Потомки квадрантов

Уже в XVII веке, вскоре после изобретения телескопа, измерительные инструменты стали снабжать зрительными трубами. Выгода от этого новшества была очевидна: так как телескоп увеличивает угол зрения, значит, при сравнительно небольших размерах инструмента возможно получить точности измерения углов куда большую, чем со старинными, даже гигантскими угломерными инструментами.

В современных угломерных инструментах зрительная труба или телескоп играет роль визира. Эта труба снабжена крестом паутинных нитей, укрепленных в ее фокальной плоскости. Прямая, соединяющая центр объектива с точкой пересечения креста нитей, называется визирной линией. И, конечно, всякий угломерный инструмент непременно имеет точно разделенные металлические круги, насаженные на ось инструмента. По ним и отсчитываются измеряемые углы. Есть несколько типов измерительных инструментов, этих потомков древних квадрантов и астролябий, которые можно встретить на большинстве современных обсерваторий.

На рис. 29 изображен так называемый универсальный инструмент — просто универсал. Труба универсала может поворачиваться как вокруг горизонтальной, так и вокруг вертикальной оси. На этих осях видны крупные, напоминающие колеса, градуированные круги — лимбы. На лимбы направлены небольшие трубки — микроскопы со слабым увеличением, позволяющие четче рассматривать деления на лимбах. На раме универсала укреплены уровни. По ним поворотом опорных регулировочных винтов устанавливают универсал строго в горизонтальной плоскости.

Универсальный инструмент невелик и принадлежит к типу переносных угломерных инструментов. Диаметры лимбов обычно заключены в пределах от 10 до 30 см, а длина трубы универсала не превышает полметра.

Рис. 29. Универсальный инструмент.

С помощью универсала измеряют с точностью до секунд горизонтальные координаты светила — его азимут и зенитное расстояние или высоту. Зная же момент наблюдения, нетрудно по формулам сферической астрономии вычислить и экваториальные координаты светила, то есть его склонение и прямое восхождение.

Всем хорошо знакомый теодолит — разновидность универсала. Правда, при геодезических измерениях точность обычно требуется меньшая, чем в астрономии, и потому теодолиты в размерах уступают универсалам.

Для максимально точных измерений экваториальных координат звезд используют меридианный круг (рис. 30 слева). Как и квадрант, меридианный круг позволяет измерять углы лишь в плоскости небесного меридиана. Его единственная ось направлена точно с востока на запад и ее концы лежат на так называемых лагерах — подставках, укрепленных на неподвижных прочных столбах.

Рис. 30. Меридианный круг (слева) и пассажный инструмент.

Главная часть меридианного круга — огромный лимб, с помощью которого отсчеты высоты (или зенитного расстояния) звезды можно делать с точностью до одной десятой секунды дуги! Если измерено зенитное расстояние z светила в момент его кульминации (то есть в плоскости небесного меридиана), то склонение светила δ находят по простой формуле: δ = φ — z, где δ — широта места наблюдения.

Сложнее найти прямое восхождение звезды. Для этого нужно как можно точнее отметить момент прохождения этой звезды через вертикальную нить инструмента, то есть через небесный меридиан. Легко доказать, что в этом случае прямое восхождение звезды равно так называемому звездному времени в момент ее кульминации. Это звездное время можно вычислить по тому моменту времени, которое отсчитывают обычные часы. Но нужды в этом нет — у астрономов, работающих на меридианном инструменте, есть специальные хронометры, показывающие именно звездное время.

В 1939 году советский астроном Н.Н. Павлов впервые ввел в практику фотоэлектрический метод регистрации прохождения звезд через небесный меридиан. В приборе, созданном Н.Н. Павловым, лучи кульминирующей звезды падают на фотоэлемент, и электрические сигналы от него фиксируются на ленте хронографа. Точность измерения при этом получается намного большей, чем при наблюдениях невооруженным глазом.

Внешне похож на меридианный круг так называемый пассажный инструмент (рис. 30 справа). Его труба также имеет лишь одну ось, направленную с востока на запад. Однако назначение пассажного инструмента иное. С его помощью астрономы фиксируют кульминации звезд, прямое восхождение и склонение которых известно. Тогда звездное время в момент кульминации звезды будет равно ее прямому восхождению. Иначе говоря, пассажный инструмент предназначен для точного измерения времени (сначала звездного, по которому нетрудно рассчитать «обычное», то есть среднее солнечное время). Вот почему у пассажного инструмента нет большого, очень точно градуированного лимба. Вместо него имеется небольшой градуированный круг, который нужен для приближенной установки трубы пассажного инструмента на нужную угловую высоту.

Наряду со стационарными крупными пассажными инструментами есть небольшие переносные. Ось такого инструмента делается полой и в нее с помощью призмы отражаются лучи от звезды. На одном из концов оси укреплен окуляр, в который и ведут наблюдения. Штурманы кораблей и самолетов работают с небольшими оптическими секстантами, которые свободно можно держать в руках. Древние астролябии заменены сложными призменными астролябиями с искусственным ртутным горизонтом. Они используются как переносные инструменты для точного измерения времени и широты места. Как и так называемый зенит-телескоп, предназначенный для измерений зенитных расстояний звезд вблизи зенита, призменная астролябия, по существу, представляет собой своеобразную разновидность универсала.

До изобретения телескопа астрономия, в сущности, была астрометрией, то есть наукой, измеряющей угловые расстояния на небе. Ныне астрометрия — лишь один из разделов астрономии. Служба точного времени — одна из главнейших задач современной астрометрии. Другая, не менее ответственная задача, — составление звездных каталогов. В лучших старинных каталогах зарегистрированы более или менее точно положения нескольких сотен звезд. Современные звездные каталоги включают сведения о сотнях тысяч звезд! Одна из главных проблем современной астрометрии — поиски опорных объектов, образующих в пространстве практически неподвижную основу, по отношению к которой можно было бы отсчитывать координаты звезд. Вполне возможно, что такой опорной системой станет совокупность квазаров — очень далеких, во многом пока загадочных источников радиоизлучения, которые из-за своей удаленности практически неподвижны на небосводе.

Как и древние астрономы, современные астрометристы непрерывно стараются уточнить значения фундаментальных постоянных, в первую очередь постоянной прецессии, впервые вычисленной еще Гиппархом. Все то небесное, чем занимаются астрометристы, имеет самое прямое отношение к Земле. Именно из астрометрических измерений можно узнать точную форму нашей Земли, характер движения Луны и планет и многое другое, без чего не могла бы существовать геодезия, картография и многие «земные» науки. Без астрометрии не было бы и космонавтики, так как именно по астрометрическим данным рассчитываются траектории космических летательных аппаратов.

Воздав должное астрометрии, мы обратимся теперь к инструментам, благодаря которым существует и развивается астрофизика — интереснейший из разделов астрономии.