Современные профессиональные астрономы располагают богатым арсеналом сложнейших технических средств. И первое из них, которое сразу приходит на ум, – это телескоп , важнейший научный инструмент астрономии, позволяющий получать изображения далеких небесных объектов.

Вообще говоря, под телескопами понимается вся совокупность астрономических инструментов, применяемых для улавливания той лучистой энергии, которая приходит от космических тел, – как видимого света, так и невидимых излучений. Поэтому принято разделять телескопы на ультрафиолетовые (УФ), инфракрасные (ИК), рентгеновские, гамма-телескопы, радио-и оптические телескопы. Самыми ранними из перечисленных инструментов являются, конечно, оптические телескопы , то есть мощные подзорные трубы для приема видимого света.

Трудно поверить, но прародителем оптического телескопа стали обычные очки. Их изобрели арабы в раннем Средневековье. В XIII веке с Востока очки попадают в Европу. Английский философ Роджер Бэкон (1214–1292), любивший ставить физические опыты, живо заинтересовался принципом действия увеличительных стекол в очках. В результате своих экспериментов Бэкон понял, что если правильно соединить два очечных стекла, то из них можно построить устройство как бы для «приближения» расположенных вдали предметов. Философ был уверен, что посредством такого устройства человек окажется «в состоянии усматривать звезды». То есть Бэкон предлагал сконструировать не просто подзорную трубу, но настоящий телескоп для астрономических наблюдений.

Сегодня точно неизвестно, построил ли философ телескоп или же его мечты так и остались неосуществленными. Однако замысел создания зрительной трубы с тех пор уже не давал покоя пытливым умам. В начале XVI века итальянский физик и астроном Дж. Фракасторо (1478–1553) в своей «Звездной книге» привел описание собственных экспериментов с двумя линзами, которые, будучи правильно соединены, позволяли получить увеличенную картинку дальних объектов. Почти одновременно, а точнее в 1509 году, другой знаменитый итальянец – великий художник и инженер Леонардо да Винчи (1452–1519) – составил схему построения телескопа.

Некоторые историки полагают, что Леонардо да Винчи не только выполнил необходимые расчеты для постройки зрительной трубы, но и сконструировал первый, еще очень примитивный телескоп, с помощью которого проводил астрономические наблюдения. Откуда это известно? Дело в том, что в записях Леонардо сохранились описания Луны, содержащие подробности, которые вряд ли можно заметить невооруженным глазом. И тем не менее пока догадка о существовании телескопа Леонардо остается неподтвержденной. Даже если да Винчи или Бэкон создавали зрительные трубы, их изобретения остались тайной для современников и потомков и поэтому никак не повлияли на развитие науки.

Спустя полвека идея создания зрительной трубы из двух стекол широко распространилась среди инженеров и изобретателей Европы. Многими предпринимались попытки соорудить подобное устройство, но более всего преуспел в этом голландский оптик Ханс Липперсгей (1570–1620). В сентябре 1608 он сконструировал зрительную трубу, которую назвал «Смотрящий».

Липперсгей пытался держать свое изобретение в секрете, но не прошло и года, как о чудесной трубе заговорили далеко за границами Голландии. Как мы уже знаем из главы 3, в июне 1609 года Галилео Галилей тоже услыхал о «Смотрящем Голландце», как называлась труба Липперсгея в Италии. Галилей не знал в точности, как устроен «Смотрящий», но попытался построить такое же устройство исходя из собственных знаний.

Попытка удалась, и Галилей вошел в историю как ученый, первым наблюдавший в телескоп звездное небо. Свои наблюдения итальянец проводил с 1609 по 1610 год, а о результатах сообщил в «Звездном вестнике». Интересно, что сам Галилей называл свое устройство вовсе не телескопом – этого слова тогда просто еще не знали. Ученый именовал собранную им зрительную трубу «перспективой» или «окуляром». И лишь в 1612 году греческий ученый Демесиани придумал для астрономического инструмента его современное название, которое произвел от двух древнегреческих слов: tele – «вдаль», scopeo – «смотрю».

Телескоп Галилея произвел революцию в астрономии. В те времена еще ничего не было известно о существовании галактик, а ученые вели споры о том, является ли Земля центром мироздания. И большинство считало, что является, а Солнце, планеты и даже звезды – все космические объекты обращаются вокруг нашей планеты.

Телескоп Галилео Галилея

Используя телескоп, Галилей сделал ряд открытий, расширивших горизонты познания. Во-первых, он убедился, что Млечный Путь является бесчисленным скоплением невероятно далеких звезд. И тогда астрономы поняли, что Вселенная устроена гораздо сложнее, чем им представлялось.

Во-вторых, Галилей открыл на поверхности Луны сложный рельеф: горы, котловины, цирки и другие неровности. Это говорило о великом сходстве Земли и других небесных тел. Земля не центр Вселенной, она по своему облику подобна прочим космическим объектам: на небесных телах тоже есть скалы, равнины и овраги.

В-третьих, Галилей обнаружил четыре гигантских спутника Юпитера, позже получивших названия Ио, Ганимед, Европа и Каллисто (см. главу 3). Ученый наблюдал за их орбитальным движением и пришел к выводу, что именно так выглядит со стороны Солнечная система. Семейство Юпитера служило уменьшенной моделью мироздания: «царь планет» играл роль Солнца, а его спутники – планет, включая и Землю.

После этого исторического открытия астрономия постепенно отказалась от учения о Земле как центре Вселенной. А спустя около полувека французский физик Блез Паскаль (1623–1662) заявил о бесконечности Вселенной и отсутствии у нее центра.

Люди, не занимающиеся астрономией, считают, будто телескоп «приближает» к наблюдателям далекие объекты. Что же он делает в действительности? Оказывается, оптический телескоп ничего не приближает и даже не увеличивает. Его главное назначение сводится к сбору как можно большего количества лучистой энергии – как и у человеческого глаза.

Возможности глаза ограничены его скромными размерами. Например, диаметр нашего зрачка составляет максимум 7 мм. Ясно, что при таких размерах глаз не способен вместить в себя много света. Далекие и тусклые светила становятся для нас невидимыми. Но что если увеличить глаз до метра в поперечнике и сделать его зрачок диаметром около 20 см? А ведь именно такие размеры имеют небольшие телескопы. Даже сравнительно примитивный телескоп Галилея собирал света в 144 раза больше, чем человеческий глаз.

Телескоп собирает гораздо больше света и поэтому повышает яркость (блеск) тусклых объектов. Правильно измеренная яркость помогает точно установить светимость и цвет небесных тел. Кроме того, сильный телескоп позволяет получить подробные спектры светил и провести другие важные замеры, по которым ученые судят о природе звезд, планет и малых объектов.

Другим преимуществом телескопа перед глазом является то, что он обладает высокой разрешающей способностью , которую неправильно называют «увеличением». На самом деле разрешающая способность состоит в умении различить два дальних объекта, расположенных близко друг к другу. Открытие двойных звезд – типичный пример превосходства телескопических наблюдений. В двойных системах компоненты неразличимы невооруженным глазом. Телескоп не «приближает» двойную звезду, зато позволяет четко рассмотреть каждый из ее компонентов по отдельности.

Современный оптический телескоп – это сложнейшее техническое сооружение огромных размеров и колоссальной массы. Скажем, вес Зеленчукского телескопа составляет 850 тонн. Огромная конструкция приводится в движение часовым механизмом, моторчики которого поворачивают зрительную трубу. Естественно, держать подобное сооружение под открытым небом на каких-нибудь подпорках нельзя. Вот почему для размещения телескопов строят специальные здания – астрономические обсерватории .

Слово обсерватория означает в переводе с латинского языка «место для наблюдений». Кроме астрономических, существуют и другие обсерватории, например геофизические, где ведется многолетнее слежение за «пульсом» планеты: ее силой тяжести, магнитным полем, подземными толчками и т. д.

В нашей стране насчитывается более 20 крупных астрономических обсерваторий. Главная из них – Пулковская, расположенная под Санкт-Петербургом.

Поскольку для наблюдений необходимо чистое, не запыленное небо, то довольно часто обсерватории стараются строить в гористых местностях, находящихся на высотах от 500 м над уровнем моря и выше. В нашей стране в горах возведены восемь обсерваторий. Большинство высокогорных наблюдательных пунктов сосредоточены на Кавказе, здесь же находятся две обсерватории, лежащие выше всех остальных в России. Во-первых, это Специальная Астрофизическая (или Зеленчукская) обсерватория, стоящая на горе Семиродники в Карачаево-Черкесии. Во-вторых, это Кавказская горная обсерватория на плато Шатджатмаз в той же Карачаево-Черкесии. Обе находятся на отметке 2100 м над уровнем моря.

Кроме Кавказа, высокогорные обсерватории имеются в горах Южной Сибири, причем выше всего из этих наблюдательных пунктов расположена Саянская обсерватория Академии наук в поселке Монды (отметка 2000 м).

Ранее речь велась о наземных обсерваториях, однако с началом космической эры человек не оставлял попыток вывести научное оборудование в космос, чтобы проводить исследования без помех земной атмосферы. За последние 40 лет за пределами Земли работали и работают немало орбитальных обсерваторий , снабженных космическими телескопами особой конструкции. Самая знаменитая орбитальная обсерватория – космический телескоп «Хаббл».

Несмотря на разнообразие наземных и космических телескопов, все они по своему устройству разделяются на два основных класса: рефракторы и рефлекторы – в зависимости от того, линзы или зеркала применяются для сбора света. Первый оптический телескоп Галилея представлял собой типичный рефрактор. Впоследствии Галилеево изобретение было усовершенствовано немецким астрономом Иоганном Кеплером, отчего все современные рефракторы (а заодно подзорные трубы и бинокли) представляют собой варианты «трубы Кеплера».

Рефрактором называется телескоп, в котором сбор излучения от космических источников осуществляется с помощью нескольких линз. Название телескопа означает «преломляющий», поскольку действие линз состоит в преломлении световых лучей. Сегодня рефракторы изготавливаются с использованием не двух, а гораздо большего числа стекол. И тем не менее у такого телескопа неизменно присутствуют две составные части – объектив и окуляр.

Объектив – это группа линз, предназначенная для приема света. То есть это часть телескопа, нацеленная на объект (отсюда и ее название).

Окуляр (от латинского oculus – «глаз») представляет собой систему линз, которые переносят изображение в глаз наблюдателя. Астроном во время работы смотрит в окуляр, а объектив наводит на заранее намеченный участок неба.

Объективы различаются на визуальные и фотографические. Визуальные состоят из линз, которые собирают в основном желтые и зеленые лучи. Эти лучи лучше всех остальных воспринимаются человеческим глазом, поэтому задача визуального телескопа состоит в том, чтобы создать хорошо видимое изображение. Линзы фотографического объектива рассчитаны на сбор преимущественно синих и фиолетовых лучей, к которым чувствительна фотопластинка. Такой объектив позволяет получать качественные фотографии космических тел.

Визуальные объективы в настоящее время почти не используются, они устанавливаются главным образом на школьные и любительские телескопы. Рефракторы для профессиональной научной работы снабжены фотографическими объективами, чтобы ученые могли осуществлять фотосъемку звездного неба.

Важнейшим параметром объектива является его диаметр . Чем больше поперечник крупнейшей линзы объектива, тем больше света сможет уловить инструмент. Самый большой в мире рефрактор, построенный в 1897 году в Йеркской обсерватории (США), обладает объективом с диаметром 102 см.

По степени блеска небесные тела характеризуются так называемой видимой звездной величиной . Видимая звездная величина (или просто звездная величина) – это различимая глазом разница в яркости точечных светил на небе. Первым начал измерять блеск звезд древнегреческий астроном Гиппарх, живший во II веке до н. э.

Гиппарх выделил для своего каталога шесть звездных величин. При этом блеск звезды первой величины (самой яркой) примерно в 2,5 раза ярче блеска звезды второй величины. А блеск звезды второй величины в 2,5 раза ярче блеска звезды третьей величины и т. д. Сегодня астрономы улучшили способ измерения видимых звездных величин, причем за точку отсчета принимается нулевая звездная величина, которая соответствует блеску таких ярких звезд, как Вега и Арктур.

Таблица 5

Блеск некоторых звезд, обладающих экзопланетами

Звездными величинами сегодня измеряется блеск не только звезд, но и всех остальных космических объектов, кажущихся светящимися точками. Таким образом, можно измерить даже блеск космических аппаратов. Сама по себе техника не светится, но она отражает солнечные лучи, отчего в бинокль или слабый телескоп кажется точкой-звездочкой. Например, Международная космическая станция (МКС) при наиболее ярком блеске видна невооруженным глазом как звездочка величины –4.

...

Подсчитано, что космонавты перестанут различать в иллюминаторах наше Солнце, когда улетят на расстояние свыше 55 световых лет от Солнечной системы.

Это произойдет потому, что на большем расстоянии солнечный блеск окажется слабее шестой звездной величины, а менее яркие космические тела человек не видит невооруженным глазом. Лишь единицы очень зорких людей способны различать объекты, имеющие блеск в пределах 7,7 звездной величины. Это предел проникающей силы нашего глаза. Поэтому, например, Нептун (7,8) совершенно не виден для невооруженного глаза земного наблюдателя.

Что можно сказать о проникающей силе астрономических инструментов? Телескоп с диаметром объектива 80 мм позволяет увидеть объекты с блеском до 12,0 звездной величины. Объектив с поперечником 760 мм обеспечивает проникающую силу, достаточную для наблюдения объектов 16-й звездной величины. Крупнейшие рефракторы обладают объективами с диаметром свыше 2500 мм (два с половиной метра!). Их проникающей силы хватает для наблюдения тусклых объектов 19-й звездной величины.

Чтобы увидеть еще более тусклые объекты, астрономам приходится использовать орбитальные обсерватории или системы телескопов.

Разрешающая способность телескопа зависит не только от размеров объектива, но и от расстояния между объективом и окуляром. Если диаметр объектива велик, то и расстояние до окуляра тоже должно быть подобрано достаточно большим.

Схожие принципы лежат в основе построения и работы телескопов второго класса – рефлекторов , то есть, в переводе с латинского, «отражателей». Иначе их называют «зеркальными телескопами», поскольку такие инструменты вместо линз объектива оснащены большим вогнутым зеркалом для сбора света. Окуляр у рефлектора оснащен линзами и похож по устройству на окуляр рефрактора.

Принцип работы рефлектора

Рефлекторы получили сегодня более широкое распространение, чем рефракторы. Большинство обсерваторий мира оснащены зеркальными телескопами. Дело в том, что изготавливать гигантские линзы гораздо сложнее, чем гигантские зеркала, а значит, проникающая сила линзовых телескопов ограничена.

Крупнейшие рефлекторы оснащены зеркалами с диаметром 3–4 м. Самое большое цельное зеркало было отлито в нашей стране в 1971 году. Оно смонтировано на объективе Зеленчукского телескопа, о котором мы уже говорили. Диаметр этого зеркала составляет 6 метров, а масса равняется 42 тоннам. Когда зеркало было отлито из расплавленного стекла, его пришлось охлаждать в течение двух лет.

Чтобы получить крупное зеркало, его удобнее собрать из нескольких составных зеркал меньшего размера. Именно так сегодня конструируются объективы для большинства гигантских рефлекторов. Например, телескопы Кека, построенные в 1992–1996 годах на Гавайских островах, оснащены зеркалами диаметром 10 м каждое.

Одно время предполагалось построить 50-метровые составные зеркала для сверхгигантских рефлекторов, но сегодня к этим замыслам не возвращаются, поскольку астрономы предпочитают пользоваться оптическими интерферометрами . Интерферометром называется устройство в виде группы из нескольких телескопов, которые собирают излучение от одного и того же источника, но с разных позиций. Компьютер интерферометра объединяет информацию с разных телескопов и строит единое изображение, которое оказывается более четким и качественным, чем изображение с одного телескопа.

К примеру, «Очень большой телескоп» (Very Large Telescope – VLT) в Чили представляет собой четыре рефлектора, у каждого из которых зеркала имеют диаметр 8,2 м. Самый большой в мире интерферометр введен в действие в 1999 году в США при обсерватории Маунт-Вилсон. Устройство называется Центр астрономии большого углового разрешения (сокращенно – CHARA). Оно включает в себя пять телескопов, расположенных в радиусе 400 м.

Вплоть до конца XIX века астрономам приходилось вести наблюдения, полагаясь не столько на технику, сколько на самый главный инструмент любого наблюдателя – собственные глаза. Сам по себе глаз является естественным прибором высокой точности и чувствительности, но человек не умеет пользоваться своим зрением должным образом. Люди во время наблюдений устают, отвлекаются, допускают ошибки. И, кроме того, человек способен попросту забыть часть из того, что он увидел, особенно когда приходится охватывать взором участок неба с сотнями звезд.

Вот почему астрономы с радостью восприняли появление астрографов – так называются телескопы, в которых зрение наблюдателя заменено фотокамерой.

Астрограф – это телескоп для фотографирования космических объектов. Все современные телескопы, конструируемые для обсерваторий, непременно снабжаются первоклассными фотокамерами. Теперь ученому не приходится без сна и отдыха следить за небом, работать с астрографом стало значительно проще. В задачу астронома входит верная наводка телескопа на исследуемую область, а затем анализ полученных фотоснимков.

Причем на всех этапах научной работы астрономам помогает компьютерная техника. Мощнейший «электронный мозг» обсерватории под присмотром человека меняет положение большой трубы телескопа вместе с фотокамерой, управляя часовым механизмом. Обработка тысяч фотоснимков тоже ведется на особых компьютерах, которые облегчают ученому работу и помогают заметить то, что можно было бы пропустить или даже не увидеть, не обладай ученый такого рода техникой.

Кроме фотокамеры и часового механизма, телескопы могут оснащаться и другими устройствами, необходимыми для повышения результативности работы. Некоторые устройства и приспособления разрабатываются специально для того, чтобы проводить наблюдения в строго определенных условиях. Таков, к примеру, фильтр Лио , применяемый на особых телескопах, называемых коронографами.

Коронограф – это внезатменный телескоп для исследований Солнца. Смотреть на Солнце невозможно, от этого человек, как известно, слепнет. Фильтр Лио позволяет смотреть на Солнце «безнаказанно», поскольку это приспособление воссоздает условия полного солнечного затмения. Фильтр, изобретенный французским астрономом Бернардом Лио (1897–1952), представляет собой покрытый черной краской диск, который играет роль Луны, заслоняя собой Солнце так, что астроному видны лишь лучистые оболочки светила – корона и хромосфера. Благодаря фильтру Лио ученые могут без опаски изучать эти оболочки когда угодно, не дожидаясь солнечного затмения.