Планетарий: Отражающий звезды

История телескопов — это история их соперничества, начавшаяся почти 400 лет назад. В августе 1609 года итальянский профессор математики Галилео Галилей, узнав об изобретении голландскими мастерами зрительной линзовой трубы, изготовил первый в мире телескоп. Это событие имело для исследователей звездного неба огромное значение. Телескопы открыли для людей бесконечно разнообразный мир звезд.

Стремление проникнуть как можно дальше в глубь Вселенной и увидеть как можно больше новых объектов, послужило стимулом для создания более мощных наблюдательных приборов. С появлением телескопов возникли и первые серьезные проблемы.

Дело в том, что реальная оптическая система способна «строить» изображение точки только в виде размытого кружка или пятна неправильной формы, иногда окрашенного по краям, происходит это из-за ошибок оптической системы — аберраций. Для однолинзовых телескопов наиболее характерна хроматическая аберрация, которая связана с тем, что показатель преломления стекла находится в зависимости от длины волны. А потому астрономы стали искать способы ее устранения. Оказалось, что хроматическую аберрацию можно уменьшить, используя объективы с очень большим фокусным расстоянием. Так на свет появились довольно громоздкие и крайне неудобные в эксплуатации телескопы. Шло время, и на смену им пришли «воздушные». В них объектив и окуляр крепились почти независимо друг от друга на собственных штативах. Такие телескопы использовались вплоть до середины XVIII века, хотя при наблюдениях на открытом воздухе, особенно при ветре, подобная конструкция вела себя не лучшим образом.

После того, как Иоганн Кеплер применил в окуляре не отрицательную — двояковогнутую — линзу, а положительную — двояковыпуклую, стало возможным использовать окуляры с крестом нитей и микрометром. Теперь телескопы стали применять не только для обзора неба, но и в качестве измерительных приборов.

И все же недостатки однолинзовых телескопов-рефракторов заставляли ученых искать новые пути. Исаак Ньютон одним из первых изготовил зеркало, получив «зеркальный» сплав из меди, олова и мышьяка. Новый телескоп с зеркалом диаметром 30 мм, помещенном в трубу длиной 160 мм, давал очень четкое изображение. Это был первый рефлектор. И хотя у него не наблюдалось хроматической аберрации, но и он не был лишен недостатков. Главный же заключался в том, что всех других типов аберраций было больше, чем в рефракторе.

Оригинальную конструкцию двухзеркальной системы, состоящей из первичного и вторичного параболического зеркала, предложил французский скульптор и художник Кассегрен. Эта конфигурация очень удобна и широко применяется в настоящее время, но в те далекие времена идея не была реализована из-за невозможности получить зеркала нужной формы.

В России большего успеха в изготовлении металлических зеркал достиг Я.В. Брюс, а М.В. Ломоносов разработал новую конструкцию телескопа с наклоненным главным зеркалом без вторичного, что существенно уменьшало потери света. Такую же схему, независимо от него, использовал и У. Гершель. В своем доме, превращенном в мастерскую, он вместе с братьями получал особый сплав из меди и олова, а затем изготавливал зеркала и сам их шлифовал. Вершиной его трудов стал гигантский по тому времени телескоп с диаметром главного зеркала в 122 см. К середине XVIII века компактные, удобные в обращении высококачественные рефлекторы с металлическими зеркалами практически вытеснили громоздкие рефракторы. Однако и они были далеки от совершенства. Во-первых, металлические зеркала имели низкий коэффициент отражения, а их поверхность со временем тускнела. Во-вторых, их изготовление было трудоемким и дорогостоящим. В-третьих, большие металлические зеркала деформировались под собственным весом. И тут очень помогли успехи в деле стекловарения. В 1758 году были получены два сорта стекла: легкий — крон и более тяжелый — флинт, а следовательно, появилась возможность создания двухлинзовых объективов. Англичанин Дж. Доллонд, изготовил объектив из положительной кроновой и отрицательной флинтовой линз и получил патент на изобретение объектива-ахромата, то есть свободного от хроматической аберрации. Такие объективы, названные доллондовыми трубами, быстро получили распространение.

Немецкий оптик Й.Фраунгофер ввел в широкую практику научный метод изготовления линзовых объективов и контроль за их качеством. Он конструировал и изготавливал первоклассные ахроматические объективы. Венцом его оптического искусства стал 25-сантиметровый рефрактор, купленный у него Россией и установленный в Тартуской обсерватории.

К середине XIX века фраунгоферовские рефракторы стали основными инструментами наблюдательной астрономии. Казалось, что у них безоблачное будущее. Но по мере расширения спектрального диапазона наблюдений вновь стал проявляться главный недостаток линзовых объективов — хроматизм. Большие проблемы вызывало и дальнейшее увеличение диаметра объектива рефрактора. Было невозможно получить однородные большие блоки стекла для линз, а толстые линзовые объективы поглощали слишком много света. Самый большой рефрактор с диаметром объектива 1,02 м был построен в 1897 году, но на этом их дальнейшее развитие остановилось.

И тут создатели телескопов снова вспомнили о рефлекторах. В середине XIX века получил известность химический метод серебрения стеклянных поверхностей. Это позволило изготавливать зеркала из стекла. Серебряная пленка — фильм наносилась на стеклянное зеркало путем воздействия виноградного сахара на соли азотнокислого серебра.

Такие зеркала со свежим серебряным фильтром отражали уже не 60% упавшего света, как бронзовые, а от 90 до 95%, а значит, были более светосильными при том же размере зеркала.

Вскоре Л. Фуко разработал метод определения формы и качества поверхности зеркал. Благодаря его исследованиям появились рефлекторы с параболическими зеркалами.

Новым толчком в дальнейшем развитии телескопостроения стало использование алюминированных зеркал. Они, в отличие от серебренных, медленнее старились и лучше отражали ультрафиолетовые лучи.

В конце XIX века начало первому поколению новых рефлекторов положил состоятельный человек, любитель астрономии Кросслей, который приобрел вогнутое стеклянное параболическое зеркало диаметром 91 см и изготовил телескоп. Следующий телескоп такого же типа с диаметром зеркала 1,5 м был установлен на обсерватории Маунт Вилсон. В 1918 году здесь же был построен 2,5-метровый рефрактор, а в 1947-м в Паломарской обсерватории был введен в строй телескоп с 5-метровым зеркалом. И все же проблемы, возникшие при создании этого телескопа, заставили специалистов в дальнейшем продвигаться в сторону увеличения диаметров более осторожными шагами. Особенно с учетом того, что работа на крупных телескопах показала, что 3-метровый диаметр с применением высококачественной оптики в пункте со спокойной атмосферой может оказаться гораздо эффективнее 5-метрового. А потому в 50 — 80-е годы в основном строились 3 — 4-метровые телескопы. Единственный 6-метровый был построен в СССР и установлен в Специальной астрономической обсерватории на Кавказе.

Параллельно с развитием оптической части совершенствуются и механические конструкции, управление телескопом доверяется компьютерам. Сейчас уже все готово к созданию больших телескопов, но из-за отсутствия достаточных средств обсерватории, институты и даже страны объединяются для совместного строительства.

Весь имеющийся арсенал телескопов ученые используют для решения важных астрономических вопросов, таких как происхождение планет, звезд, Солнечной системы, квазаров и активных галактик. Судя по всему, будущие разработки в телескопостроении обещают быть поистине грандиозными. Уже сейчас предлагаются проекты 50- и 100-метровых телескопов, оснащенных самой современной приемно-регистрирующей аппаратурой, способной обеспечить качество наблюдений, о котором сейчас можно только мечтать.

Совместный проект восьми европейских стран, названный Очень большой телескоп (VLT), также близок к завершению. Его основной идеей стало создание четырех однотипных телескопов с диаметром главного зеркала 8,2 м и установка их в одном месте с максимально благоприятным астроклиматом. Каждый из них может работать как в автономном режиме, так и в комбинации с другими телескопами, обеспечивая в этом случае собирательную способность 16-метрового телескопа. Эти телескопы имеют цельные зеркала из особого сорта стекла, их толщина всего 175 мм, поэтому специально для них была разработана сложная система разгрузки. В перспективе эти телескопы будут работать в режиме интерферометра для получения высокого разрешения.

Общий вид механической структуры, приводящей в движение зеркало телескопа YEPUN. 

Первыми «ласточками» нового поколения больших телескопов стали два 10-метровых близнеца для оптических инфракрасных наблюдений, получивших имя «Кек». Они появились на свет благодаря помощи фонда У. Кека, предоставившего 140 000 долларов на их строительство. Размером с восьмиэтажный дом и весом 300 тонн, они работают с высокой точностью. В «сердце» каждого из них — главное зеркало диаметром 10 м, состоящее из 36 шестиугольных сегментов, работающих как одно отражательное зеркало. Они установлены в одном из лучших на Земле мест для астрономических наблюдений — на Гаваях, на склоне потухшего вулкана Мануа Кеа высотой 4 200 м. К 2002 году эти два телескопа, расположенных на расстоянии 85 м друг от друга, смогут работать в режиме интерферометра, давая такое же угловое разрешение, как 85-метровый телескоп. Дело в том, что зеркало телескопа имеет две характеристики. Первая из них — светособирающая способность, пропорциональная площади зеркала, вторая — способность зеркала разделять или разрешать малые объекты, называемая угловым разрешением и пропорциональная диаметру зеркала. Если убрать из зеркала некоторую часть, то его собирательная способность резко упадет, а угловое разрешение останется тем же, что и при целом зеркале. Это и позволяет использовать два телескопа «Кек», как два кусочка большого 85-метрового зеркала. Для улучшения качества изображения эта система будет дополнена еще четырьмя телескопами с диаметром зеркала 1,8 метра.

История зеркально-линзовых телескопов не столь богата, как история рефракторов и рефлекторов, и восходит к 1930 году, когда эстонский оптик, сотрудник Гамбургской обсерватории Барнхард Шмидт предложил зеркально-линзовую систему, состоящую из сферического зеркала и прозрачной коррекционной пластины, поставленной в центре его кривизны. Эта пластина имеет сложную асферическую поверхность, позволяющую устранять аберрации сферического зеркала и получать как можно большее поле зрения.

Фотографическая камера Шмидта имела единственную аберрацию — кривизну поля. Причем, чем больше светосила камеры, тем лучше изображение и тем больше неискаженное поле зрения!

Телескопы Шмидта и сейчас применяются в качестве инструментов для широкоугольного обзора неба, один из них до сих пор успешно работает на Паломарской обсерватории с 1948 года.

В 1935-м Франклин Райт расположил пластину относительно зеркала так, что поле зрения стало плоским, хотя светосила и поле зрения уменьшились по сравнению с камерой Шмидта. Причем камера Райта может быть и фотографической, и визуальной.

Позже эта система была видоизменена и стала одной из самых совершенных в мире. Телескопы такого типа устанавливались на американских автоматических межпланетных станциях.

В 1946-м Джеймс Бэкер установил в камере Шмидта выпуклое вторичное зеркало и получил плоское поле.

В отличие от обычного рефлектора бинокулярный телескоп имеет два первичных зеркала. Вращение вторичных зеркал дает возможность быстро переключать телескоп с одного типа наблюдений на другой. Короткое фокусное расстояние первичных зеркал позволяет создать компактную, но достаточно жесткую структуру. Механическая система телескопа была смонтирована в Италии, а затем перевезена и установлена в Аризоне. Зеркала для телескопа сделаны в лаборатории зеркал Университета Аризоны в Таксоне из специального стекла, произведенного в Японии. После установки зеркал и окончательной настройки телескоп станет частью международной обсерватории Грэхема.

Телескопы «Джемини»

Близится к завершению большой международный проект, получивший название «Джемини» — два идентичных телескопа с диаметром главного зеркала 8,1 м. Они установлены в Северном и Южном полушариях Земли (соответственно в Мануа Кеа, Гавайи, и Церро Пачон, Чили), чтобы охватить наблюдениями всю небесную сферу.

Главное зеркало каждого из них изготовлено из 42 шестиугольных блоков, выполненных из стекла с очень низким коэффициентом теплового расширения и сваренных в один тонкий диск, который затем был отполирован. Эти телескопы могут работать как в видимой, так и в инфракрасной областях спектра. Инфракрасные изображения будут сравнимы с оптическими, а возможно, и лучше, чем полученные с космического телескопа «Хаббл».

Людмила Князева, кандидат физико-математических наук