Для чего используют телескопы
Телескопы в астрономии
Общие исторические сведения
На сегодняшний день существует несколько типов телескопов, различающихся принципом действия:
К телескопам также относятся нейтринные детекторы и детекторы гравитационных волн.
Первые телескопы представляли собой приборы оптического типа. Еще в работах Леонардо да Винчи есть упоминания о приборе с оптическими линзами, пусть и примитивной системы. Но самый первый рабочий телескоп был создан Иоанном Липперсгеем в 1608 году, хотя есть предположение, что отцом первого телескопа является Захарий Янсен.
Рисунок 1. Телескоп Липперсгея
Систему Липперсгея доработал Галилей, который модернизировал ее в телескоп-рефрактор, что позволило проводить более эффективные исследования космоса. На протяжении всей своей жизни Галилей постоянно вносил улучшения в конструкцию своего телескопа – его последняя модель имела увеличение 32х.
Само название «телескоп» впервые предложил греческий математик Иоаннис Димисианос в 1611 году, так как до этого свои приборы Галилей называл perspicillum – «очки».
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
На протяжении ХХ века конструкция телескопа постоянно совершенствовалась. В 1937 году был изобретен телескоп работающих на радиоволнах. Впоследствии появились более продвинутые системы, работающие практически во всем волновом спектре.
Оптические телескопы
Все оптические телескопы можно разделить на три группы по их устройству:
Астрономы, занимающие научной деятельностью, для исследования Солнца используют специализированные телескопы, имеющих отличия в конструкции.
Рисунок 2. Оптический телескоп
Радиотелескопы
Для изучения космических объектов, излучающих радиоволны, используются радиотелескопы. Такой телескоп состоит из антенны и радиометра, задачей которого является замер энергетических параметров радиоизлучения.
Так как радиоволнового диапазона ширина намного больше, чем у оптического, для фиксации радиолучей используют различные конструкции телескопов. Для исследования метрового (длинноволнового) диапазон которого составляет от десяти до сотен МГц, применяются телескопы с множеством простейших приемников, например диполей. Для исследования сантиметровых и дециметровых волн, имеющих частоту в десятки ГГц, применяют мощные вращающиеся параболические антенны.
Объединение несколько радиотелескопов в одну систему позволяет усилить их разрешающую способность, поэтому для создания радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой объединяют несколько радиотелескопов, расположенных в разных точках Земли.
Рисунок 3. Радиотелескоп
Космические телескопы
Несмотря на хорошую проходимость оптического сигнала в атмосфере, из-за когерентного рассеивания у света с различной частотой различается и пропускная способность, что приводит к искажению звездного спектра. Также на качество картинки влияет и неоднородность атмосферы, поэтому расположенные на поверхности планеты телескопы имеют ограничение разрешения в одну угловую секунду. Чтобы этого избежать, телескопы устанавливают на максимальном возвышении, где атмосфера более разреженная.
При размещении телескопа за пределами атмосферы удается полностью избежать погрешностей при передаче изображения – в этом случае качество картинки зависит лишь от предела дифракции.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
При уменьшении длины волны до УФ, рентгеновского диапазона или диапазон гамма-излучения, уменьшается и пропускная способность земной атмосферы. Поэтому исследования этих волновых диапазонов также производятся с помощью телескопов, расположенных в космическом пространстве.
Современные радиотелескопы представляют собой связанные между собой станции-радиоинтерферометры, так как по отдельности у них слишком маленькое разрешение.
Самым мощным и известным космическим телескопом является «Хаббл», названный так в честь выдающегося американского астронома Эдвина Хаббла. Он представляет собой целую астрономическую обсерваторию, расположенную на орбите, работающую в автоматическом режиме. «Хаббл» был выведен на орбиту в 1990 году. Он имеет разрешающую способность в 0.1 угловой секунды и работает в ИК-диапазоне.
Не нашли нужную информацию?
Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.
Гарантия низких цен
Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.
Доработки и консультации включены в стоимость
В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.
Вернем деньги за невыполненное задание
Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.
Тех.поддержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.
Тысячи проверенных экспертов
Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».
Гарантия возврата денег
Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!
Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока
Гарантия возврата денег
В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы
Отзывы студентов о нашей работе
«Всё сдал!» — безопасный онлайн-сервис с проверенными экспертами
Используя «Всё сдал!», вы принимаете пользовательское соглашение
и политику обработки персональных данных
Сайт работает по московскому времени:
Принимаем к оплате 
8 различных типов телескопов
Самый ранний известный телескоп в истории появился еще в начале 1600 года в Нидерландах и предположительно был изобретен голландским производителем очков Иоанном Липперсгеем. Однако название «телескоп» не существовало до 1611 года и было придумано греческим математиком Иоаннис Димисианос.
К 1610 году итальянский эрудит Галилео Галилей уже разработал свою собственную улучшенную версию телескопа, с помощью которой он позже обнаружил четыре галилеевых спутника. Затем, примерно в конце 1660-х годов, Иссак Ньютон сконструировал первый в истории телескоп-рефлектор, который теперь известен как ньютоновский рефлектор.
В течение следующих трехсот лет или около того телескопы будут работать только на видимом спектре света, ограничивая, таким образом, объем доступной информации. Такие телескопы обычно называют оптическими. Только в середине 1900-х годов были разработаны телескопы, способные работать в различных длинах электромагнитных спектров волн.
Не все телескопы расположены на земной поверхности. Да, это так. Ряд усовершенствованных телескопов находятся на орбите вокруг Земли в космосе. Эти космические телескопы собирают свет с длинами волн, которые частично или полностью блокированы земной атмосферой.
Наземные телескопы
1. Оптические телескопы
Оптические телескопы собирают свет видимой длины волны (видимой невооруженным глазом) электромагнитного спектра. Это самые старые и наиболее часто используемые телескопы в мире. Пожалуй, самой важной особенностью оптического телескопа является его светосила, которая намного выше, чем у человеческого глаза.
Оптические телескопы можно разделить на три большие категории; рефракторные, рефлекторные и катадиоптрические оптические конструкции. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и имеет различное применение в астрономии.
Рефракционные телескопы
Несмотря на то, что сегодня в мире существует всего несколько преломляющих телескопов исследовательского класса, когда-то они пользовались широкой популярностью. С развитием технологии изготовления линз в конце 19 века преломляющие телескопы стали золотым стандартом в астрономических наблюдениях.
Отражающий телескоп
Отражающий телескоп или отражатель формирует изображение с помощью одного зеркала или, в некоторых случаях, группы зеркал. Первый в мире функциональный телескоп-отражатель был разработан Исааком Ньютоном в 1668 году как альтернатива «некорректному» преломлению.
Несмотря на то, что они до сих пор не могут дать «идеальное» изображение, рефлекторы используются почти во всех других исследовательских телескопах из-за их физических достоинств.
Катадиоптрические телескопы
2. Радиотелескопы
Большая миллиметровая матрица Atacama
Радиотелескопы анализируют астрономические объекты на радиочастотах. Другими словами, они обнаруживают сигналы на длинах радиоволн от удаленных астрономических объектов. Пожалуй, наиболее важным компонентом радиотелескопа является его антенна (тарелка), также известная как параболическая антенна.
Поскольку радиосигналы, которые мы получаем от большинства астрономических тел, слабые, радиотелескопам требуются большие антенны, чтобы собрать достаточно данных, чтобы астрономы могли проводить свои исследования. В некоторых случаях несколько радиотелескопов связаны друг с другом электронным способом, что значительно увеличивает область их поиска (радиоинтерферометрия).
Поскольку большинство радиочастот способно проникать в атмосферу Земли, в космических радиотелескопах нет необходимости. Однако потенциально они могут помочь наземным.
Некоторые из диапазонов частот, которые в настоящее время используются радиотелескопами: Радиолиния нейтрального водорода, 23 ГГц, 33 ГГц, 41 ГГц, 61 ГГц, 94 ГГц, 1406 МГц и 430 МГц.
Коммерческое использование этих частот запрещено во многих странах для выполнения радиоастрономических задач.
Радиоинтерферометрия
В радиоинтерферометрии радиосигналы, захваченные несколькими антеннами на большой площади, объединяются вместе, чтобы максимизировать общее разрешение. Эта техника была представлена еще в 1946 году.
3. Солнечные телескопы
Солнечные телескопы, ранее известные как фотогелиографы, специально разработаны для наблюдения за солнцем в ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн. В отличие от большинства других типов, солнечные телескопы могут работать только в дневное время и обычно располагаются на вершине высокой белой конструкции.
Солнечный телескоп МакМата-Пирса, расположенный в Аризоне (США), является крупнейшим телескопом такого типа. Голландский открытый телескоп и солнечный телескоп Даниэля К. Иноуэ являются хорошими примерами солнечных телескопов.
Космические телескопы
Космический телескоп Хаббла | Изображение предоставлено НАСА.
Все началось еще в начале 1920-х годов, когда физики Герман Оберт, Константин Циолковский и Роберт Годдард, три отца-основателя астронавтики, размышляли над идеей космического телескопа, который можно было бы отправить на орбиту Земли с помощью ракеты. Это было началом эры нового класса телескопов.
Затем в 1946 году астрофизик-теоретик Лайман Спитцер из Принстонского университета рассказал о преимуществах такого прибора и о том, как космический телескоп может полностью исключить из телескопических наблюдений атмосферную турбулентность Земли.
В отличие от наземных телескопов, космические телескопы предлагают более точные наблюдения, поскольку они свободны от какой-либо атмосферной турбулентности и радиационных искажений. Ниже представлены различные типы космических телескопов.
4. Инфракрасные телескопы
Художественная концепция космического телескопа «Спитцер» | Изображение предоставлено НАСА
Инфракрасная астрономия является важной отраслью современной астрофизики. Поскольку большая часть инфракрасного излучения блокируется атмосферой Земли (относительно небольшая длина волны может пробиться сквозь нее), многие инфракрасные телескопы находятся в космосе.
Инфракрасные телескопы способны обнаруживать удаленные астрономические объекты в пыльных районах космоса. Они также играют важнейшую роль в изучении раннего состояния Вселенной. Однако, в отличие от большинства других длин волн, наблюдение на инфракрасной частоте несколько затруднено, поскольку каждое горячее тело испускает инфракрасное излучение.
5. Ультрафиолетовые телескопы
Атмосфера нашей Земли блокирует попадание на Землю большей части вредной радиации. Сюда входят ультрафиолетовые лучи. По этой причине излучение в ультрафиолетовом диапазоне можно наблюдать только из космоса.
Ультрафиолетовая астрономия позволяет исследователям более внимательно изучать далекие звезды и галактики. Большинство звезд излучают излучение в ближнем инфракрасном или видимом диапазоне длин волн, поэтому в ультрафиолетовом свете они кажутся незначительными. Видны будут только те звезды, которые находятся либо на ранней, либо на поздней стадии эволюции и намного горячее. Фактически, каждый горячий астрономический объект излучает ультрафиолетовое излучение.
Известные ультрафиолетовые космические телескопы
Первым космическим телескопом, способным наблюдать УФ-спектр, была камера/спектрограф в дальнем ультрафиолете, которая была развернута на поверхности Луны миссией Аполлон-16 в 1972 году.
Спектроскопический исследователь дальнего УФ-диапазона НАСА или FUSE и Swift Gamma-Ray Burst Emission являются двумя наиболее яркими примерами ультрафиолетовых телескопов.
Изображение Крабовидной туманности на нескольких длинах волн | Изображение предоставлено НАСА.
6. Рентгеновские телескопы
Рентгеновские телескопы предназначены для изучения очень далеких объектов в рентгеновских частотах. Подобно ультрафиолетовым волнам, частоты рентгеновского излучения блокируются земной атмосферой, поэтому их можно изучать только с помощью космических телескопов.
Основным компонентом рентгеновского телескопа являются зеркала (фокусирующие или коллимирующие), которые собирают излучение и проецируют его на специализированные детекторы. Рентгеновские телескопы с фокусирующими зеркалами нуждаются в длинном фокусе, т.е. зеркала должны располагаться на расстоянии нескольких метров от детекторов.
Известные космические рентгеновские телескопы
С 1960-х годов в космос было выведено почти пятьдесят рентгеновских телескопов. Первый известный рентгеновский спутник UHURU (Ухуру) провел обширные исследования Лебедь X-1 (источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя) и других известных рентгеновских источников. Рентгеновская обсерватория НАСА Чандра, запущенная в 1999 году, стала прорывом в области рентгеновской астрономии.
Чандра в 100 раз более чувствительна к слабым рентгеновским лучам, чем любой другой телескоп до ее запуска. Это стало возможным только благодаря более высокому угловому разрешению ее зеркал. Другими примечательными рентгеновскими обсерваториями являются NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) и японский спутник Hitomi.
7. Микроволновые телескопы
Подобно рентгеновским лучам и ультрафиолетовому излучению, атмосфера Земли поглощает большую часть излучения на длине микроволновой волны, поэтому астрономам приходится полагаться на космические микроволновые обсерватории и телескопы для изучения космических микроволн.
Телескопы, установленные на WMAP NASA (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и спутнике Planck ЕКА, возможно, единственные два действующих в настоящее время микроволновых телескопа космического базирования. Единственным известным космическим микроволновым телескопом был космический исследователь Cosmic background Explorer или COBE, который отключился в 1993 году.
8. Гамма-телескопы.
Однако их гораздо труднее наблюдать, чем рентгеновские волны. Фактически, на сегодняшний день не существует специализированного гамма-телескопа. Вместо этого астрономы используют вторичные средства для обнаружения потока гамма-лучей в небе, то есть черенковское излучение.
Хотя земная атмосфера действует как барьер для гамма-лучей, во многих случаях их можно наблюдать из нескольких наземных обсерваторий, включая HESS, HAWC и VERITAS.
Известные гамма-телескопы
В настоящее время существует только пять действующих космических телескопов, которые наблюдают за частотой гамма-излучения. Орбитальная обсерватория НАСА Swift, запущенная в 2004 году, обнаруживает загадочные гамма-всплески со всей Вселенной. Еще одна обсерватория NASA, Ферми, специально разработана для наблюдения высокоэнергетических вспышек пульсаров и черных дыр.
В то время как большинство космических спутников наблюдают или слушают только определенную длину волны, существует несколько многоволновых телескопов, которые могут собирать информацию из более чем одного участка электромагнитного спектра одновременно. Космический телескоп Хаббла является прекрасным примером таких телескопов. Он может наблюдать в ближнем инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах.
Телескопы — кто они такие?
Разберём по винтикам
Телескоп — слово известное практически каждому. Существует устоявшийся визуальный образ этого понятия — то, как мы себе представляем телескоп — это такая труба на подставке, внутри стекляшки какие-то… на этом конкретика у многих исчерпывается.
Потому что уже на вопрос — «В чем назначение телескопа» — ответ, как правило, слышен сбивчивый и нескорый. Одни считают, что телескоп что-то там приближает; другие думают, что он что-то увеличивает — эти ближе к истине, но незначительно.
Телескоп — не космический корабль, и к Луне с его помощью мы ближе не станем. Это — не насос, и Луну мы с его помощью до больших размеров не надуем.
Так для чего же их делают, эти блестящие трубы на подставках?
Открою тайну. Как бы это ни казалось удивительным, но главное назначение телескопа — собрать от небесного объекта как можно больше света. Именно потому главным достоинством любого телескопа является диаметр его объектива — в понимании среднестатистического землянина — той линзы, что обращена к небу — именно ее принято считать объективом. (На самом же деле в нашу эпоху объективом телескопа чаще является зеркало, и прячется оно глубоко в трубе, но такая оптическая схема среди неастрономической публики непопулярна.) А вот когда свет от небесного объекта собран, и изображение объекта построено, его можно внимательно рассмотреть — тут мы сталкиваемся со вторым назначением телескопа: Увеличить угол зрения, под которым может быть видимо небесное тело.
Ах, эти научные формулировки! Кто бы нам теперь объяснил, что значит это словосочетание: «угол зрения», и зачем нам его увеличивать?
Процитирую строчку из песни Виктора Цоя: «За окном идет стройка, работает кран».
Подойдем к окну и посмотрим на кран — его длинная стрела раскинулась на полнеба, и чтобы осмотреть ее всю от кабины крановщика, до того места, где она заканчивается, и свисает вниз трос с крюком, придется повернуть голову. Повернуть — ключевое слово. Оказывается стрела башенного крана имеет некоторую угловую протяженность, измеряемую в градусах и равную той величине, на которую нам придется повернуть голову вокруг воображаемой оси вставленной в нашу шею — допустим на 45 градусов.
А если стройка идет в соседнем дворе? В этом случае кран стоит относительно далеко и чтобы перевести взгляд с одного конца его стрелы на другой, нам потребуется повернуть голову на меньший угол, допустим на 5 градусов, или сместить глазной зрачок посмотрев чуть в бок, но на ту же величину — на 5 градусов.
Та величина, накоторую нам приходится изменять направление своего взгляда, чтобы рассмотреть объект полностью — это и есть угловой размер данного объекта. В бытовом понимании. Астрономия же, как наука, оперирует геометрическими понятиями. Но смысл остается тот же. Он в том, что все видимые объекты, будь то далекие планеты или какие-то земные предметы — деревья или строения — все представляются нам большими или маленькими в первую очередь исходя из тех угловых размеров которые они для нас имеют. Реальные же размеры для наблюдателя вторичны и могут оказаться неожиданными. Например стоящий неподалеку дом может заслонить собой 60 градусов небесной сферы, но высотой он всего метров 25. Наше дневное светило — Солнце — имеет угловой поперечник всего полградуса, но диаметр его более миллиона километров.
Сейчас мы первый раз коснулись примера углового размера небесного объекта. Углы, как известно, измеряются в угловых величинах — градусах или радианах, но радианы для любителя — неудобная величина. Градусы — привычнее. Но все равно, не многие из Вас приведут пример одного градуса в качестве видимого размера какого-то видимого объекта. К тому же, уж так получилось, что и удобного небесного объекта на нашем небе размером в 1 градус нет. Зато есть два объекта которые с хорошей точностью можно считать эталонами углового размера в полградуса — это Солнце или Луна.
Оказывается, эти два небесных тела, столь разных по своей природе (Солнце — звезда, гигантский газовый шар диаметром более миллиона километров и с температурой поверхности 6000°K; Луна — спутник Земли, маленькая холодная планетка диаметром 3600 км), для земного наблюдателя на небе имеют одинаковый угловой размер 1/2 градуса.
И, как можно догадаться, 1/2 градуса — величина не очень большая, то телескоп как раз призван изменить это в большую сторону, оказавшись между объектом и наблюдателем.
Вот теперь мы вплотную приблизились к тому, что иногда называют «увеличением», но в отношении чего правильнее употреблять понятие «кратность». Я видел множество разочарованных людей, которые — вместо ожидаемых десятков тысяч и миллионов — узнавали, что хорошие телескопы позволяют применять 100-кратное увеличение. А увеличения более 500 крат в наблюдательной астрономии применяются крайне редко. Все мы любим большие цифры, особенно если это цифры нашей зарплаты. Но, к счастью, параметры телескопов не подвержены инфляции и, как во времена изобретателя телескопа — итальянца Галилео Галилея, — 30-кратное увеличение было вполне актуально для ряда астрономических наблюдений, так и 400 лет спустя, оно ничуть не потеряло своей актуальности.
Первый в истории телескоп был изобретен итальянским ученым и священником Галилео Галилеем в 1609 году. Не следует думать, что сам принцип оптической системы, увеличивающей угловой размер наблюдаемого объекта, был придуман Галилеем. Подзорные трубы в те годы с успехом и уже часто применялись в мореходстве и при ведении военных действий. Но Галилео был первым, кому хватило отваги в эпоху инквизиции направить трубу в небо. При этом он же сделал важный вывод — точность и качество изготовления линз в подзорных трубах никак не годятся для астрономических наблюдений. Он разработал собственный — более точный и качественный — метод шлифовки, полировки и доводки до требуемой формы оптических деталей, а саму схему «подзорной трубы» оптимизировал для астрономических наблюдений.
Его упорство было вознаграждено поистине революционными открытиями. Многое, что ранее считалось непреложной истиной, обрело другой вид и смысл. На божественном лике Солнца обнаружились темные пятна, на гладкой и плоской Луне «выросли» горы, планеты демонстрировали шарообразность, а Венера «показывала» фазы подобные лунным. Юпитер обзавелся спутниками и стал альтернативным центром мира, а «Высочайшую из планет» — Сатурн — Галилео Галилей «тройною наблюдал». Млечный Путь из пролившегося некогда молока превратился в россыпи звезд, а самих звезд на небосклоне, благодаря прозрачным линзам первого в мире телескопа, оказалось в десятки раз больше.
Надо ли говорить, как отнеслась к открытиям Галилея церковь?! — ученого судили и под угрозой пыток заставили отречься от всего увиденного. Галилей отрекся. Но дальнейшая судьба телескопа уже не зависела от этих событий. Изобретение обрело значительную популярность и стало использоваться многими прогрессивно настроенными учеными. А вместе с этим и совершенствовалась его оптическая схема, появлялись все новые конструкции.
То сочетание линз, которое использовал в своем телескопе Галилей, вскоре вышло из употребления, и хотя похожая оптическая схема по сей день используется в театральных биноклях, для наблюдений небесных тел уже через несколько лет после премьеры Галилея была изобретена другая, более удобная конструкция.
Ее разработал Иоганн Кеплер — математик, физик, астроном, но по большей части — теоретик, а потому собственную конструкцию телескопа ни разу не использовал. Впервые изготовил ее и опробовал на астрономическом поприще его коллега и современник — К. Шейнер.
Система Кеплера обладала рядом существенных преимуществ: Большее поле зрения, более качественное изображение и, ввиду более легкого изготовления короткофокусных собирающих линз (а в качестве окуляра у Галилея использовалась отрицательная — рассеивающая линза), позволяла добиваться большей кратности увеличения. Однако использовать ту же схему для подзорных труб уже не удавалось — схема Кеплера давала перевернутые изображения. Для астрономических наблюдений это не стало недостатком, а вот для наблюдения земных удаленных объектов было неприемлемо.
Телескопическая астрономия стала стремительно развиваться. Открылись новые горизонты, оказалась доступна новая точность измерений и, конечно же, хотелось большего. Астрономы XVII века пытались заглянуть все дальше в космос, старались более детально рассмотреть небесные тела и применяли для этого все большие увеличения своих примитивных инструментов.
Очень скоро стало понятно, что перешагнув определенную кратность, качество изображения, его детальность, количество звезд в поле зрения перестают увеличиваться, и даже начинают снижаться. Можно с уверенностью сказать, что в эпоху Галилея и Кеплера 50-кратное увеличение было предельным и дальнейшее увеличение кратности на пользу не шло.
Если обратиться к иллюстрации приведенной выше, можно отметить закономерность, что чем больше фокусное расстояние объектива [F] (расстояние, на котором линза строит изображение объекта — вспомните, как получают огонь в солнечный день с помощью увеличительного стекла — именно на этом расстоянии солнечные лучи собираются в «точку»), и чем меньше фокусное расстояние окуляра [f], тем больше кратность [ F/f ]. Может показаться, что сделав очень длиннофокусный объектив и взяв короткофокусный окуляр, можно достичь невероятно большой кратности увеличения. Однако, очень скоро становится заметно, что чем больше кратность, тем слабее яркость изображения. Случалось так, что объект исследований прекрасно виден глазом, но при большом увеличении перестает быть видимым в телескоп. Второе неожиданное открытие астрономов заключалось в том, что определенного размера линза объектива, какое бы не было огромным используемое увеличение, не в состоянии показать детальность мельче определенного порога. Это уже свойство самого света — его волновой природы.
Оказывается, что есть так называемый «дифракционный предел», суть которого в том, что любые отверстия, пропускающие световой поток, ограничивают детальность картинки, которую этот поток несет с собой. Более того, все точечные объекты, а звезды в ту далекую пору можно было считать именно точечными объектами, вследствие «дифракционного предела» при больших увеличениях видны не точками, а кружками, окруженными несколькими убывающими по яркости кольцами. И, собственно, любое изображение в телескопе как-будто складывалось из совокупности таких круглых пятен.
Чтобы повысить разрешение телескопа, шагнуть за «дифракционный предел», нужен телескоп с большим диаметром объектива. Тогда дифракционные диски становятся меньше.
Ах, если б это было все! Линзы стали делать больше, но тут обнаружилось, что стекло, из которого делали линзы для телескопов имеет свойство очень по-разному преломлять лучи разной длины волны (а говоря по-народному — разных цветов). Оказалось, синие лучи фокусируются ближе к линзе, красные — дальше от нее. А поскольку в свете небесных объектов присутствуют лучи самых разных цветов (длин волн), то точно навести резкость при больших увеличениях никак нельзя. Будь то звезда или планета, ее изображение так и оставалось нерезким, отливая всеми цветами радуги несфокусированных лучей.
Та самая красота — разложение белого света на все его составляющие, которое мы привыкли именовать радугой, — на продолжительное время стала главной головной болью астрономов. Уже и инквизиция отошла на второй план, а вот справиться с «хроматической аберрацией» не удавалось около столетия. Во все времена существовал список невозможного. В XVII веке нем были такие пункты:
Надо заметить, что здесь астрономы проявили себя масштабно, так, что даже эпоху эту в телескопостроении назвали эпохой телескопов-динозавров. При диаметре линзы объектива всего в 8 сантиметров, длина инструмента иногда превышала 100 метров — можете себе это представить?! Конечно же изготовить трубу для такого телескопа было невозможно — она согнулась бы или сломалась под собственным весом. Телескопы делали «воздушными» — такие решетчатые конструкции крепились на высоких мачтах и управлялись целой бригадой специально обученных рабочих, всюду тянулись тросы и канаты, фермы телескопа приводились в движение с помощью рычагов и блоков, причем в полной темноте — пользоваться факелами во время наблюдений было нельзя — от грандиозности замысла и сейчас захватывает дух.
Жаль лишь, что особого результата и качества эти инструменты так и не показали. Впрочем, в эпоху телескопов-динозавров астрономы так же сделали немало открытий. Христиан Гюйгенс наконец смог понять, что же имел в виду Галилей говоря о «тройственности высочайшей планеты», и открыл кольцо Сатурна (выступающие в стороны ушки которого Галилей принял за две другие близкорасположенные планеты — его телескоп не позволил тогда это детально рассмотреть), а Кассини открыл в кольце Сатурна щель отделяющую внешнее кольцо от внутреннего. Это деление кольца Сатурна позже назвали именем его открывателя.
При этом астрономы демонстрировали невероятное мастерство фиксации своих наблюдений. Фотографии тогда не было, но рисунки наблюдателей представляли из себя произведение искусства и научный документ одновременно.
Но бесконечно так продолжаться не могло. Телескопы длиной в 90 метров показывали хуже 50-метровых и это был тупик. Выход нашел величайший из физиков всех времен и народов — сэр Исаак Ньютон. Именно Ньютону принадлежит изобретение зеркального телескопа.
Линза собирает параллельный пучок лучей в точку и строит изображение. Но то же самое может и вогнутое зеркало. Правда зеркало собирает пучок перед собой, и, пытаясь рассмотреть построенное изображение, наблюдатель рискует перекрыть собой весь световой поток, льющийся с небес. Так ведь можно использовать еще одно зеркало, которое отведет пучок лучей от главной оптической оси.
Пришлось мириться еще с рядом неудобств и недостатков — зеркала тогда делали из особого сплава меди и олова. Отражали они света немного (40-50%, а если учесть, что зеркал было два, то до глаза наблюдателя доходила в лучшем случае 1/5 часть светового потока), к тому же такие зеркала быстро тускнели и требовали частой переполировки. Вспомогательное зеркало также заслоняло собой часть главного и это приводило к еще большим потерям. Зато, можете себе представить, никакой хроматической аберрации! А если придать зеркалу не сферическую, а параболическую форму, то можно разом избавиться и от сферической аберрации. Да, конечно, изображение планет и туманностей при том же диаметре объектива намного тусклее, но зато какое оно резкое, какое четкое! И ведь ничто не мешает сделать зеркало в несколько раз больше.
Первый телескоп системы Ньютона был карликовых размеров. Его изготовил сам Ньютон как пример и иллюстрацию своей находки. Зато, как размахнулись изготовители настоящих телескопов такой конструкции — один другого больше!
Чаще всего изготовителем телескопа и наблюдателем был один и тот же человек. В те годы не существовало промышленного изготовления оптики — все делалось вручную. Уильям Гершель, музыкант по образованию, но увлекшийся в 30-летнем возрасте астрономией, сделал более десятка телескопов отменного качества. В их числе крупнейший телескоп XVIII века (длина трубы 12 метров, диаметр медно-оловянного зеркала 122 см), который до середины следующего столетия оставался непревзойденным. Трудно себе представить муки ученого вынужденного буквально сутками без перерыва продолжать полировку зеркала, ведь если процесс остановить до завершения, начнется окисление верхнего слоя, зеркало не будет отражать, и все придется начать с начала.
Но оно того стоило — инструменты и наблюдения Гершеля положили начало галактической астрономии, астрофизике. Ему удалось открыть новую планету — Уран, а также множество комет и несколько спутников планет. Правда, попутно Гершель создал собственную версию зеркального телескопа — без вспомогательного зеркала:
Другие оставались в справочниках, но из реальности вскоре исчезали, как система Грегори:
И когда победа зеркальных систем уже казалась окончательной и бесповоротной, оптики разгадали тайну веков — изобрели «ахромат» — линзовый объектив лишенный хроматической аберрации.
В середине XVIII века эта счастливая идея посетила Леонарда Эйлера, и через несколько лет ее воплотил, что называется, «в стекле» оптик Джон Доллонд.
В стекле все дело и было. Оказывается, что разные сорта стекла имеют разный коэффициент преломления (способность искривлять естественное направление световых лучей) — это было известно давно. Но у разных сортов также была различна та разность в преломлении лучей разных длин волн, которая и приводила к размытию изображения. Оказывается у тяжелых стекол сорта «флинт» разброс в преломлении разноцветных лучей гораздо больше, чем общее отличие коэффициента преломления в сравнении с легкими стеклами сорта «Крон». Стало возможным создать такое сочетание двух линз, в котором положительная линза из «Крона» создает сходящийся пучок лучей «окрашенных» хроматической аберрацией, но идущая следом же рассеивающая линза из «флинта» немного уменьшая сходимость пучка лучей, практически полностью устраняет разницу в сходимости лучей разных цветов — то есть убирает хроматизм.
И «изголодавшиеся» по линзам, астрономы вновь переметнулись к телескопам из прозрачного стекла.
Вот, как бывает в истории любого дела — нет единой верной дороги, Жизнь состоит из метаний, компромиссов и крайностей.
Но по размерам линзовые телескопы все же не смогли превзойти зеркальных своих собратьев. Была недолгая эпоха расцвета линзовых инструментов. Кончилась она двумя линзовыми исполинами — Ликским и Йеркским рефракторами (рефрактор — линзовый телескоп, в то время как зеркальный зовется рефлектором). Джеймс Лик и Чарльз Йеркс — два бизнесмена, два олигарха своего времени, с тем отличием от современных обладателей несметных богатств, что решили тот излишек средств, который им самим явно не потратить, вложить в науку. А поскольку, и тогда, и сейчас, в западном мире самым передовым и престижным направлением было исследование Вселенной, то не сговариваясь Лик и Йеркс решили профинансировать строительство самого крупного в мире рефрактора. Оба обратились за этим к известнейшему оптику XIX века — Альвану Кларку. Но Лик это сделал чуть раньше, и получил телескоп чуть меньше (93 см диаметр объектива). Йеркс изъявил желание, чтобы его телескоп был больше, и получил, что просил (102 см диаметр объектива), но оказалось, что больше — не значит лучше. 93 сантиметра Ликского рефрактора оказались тем самым разумным пределом, после которого каждый новый сантиметр в диаметре объектива уже играет против качества. Поэтому Йеркский рефрактор оказался чуть менее «зорким» телескопом, зато крупнейшим по сей день, и при этом — довольно неплохим для своих исполинских размеров.
На этом история гигантских линзовых телескопов заканчивается. Лик и Йеркс ныне покоятся в фундаменте собственных обсерваторий — именно там они завещали захоронить урны с собственным прахом. Их огромные телескопы тоже покоятся — сейчас они уже не актуальны для современной науки и являются не более чем музейными экспонатами.
Зеркальные же телескопы продолжили свое развитие и будущее несомненно за ними. Хотя для современной науки оказались в свое время очень полезны зеркально линзовые гибриды. Оказывается, если не стоит цель сделать полноценный линзовый объектив, и нет желания заниматься зеркальными системами со сложными поверхностями, то можно сделать недорогой в производстве и очень качественный по изображению зеркально-линзовый телескоп.
Разработал такую неожиданную схему наш соотечественник Дмитрий Дмитриевич Максутов.
Беда всех «крупнокалиберных» линзовых телескопов — масса линз объектива. Линзы крупных рефракторов весят сотни килограмм — их приходится делать толстыми, или они будут прогибаться под собственным весом. Их делали толстыми, и они все равно прогибались, и плюс к этому — при таких объемах линзы уже не удавалось сварить для нее однородное оптическое стекло.
Но если использовать не линзу, а тонкий и легкий мениск (тоже линза, но выпукло-вогнутая — с приблизительно одинаковыми радиусами кривизны обеих поверхностей), то отпадает сразу несколько проблем — пусть себе гнется — прогиб одной поверхности в точности компенсируется выгибом другой. Ввиду небольшой оптической силы мениск не страдает хроматизмом. Для чего же он тогда нужен? — чтобы исправить сферическую аберрацию главного зеркала — ведь изготовление сферической поверхности проще и дешевле, а сфера — при многих ее недостатках — позволяет получить большее полезное поле зрение телескопа.
Разумеется, давно никто уже не делает зеркала из олова с медью — их также делают из стекла и покрывают алюминием в вакуумных камерах. Такие зеркала отражают до 98% процентов света попадающего на них из Вселенной. Но оказывается, главная преграда для этого звездного света все также заслоняет от нас многие вселенские тайны. Это наша атмосфера. Этот природный фильтр защищает нас и все живое на планете от жесткого солнечного излучения, но и соответственно поглощает львиную долю интересующих современных астрономов космических лучей.
Башни с телескопами начали поднимать на самые заоблачные вершины, туда, где чище воздух, нет городской засветки и тоньше слой атмосферы — ближе к звездам.
Но самым феноменальным шагом к звездам стал запуск заатмосферного телескопа имени Эдвина Хаббла. Находясь на орбите Земли, этот телескоп в автоматическом режиме ведет наблюдения круглые сутки. Ведь там — за пределами воздушного океана — звезды видны всегда. Фотоснимки из компьютера телескопа им. Хаббла отправляются на Землю в цифровом формате по радиоканалу.
При том, что этот космический телескоп заметно уступает в размерах многим земным, изображения полученные им из космоса, где нет поглощения света и турбуленции атмосферных потоков, настолько качественны и детальны, что дальнейшее развитие наземных наблюдательных приборов становится все менее перспективным.
Хотя, разумеется, ограниченным количеством крайне дорогих заатмосферных телескопов вся современная астрономия сыта не будет, и новых башен в горах появится еще не мало.
В завершении рассказа хочу вспомнить, что наряду с вполне привычными оптическими телескопами уже много десятилетий создаются и используются для изучения нашего огромного мира телескопы несколько иного рода. До сего момента речь шла о исследовании Вселенной опираясь на свет приходящий из космических далей. Но из глубин Вселенной к нам приходит не только свет. Приходят радиоволны, рентгеновское и гамма-излучение. Пространство пронизано ультрафиолетовыми и инфракрасными — тепловыми — волнами. Оказывается, для каждого из этих видов излучения существуют специальные телескопы — они фиксируют это излучение и показывают нам то, как бы для нас выглядела Вселенная, если бы мы могли тоже воспринимать своими органами чувств все эти непривычные нам потоки невидимых для глаз лучей.
В качестве музыкального сопровождения к этой статье буквально просится мой относительно недавний, но наверное самый астрофизический альбом: «Stargazer» — «Старгейзер».