Для чего используются телескопы
Для чего используется телескоп в астрономии: пояснения и примеры
Содержание:
В самом начале кратко расскажем, что такое телескоп. В узком смысле телескопом принято называть оптический прибор, который применяется для наблюдения за объектами, расположенными на значительном расстоянии от наблюдателя. Такое определение является не до конца точным, так как телескоп необязательно должен быть оптическим. Более точно – это прибор, работа которого основана на сборе электромагнитных волн. Видимый свет является их разновидностью. Если рассматривать весь спектр электромагнитного излучения, то следует отметить, что кроме оптических существуют:
История появления и развития
Первым, кто стал наблюдать небесные тела через подзорную трубу, стал итальянец Галилео Галилей в 1609 году. Его оптический прибор давал лишь трехкратное увеличение. С его помощью он впервые в истории человечества смог рассмотреть лунные кратеры, спутники Юпитера и неизвестные на то время звезды из Млечного пути.
Знаменитый физик И. Ньютон прославился тем, что в 1668 году построил первый телескоп, в котором вместо выпуклой линзы использовалось выпуклое зеркало. Такая схема позволила добиться существенного улучшения качества изображения при 40-кратном увеличении.
Первые фотографии, сделанные с использованием телескопа, появились еще в позапрошлом веке, тогда же английскому ученому У. Хаггинсу впервые удалось объединить в одно устройство телескоп и спектроскоп. Так стали возможными исследования спектра звездных излучений.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили телескопы с зеркальной системой. Их конструкции непрерывно совершенствуются. Самый большой в мире астрономический телескоп, установленный на Канарских островах, имеет зеркало диаметром 10,4 м.
Для чего используют телескопы при астрономических наблюдениях
В наши дни телескопы находятся уже не только на земной поверхности. Так в 1990 году учеными из Европы и Америки был создан космический телескоп «Хаббл». Для чего используется космический телескоп в астрономии? По сути дела, он представляет собой целую обсерваторию, которая находится на околоземной орбите и позволяет вести наблюдение в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Его длина превышает 13 м, а диаметр вместе с солнечными батареями составляет 7,1 м. Благодаря «Хабблу» удалось сделать целый класс новых открытий, а также впервые в истории сфотографировать планету, которая расположена за пределами солнечной системы.
Астрономия представляет собой науку, которая формирует общефизическое мировоззрение о строении, развитии и будущем не только нашей планеты, но и космоса в целом. Поэтому урок астрономии призван дать человеку необходимые знания не только для того, чтобы выполнить домашнее задание и сдать тест, но и стать толчком для развития самопознания окружающего материального мира, формирования философского отношения к научным дисциплинам в школьной программе.
Телескоп
Содержание
Что такое телескоп?
Качество изображения, которое строит объектив кроме его апертуры, определяется еще и его остаточными аберрациями. Эти аберрации являются как следствием выбранной для объектива оптической схемы (например кома телескопа Ньютона, вторичный хроматизм рефрактора, сферохроматизм Шмидт-Кассегренов, сферическая аберрация 5-го порядка Максутова-Кассегрена и т.д.), так и результатом погрешностей изготовления/сборки оптики («завал» на краю зеркальных объективов, оптическая неоднородность линз и т.д.), или неизбежной механической разъюстировкой компонентов объектива в процессе эксплуатации (сдвиг линз и зеркал со своего положенного места). Как правило, линзовая оптика (рефракторы) меньше склонна к разъюстировкам.
Что называется окулярами и для чего они нужны?
Так же как и объективы, окуляры имеют собственные оптические аберрации и соответственно могут ухудшать изображение. Как правило, аберрации короткофокусных окуляров менее критичны в плане влияния на вачество изображения, а вот к качеству коррекции длиннофокусных и особенно широкоугольных следует применять повышенные требования. Обычно аберрации тем меньше, чем больше в окуляре линз, меньше угловое поле зрения и вынос выходного зрачка. Сложные окуляры (много линз, меньше аберрации, больше поле зрения и вынос) особенно требовательны к просветляющим покрытиям, которые уменьшают бликование поверхностей линз. Для сверхширокоугольных окуляров часто характерна высокая чувствительность видимости/невидимости всего поля зрения или его части к небольшим сдвигам глаза наблюдателя (фрагментарное срезание поля зрения).
Для окуляра важными деталями являются наглазники, которые защищают глаз наблюдателя от постороннего света и позволяют верно зафиксировать положение глаза относительно глазной линзы. Обрезинивание корпуса окуляра добавляет удобств при наблюдениях, герметизирует его внутренность и изолирует металл (что важно при наблюдениях в мороз).
Если при использовании обычных окуляров с фиксированным фокусным расстоянием, изменение увеличения телескопа возможна только путем замены одного окуляра на другой, то использование панкратических (zoom) окуляров позволяет перекрывать все или часть увеличений без смены окуляра. Но за это удобство приходится платить меньшим полем зрения и обычно несколько худшим качеством изображения.
Окуляры и прочие принадлежности вставляют в окулярную трубку ТТС которая обычно имеет стандартный внутренний диаметр. Наиболее распространены стандарты 1.25″ (чуть менее 32 мм) и 2″ (около 52 мм). Существуют и переходники (адаптеры), которые позволяют использовать на данном ТТС окуляры разных стандартов (например, от 2″ к 1.25″). Понятно, что 2″ стандарт предоставляет наблюдателю большую свободу выбора и больший размер поля зрения доступного для наблюдения и фотографирования.
Фокусер
Наблюдатель использует фокусер, который обеспечивает механический сдвиг вдоль оптической оси одного из компонентов объектива или окулярной трубки ТТС, для фокусировки изображений астрономических объектов под глаз наблюдателя (например по причине его близорукости), для компенсации различий в положении фокальных плоскостей различных окуляров (фотоприемников), ну и для фокусировки на земные (относительно близкие) объекты. Окуляры и проч. окулярная оптика, которые не требуют перефокусировки при их смене, называются парфокальными. Фокусер характеризуется ходом (диапазоном перефокусировки) и чувствительностью (тем насколько точно можно управлять сдвигом фокальной плоскости объектива). Как правило, фокусеры с большим ходом мало чувствительны, но позволяют телескопу перефокусироваться в большом диапазоне (в том числе и на довольно близкие земные предметы). Чувствительные фокусеры имеют небольшой ход. Двухскоростные фокусеры имеют и достаточный ход, и удовлетворительную чувствительность. Простые реечные фокусеры обычно имеют заметный сдвиг поля зрения при перемене направления фокусировки (focuser shift). Лучшее качество фокусировки обеспечивают фокусеры Крейфорда, но они не столь грузоподъемны (могут не удержать тяжелое окулярное оборудование).
Искатель
Прочие принадлежности и комплектующие к телескопу
При наблюдении Солнца перед объективом размещают зеркальный фильтр для блокировки большей части излучения (1:100000). При наблюдениях планет в юбку окуляра (со стороны противоположно его глазной линзе) по стандартной резьбе вкручивают цветные фильтры. При наблюдениях диффузных туманностей там-же располагают узкополосые интерференционные так называемые «дип-скай» фильтры (OIII, UHC, H-beta, H-alfa, LPR и т.п.), которые увеличивают контраст некоторых туманных объектов и более или менее эффективно борются с искусственной и естественной засветкой неба.
Кроме этого, совместно с телескопом используются и более экзотичные принадлежности ТТС: флип-зеркала (соединение визуального и фотографического канала наблюдения), солнечные призмы, клинья, спектральные приборы, гиды (дополнительная труба большого увеличения для автоматической или ручной компенсации погрешностей ведения монтировки), внеосевые гиды (для гидирования без использования дополнительной трубы), окуляры с измерительной сеткой и много другое.
ТТС обычно имеет посадочные отверстия кдля крепления дополнительной аппаратуры (гиды, фотоаппараты) и снабжается крепежными устройствами для установки на монтировке. Это могут быть кольца и так называемый «ласточкин хвост». При самостоятельной комплектации телескопа важно, чтобы стандарт крепления ТТС и монтировки совпадал.
Монтировка телескопа
В самом простом случае наведение телескопа осуществляется вручную. Отжимаются тормоза (если они есть) по обеим осям монтировки и труба наводится наблюдателем, который при этом смотрит в искатель, стараясь совместить объект (или ближайший к нему видимый ориентир) с визиром или перекрестьем искателя. Если есть ключи (маховички) точного наведения, то тормоза зажимаются и наблюдатель уже наводится поточнее используя эти ключи, наблюдая через поисковый окуляр телескопа (с максимальным полем зрения). Возможно также наведение по координатным кругам монтировки, но это довольно хлопотно и неточно. Обычно такой метод применяют при дневных наблюдениях Венеры и Меркурия.
Телескоп. Виды и устройство. Применение и как выбрать. Особенности
Телескоп – оптический прибор для наблюдения за отдаленными объектами, чаще всего применяемый в астрологии для изучения ночного небосвода. Также может использоваться для увеличения и фотографирования космических объектов.
История появления
Согласно историческим данным, первый телескоп был изготовлен ученым Галилео Галилеем в 1609 году. В основании своего прибора он использовал те же принципы, которые применялись при изготовлении мореплавательных подзорных труб. При этом ученый использовал более мощные линзы, предварительно высчитав их фокусировку для обеспечения усиливающего эффекта. Как следствие окончательная версия его прибора могла увеличивать изображение в 20 раз. Именно Галилео Галилей придумал современное название своему прибору, кроме этого первым начал использовать оптическое оборудование для изучения космоса. Многие космические открытия были сделаны именно с помощью того первого телескопа. Сейчас данный прибор хранится в музее во Флоренции.
Как устроен телескоп
Прибор в классическом исполнении представляет собой трубку, установленную на опорно-поворотном устройстве, так называемой монтировке телескопа. Монтировка удерживает трубку и позволяет проводить ее точное наведение на интересующий объект.
Оптической составляющей трубки прибора являются окуляр и объектив. Они обеспечивают визуальное увеличение изображения отдаленного объекта. Уровень увеличения напрямую зависит от фокусного расстояния между объективом и окуляром.
Механизм регулировки телескопа позволяет менять фокусное расстояние. Как следствие объект можно визуально приблизить с разной кратностью увеличения. Сначала он отыскивается на небосводе при минимальных настройках, а после наведения размер изображения повышается для лучшей детализации.
Уровень увеличения телескопа зависит от линз, установленных в качестве его объектива и окуляра. Естественно чем выше кратность, тем больше стоимость прибора. Более сложные телескопы классической конструкции состоят из набора линз. Они устанавливаются в трубку, каждая из которых усиливает кратность устройства.
Виды телескопов по принципу действия и строению
Классическая схема устройства телескопа является простейшей. По сути, она не отличается от строения бинокля, зрительной трубы или микроскопа, но имеет большие линзы и другую фокусировку. Кроме нее было реализовано ряд прочих конструкций, используемых и сейчас.
Наиболее известными считаются следующие разновидности телескопов:
Все они работают по разным принципам, имеют разную себестоимость производства и отличаются по кратности увеличения. Инфракрасные и радиотелескопы сугубо профессиональные научно-исследовательские устройства, остальные виды могут быть достаточно компактными для установки вне обсерватории, а в частном доме.
Диоптрические
Диоптрический телескоп – это классический оптический прибор с линзами. Принцип его работы заключается в том, что идущий от небесных тел свет собирается линзой объектива. Объектив или группа из линз всегда имеют выпуклую форму, поэтому проходящий сквозь них свет фокусируется в точку. Для того, чтобы человеческий глаз мог рассмотреть изображение, оно фокусируется на окуляр. Главное условие для работы прибора – это совпадение между фокусом объектива и окуляром.
Катоптрические
Телескопы данной конструкции также называются зеркальными. Их активной частью выступает вогнутое зеркало. На нем собирается свет от звезд или прочих космических объектов, и отражается на окуляр. Главное достоинство устройств данного типа – это полная передача спектра света. У диоптрических приборов свет пройдя через линзу частично искажается, поэтому фактическое изображение не совсем соответствует реальности. Приборы зеркального типа показывают все детали увеличенного объекта, его цвет, яркость, глубину темных участков.
Недостаток зеркальных телескопов в ограниченном обзоре. Они захватывают мало изображения, не позволяя рассмотреть всю картину целиком, как это делают оптические устройства. При этом катоптрические приборы дешевы в изготовлении, поэтому выпускаются в большем количестве, чем все остальные типы телескопов вместе взятые. Именно их обычно используют любители.
Комбинированные устройства
В данную группу приборов входят катадиоптрические телескопы. В их основании используются линзы и вогнутое зеркало. Устройства данного типа дают достаточно качественное изображение, при этом обладают большим углом обзора, чем обычные зеркальные телескопы.
Такие устройства разделяются еще на 2 основных подвида:
Все они названы в честь своих изобретателей. Телескоп Шмидта-Кассегрена имеет в центре кривизны зеркала диафрагму. Такое решение позволяет добиться увеличения поля зрения. При этом исключается сферическое нарушение и отклонение.
Приборы, построенные по принципу Максутова-Кассегрена, имеют в районе фокальной плоскости оптическую линзу. Последняя обладает выпуклостью с одной стороны и является плоской на обороте. Это позволяет компенсировать кривизну поля и избежать сферического отклонения.
Радиотелескопы
Приборы этого класса стоят на много порядков выше, чем все предыдущие. Они никак не подходят для любительского наблюдения за космосом в связи со своими габаритами и дороговизной. Эти устройства разработаны исключительно для точных научных исследований. В их конструкции полностью отсутствуют оптические элементы для фиксации света космических объектов. Эту функцию выполняют огромные антенны, фиксирующие космические сигналы в одной частоте. Диаметр такой антенны может составлять 25 м. Полученные из них данные передаются на компьютерное оборудование, которое превращает сигнал в зрительную картинку.
Обычно антенны радиотелескопов объединены в сеть. При этом они могут располагаться в разных частях мира. Примером реализации подобных проектов является сеть VBA, работающая с 1993 года. Конкретно данная система может воспроизводить изображение любых объектов, яркостная температура которых превышает десять в шестой степени кельвинов. Антенны сети имеют огромное отдаление от базы, самая дальняя от них располагается за 8600 км.
Инфракрасные
Приборы данного типа воспринимают инфракрасное излучение от объектов. По сути, они реагируют на тепло. Благодаря большой чувствительности, устройства фиксируют ИК излучение, которое человеческая кожа даже близко не воспринимает.
Инфракрасное излучение отражается в объективе телескопа и проецируется в одну точку. Затем чувствительная часть устройства измеряет тепло, переводит его в зрительные данные, и полученный результат фотографируется для дальнейшего изучения.
Радиотелескоп и инфракрасный телескоп позволяют изучать яркие звезды, в том числе и поверхность Солнца без применения дополнительных защитных систем. Дело в том, что зеркальные, оптические и комбинированные приборы воспринимают именно свет, который в точке фокусировки приводит к сильному разогреву, вызывающему ожог глаз. Если смотреть на Солнце в телескоп с 50-ти кратным увеличением даже мгновение, то можно ослепнуть полностью или на несколько недель. Если глаз будет оставаться в зоне фокусировки света 20 сек, то он прогорит на половину своего диаметра.
Инфракрасные телескопы не могут использоваться в пределах Земной атмосферы. Им мешает присутствующее излучение от планеты, создающее помехи и влияющее на чувствительность. Поэтому инфракрасные телескопы могут применяться только в открытом космосе. Самым известным представителем таких устройств является космический аппарат Хаббл, запущенный в результате совместного проекта американского НАСА и Европейского космического агентства в 1990 году. Однако данный прибор помимо инфракрасных камер оснащен и рефлекторами, для съемки изображения по системе Ричи-Кретьена.
Выбор любительского телескопа
При подборе телескопа для любительского наблюдения за небосводом можно остановиться на линзовом, зеркальном или комбинированном приборе. При этом если планируется наблюдать не только за космосом, но и наземными объектами, то нужно будет одновременно приобрести дополнительные аксессуары.
Так, зеркальный и комбинированный телескоп показывает отзеркаленное изображение с лева на право. Это исправляется установкой, вместо комплектного диагонального зеркала, диагональной призмы. Во многих комплектациях телескопы изначально уже имеют дополнительные детали, компенсирующие искажения. При покупке прибора нужно обратить на это внимание, если планируется наблюдать за наземными объектами. При изучении космических тел перевернутое или отраженное изображение слева направо не столь важно.
Главными тремя параметрами выбора телескопа являются:
Светосила телескопа является соотношением между фокусным расстоянием и диаметром объектива. Хорошая светосила позволяет делать снимки из окуляра. Если же она составляет 1:10, то многие даже достаточно яркие поверхности на космическом теле будут выглядеть просто как темные пятна. Для любителей оптимальными считаются приборы со светосилой на уровне 1:5 и 1:7. При покупке телескопа всегда лучше отдать предпочтение большому объективу, чем мелкому.
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».