Динозавры телескопической техники

До сих пор, рассуждая о ходе световых лучей в телескопе, мы считали эти лучи идеальными геометрическими прямыми, а точки их схождения — идеальными математическими точками. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Прежде всего астрономам приходится сталкиваться с так называемой дифракцией света (подробнее см. стр. 110). Суть же этого явления заключается в следующем.

Представьте себе поток световых лучей, падающих на объектив телескопа. Плоскость, перпендикулярную к направлению лучей, назовем фронтом световой волны. Согласно так называемому принципу Гюйгенса каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный источник света, посылающий лучи во все стороны. Принимая этот принцип, можно доказать, что изображение звезды, создаваемое телескопом, никогда не будет точечным, как того требуют законы «идеальной» геометрической оптики. Оно, это изображение, выглядит светлым кружочком, окруженным несколькими концентрическими кольцами, причем с удалением от изображения звезды яркость дифракционных колец быстро уменьшается, а ширина возрастает.

Настоящие диски звезд ни в один даже самый крупный современный телескоп рассмотреть невозможно. Дифракционные диски, особенно хорошо заметные у ярких звезд, — неизбежная помеха при астрономических наблюдениях. Теория показывает, что угловой радиус r дифракционного диска (в секундах дуги) для желто-зеленых лучей, к которым глаз наиболее чувствителен, определяется простой формулой: r = 14/D, где D — диаметр объектива телескопа в сантиметрах. Значит, чем больше объектив телескопа, тем меньше дифракционные диски наблюдаемых в него звезд, а значит, тем выше разрешающая сила телескопа, то есть тем мельче подробности, различаемые с его помощью.

Так, например, если в телескоп наблюдается двойная звезда и оба ее компонента на небе так близки друг к другу, что их дифракционные диски сливаются, то ни в один окуляр (то есть ни при каком увеличении) различить эти звезды в отдельности не удастся. Следовательно, разрешающая сила телескопа полностью определяется поперечником его объектива.

Казалось бы, отсюда вытекает естественный практический вывод: надо строить телескопы с возможно большим диаметром объектива. Однако изготовление крупных оптических линз — необычайно сложная даже для современной техники задача. Нужно очень прозрачное, совершенно однородное стекло, с правильно отшлифованными поверхностями. Малейшие уклонения от этих весьма жестких норм сводят на нет все усилия и линзу приходится браковать. Но если даже все кончится хорошо и линза изготовлена по всем правилам высшего оптического искусства, она неизбежно будет создавать искажение изображений, то есть, как говорят оптики, аберрации.

Одна из главных аберраций линз — так называемая хроматическая аберрация. Выражается она в том, что лучи разного цвета линза преломляет по разному — сильнее всего фиолетовые, слабее других — красные. Поэтому для лучей разного цвета и фокусы получаются разные (рис. 13, вверху). Из них самый близкий к объективу «фиолетовый» фокус, самый дальний — «красный». В результате наблюдатель видит в телескопе окрашенные в «радужные» цвета изображения небесных тел. Особенно заметны радужные ореолы на краях изображения.

Хроматическая аберрация создает большие неудобства. Она искажает действительную окраску космического объекта, портит его изображение в телескопе.

Другой недостаток линз — сферическая аберрация. Суть ее в том, что края линзы сильнее преломляют световые лучи, чем ее центральная часть. Из-за этого, независимо от цвета лучей, разные лучи будут собираться в разных фокусах (рис. 13, внизу). В итоге изображение в телескопе не будет повсюду одинаково четким — либо четки его края и тогда размыта, размазана его середина, либо наоборот.

Рис. 13. Хроматическая (вверху) и сферическая аберрации.

Если лучи от звезды падают наклонно по отношению к оптической оси телескопа, то возникает еще одна аберрация, называемая комой. Она выражается в том, что по краям поля зрения звезды похожи на маленькие хвостатые кометы. Из-за дисторсии (еще один недостаток линз!) изображение к краям поля зрения растягивается, а прямые линии искривляются. Есть и другие аберрации, например, астигматизм, при котором изображения звезд растягиваются в светлые черточки. Словом, линзы обладают множеством естественных недостатков, в принципе неустранимых (если речь идет об однолинзовых объективах и окулярах).

Уже первые конструкторы телескопов заметили, что действия двух главных аберраций — хроматической и сферической — заметно ослабляются, если применять длиннофокусные объективы сравнительно небольшого диаметра (порядка 10 см). В этом случае при очень малой светосиле масштаб изображения увеличивается, а обе аберрации становятся почти незаметными.

Удивительный облик имели длиннофокусные телескопы XVII и XVIII веков (рис. 14). Их трубы длиной в 30, а иногда и 40 метров с помощью сложной системы блоков укреплялись на высоких мачтах, а наблюдатель окулярную часть телескопа держал в руках. Трубы сравнительно коротких телескопов (примерно до 30 м) делались сплошными, а более длинные — ажурными. Управлять таким телескопом было очень трудно и потому при наблюдениях астроному помогали несколько ассистентов. Из-за суточного движения и маленького поля зрения астрономические объекты непрерывно ускользали от глаз наблюдателя, который должен был непрерывно перемещаться по земле (примерно на четверть метра в минуту). Порой и вовсе отказывались от тубуса (трубы) телескопа, предпочитая «воздушную систему». В этом случае объектив укреплялся высоко на мачте, а окуляр наблюдатель держал в руках! Для удобства наблюдений (если вообще здесь можно говорить о каком-либо удобстве) оправа объектива соединялась с окуляром специальным шнуром (рис. 15). Воздушные телескопы, эти динозавры телескопической техники, достигали иногда поистине исполинских размеров. Так, например, Ян Гевелий, знаменитый польский астроном XVII века, работал с воздушным телескопом длиной около 50 м; Христиан Гюйгенс, голландец по происхождению, большую часть жизни проведший во Франции, пользовался воздушным телескопом длиной 64 м. Но все эти рекорды были побиты А. Озу, который в 1664 году во Франции соорудил воздушный телескоп длиной 98 м! По длине телескоп Озу остался чемпионом и доныне. Но качества его были так плохи, а наблюдать с ним было так неудобно, что в изучений Вселенной Озу не сделал ни одного открытия.

Рис. 14. Рефрактор XVII века.

Рис. 15. «Воздушный» телескоп.

Иные результаты получили такие великие наблюдатели XVII столетия, как Гюйгенс, Гевелий и Жан Кассини. Редкое терпение и большое искусство наблюдения с необычайно громоздкими телескопами были награждены очень важными открытиями. Галилей из-за аберрации не мог рассмотреть кольцо Сатурна — ему мерещились какие-то два придатка этой планеты. Гюйгенс был первым, кто ясно увидел, что (как он писал) Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся к эклиптике наклоненным». Он же открыл Титан — главный спутник Сатурна.

Гевелий положил начало селенографии — подробному описанию рельефа лунной поверхности. Его труд «Селенография», изданный впервые в 1647 году — плод личных многолетних наблюдений Луны. Хотя телескопы Гевелия были очень громоздки и несовершенны, ему удалось составить каталог 1564 звезд, гораздо более точный и подробный, чем каталог Тихо Браге.

Жан Доминик Кассини, родоначальник известной династии французских астрономов, с помощью воздушных телескопов (!) открыл четыре спутника Сатурна, названные им Япет, Рея, Диона и Тефия. Ему же удалось в кольце Сатурна увидеть тонкую щель, названную позже его именем. Жан Кассини составил одну из первых подробных карт Луны, а также открыл «моря» и полярные шапки Марса. Вместе с Гюйгенсом, впервые заметившим полосы в атмосфере Юпитера, Жан Кассини положил начало планетологии — отрасли астрономии, изучающей физическую природу планет и их эволюцию.

Галилей не имел какой-либо специально оборудованной обсерватории — его легкие и небольшие телескопы были, как мы теперь говорим, переносными инструментами. Ян Гевелий соорудил личную обсерваторию на крыше своего дома, где работал с небольшими инструментами. Воздушный же 50-метровый телескоп был установлен на обширном поле, откуда открывался широкий горизонт. Гевелий сам изготовлял свои телескопы — в те времена специальности оптика-механика и астронома сочетались в одном лице. Кстати сказать, во всех его трудах и наблюдениях Гевелию усердно помогала его жена, бывшая к тому же неплохой вычислительницей. Кажется, она была одной из первых в истории человечества женщин-астрономов.

В 1671 году в Париже была основана первая государственная обсерватория, директором которой стал Жан Кассини. Ее оборудовали лучшими астрономическими инструментами. Любопытно, что наряду с квадрантами и другими угломерными инструментами древней астрономии здесь использовались воздушные телескопы длиной 10, 30 и 40 метров.

Четыре года спустя в Англии начала свою деятельность Гринвичская обсерватория, первым директором (Королевским астрономом) которой стал Д. Флемстид. В отличие от Парижской обсерватории, где закладывались основы астрофизики, Гринвичская обсерватория с самого начала приобрела астрометрический уклон. Она предназначалась для практических целей, для нужд мореплавания и потому английские астрономы занимались главным образом измерениями точного положения звезд и планет. Благодаря использованию микрометра, точность в определении координат звезд возросла до 10''. В Гринвиче не было длиннофокусных, в частности, воздушных телескопов. Главными инструментами Гринвичской обсерватории служили секстант с радиусом 2,1 м, метровый квадрант и телескопы с фокусными расстояниями 2,1 и 4,6 м.

Вторым директором Гринвичской обсерватории (Королевским астрономом) стал Эдмунд Галлей, открывший собственное движение звезд и периодическое обращение комет вокруг Солнца. В начале XVIII века третьим королевским астрономом был назначен Д. Брадлей. В отличие от своих предшественников, он воспользовался длиннющим 65-метровым воздушным телескопом и с его помощью открыл годичную аберрацию — кажущееся смещение звезд, вызванное обращением Земли вокруг Солнца. Эта аберрация света не связана с расстоянием до звезды, а вызвана сложением скорости света со скоростью орбитального движения нашей планеты.

Первые успехи телескопической техники не могли, конечно, заслонить ее недостатки. Длиннофокусные, в частности, воздушные телескопы явно вели в тупик. Они ослабляли аберрации, но не устраняли их. По необходимости приходилось пользоваться небольшими объективами с диаметрами, не большими 10—20 см. И если бы в ту пору кому-нибудь посчастливилось изготовить объектив с поперечником в 1 м, то для мало-мальски приличных изображений соответствующий телескоп должен был бы иметь длину около двух километров!

Ясно, что решение проблемы находилось не на этом пути. Телескопы с однолинзовыми объективами и окулярами к середине XVIII столетия изжили себя. Выход был найден в использовании многолинзовых оптических систем.