В игру вступают рефлекторы

Идея создания зеркального телескопа, или рефлектора была высказана при жизни Галилея Н. Цукки (1616 г.) и М. Мерсеном (1638 г.). Однако они, как позже Д. Грегори (1663 г.) и Г. Кассегрен (1672 г.) предложили лишь теоретические схемы инструментов, а сами инструменты построены не были. В 1664 году Роберт Гук изготовил рефлектор по схеме Грегори, но качество его оказалось настолько низким, что наблюдать что-либо в него не удалось.

Лишь Исаак Ньютон в 1668 году, наконец, построил первый действующий рефлектор. Этот крошечный телескоп по размерам уступал даже галилеевским трубам. Главное вогнутое сферическое зеркало из полированной зеркальной бронзы имело в поперечнике всего 2,5 см, а его фокусное расстояние составляло 6,5 см. Лучи от главного зеркала (рис. 20, а) отражались небольшим плоским зеркалом в боковой окуляр, представлявший собою плоско-выпуклую линзу. Первоначально рефлектор Ньютона увеличивал в 41 раз, но поменяв окуляр и снизив увеличение до 25 раз, Ньютон нашел, что небесные светила при этом выглядят ярче и наблюдать их удобнее.

Рис. 20. Ход лучей в рефлекторах системы Ньютона (а), Грегори (б) и Кассегрена (в).

В 1671 году Ньютон соорудил второй рефлектор, чуть побольше первого (диаметр его главного зеркала был равен 3,4 см при фокусном расстоянии 16 см). Система Ньютона получилась весьма удобной и она успешно применяется до сих пор. Заметим, что вместо плоского зеркала в некоторых телескопах используются призмы полного внутреннего отражения.

Рефлектор по системе Грегори (рис. 20, б) имеет несколько иное устройство. Лучи от главного зеркала падают на небольшое вогнутое эллипсоидальное зеркало, отражающее их в окуляр, который врезан в центральное отверстие главного зеркала. Эта система имеет некоторые преимущества перед системой Ньютона. Так как эллипсоидное зеркало находится дальше главного фокуса телескопа, изображения в рефлекторе Грегори прямые (как в театральном бинокле). При рассматривании земных предметов это удобно, а при наблюдении небесных тел безразлично. Так как эллипсоидное зеркало как бы удлиняет фокусное расстояние телескопа, в рефлекторах Грегори при прочих равных условиях можно применять большие увеличения, чем в рефлекторах Ньютона. Кроме того, наблюдатель смотрит на небесный объект прямо, что при наведении на светило представляет некоторое удобство.

Если вогнутое Эллипсоидальное зеркало заменить выпуклым гиперболическим, получаем систему Кассегрена (рис. 20, в). Так как гиперболическое зеркало встречает лучи, отраженные главным зеркалом до фокуса, кассегреновские рефлекторы короткие, компактные, что удобно для некоторых астрофизических наблюдений.

Позже были предложены и другие оптические системы рефлекторов, но наиболее популярными оказались три описанные системы. Любопытно, что в современных крупных рефлекторах есть устройства, позволяющие от ньютоновской комбинации переходить к кассегреновской и обратно.

Первые рефлекторы Ньютона были настолько примитивными, что явно не выдерживали конкуренции даже с «воздушными» рефракторами. Однако вскоре выявились некоторые неоспоримые достоинства рефлекторов, которые в конечном счете позволили им одержать решительную и окончательную победу в чемпионате телескопов.

Главное преимущество рефлекторов — отсутствие у зеркал хроматической аберрации. Если же главному зеркалу придать форму параболоида вращения, то можно теоретически свести к нулю и сферическую аберрацию (во всяком случае для лучей, падающих на главное зеркало параллельно его оптической оси). Изготовление зеркал — дело более легкое, чем шлифовка огромных линзовых объективов, и это также предрешило успех рефлекторов. Из-за отсутствия хроматической аберрации рефлекторы можно делать очень светосильными (до 1:3), что совершенно немыслимо для рефракторов. При изготовлении рефлекторы обходятся гораздо дешевле, чем равные им по диаметру рефракторы.

Есть, конечно, недостатки и у зеркальных телескопов. Их трубы открыты и токи воздуха внутри трубы создают неоднородности, портящие изображения. Отражающие поверхности зеркал сравнительно быстро тускнеют и нуждаются в восстановлении. Для отличных изображений требуется почти идеальная форма зеркал, что трудно исполнить, так как в процессе работы форма зеркала слегка меняется от механических нагрузок и колебаний температуры. И все-таки рефлекторы оказались наиболее перспективным типом телескопов.

Уже в 1721 году Джон Гадлей построил ньютоновский рефлектор с диаметром бронзового зеркала 15 см при фокусном расстоянии 158 см. В него легко наблюдались не только спутники Юпитера, но и такие объекты, как щель Кассини в кольце Сатурна, которую с трудом различал Гюйгенс в свой 37-метровый «воздушный» рефрактор.

В 1732—1768 гг. сначала в Эдинбурге, а затем в Лондоне Джемс Шорт организовал фабричный выпуск высококачественных рефлекторов. Большинство из них было построено по системе Грегори, причем самый большой имел поперечник главного зеркала, равный 55 см. Даже спустя 200 лет при проверке шортовских рефлекторов советские ученые могли еще раз убедиться в их очень высоких качествах.

На Петербургской академической обсерватории употреблялись для наблюдения небольшие рефлекторы системы Грегори. Большого успеха в изготовлении рефлекторов достиг Яков Брюс — крупнейшее из зеркал, им изготовленных, имело поперечник полметра. Строил рефлекторы и знаменитый русский изобретатель И.П. Кулибин.

М.В. Ломоносов применил в рефлекторах новую систему, получившую позже его имя. Главное зеркало он слегка наклонял так, что фокальное изображение получалось вблизи входного отверстия телескопа. Здесь Ломоносов укреплял окуляр, в который и вел наблюдения. Система Ломоносова имела то преимущество, что в ней не требовались промежуточные зеркала или призмы, в которых терялась часть света. Но, с другой стороны, давали себя знать различные аберрации (кома, астигматизм, дисторсия), менее заметные в других системах рефлекторов. Тем не менее система Ломоносова использовалась впоследствии и другими астрономами при наблюдениях в очень крупные рефлекторы. Среди них был и основоположник звездной астрономии Вильям Гершель.