Оптические телескопы
Астрономы наблюдают звезды, планеты и другие объекты Вселенной с помощью телескопов. Телескоп — основной рабочий инструмент каждого исследователя Вселенной. Когда же появились первые телескопы и как они были устроены?
В 1609 году профессор Падуанского университета Галилео Галилей (1564—1642) впервые направил изготовленную им самим небольшую зрительную трубу на звездное небо. В изучении небесных светил началась эпоха телескопической астрономии.
Принцип работы оптического телескопа основан на свойствах выпуклой линзы или вогнутого зеркала, выполняющих в телескопе роль объектива, собирать в фокус параллельные лучи света, приходящие к нам от различных небесных источников, и создавать в фокальной плоскости их изображения. Астроном-наблюдатель, рассматривающий в окуляр изображение космического объекта, видит его увеличенным. При этом под увеличением телескопа понимают отношение видимых угловых размеров объекта при наблюдении в телескоп и без него. Увеличение телескопа равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.
У первого телескопа Галилея объективом служила плосковыпуклая линза диаметром 4 см с фокусным расстоянием 50 см. Роль окуляра выполняла плоско-вогнутая линза размером поменьше, Такая комбинация оптических стекол давала трехкратное увеличение. Затем Галилей сконструировал более совершенный телескоп с объективом 5,8 см в диаметре и фокусным расстоянием 165 см. Он увеличивал изображения Луны и планет в 33 раза. С его помощью ученый сделал свои замечательные астрономические открытия: гор па Луне, спутников Юпитера, фаз Венеры, пятен на Солнце и множества слабых звезд...
По телескоп Галилея имел существенный недостаток: у него было очень малое поле зрения, то есть в трубу был виден совсем крохотный кружочек неба. Поэтому наводить инструмент на какое-нибудь небесное светило и наблюдать его было совсем непросто.
Прошел лишь год со времени начала телескопических наблюдений, как немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер (1571—1630) предложил свою конструкцию телескопа. Новизна заключалась в самой оптической системе: объектив и окуляр были двояковыпуклыми линзами. В результате изображение в кеплеровском телескопе получалось не прямое, как в трубе Галилея, а перевернутое. Конечно, так обозревать земные предметы неудобно, но при астрономических наблюдениях это совершенно не имеет никакого значения. Ведь во Вселенной нет ни абсолютного верха, ни абсолютного низа.
Телескоп Кеплера оказался намного лучше оптических первенцев Галилея: он обладал большим полем зрения и был удобен в работе. Эти важные достоинства нового инструмента однозначно определили его судьбу: в дальнейшем линзовые телескопы стали конструировать исключительно по схеме Кеплера. А оптическая система галилеевского телескопа сохранилась лишь в устройстве театрального бинокля.
Еще при жизни Галилея была высказана идея создания зеркального, то есть отражательного телескопа. Однако осуществлена она была только в 1668 году великим Исааком Ньютоном (1643—1727). В этом телескопе принципиально новой конструкции в качестве объектива Ньютон использовал маленькое вогнутое зеркальце, сферическая поверхность которого была изготовлена из бронзы и отполирована. Его диаметр был равен всего лишь 2,5 см, а фокусное расстояние составляло 15 см. Лучи света от сферического зеркала отражались совсем маленьким вспомогательным плоским зеркальцем (поставленным под углом 45 градусов к оптической оси телескопа) в окуляр — плоско-выпуклую линзу, расположенную сбоку от трубы.
Таким образом, различают два основных типа телескопов: линзовые телескопы-рефракторы, у которых лучи света, проходя через объектив, преломляются, и зеркальные (отражательные) телескопы-рефлекторы. Зеркальные телескопы со временем стали использоваться для наблюдений очень далеких и слабосветящихся объектов. Человеческий глаз способен различать в отдельности две части наблюдаемого предмета только в том случае, если угловое расстояние между ними не меньше одной-двух минут дуги. Так, на Лупе невооруженным глазом молено рассмотреть детали рельефа, размер которых превышает 150—200 км. На солнечном диске, когда светило клонится к закату и его свет ослаблен поглощающим эффектом земной атмосферы, бывают видны пятна поперечником 50—100 тыс. км. Никаких других подробностей невооруженный глаз рассмотреть не в силах. И только благодаря телескопу, который увеличивает угол зрения, можно «приближать» к себе далекие небесные объекты — наблюдать их как бы рядом.
Обычно к телескопу прилагается комплект разных окуляров, позволяющих получать различные увеличения. Но астрономы при работе даже с самыми крупными инструментами редко пользуются более чем 300-кратным увеличением. Причина этому — атмосферные помехи, которые ограничивают возможность применения больших увеличений, ибо при больших увеличениях резко ухудшается качество изображения — оно размывается и сильно дрожит.
Но телескоп не только увеличивает угол зрения, под которым с Земли видны небесные светила. Объектив телескопа собирает во много раз больше света, чем зрачок человеческого глаза. Благодаря этому в телескоп можно наблюдать мириады звезд и других очень слабых объектов, которые невооруженному глазу совершенно недоступны. Очевидно, что количество света, собранного телескопом, будет во столько раз больше светового пучка, проникающего в глаз наблюдателя, во сколько раз площадь объектива больше площади зрачка (диаметр последнего около 6 мм). Галилей, например, в свой лучший телескоп мог наблюдать звезды 10-й звездной величины, которые слабее звезд 6-й величины (лежащих на пределе нашего зрения) примерно в 40 раз.
С увеличением диаметра объектива телескопа число видимых на небе звезд быстро возрастает, или, как говорят астрономы, увеличивается проницающая сила телескопа.
Таким образом, телескопические наблюдения раскрыли перед землянами невообразимый вселенский простор. То, о чем раньше великие мыслители только догадывались, получило зримое подтверждение.
С увеличением диаметра объектива возрастает также разрешающая сила телескопа, то есть становятся доступными для наблюдений тесные звездные системы. И астрономы стремились создавать крупные телескопы с объективами большого диаметра. Но изготовление таких линз — задача исключительно трудная. Ведь для этого надо сварить идеально прозрачное и совершенно однородное стекло больших размеров и большой массы, а затем обработать его — превратить в линзу. Достаточно сказать, что поверхность линзы должна быть отшлифована и отполирована с точностью до десятых долей микрона!
Самый большой в мире объектив для телескопа-рефрактора был изготовлен еще в конце XIX века знаменитой американской фирмой «Алван Кларк и сыновья». Этот объектив диаметром 40 дюймов (102 см) предназначался для Йоркской обсерватории, построенной в 1897 году недалеко от Чикаго. Изготовить более крупный объектив не удалось пока никому. Объективы Алвана Кларка (1804 —1887) и по сей день считаются лучшими в мире. Но даже они не лишены аберраций — оптических недостатков, искажающих изображения.
Поэтому вместо однолинзовых объективов и окуляров в телескопах стали использовать многолиизовые оптические системы; впервые это удалось сделать английскому оптику Джону Доллонду (1706-1761) в 1757 году.
Кривизна поверхностей линз и сорта стекла подбираются таким образом, что их действия противоположны. Это существенно уменьшает аберрацию.
Для развития астрофизики, в частности для исследования туманностей, далеких галактик и других слабосветящихся космических объектов, требуются крупные телескопы, обладающие большой светосилой. Под светосилой следует понимать количество освещенности, которую может создать телескоп в фокальной плоскости. Так, если сравнить два телескопа с одинаковыми фокусными расстояниями, то большей светосилой будет обладать инструмент с большим объективом или зеркалом. Изготовлять же отражательные зеркала значительно проще, чем шлифовать огромные линзы: у каждой линзы обрабатываются две поверхности, у зеркала — только одна.
В настоящее время в мире построено более десятка рефлекторов с зеркалами, превышающими в диаметре 3,5 м. Самый крупный отражательный телескоп в нашей стране — БТА-6 — имеет 6-метровое зеркало.
Возможности этого телескопа огромны. При первых же наблюдениях, сделанных в 1975 году (систематические наблюдения на БТА-6 были начаты в июле 1976 года), были сфотографированы звезды и далекие галактики 24-й звездной величины. Они примерно в 15 млн раз слабее тех звезд, что способен увидеть человеческий глаз. Но, применяя более совершенную светочувствительную аппаратуру — фотоумножители, счетчики фотонов и другие новейшие приемники излучения, астрономы за часовую экспозицию получают на пластинках изображения объектов, имеющих звездную величину 26,5. Оптические объекты, излучение которых удалось принять, удалены от нас не менее чем на 10 млрд световых лет! Таковы способности телескопа, оснащенного современной светоприемной техникой.
Сюда, на Северный Кавказ, в Специальную астрофизическую обсерваторию Российской Академии наук приезжают астрономы со всего мира, заинтересованные в наблюдениях на 6-мстровом телескопе-рефлекторе. Среди приезжих немало петербуржцев. Их стремление нетрудно понять. Ведь здесь, на горе Пастухова, 150 ночей в году небо совершенно ясное. С Пулковского холма такого не увидишь...
Научные сотрудники Калифорнийского университета в США создали еще более внушительный — 10-метровый телескоп-рефлектор. Зеркало этого, самого большого в мире оптического гиганта состоит из 36 шестиугольных сопряженных зеркал, расположенных в виде трех концентрических колец. Электронные датчики сообщают об их положении и ориентации друг относительно друга в ЭВМ, которая выдает команды на установку зеркал по заданной программе. В результате обеспечивается необходимая форма составной зеркальной поверхности с учетом гравитационных и ветровых нагрузок.
Этот телескоп, названный «Кек I», установлен на вершине горы Мауна-Кеа (Гавайские острова), на высоте 4150 м над средним уровнем Мирового океана. Его стоимость составила 94 млн долларов. Официальное открытие крупнейшего в мире телескопа состоялось 7 ноября 1991 года, хотя последний сегмент зеркала был установлен только 14 апреля 1992 года.
Сейчас на горе Мауна-Кеа закончено сооружение второго 10-метрового телескопа — «Кек II». Фонд У. М. Кека выделил на него 74,6 млн долларов. Не случайно названия телескопам-близнецам даны по имени фонда, финансировавшего их строительство.
Телескопы Кека собирают в ясную ночь в три раза больше света от небесных светил, чем наш 6-метровый в САО на Северном Кавказе. Благодаря своей громадной оптической мощи они являются идеальными инструментами для изучения далеких космических объектов.
Казалось бы, что телескопы Кека — это верх научно-технического совершенства. Но человеческая мысль не стоит на месте. Уже создан Телескоп Новой Технологии (NTT) Европейской Южной обсерватории в Ла-Силла (Чили), где будет установлено четыре 8,2-метровых рефлектора, сделанных по повой технологии. Им предстоит работать совместно как одному 16-метровому телескопу. Он будет собирать в два с половиной раза больше света от небесных объектов, чем телескопы Кека, и, следовательно, позволит ученым приблизиться вплотную к границам наблюдаемой нами Вселенной.
|
|
Читайте в рубрике «Астрономические наблюдения»: |