J (1,2 мкм).

Искусственная звезда. Для быстрого анализа изображения в системе адаптивной оптики используется опорная звезда, которая должна быть весьма яркой, поскольку ее свет делится анализатором волнового фронта на сотни каналов и в каждом из них регистрируется с частотой около 1 кГц. К тому же яркая опорная звезда должна располагаться на небе вблизи изучаемого объекта. Однако в поле зрения телескопа далеко не всегда встречаются подходящие звезды: ярких звезд на небе не так много, поэтому до недавних пор системам адаптивной оптики были доступны наблюдения лишь 1 % небосвода – маленькие площадки вокруг ярких звезд. Чтобы снять это ограничение, было предложено использовать искусственный «маячок», который располагался бы вблизи изучаемого объекта и помогал зондировать атмосферу.

Рис. 3.36. Сравнение изображений звезды, полученных без применения и с использованием системы адаптивной оптики.

Эксперименты показали, что для работы активной оптики очень удобно при помощи специального лазера создавать в верхних слоях атмосферы искусственную звезду (Laser Guide Star, LGS) – маленькое яркое пятно, постоянно присутствующее в поле зрения телескопа. Как правило, для этого используется лазер непрерывного действия с выходной мощностью в несколько ватт, настроенный на частоту резонансной линии натрия (например, на линию D2 Na). Его луч фокусируется в атмосфере на высоте около 90 км, там, где присутствует естественный слой воздуха, обогащенный натрием, свечение которого как раз и возбуждается лазерным лучом. Физический размер светящейся области составляет около 1 м, что с расстояния в 100 км воспринимается как объект с угловым диаметром около 1″. Например, в системе ALFA (Adaptive optics with Laser For Astronomy), разработанной в Институте внеземной физики и Институте астрономии Общества им. Макса Планка (Германия) и пущенной в опытную эксплуатацию в 1998 г., аргоновый лазер накачки мощностью 25 Вт возбуждает лазер на красителях выходной мощностью 4,25 Вт, который и дает излучение в линии D2 натрия. Это устройство создает искусственную звезду с визуальным блеском 9-10™. Правда, появление в атмосфере аэрозоля или наблюдение на больших зенитных расстояниях существенно снижают блеск и качество искусственной звезды.

Поскольку луч мощного лазера способен ночью ослепить пилота самолета, астрономы принимают меры безопасности. Видеокамера с полем зрения 20° следит через тот же телескоп за областью неба вокруг искусственной звезды и при появлении любого объекта выдает команду на заслонку, перекрывающую лазерный луч.

Создание в конце XX в. систем адаптивной оптики открыло новые перспективы перед наземной астрономией: угловое разрешение крупных наземных телескопов в видимом диапазоне вплотную приблизилось к возможностям космического телескопа «Хаббл», а в близком инфракрасном диапазоне даже заметно превысило их. К тому же разработка адаптивной оптики сделала возможным строительство наземных оптических интерферометров на базе телескопов большого диаметра. Дело в том, что после прохождения светового луча через атмосферу он теряет когерентность, и работа интерферометра становится невозможной. Поэтому наземные интерферометры без системы адаптивной оптики работать не могут. Благодаря созданию этих систем уже вступают в строй крупные оптические интерферометры, которые будут способны не только обнаруживать, но даже исследовать планеты у других звезд.

Утверждение, что теперь все астрономические наблюдения можно проводить из космоса, не выдерживает критики, поскольку не имеет смысла делать за большие деньги в космосе то, что можно значительно дешевле сделать на Земле. Четыре десятилетия космической астрономии показали, что с орбиты нужно наблюдать лишь то, что недоступно на Земле. Большую часть оптических и радионаблюдений с успехом можно проводить из наземных обсерваторий, если не создавать им препятствий в работе.

Обсудив замечательные технические возможности и перспективы наземной астрономии, мы должны коснуться еще одной, «нетехнической» проблемы – как выбрать на дне нашего воздушного океана наилучшее место для строительства телескопа. Казалось бы, самое желанное место для установки телескопа – вершина Эвереста, но почему-то никто из астрономов туда не стремится. Вкладывая большие деньги в строительство телескопов, астрономы придирчиво выбирают места для сооружения обсерваторий, предъявляя к ним массу противоречивых требований. Среди них есть вполне понятные – экономические. Место строительства крупного телескопа должно быть доступным для большегрузных автомобилей, перевозящих массивные части телескопа и его зеркало. Желательно, чтобы невдалеке проходили морские или речные пути. При этом желательно избегать сейсмически активных областей, хотя это редко удается. Учитывая высокую стоимость больших телескопов, их стараются размещать в политически стабильных странах. Но все же главными требованием при выборе места является требование к его астроклимату.

Астрономический климат? Оказывается, есть и такой!

 

Астроклимат

Так называют совокупность атмосферных условий, влияющих на качество астрономических наблюдений. Важнейшие из них – прозрачность воздуха, степень его однородности (влияющая на четкость изображения объектов), величина фонового свечения атмосферы, суточные перепады температуры и сила ветра.

Напомню: астрономические наблюдения производятся со дна воздушного океана. Уже говорилось, что, будучи сжата до плотности воды, наша атмосфера имела бы толщину 10 метров! В море с такой глубины звезды практически не видны. К счастью, наша атмосфера прозрачнее морской воды и позволяет нам видеть Вселенную. Но волнение воздушного океана, плавающие в нем облака и пыль, свечение газов и поглощение ими света звезд – все это вынуждает астрономов стремиться к «всплытию», к продвижению в верхние слои атмосферы.

Строительство обсерваторий высоко в горах, размещение телескопов на самолетах, аэростатах и, наконец, на борту космических аппаратов позволяет в той или иной степени избежать вредного влияния атмосферы, но создает новые трудности, прежде всего финансовые. Особенно дорогостоящи космические обсерватории, поэтому, за редким исключением, они создаются для наблюдения тех видов излучения, которые совершенно не проходят сквозь атмосферу к поверхности Земли, например рентгеновского или далекого инфракрасного. Для наблюдения в оптическом диапазоне астрономы до сих пор размещают большую часть своих приборов на поверхности Земли, но при этом стараются выбирать место и создавать условия, максимально выгодные для наблюдений.

Прозрачность атмосферы. В оптическом диапазоне прозрачность земной атмосферы достаточно велика: свет звезды, находящейся в зените, при наблюдении с уровня моря ослабевает на 25–50 % (меньше – у красного, больше – у голубого конца спектра), а с высоты современной горной обсерватории (2500–3000 м) в среднем на 20 %. Но атмосферное поглощение меняется в зависимости от высоты светила над горизонтом. При наблюдении звезды в зените луч света проходит минимальный путь сквозь атмосферу и поэтому испытывает минимальное поглощение. Чем больше угловое расстояние звезды от зенита, тем длиннее путь луча в атмосфере и, соответственно, сильнее ослабление света.

Для того чтобы исправить наблюдаемую яркость светила в визуальном диапазоне спектра за дополнительное поглощение света в атмосфере (как говорят, «привести наблюдения к зениту»), нужно от наблюдаемой звездной величины отнять Δm:

Эти поправки даны для наблюдателя на уровне моря; с увеличением высоты места они уменьшаются. При этом имеется в виду, что качество неба отличное. При худшем качестве неба (высокая влажность или запыленность, перистые облака) поправка становится всё больше и неопределеннее, особенно вблизи горизонта.

В ультрафиолетовом (УФ) диапазоне прозрачность атмосферы резко снижается: для волн короче 280 нм воздух практически непрозрачен. В инфракрасном (ИК) диапазоне прозрачность атмосферы очень неоднородна: в спектре существует несколько мощных полос поглощения молекулами кислорода и воды. Поэтому для наблюдения в близком ИК-диапазоне телескопы устанавливают в сухих высокогорных районах, например в пустыне Атакама или на вершинах древних гавайских вулканов (высота более 4000 м). В далеком ИК– и УФ-диапазонах наблюдения возможны только с космических станций.

Качество изображения. При выборе места для строительства обсерватории астрономов в первую очередь интересует количество ясного ночного времени. Оно измеряется в суммарном годовом количестве часов безоблачного неба в период астрономической ночи, когда погружение Солнца под горизонт превосходит 18° и уже не заметны сумеречные явления. Для старых университетских обсерваторий, размещенных вблизи крупных городов Европы, это время составляет порядка 200–300 часов в год (Пулково, Рига, Москва). Для горных обсерваторий, расположенных в южной части бывшего СССР (Крым, Кавказ, Казахстан, Узбекистан), это 1000–1500 часов в год, а для наиболее современных обсерваторий в горах Чили и на Гавайях – 2500–3000 часов, что близко к суммарному темному времени за год.

Однако даже совершенно ясная ночь может не удовлетворять астрономов по качеству изображения объектов. Воздушные слои разной плотности по-разному преломляют световой луч. Если воздух спокоен, то это приводит лишь к смещению изображения как целого, немного приподнимая его над горизонтом (атмосферная рефракция). Но если слои воздуха с различной температурой и плотностью хаотически перемешаны, то изображение звезды дрожит и размывается, точно измерить его положение и яркость становится невозможно, мелкие детали на изображениях планет, туманностей и галактик не видны. Качество изображения обычно характеризуют угловым диаметром кружка, в виде которого предстает астроному изображение звезды в телескопе. Приемлемым для наблюдений считается качество изображения в 2–3″, весьма хорошим – в 1″. На лучших высокогорных обсерваториях бывают изображения в 0,5″ и даже 0,35″. Далеко не каждая ясная ночь обеспечивает высокое качество изображения; так, ветреная погода ухудшает его в связи с усилением турбулентности в атмосфере: звезды сильно мерцают и дрожат.

Предварительный отбор перспективных мест для строительства обсерватории производится на основе метеорологической информации, а затем организуются многомесячные (иногда и многолетние) экспедиции для изучения выбранных мест. С помощью небольших экспедиционных приборов, имитирующих наблюдение с крупным телескопом, проводятся измерения качества изображений звезд в разные сезоны года. Окончательное решение о строительстве обсерватории принимают, исходя из полученных экспедициями результатов и в немалой степени – из экономических обстоятельств: наличия источников воды и электричества, морских портов, аэродромов и дорог, поскольку доставка и монтаж большого телескопа, прежде всего его многометрового зеркала, представляет сложную транспортную проблему

Даже на самых хороших с точки зрения астроклимата горных вершинах, таких как Серро-Паранал в чилийской пустыне Атакама, Мауна-Кеа на Гавайских островах, Рока-де-лос-Мучачос на о. Пальма в архипелаге Канарских островов, прозрачность атмосферы и качество изображения непрерывно изменяются. Поэтому астроном-наблюдатель регулярно делает записи в журнале наблюдений с указанием состояния неба и размера изображения звезд. При высокоточном измерении блеска переменных звезд приходится до и после измерения изучаемой звезды определять также и блеск специально выбранных звезд сравнения («стандартов»), про которые известно, что они светят очень стабильно, поэтому изменение их видимой яркости целиком связано со свойствами атмосферы Земли.

Одним из простых способов дать количественную оценку качества неба является указание на самую слабую звезду, видимую невооруженным глазом. Хотя каждый человек определяет самую слабую звезду по-своему, в среднем эта величина примерно одинакова для всех людей с нормальным зрением. Индивидуально для каждого наблюдателя такой метод определения качества неба дает весьма надежную относительную оценку. Для определения слабейшей из видимых звезд принято использовать область неба вблизи северного полюса мира. Эта область имеет несколько преимуществ: на средних северных широтах она незаходящая, ее высота не меняется в течение ночи и года, так что изменением прозрачности атмосферы с высотой можно пренебречь. В этой области нет ярких звезд и не бывает планет, которые бы слепили глаза. Слабые звезды там довольно далеки друг от друга и поэтому легко отождествляются. Кроме того, поле вокруг Полярной звезды имеет простую конфигурацию и легко запоминается.

Загрязнение ночного неба искусственным светом. Помимо естественных факторов, в XX в. астроклимат испытал существенное влияние цивилизации. Важнейшим отрицательным фактором стало ночное освещение городов, сделавшее невозможным проведение в них астрономических наблюдений.

На протяжении XX в. большинство людей лишилось захватывающего вида Вселенной, которым могли наслаждаться их предки в любую ясную ночь. Распространение электрического освещения и рост городского населения стали причиной быстрого роста яркости неба над городами. Немногие из современных людей видели первозданное темное небо. Для городского жителя усыпанное звездами небо доступно только в планетарии. Комета Хейла – Боппа (1997 г.) была самой зрелищной кометой нашего времени, но из-за засветки городов для большинства людей она выглядела как едва заметный размытый шарик. Даже в сельской местности слабое дворовое освещение часто затмевает великолепие ночного неба. Один из наиболее известных любителей астрономии XX в. Лесли Пелтье в своей автобиографии с сожалением вспоминает о красоте ночного неба: «Даже на ферме не видны больше Луна и звезды. Данное нам Господом право любоваться звездами фермер разменял на ватты своего круглосуточного солнца. Его дети уже никогда не увидят благословенной темноты небес».

Избыток ночного освещения не только вызывает увеличение яркости неба, но и в целом отрицательно влияет на окружающую среду, вмешиваясь в естественные ритмы биосферы. Избыточное освещение и напрямую ведет к загрязнению окружающей среды в связи с добычей, транспортировкой и сжиганием угля и нефти. Лишний свет в основном связан с плохой конструкцией фонарей, рассеивающих лучи горизонтально и вверх, в небо. Этот свет ослепляет водителей и пешеходов, подвергая их жизнь риску. При этом бессмысленный расход электроэнергии составляет по всему миру миллиарды долларов в год.

Астрономия очень чувствительна к искусственной засветке неба. Большинство наблюдений, особенно в области внегалактических исследований и космологии, теперь можно проводить лишь в местах, удаленных от крупных городов на сотни километров. Некоторые старые обсерватории, такие как Данлоп в Онтарио (Канада), Маунт-Вилсон в Калифорнии, Пулковская (Санкт-Петербург) и Московская очень страдают от городской засветки неба. Новые обсерватории располагают в удаленных местах, а истинным любителям астрономии приходится уезжать далеко за город, чтобы проводить свои наблюдения.

На территории каждой обсерватории ночное освещение делают минимально ярким, а нередко и полностью отключают во время наблюдений. Но, к сожалению, свет большого города, расположенного даже в 100 км от обсерватории, лишает астрономов возможности наблюдать тусклые объекты. Поэтому ученые обращаются к местным властям и населению с просьбой о сохранении темноты ночного неба.

С помощью местных властей проблема ночной засветки неба была решена в ряде крупных обсерваторий Аризоны и Калифорнии. Избежать засветки позволяют фонари с закрытыми лампами, направляющие свет только вниз. В этом случае сам источник света остается невидимым со стороны, в отличие от обычных уличных и дворовых фонарей. К тому же возникает существенная экономия энергии за счет снижения потерь света. Дополнительная экономия достигается при использовании более эффективных ламп, требующих меньше энергии для получения требуемого количества света.

Рис. 3.37. Космическая панорама ночной Земли дает представление о степени светового загрязнения неба в разных уголках планеты.

Рис. 3.38. «Световое загрязнение» Европы.

По критерию роста эффективности уличные светильники располагаются в следующем порядке (число в скобках указывает мощность лампы в ваттах, необходимую для производства светового потока в 1000 люменов): обычная лампа накаливания (60), бело-голубая ртутная лампа (24), белая галогенная (17), желто-оранжевая натриевая высокого давления (12) и желтая натриевая низкого давления (8). Как видим, световая эффективность ламп различного типа различается почти в 8 раз! Самый дешевый свет производит натриевая лампа низкого давления, к тому же она дает почти монохроматический свет, который при астрономических наблюдениях легко может быть «отрезан» с помощью светофильтра. С эстетической точки зрения эти лампы плохи своей одноцветностью, но их с успехом можно использовать для уличных фонарей, автомобильных стоянок, охранного освещения – в общем, в местах, где не обязательно освещение, комфортное для зрения.

Хотя закрытые фонари стоят дороже, чем открытые, их цена компенсируется дешевизной эксплуатации. В Калифорнии города Лонг-Бич, Сан-Диего и Сан-Хосе, широко используя натриевые лампы низкого давления, экономят каждый год большие суммы. Например, заменив 175-ваттную ртутную лампу на закрытую сверху отражателем 35-ваттную натриевую лампу низкого давления, мы получаем то же количество полезного света без ослепления водителей и рассеяния лишнего света в воздухе. Налицо экономия энергии и улучшение видимости. Калифорнийские астрономы весьма признательны властям за это нововведение.

Яркое освещение улиц ночных городов иногда оправдывают соображениями безопасности. Но до сих пор не доказана связь между усилением освещения и снижением криминала. Ворам и разбойникам тоже требуется свет для их делишек. Наличие охранного освещения часто привлекает внимание и указывает криминальным элементам, что на этот дом или офис следует обратить внимание. Наши города сейчас освещены гораздо сильнее, чем когда-либо, а криминальная ситуация стремительно ухудшается. Безопасность можно обеспечить использованием экранированного света, реагирующего на движение и включающегося только в те моменты, когда происходит какое-либо перемещение. Потенциальная опасность быть неожиданно освещенным может стать весьма полезной в борьбе с криминалитетом, не говоря уже об экономии электроэнергии.

Важную роль в сохранении темноты ночного неба играет работа с населением. Необходимо разъяснять, что лишняя засветка стоит денег! Один учитель астрономии сказал как-то: «Меня удивляет, что люди, которые никогда не выбросили бы на землю пластиковую бутылку во время пикника, могут платить лишние деньги каждый месяц за освещение окрестностей никому не нужным рассеянным светом».

Главной силой в решении этого вопроса являются правительственные чиновники, специалисты по освещению городов и, разумеется, астрономы. Их совместные усилия должны помочь. Необходимо «освещать» эту проблему, вырабатывать четкие рекомендации и доводить их до населения. Существует Международная ассоциация темного неба (International Dark-Sky Association, IDA). Это бесприбыльная, освобожденная от налогов организация, стремящаяся довести проблему до граждан и убедить их не заливать светом окрестности, сохранить темное небо и в то же время максимально повысить качество и эффективность наружного освещения. Адрес этой уникальной организации: .

Рис. 3.39. Проект 42-метрового телескопа E-ELT (European Extremely Large Telescope) обсерватории ESO для наблюдений в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах с системой адаптивной оптики, которая позволит довести угловое разрешение до 0,001″. Предполагается, что к 2017 г. он будет установлен либо в Чили, либо на Канарских островах.

Заканчивая рассказ о небе и телескопах, хочу напомнить, что эта книга в основном посвящена планетам – очень маленьким или очень далеким. Для исследования тех и других требуются очень большие телескопы. Некоторые из них уже созданы, другие – в процессе строительства, третьи еще только задуманы (например, телескоп E-ELT, рис. 3.39). Если в конце XIX в. все понимали, что крупные рефракторы достигли своего предела, если в середине XX в. у большинства инженеров была уверенность, что эволюция крупных рефлекторов завершена, то сегодня никто не сомневается: эпоха гигантских телескопов только начинается. А это значит, что впереди новые потрясающие открытия. Кому суждено их сделать?

И вот тут – самое интересное! Поток астрономической информации пропорционален суммарной площади объективов всех телескопов в мире. Благодаря созданию гигантских телескопов она стремительно возрастает. А количество астрономов почти не увеличивается. Можно сказать, что сейчас профессиональные астрономы оказались в ситуации, когда «не было ни гроша, да вдруг алтын»! Гигантские телескопы выдают так много информации о небесных объектах, что немногочисленные коллективы специалистов не успевают ее обрабатывать и обдумывать полученные результаты. В связи с этим было решено сделать эту информацию доступной для всех желающих. Через Интернет ее можно получить из Европейской южной обсерватории по адресу . Должен предупредить любителей астрономии, что в архиве лежат «сырые» данные, для обработки которых нужна определенная квалификация. Но, с другой стороны, теперь у всех любознательных людей – как профессионалов, так и любителей – есть одинаковая возможность участвовать в серьезной научной работе, используя первоклассный наблюдательный материал. Без излишней патетики можно сказать, что любой желающий может теперь «подглядывать» в огромный телескоп. Выбор объектов наблюдения по-прежнему остается за хозяевами инструмента, но пользоваться его плодами и делать открытия теперь может каждый желающий. А тем, кто не склонен к научной работе, но хочет полюбоваться фотографиями небесных светил, советую зайти на сайт .