Погляд на небо

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 59

26 липня 1609 року англійський вчений-універсал Томас Херріот направив підзорну трубу на Місяць і замалював її поверхню. Цю дату можна вважати днем народження оптичної астрономії.

Телескопи займають особливе місце серед наукового інструментарію. До початку XX століття наука була підприємством камерним, прилади для будь-якого експерименту вміщалися на одному-двох лабораторних столах, але телескопи ще в далекій своїй юності зросли до десятків метрів. Зображення: «Популярна механіка»

Найбільші нинішні телескопи — гіганти, оснащені високотехнологічними детекторними комплексами і пристроями для корекції світлових потоків, проте їх принципові оптичні схеми здебільшого були винайдені ще в XVII столітті. У цьому сенсі телескоп — прилад досить консервативний, незважаючи на суперсучасну оснастку на кшталт гігапіксельних цифрових матриць, мультизрачкових спектрографів високої роздільної здатності та комп’ютерного коригування атмосферних спотворень хвильового фронту. Проте за чотирьохсотлітній термін оптичні телескопи подолали гігантський шлях.

Голландські труби

Найперші телескопи були копіями підзорних труб, винайдених голландськими майстрами на початку XVII століття. Вони мали всього дві лінзи — випуклий довгофокусний об’єктив і увігнутий короткофокусний окуляр. Така труба дає пряме, тобто неперевірнуте зображення, яке має максимальну чіткість, якщо відстань між окуляром і об’єктивом (довжина труби) дорівнює різниці їх фокусних відстаней (збільшення труби дорівнює відношенню фокусних відстаней об’єктива і окуляра).

Перший телескоп Херріота забезпечував шестиразове збільшення. Пізніше вчений виготовив ще кілька труб — аж до 20-30-разових. З їх допомогою він провів детальні спостереження сонячних плям і досить точно визначив тривалість сонячної доби. На жаль, Херріот не вважав за потрібне публікувати свої численні наукові роботи, які могли прославити його ще за життя. Він виконав фундаментальні алгебраїчні дослідження, що сильно випередили його час, а також відкрив закон заломлення світла задовго до того, як це зробили Віллеброд Снелліус і Рене Декарт (не виключено, що цей закон був відомий багдадському вченому X століття Ібн Сахлу; у всякому разі, на це вказує одне з креслень у його нещодавно знайденому трактаті «Про спалювальні дзеркали і лінзи»). Про те, що Херріот був першим астрономом-телескопістом, мало хто знає і понині.

У

якості об’єктива використовується лінза, що збирає, а як окуляр — розсіює. Цей телескоп дає неперевірене зображення, але має мале поле зору і низьку яскравість зображення. Зображення: «Популярна механіка»

Втім, Херріот недовго залишався монополістом. Восени 1609 року великий італієць Галілео Галілей і німецький астроном Симон Маріус направили свої інструменти в небо. Маріус користувався готовою трубою голландського виробництва, в той час як Галілей освоїв шліфування лінз і особисто виготовив чотири труби, причому вважається, що найбільша забезпечувала більш ніж 30-кратне збільшення. У березні 1610 року він випустив книгу Sidereus nuncius («Зоряний вісник»), де розповів про телескопічні спостереження Місяця, Юпітера і Чумацького шляху (зокрема, в січні він відкрив чотири найбільших супутники Юпітера, хоча пізніше Маріус стверджував, що зробив це дещо раніше). Саме з цієї праці вчені (та й вся освічена публіка) дізналися про можливості, які відкрили телескопи. Тож оптична астрономія як новий напрямок у науці про небесні явища почалася саме з Галілея. На честь ювілею цієї великої події ми зараз і відзначаємо Міжнародний астрономічний рік.

Конструкція Кеплера

У труб голландської конструкції були слабкі місця — низька яскравість зображення і вузьке поле зору, яке ще більше звужувалося при зростанні збільшення (що було прямим наслідком застосування увігнутих окулярів). Як виправити ці недоліки, здогадався першовідкривач законів планетних рухів Йоганн Кеплер. Свою ідею він виклав у праці Dioptrice («Діоптрика»), що побачила світ у 1611 році. Кеплер запропонував використовувати як окуляр випуклу лінзу, відсунуту від фокусу об’єктива на довжину власної фокусної відстані — причому не в напрямку до об’єктива, а геть від нього. Довжина такого телескопа дорівнює сумі (а не різниці, як у «голландського» попередника) фокусних відстаней об’єктива і окуляра, а формула для збільшення, природно, залишається тією ж самою. Він дає перевернуте зображення, але для спостерігачів небес це не представляє ніяких труднощів. Кеплерівська конструкція забезпечує розширене поле зору і велику яскравість — а це величезні плюси. Перший такий телескоп зробив у 1613 році чудовий німецький геометр, астроном і фізик Крістоф Шейнер, один з найбільш блискучих вчених, яких подарував світу орден єзуїтів. В астрономічну практику кеплерівські труби увійшли лише наприкінці 1630-х років.

Рефрактор Кеп   1611

року Кеплер запропонував свою схему рефрактора — з двома лінзами, що збирали, одна з яких служила об’єктивом, а друга — окуляром. Така схема має більше поле зору порівняно з галілеївською і дає більш яскраве, хоча і перевернуте зображення. Зображення: «Популярна механіка»

Шейнер вніс ще одне важливе удосконалення. Він здогадався, що телескоп можна наводити на потрібну точку небосводу поворотом навколо двох взаємно перпендикулярних осей, одна з яких орієнтована під прямим кутом до площини екватора, і в 1620-х запропонував прообраз екваторіальної монтування (див. врізку), що сильно спростило компенсацію добового обертання Землі. Зовсім новим принцип не був і тоді (у 1585 році данський астроном Тихо Браге саме так встановив свій найбільший вугломерний інструмент — велику армілярну сферу), однак Шейнер першим використовував його для націлювання телескопа. Систему вдосконалив інший астроном-єзуїт Крістофер Грінбергер, а в 1670-х Роберт Гук запропонував повертати телескоп за допомогою годинникового механізму.

На тому стоїмо

Монтуванням називається опорна система телескопа, що дозволяє фіксувати його в певній позиції. Монтування різняться за розташуванням взаємно перпендикулярних осей, навколо яких повертається труба під час націлювання.

Монтування бувають двох основних типів — екваторіальна і альт-азимутальна. У екваторіальної одна з осей обертання труби телескопа паралельна земної осі (і, отже, ортогональна площині екватора, звідки і назва). Ця вісь називається годинниковою, або полярною, а інша — віссю схилянь. Для компенсації обертання Землі достатньо обертати телескоп навколо полярної осі, здійснюючи повний обіг за 23 години 56 хвилин (тобто за одну зоряну добу).

В альт-азимутальному монтуванні теж використовуються ортогональні осі обертання — вертикальна і горизонтальна. Основний недолік цієї конструкції в тому, що стабілізація телескопа досягається за рахунок обертання навколо обох осей зі змінними швидкостями. У наші дні комп’ютери запросто справляються з цим завданням, і тому всі великі сучасні телескопи використовують, як правило, альт-азимутальне монтування.

Лінзові динозаври

До середини XVII століття телескопи-рефрактори значно ускладнилися. Богемський монах-капуцин Антон Марія Ширлеус де Рейта винайшов телескоп з чотирма випуклими лінзами (об’єктив, проміжна лінза і дволінзовий окуляр), який розширив поле зору порівняно з дволінзовою кеплерівською трубою. Ширлеус передав свої секрети аугсбурзькому майстру Йоганну Візелю, який виготовляв і продавав телескопи довжиною понад 4 м. Через десяток років цей рекорд побив англієць Річард Рів, чиї труби по довжині зашкалювали за 10 м — висота триповерхового будинку. Данцизький бургомістр Ян Гевелій (процвітаючий пивовар, а за сумісництвом великий шанувальник астрономії) будував для своєї обсерваторії інструменти і покрупніше, серед них 45-метровий телескоп зі складовим світлопроникним тубусом, підвішений на високому стовпі. А наприкінці століття великий голландський астроном і фізик Християн Гюйгенс зі своїм братом Костянтином будували аж зовсім непомірні безтрубні (так звані повітряні) телескопи довжиною до 70 м.

На чолі про ранніх рефракторів неможливо не згадати ще один винахід, зроблений вже у XVIII столітті. У 1729 році англійський адвокат і астроном-любитель Честер Мур Холл знайшов спосіб практично звести до нуля хроматичну аберацію — справжній бич тодішніх рефракторів (саме для боротьби з нею і будували телескопи-виконини з наддліннофокусними об’єктивами). Хол придумав об’єктив, скомпонований з пари лінз — випуклою з флінтгласу, оптичного скла з високим показником заломлення і низькою дисперсією, і увігнутою з кронгласу, з низьким показником заломлення і середньою дисперсією (в теорії цю ідею ще в 1695 році запропонував оксфордський професор математики Девід Грегорі, про що Хол, можливо, знав). Виготовлення таких об’єктивів не без конфліктів прибрала до рук перша у світі оптична фірма, заснована лондонцем Джоном Долландом і його сином Пітером (який у 1763 році винайшов повністю ахроматичний трилінзовий об’єктив).

Пришестя дзеркал

Судячи з усього, перший дзеркальний телескоп у 1616 році намагався зробити римський професор математики, єзуїт Нікколо Зуччі. Він взяв увігнуте бронзове дзеркало, помістив в його фокус увігнуту лінзу… і не побачив рівно нічого. В принципі цей пристрій міг спрацювати, будь у Зуччі дзеркало гарної шліфовки, але таких ще просто не існувало. У 1630-х роках італієць Бонавертура Кавальєрі і француз Марін Мерсенн (теж слуги церкви) опублікували праці з глибоким теоретичним аналізом можливостей дзеркальних оптичних приладів, але не спробували їх побудувати.

Рефлектор Грегоричне

дзеркало — параболічне, вторинне — еліптичне, окуляр розміщений в центральному отворі головного дзеркала. Схема Грегорі дозволяє збільшити фокусну відстань (і збільшення) і дає пряме зображення. Зображення: «Популярна механіка»

У другій половині XVII століття справи пішли швидше. У 1661 році шотландський математик Джеймс Грегорі (рідний дядько вищезгаданого Девіда) запропонував рефлекторську конструкцію. Світло від віддаленого об’єкта падає на основне фокусуюче дзеркало з поверхнею у формі параболоїду обертання. Відображені промені потрапляють на невелике — і теж увігнуте! — допоміжне дзеркало з еліпсоїдальною поверхнею, розташоване перед фокусом параболічного рефлектора. Відбившись вдруге, світло проходить крізь отвір у центрі головного дзеркала і фокусується випуклою окулярною лінзою. В ідеалі така конфігурація дає пряме зображення з нульовою сферичною аберацією; хроматична має місце, але в малій мірі (вона легко усувається ахроматичним окуляром, але тоді його ще не придумали). Грегорі навіть замовив Річарду Ріву дзеркала для такого телескопа, але той не зміг домогтися потрібної якості.

Рефлектор Ньют^ Світло

фокусується головним (параболічним, при невеликому відносному отворі — сферичним) дзеркалом і відхиляється невеликим вторинним (плоским) дзеркалом за межі труби в окуляр. Дає перегорнуте зображення. Зображення: «Популярна механіка»

Можливо, що з часом Рів відшліфував би дзеркала і трохи краще, але Грегорі поспішав за кордон, чекати не побажав і більше до цього проекту не повертався. В результаті перший діючий телескоп-рефлектор був винайдений і зібраний в 1668 році Ісааком Ньютоном. На відміну від грегоріанського телескопа вторинне дзеркало у нього не випукле, а плоске. Воно повернуто до оптичної осі під кутом 45 градусів, тому світло потрапляє в окуляр крізь отвір у тубусі (у такий телескоп дивляться не ззаду, а збоку). Ньютон досяг успіху завдяки власному методу шліфування головного дзеркала (за допомогою абразивного порошку, нанесеного на смоляну підкладку), що забезпечував точність у десяту частку мікрону. Пізніше він зробив ще один такий рефлектор і 11 січня 1672 року подарував його Лондонському королівському товариству (куди і був обраний). Виконана в XVIII столітті копія цього телескопа, що містить деякі деталі, що вийшли з рук самого Ньютона, збереглася і понині (перший ньютонівський рефлектор вважається втраченим).

Конструкція Кассегрена

На 1672 рік припадає ще одна важлива дата в історії оптичних телескопів. Один з членів Французької академії повідомив колегам, що якийсь Лоран Кассегрен, священик і викладач коледжу з Шартра, винайшов оригінальну версію дзеркального телескопа. Кассегренівський телескоп, подібно григоріанському і ньютонівському, оснащений увігнутим параболічним основним дзеркалом з центральним отвором. А ось в якості вторинного рефлектора в ньому стоїть випуклий гіперболоїд, розташований не перед фокусом головного дзеркала, а позаду нього. Ця конфігурація дає можливість зменшити довжину труби, яка може бути в кілька разів коротше, ніж фокусна відстань головного дзеркала.

Рефлектор Кассегр

Головне дзеркало — вогнуте параболічне, вторинне — випукле гіперболічне. Схема дозволяє зменшити габарити телескопа порівняно зі схемами Ньютона і Грегорі при тому ж діаметрі і фокусній відстані. Зображення: «Популярна механіка»

Перший працюючий телескоп григоріанського типу зробив у 1732 році майстер з Единбурга Джеймс Шорт. Цього ж року винахідник секстанту англійський математик Джон Хадлі побудував телескоп Кассегрена. Так що до кінця першої половини 1730-х всі класичні схеми рефракторів і рефлекторів отримали практичне втілення.

Варіант

схеми Кассегрена з гіперболічними головним і вторинним дзеркалами. У цій схемі виправлені кома і сферична аберації. Одна з найпопулярніших схем для професійних телескопів. Зображення: «Популярна механіка»

Ідея Кассегрена фактично завершила розробку оптичних схем телескопів-рефлекторів, пізніше вони лише модифікувалися. Так, у 1920-х роках американський астроном Джордж Річі і француз Анрі Кретьєн показали, що якість зображення касегренівської системи покращиться, якщо обидва дзеркала зробити гіперболічними. Ця конфігурація реалізована і у Великому Канарському телескопі, який до того ж оснащений третім поворотним дзеркалом, що виводить зображення в різні фокальні площини. Кассегренівській схемі взагалі пощастило на модифікації, їх вже близько десятка.

Максутов-Кассегрен

Вариант схемы Кассегрена, широко используемый в конструкциях компактных любительских телескопов. Головне дзеркало — увігнуте сферичне, а для компенсації сферичної аберації служить меніск — сферична платівка, на центральну частину внутрішньої поверхні якої напилюють вторинне дзеркало. Зображення: «Популярна механіка»

Спокійні століття

З середини XVIII і аж до середини XX століття телескопи змінилися не дуже сильно. Звичайно, зростали розміри, що дозволяє здатність, світлосила, ступінь збільшення, але принципово вони не особливо відрізнялися від інструментів колишніх часів.

Втім, технічний прогрес не стояв на місці. Великий британський астроном Вільям Гершель робив найкращі телескопи свого часу, в тому числі особливо заслужений «Великий двадцятифутовий» з дзеркалом 47-сантиметрового діаметра (побудований дещо пізніше сорокафутовий гігант із залізною трубою і дзеркалом діаметром в 120 см великої користі не приніс — їм було важко керувати, та й дзеркала швидко потьмяніли). Не виправдав надій і закінчений 1845 року найбільший телескоп XIX століття з шестифутовою апертурою і 17-метровою дерев’яною трубою, споруджений в маєтку ірландського аристократа Вільяма Парсонса, третього лорда Росса (цей інструмент вперше дозволив виявити, що деякі туманності мають спіральну структуру, але інших серйозних результатів не приніс).

Шмідт-КассегренВариант

схеми Кассегрена, популярний у високоякісних аматорських телескопах. Головне дзеркало — увігнуте сферичне, для компенсації сферичної аберації служить лінза складного профілю (коректор Шмідта). На внутрішній стороні коректора розташоване вторинне випукле дзеркало — або сферичне, або гіперболічне (з виправленою комою). Зображення: «Популярна механіка»

Ось ще кілька важливих віх в історії телескопобудування. Чудовий німецький оптик Йозеф Фраунгофер (той самий, хто першим почав вивчати спектри за допомогою дифракційної решітки) удосконалив техніку виготовлення ахроматичних об’єктивів великого діаметру і винайшов дуже елегантне екваторіальне монтування, яке назвали німецьким. У 1840 році професор Нью-Йоркського університету Джон Вільям Дрейпер зробив першу астрофотографію (Місяця). Через десять років послідувала і перша фотографія зірки (в даному випадку Веги), виконана в обсерваторії Гарвардського університету. Наприкінці 1850-х років з’явилися рефлектори зі скляними посеребреними дзеркалами, які були багато краще колишніх металевих. У наступному десятилітті лондонський астроном Вільям Хаггінс вперше схрестив телескоп зі спектрографом і поклав початок ері астрономічної спектроскопії (він і хімік Вільям Аллен Міллер спільно досліджували спектри півсотні зірок і довели, що планетарні туманності — це хмари гарячого космічного газу).

Історики астрономії називають другу половину XIX століття ерою великих рефракторів — телескопів нового покоління з об’єктивами діаметром понад 25 дюймів (63,5 см). Перший такий інструмент був зроблений в 1862 році, за ним до виходу століття послідували ще дев’ять. Найбільшим з них був і понині залишився діючий з 1897 року 40-дюймовий рефрактор Єркської обсерваторії. У ці ж роки виникли і перші промислові підприємства, що спеціалізуються на виробництві телескопів.

Немерцючі зірки

Всі найбільші сучасні телескопи оснащені спільно діючими системами активної та адаптивної оптики. Перша дозволяє за допомогою електромеханічних маніпуляторів змінювати форму головного дзеркала для відновлення його геометрично правильної поверхні (а іноді також варіює просторову орієнтацію вторинного дзеркала). Завдяки цьому головне дзеркало забезпечує оптимальну якість зображення при будь-якому нахилі труби телескопа і при зміні температури, вологості і сили вітру.

Дзеркальні схеми телескопів зараз домінують в астрономії. Вони застосовуються не тільки для оптичних інструментів, а й для телескопів, що ведуть спостереження в інших діапазонах. На малюнку — один з варіантів телескопа для спостережень в дальньому ІК- і субміліметровому діапазоні, спільна розробка Корнелського університету і Каліфорнійського технологічного інституту. 25-метровий рефлектор, побудований за схемою Річі-Кретьєна, запропоновано побудувати до 2015 року в чилійській пустелі Атакама. Зображення «Популярна механіка

Адаптивна оптика компенсує атмосферні перешкоди, які «розмивають» прийдешні світлові сигнали. Ця система сотні разів на секунду виявляє спотворення хвилевого фронту, що проходить через апертуру, і компенсує їх за допомогою деформованого (адаптивного) допоміжного дзеркала або рідкокристалічної матриці. Для аналізу якості зображення використовують яскраві зірки з добре відомим спектром або штучні псевдосвітила, що утворюються при світінні іонів натрію в результаті потужного лазерного опромінення шару атмосфери на висоті близько 90 км.

Відео до статті:посилання

У XX столітті лідерство перехопили великі рефлектори. У 1917 році на горі Вільсон у Південній Каліфорнії увійшов у стрій 100-дюймовий телескоп Хукера, завдяки якому Едвін Хаббл визначив відстань до туманності Андромеди і виявив космологічне розширення Всесвіту. Він залишався найбільшим телескопом світу до тих пір, поки в 1948 році на горі Паломар не заробив 200-дюймовий рефлектор Хейла. Обидва інструменти мають цільні дзеркала і встановлені на екваторіальних монтуваннях.

Ера гігантів

Через 28 років після інавгурації телескопа Гейла найбільшим рефлектором став діючий з 1976 року БТА (Великий телескоп азимутальний), встановлений у Спеціальній астрофізичній обсерваторії на горі Семиродники біля Нижнього Архизу. Це перший гігантський телескоп з альт-азимутальною комп’ютеризованою монтуванням. На жаль, великих відкриттів на ньому зроблено не було (і через невдале місце розташування, і через погано усувані аберації надто масивного цільного дзеркала діаметром 605 см).

Безлюдна астрономія

Оптичний виконінПроект

Extremely Large Telescope (E-ELT) Європейської південної обсерваторії (ESO). Діаметр багатосегментного дзеркала E-ELT для спостережень у видимому та ІК-діапазонах складе 42 м. Почати будівництво планується в 2018 році. Зображення «Популярна механіка»

Нові телескопи радикально змінили характер астрономічних спостережень. Пішов у минуле романтичний образ спостерігача-одинака, який проводить ночі в обсерваторії, а дні — за проявкою та аналізом фотопластинок. «У наші дні левова частка роботи астронома лежить на інженерах-експлуатаційниках, які наводять телескопи на задану мету, знімають показання детекторів і передають їх дослідникам по лініях комп’ютерного зв’язку,- говорить професор Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі Патрік Макгрей, автор книги про розробку і будівництво телескопів-гігантів «Гігантські телескопи: астрономічні амбіції та технологічні обіцянки «(Giant Telescopes: Astronomical Ambition and the Promise of Technology). — Більш того, з’явилися повністю автоматизовані телескопи — хоч і меншого калібру, але зате цілком і повністю керовані дистанційно. Така «безлюдна» астрономія стане розвиватися і далі, це безсумнівно «.

Телескопи з ще більшими монолітними дзеркалами з’явилися лише в 1990-х роках. Це 810-сантиметровий Gemini North гавайської гірської обсерваторії Мауна-Кеа, розташований по сусідству 830-сантиметровий японський Subaru (назва в перекладі з японської означає «Плеяди»), чотири 820-сантиметрових інструменти комплексу Very Large Telescope (VLT) Південної європейської ge Bерваторії в ОбсeGe cope.

Новим словом у телескопобудуванні стали осередкові дзеркала, складені з десятків шестикутних сегментів. Ними оснащені телескопи з дзеркалами діаметром більше 9 м: Hobby-Eberly (техаська обсерваторія Макдональда), South African Large Telescope (Південно-Африканська астрономічна обсерваторія) і два однакових десятиметрових телескопи Keck-1 і Keck-2 (Мауна-Кеа).

Нові рубежі для гігантів

Як змінили астрономію та астрофізику виконинські наземні телескопи, що вступили в стрій протягом двох останніх десятиліть?

«Апаратура новітніх телескопів, як правило, реєструє не тільки видиме світло, а й земну атмосферу ІК-випромінювання, що проходить крізь. Так що називати ці телескопи оптичними не цілком правильно — їх діапазон ширший, — розповів «ПМ» професор астрономії Флоридського університету Чарльз Телеско. — Телескопи-гіганти допомагають вирішити безліч ключових наукових проблем. Вони задіяні у відкритті позасовнечних планет, у програмах пошуку та дослідження протопланетних дисків в околицях молодих зірок різних спектральних класів, у відстеженні процесів формування планет з цих дисків. Щоб спостерігати тонкі деталі цих явищ, необхідні саме величезні телескопи, що мають максимальну світолюбну здатність і максимальну роздільну здатність. Необхідні також надзвичайно чутливі детектуючі прилади, якими оснащені телескопи нового покоління. Не буде перебільшенням стверджувати, що 8-10-метрові телескопи справили справжню революцію в цій області астрономії.

Сам я займаюся планетогенезом, і тому мені ближче саме таке використання супертелескопів. Але звичайно, їхні можливості багато ширші. Тільки найбільші телескопи можуть відстежувати найбільш віддалені галактики, що сформувалися в перші два мільярди років після Великого вибуху. Тільки вони дають надію заглянути на дальню периферію спостережуваного космосу і побачити давно зниклі зірки першого покоління. Ці телескопи дозволяють також спостерігати, як у міру збільшення віку Всесвіту змінюється концентрація різних елементів у космічному просторі, а це одна з найважливіших проблем сучасної астрономії. І нарешті, гігантські телескопи поставляють і будуть поставляти інформацію про тонкі деталі формування великих і малих зірок, про космічні