Солнечные обсерватории

Еще в прошлом веке для наблюдений Солнца, как правило, применялись те же инструменты, что и для изучения других небесных тел. Правда, при этом необходимо было всячески ослабить световой поток, поступающий в телескоп от Солнца. Для этой цели использовали темные фильтры, укрепляемые в окулярах, или за окулярной частью телескопа помещали белый экран, на который проектировалось сильно ослабленное в яркости изображение небесного светила. Иногда пользовались специальными «солнечными» окулярами, в которых поток солнечного света ослаблялся поляроидами или другими оптическими приспособлениями.

Все эти несложные методы сохранились и в современной «любительской» астрономии, то есть для малых рефракторов и рефлекторов. Что же касается больших обсерваторий, то постепенно из них выделился особый класс «солнечных» обсерваторий, все оборудование которых предназначено исключительно для наблюдений Солнца. Начался этот процесс специализации уже давно, более ста лет назад, когда в 1868 году английский астрофизик Н. Локьер на заседании Парижской Академии наук доложил об изобретенном им способе наблюдать солнечные протуберанцы в любой солнечный день, а не только во время полных солнечных затмений. Одновременно с Локьером и независимо от него такое же открытие сделал и французский астроном Ж. Жансен.

Как известно, солнечные протуберанцы (или выступы) представляют собой облачные образования, состоящие преимущественно из водорода и гелия. Во время полных солнечных затмений, когда Солнце закрыто черным диском Луны, протуберанцы часто напоминают красные язычки пламени, высовывающиеся из хромосферы. Размеры, форма и движения их весьма разнообразны. Если в момент полной фазы солнечного затмения щель спектроскопа (присоединенного к телескопу) направить по касательной к поверхности Солнца, можно увидеть ряд ярких разноцветных линий — спектр протуберанца. Каждая такая линия есть, в сущности, цветное изображение щели спектроскопа. Если сделать щель, скажем, серповидной, то и цветные линии в спектре также получатся серповидными. Но вот что важно: внутри каждой линии видно цветное изображение протуберанца, причем тем отчетливее, чем больше дисперсия спектроскопа, то есть чем более широкий спектр он дает.

Как это ни удивительно, но и после затмения протуберанцы останутся видимыми, хотя несколько ослабленными. Объясняется это тем, что излучение протуберанца распределяется по нескольким цветным линиям, тогда как свет неба, также попавший в спектроскоп, распределяется по всему непрерывному спектру. Следовательно, относительный контраст изображений неба и протуберанца при описанном способе наблюдения возрастает.

Протуберанц-спектроскоп, первый из специальных солнечных приборов, состоит из небольшого коллиматора, нескольких сложных призм прямого зрения и небольшого рефрактора. Сегодня этот прибор выглядит примитивным и не употребляется. Но сто лет назад он казался чудом астрономической техники и по поводу его изобретения была выбита даже особая золотая медаль с портретами Локьера и Жансена.

В прошлом веке для фотографирования Солнца или его спектра фотокамеры и спектрографы прикрепляли к окулярной части телескопа. Но так как для Солнца и те и другие приборы были весьма массивными, это вызывало неудобства (в частности, гнутие трубы). Выход был найден в изобретении целостата, плоского зеркала, вращающегося с помощью часового механизма вокруг полярной оси со скоростью, вдвое меньшей осевого вращения Земли. Солнечный луч, отраженный целостатом, падает на второе дополнительное зеркало, которое направляет его в объектив горизонтально закрепленного телескопа или спектрографа. В этом случае движущейся частью инструмента является небольшое зеркало, а главная его часть покоится неподвижно. В других случаях отраженный от целостата луч направляется не по горизонтали, а по вертикали, и тогда вместо горизонтального солнечного телескопа получается телескоп вертикальный. В этом случае целостат устанавливают на высокой башне, а вертикальный солнечный телескоп часто называют иначе башенным телескопом.

Башенный телескоп имеет некоторое преимущество перед горизонтальным. В нем целостат находится сравнительно высоко над поверхностью Земли, то есть выше приземного неспокойного и загрязненного слоя воздуха, а это улучшает изображение Солнца.

Башенный солнечный телескоп Крымской астрофизической обсерватории представляет собой сложный оптико-механический агрегат. С башни высотой 20 м целостат направляет солнечный луч вниз на главное распределительное зеркало, расположенное на глубине 4 м под землей. Отсюда с помощью дополнительных зеркал солнечный луч распределяется на несколько приборов, в том числе и дифракционный спектрограф, дающий очень высокую дисперсию (один ангстрем на миллиметр). Замечательно, что всем этим агрегатом управляют лишь два человека — наблюдатель и его помощник.

В Пулковской обсерватории еще до войны Н.Г. Пономаревым был установлен горизонтальный солнечный телескоп, с сожалению, уничтоженный во время войны. В обновленном варианте он был восстановлен в 1951 году и с тех пор на нем ведутся регулярные наблюдения. Замечательно, что этот телескоп не имеет трубы — ее роль выполняет сам павильон солнечного телескопа, кстати сказать, вытянувшийся с юга на север на полсотни метров. С помощью горизонтального телескопа регулярно фотографируются поверхность Солнца и его спектр.

Хорошо известно, что на вершинах гор фон яркого неба значительно темнее, чем у поверхности моря. С атмосферных высот около 200 км наступают условия, равноценные тем, которые характерны для межпланетного пространства — свечение воздуха практически незаметно, и на черном звездном небе ярко сияет Солнце. Если заслонить ослепительный солнечный диск каким-нибудь круглым непрозрачным экраном, вокруг Солнца всегда можно увидеть и хромосферу с протуберанцами и жемчужно-серебристую солнечную корону — наиболее внешние и разреженные части солнечной атмосферы.

В 1930 году французский астроном Лио проделал опыт, напоминающий только что приведенные теоретические рассуждения. Он построил прибор, называемый с тех пор внезатменным коронографом. Это небольшой телескоп, объектив которого создает изображение Солнца на непрозрачном диске, играющем роль Луны. «Искусственная Луна» отражает лучи, света в сторону, где он и поглощается. За «искусственной Луной» располагается фотокамера, с помощью которой в любое время удается заснять внутренние, ближайшие к Солнцу части его короны или (применив бесщелевой спектрограф) спектр короны.

Сам Лио вел наблюдения на обсерватории Пикдю-Миди (высота 2850 м). В Советском Союзе уже много лет под Кисловодском действует Горная астрономическая станция Пулковской обсерватории (высота 2130 м), где также установлен внезатменный коронограф. Главное в этих приборах — максимально устранить основное излучение солнечной поверхности, чтобы как можно ярче проявилось собственное свечение солнечной короны.

Еще в конце прошлого века американец Хэл, и француз Деландр независимо друг от друга построили прибор, ставший впоследствии едва ли не главным инструментом для изучения физики Солнца. Речь идет о спектрогелиографе, позволяющем изучать Солнце как бы по частям, или, точнее говоря, «в лучах» различных химических элементов.

Принцип действия спектрогелиографа достаточно прост. Представьте себе солнечный спектр, спроектированный объективом спектрографа на непрозрачный экран. Сделаем в этом экране узкую щель, которую совместим с какой-нибудь из линий поглощения солнечного спектра, например, с головной линией Н_α серии водорода. Хотя в спектре Солнца эта линия, как и остальные линии поглощения, выглядит темной, на самом деле ее «темнота» относительна — она вызвана контрастом в сравнении с окружающими линии поглощения очень яркими участками непрерывного спектра. Поэтому сквозь щель, совмещенную с линией Н_α, проникнут солнечные лучи, порожденные солнечными атомами водорода. Если на их пути поставить фотопластинку, на ней получится снимок участка Солнца «в лучах водорода», и именно того участка, который «вырезает» щель спектрографа на диске Солнца.

Будем теперь перемещать щель спектрографа по диску Солнца, соответствующим образом смещая и фотопластинку. Как из детских кубиков складывается рисунок, так и из фотографий отдельных узких участков Солнца постепенно сложится общая панорама Солнца в лучах водорода, так называемая спектрогелиограмма (рис. 36).

Совершенно таким же способом удается получить снимки Солнца в лучах гелия, кальция и других элементов. На спектрогелиограммах Солнца хорошо различимы светлые и более темные облака, из которых состоит солнечная атмосфера, или, точнее, ее нижний слой, именуемый хромосферой. Эти облака называются флоккулами и по их характеру и движению астрономы изучают физические процессы, происходящие в хромосфере. В лучах водорода на спектрогелиограммах видны темные волокна — протуберанцы, проектирующиеся на солнечную поверхность.

Рис. 36. Вверху спектрогелиограмма Солнца (в лучах водорода). Внизу обычный снимок Солнца.

Спустя 35 лет после изобретения спектрогелиографа Хэл построил спектрогелиоскоп, работающий на том же принципе, что и спектрогелиограф. Однако в спектрогелиоскопе обе щели сделаны быстроколеблющимися, благодаря чему в глазу наблюдателя задерживается зрительное впечатление. Иначе говоря, спектрогелиоскоп — прибор для визуальных наблюдений Солнца в лучах различных элементов. Глаз наблюдателя подчас фиксирует такие быстрые изменения деталей отдельных флоккул, которые спектрогелиограф запечатлеть не в состоянии. Как спектрогелиографы, так и спектрогелиоскопы имеются в ряде советских обсерваторий, в частности, в Пулкове, Харькове и в Крыму.

Есть и другие способы изучать Солнце «в лучах» какого-нибудь элемента. Такую возможность предоставляют так называемые интерференционно-поляризационные фильтры. Каждый такой фильтр состоит из стопки отполированных кварцевых пластинок разной толщины, разделенных специальными пленками — поляроидами. Последние обладают свойством пропускать лучи лишь определенных длин волн. Можно так подобрать толщину кварцевых пластинок, что фильтр пропустит очень узкий участок солнечного спектра (шириной до одного ангстрема). Интерференционно-поляризационные фильтры применяются, в частности, для кинематографирования солнечных протуберанцев. Эти фильмы оставляют сильное впечатление. В ускоренном по сравнению с действительностью темпе зритель видит взлеты и рассеивание протуберанцев, всасывание их вещества в хромосферу и многое другое, совершенно недоступное при наблюдениях иными средствами. Пожалуй, ныне ни одно космическое тело не изучается так тщательно, как Солнце.