Разведка далеких планет - Владимир Сурдин

Перелом в судьбе телескопов — рефлекторов наступил в 1853 г., когда Юстус фон Либих предложил метод выделения металлического серебра из раствора нитрата серебра для наружного покрытия стекла тонкой отражающей пленкой. В 1856 г. немецкий физик Карл Август фон Штейнгейль и независимо от него французский физик Леон Фуко применили этот метод для изготовления астрономических зеркал. С этого момента почти без исключений зеркала телескопов делали из стекла, которое легче бронзы и проще в обработке. К тому же серебряная пленка лучше отражает свет, чем полированный спекулум. Когда слой серебра тускнеет, его просто смывают и наносят новый; металлическое же зеркало в этом случае необходимо заново полировать.

Развив метод Хэдли, Фуко предложил новый способ проверки сферической формы зеркала. Он освещал его через маленькое отверстие, помещенное чуть в стороне от центра кривизны сферы, и рассматривал изображение этого отверстия, образованное рядом с ним отраженными лучами. Это же делал 200 лет назад и Хэдли. Но Фуко рассматривал изображение не на экране, как Хэдли, а глазом, поместив перед ним пластинку с острым и ровным прямолинейным краем — «нож». Двигая ее, Фуко наблюдал, как изменяется освещенность поверхности зеркала, и по форме тени легко определял отклонение поверхности от идеальной сферы. Этот метод настолько прост и чувствителен, что «нож Фуко» до сих пор применяется при изготовлении зеркал.

В то время как технология изготовления рефлекторов во второй половине XIX в. быстро совершенствовалась, эволюция рефрактора практически остановилась. Современные рефракторы мало изменились с эпохи Фраунгофера. Правда, улучшились качество и ассортимент оптического стекла, но полностью победить хроматическую аберрацию все равно не удалось. Ее сводят к минимуму лишь в небольшой области спектра: в желто — зеленой, если телескоп предназначен для визуальных наблюдений, и в голубой, если для фотографических. Оба крупнейших в мире рефрактора, Ликский и Йерксский, — визуальные, с объективами диаметром около 1 м. Оба были построены в конце XIX в. и установлены на экваториальных монтировках немецкого типа, какие делал Фраунгофер. Заготовки для линз их объективов были отлиты во Франции, а сами объективы изготовила знаменитая американская фирма «Алван Кларк и сыновья».

Рис. 3.10. Крупнейший в мире Йерксский рефрактор (1897 г.) диаметром 40 дюймов (102 см), установленный чуть севернее г. Чикаго, на берегу небольшого озера Женева.Рис. 3.11. Ликский рефрактор (1888 г.) диаметром 36 дюймов (91 см), установленный на горе Гамильтон в Калифорнии.Рис. 3.12. 36–дюймовый двухлинзовый объектив (флинт + крон) для Ликского рефрактора (одна его флинтовая линза весит 170 кг).

Хотя ахроматические объективы уже применялись, рефракторы все равно делали весьма длинными. Отчасти это диктовалось желанием окончательно устранить хроматическую аберрацию, но были и другие соображения. Дело в том, что размер изображения в фокальной плоскости объектива зависит от его фокусного расстояния У 40–дюймового Йерксского рефрактора фокусное расстояние 19 м, при котором угол в 0,5", соответствующий высочайшей четкости изображений при абсолютно спокойной атмосфере, эквивалентен расстоянию 37 мкм в фокальной плоскости. Примерно такого же размера и зерно фотоэмульсии. Поэтому такой телескоп мог фиксировать на фотопластинках самые четкие изображения. Да и визуально рассматривать в него крупные изображения тесных двойных звезд и мелких деталей на поверхности планет было очень удобно. У Йерксского рефрактора диаметр лунного диска в фокусе получается около 17 см. Размер фотопластинок у этого телескопа 20x25 см, так что полная Луна легко умещается на них. Длиннофокусные рефракторы позволили получить прекрасные фотографии целиком всего лунного диска. Заметим, что астрономы для съемки неба всегда использовали не пленку, а именно стеклянные фотопластинки из- за их высокой жесткости: даже через 100 лет хранения они не деформируются и позволяют измерять относительное положение звездных изображений с точностью до 3 мкм, что для крупных рефракторов, подобных Йерксскому, соответствует на небе дуге в 0,03".

Представление о крупнейшем в мире рефракторе дают следующие цифры: основание монтировки Йерксского телескопа имеет высоту 13 м и весит 50 т. Полярная и экваториальная оси вместе весят и весит 6 т. У Ликского телескопа труба при длине 17,4 м и диаметре 1,22 м весит около 12 т.

5 т. Часовой механизм с приводом на большую шестерню в верхней части полярной оси весит 20 т. Труба телескопа имеет в длину 18,5 м

Рис. 3.13. Английский астроном Чарльз Гровер (1842–1921) у своего рефрактора, укрепленного на экваториальной монтировке. Вращение вокруг полярной оси осуществляется через приводной вал гиревым часовым механизмом, скорость которого контролирует регулятор Уатта (его шары видны в прозрачной верхней части кожуха). Астроном сидит на лесенке с выдвигающимися ступенями — сиденьями, высота которых подбирается в зависимости от положения окулярного конца телескопа.Рис. 3.14. Рефлектор с зеркалом диаметром 6.5 дюймов, изготовленный Дж. Браунингом в 1866 г. Иллюстрация: English Mechanic and Mirror of Science от 25 мая 1866 г.

Попытки создать рефракторы крупнее Йерксского оказались неудачными. Более крупные объективы для полноповоротных телескопов вообще никогда не изготавливались. На Парижской выставке 1900 г. демонстрировался неподвижный горизонтальный телескоп — рефрактор с объективом 125 см и сидеростатом (система из двух плоских вращающихся зеркал) для наведения на объекты, но для научной работы он не использовался. До тех пор, пока линзы делаются из стекла, изготовить объективы большего размера не удастся. Даже если оптическое качество стеклянного диска окажется превосходным, огромные линзы будут прогибаться под собственным весом.

Хотя в XX в. строительство рефракторов продолжалось, все они имели скромный диаметр (20–40 см) и предназначались либо для публичных обсерваторий, либо для фотографирования больших площадок неба, поскольку линзовый объектив легче сделать широкоугольным, чем зеркальный.

Но зеркальные объективы имеют несколько важных преимуществ. Поскольку свет отражается от их наружной поверхности, оптическое качество стекла не имеет значения. К тому же зеркало можно поддерживать снизу, чтобы оно не гнулось. Его вес можно значительно снизить, придав ему форму пчелиных сот. Труба и монтировка у рефлектора, в котором тяжелое зеркало находится снизу, значительно проще, чем у рефрактора сравнимого размера, у которого объектив вынесен далеко от осей вращения. Все это определило победу крупных рефлекторов над достигшими своего предела рефракторами.

Рис. 3.16. Телескоп — рефрактор фирмы «Карл Цейсс», сделанный по схеме куде. При поворотах объектива расположенный в основании полярной оси окуляр остается неподвижным. Это удобно, особенно при проведении публичных демонстраций в планетариях и народных обсерваториях.

Рис. 3.17.100–дюймовый рефлектор «Хукер» обсерватории Маунт-Вилсон.

Сейчас в мире работают сотни крупных рефлекторов; около 30 из них имеют апертуру (полезный диаметр зеркала) более 4 м. Как правило, это телескопы со сменными вторичными зеркалами, что позволяет, в зависимости от задачи, вести наблюдения в первичном фокусе главного зеркала или по оптической схеме Ньютона, Кассегрена, Несмита или куде (от фр. coude — изгиб). Каждая из них имеет свои преимущества. В первичном (главном) фокусе минимальны потери света, но неудобно работать, так как он находится на вершине телескопа, да и громоздкую аппаратуру там расположить нельзя. В фокусе Кассегрена больше масштаб изображения и удобнее работать (он внизу). Фокус Несмита, выведенный в ось склонений, и особенно фокус куде, выведенный в полярную ось, позволяют использовать тяжелую светоприемную аппаратуру, например спектрографы высокого разрешения.

Рис. 3.18. 200–дюймовый рефлектор «Хейл» обсерватории Маунт-Паломар: внешний вид и внутреннее устройство телескопа и его башни. Рисунки Р. У. Портера, выполненные по рабочим чертежам в 1939 г.

XX век стал эпохой триумфа больших рефлекторов. В первой половине века ими располагала обсерватория Маунт — Вилсон, созданная вблизи Лос — Анджелеса по инициативе Джорджа Эллери Хейла (1868-1938), блестящего астронома и организатора науки. Именно он в начале своей карьеры стимулировал создание 40–дюймового рефрактора и сам с 1895 по 1905 гг. возглавлял Йерксскую обсерваторию. Убедившись в ограниченных возможностях равнинных обсерваторий и рефракторов, Хейл с помощью Фонда Карнеги основал горную обсерваторию Маунт — Вилсон на юге штата Калифорния, на высоте 1742 м. Для изучения Солнца на ней были созданы крупнейшие в мире ба шенные телескопы, а первым «ночным» инструментом стал 60–дюймовый (1,5 м) рефлектор «Хейл», названный так в честь отца астронома, Уильяма Хейла, финансировавшего изготовление зеркала. Этот телескоп с 1908 по 1917 гг. держал мировое первенство и прославился выполненными на нем важными работами в области звездной спектроскопии и изучения галактик. Ныне этот инструмент завершил свою работу для науки и стал доступным для публики (в июне 2009 г. за полночи наблюдений на нем нужно было заплатить 900 долларов).