Война рефракторов и рефлекторов

Вы помните, уважаемый читатель, что телескоп, в котором изображение небесного тела получается в результате преломления световых лучей в сложной линзе, называется рефрактором. От латинского слова «refractus», что означает «преломленный».

Совсем иначе сконструированы телескопы, создающие изображение за счет отражения световых лучей — рефлекторы. «Reflectere» — на латинском языке обозначает «отражать». Главное в рефлекторах — вогнутое зеркало.

Первая труба для наблюдений небесных объектов, построенная Галилеем, состояла из двух линз, — значит, была рефрактором. Этот вид телескопов начал развиваться раньше, хотя и в те времена людям были уже известны принципы построения изображения с помощью вогнутых зеркал. Но одно дело — знать принцип построения изображения на бумаге, а совсем другое — соорудить настоящий телескоп... Помните, ведь фактически первый отражательный телескоп-рефлектор удалось построить только Ньютону...

Возникает справедливый вопрос: если люди научились строить рефракторы, то зачем могли им понадобиться еще и рефлекторы? Чтобы ответить на него, надо сначала решить, какие характеристики являются главными для телескопа и какие, с этой точки зрения, преимущества могут иметь системы друг перед другом?

В телескопе-рефракторе Галилея изображение создается стеклянной линзой-объективом

Представьте себе, что вам надо рассмотреть какой-то мелкий предмет. Что вы делаете прежде всего? Приближаете его к глазу на расстояние «ясного зрения». Обычно это около 25 сантиметров. Ну, а для того чтобы рассмотреть мелкие детали исследуемого предмета, нужно приблизить предмет еще. Сделать это можно с помощью увеличительного стекла. То же самое желание возникает и у наблюдателя, изучающего, например, Луну. Его задача — приблизить изображение небесного тела и рассматривать с помощью увеличительного стекла. В этом и заключается самое первое назначение телескопа.

Теперь вторая, не менее важная задача. Знаете ли вы, чему равен диаметр зрачка человеческого глаза? Самое большое — 6—8 миллиметров. Много ли света пройдет через такое отверстие? А теперь представьте себе объектив хорошего телескопа. Он собирает в сотни и тысячи раз больше света и отправляет в глаз наблюдателя! Значит, глядя в телескоп, мы как бы увеличиваем свой зрачок до размеров объектива инструмента.

Рефлектор Ньютона собирает лучи в фокусе вогнутого зеркала

Вот и вторая задача или назначение телескопа — собрать как можно больше света от далекого-предалекого небесного объекта.

Обе задачи решаются сегодня и рефрактором, и рефлектором одинаково хорошо. Но так было не всегда. Линзовый объектив обладает одним недостатком. Он окрашивает изображение во все цвета радуги. Правда, в конце концов оптики научились собирать «не окрашивающие» (или, как говорят специалисты, ахроматические) объективы. Но сделать это удалось ценой немалых жертв. Возросли потери света в стекле. Уменьшилось относительное отверстие. Снизилась долговечность объектива...

Да и вообще, надо сказать, что построить хороший рефрактор — задача не из легких. Прежде всего надо получить очень хороший кусок стекла без пузырьков и раковин. Отшлифовать для каждой линзы две поверхности. И соорудить длиннющую трубу. Потому что труба рефрактора должна быть длинной.

Теперь посмотрим, как могут быть решены те же проблемы с помощью телескопа-рефлектора. Прежде всего отшлифовать для такого инструмента нужно только одну поверхность. Отполировать и посеребрить — сделать зеркало. Для него не страшны пузырьки и раковины внутри отливки, потому что зеркало работает только своим наружным слоем. Крепить зеркало, пожалуй, попроще, чем линзы объектива. Труба для него нужна короткая и может быть сделана очень короткой. А главное, у вогнутого зеркала не может быть хроматических искажений (то есть оно принципиально никогда не окрашивает изображение). Короче говоря, телескоп-рефлектор, пожалуй, лучше и дешевле рефрактора, хотя есть виды астрономических работ, при которых рефрактор незаменим.

Но вот новая задача: из чего делать зеркала? Оптическое стекло для линз люди научились делать давно. Мастера хранили его рецепты в тайне, передавая от отца к сыну по наследству. Но делать из стекла вогнутые зеркала до прошлого века никто не умел. Их делали из металла. Металл плохо поддавался полировке, трескался со временем и тускнел. Зеркало приходилось менять. И все-таки, несмотря на все недостатки, постепенно рефлекторы начали теснить рефракторы.

Все лучше и лучше становится качество зеркальной бронзы. Над ее рецептами работали Ньютон и Ломоносов... Вы, наверное, удивитесь, узнав, что во времена трудолюбивого Гершеля его зеркала отражали меньше шестидесяти процентов падающего света. «Всего?» — воскликнете вы. Да, всего! И это было немало, если учесть размеры гершелевских инструментов. За свою жизнь Вильям Гершель изготовил около пятисот бронзовых зеркал для телескопов. Самое большое зеркало, о котором я уже рассказывал, имело диаметр 122 сантиметра, толщину 9 сантиметров и весило 960 килограммов. Однако, хотя именно Гершелю принадлежит слава первого разведчика Вселенной, его большие телескопы надежд не оправдали. Зеркала гнулись под собственной тяжестью. Это ухудшало изображения и приводило к ошибкам. Зеркальный сплав меди с оловом быстро тускнел и растрескивался. Телескопы с металлическими зеркалами «слепли»...

Но стремление проникнуть взором все дальше в бесконечность было слишком велико. И потому большие телескопы продолжали строить. В 1860—1861 годах англичанин У. Лассель (1799—1880 годы), по специальности пивовар, построил телескоп с зеркалом такого же диаметра, что и у Гершеля, и установил его на острове Мальта. С помощью этого громадного инструмента он наблюдал туманности и даже выпустил их каталог. О природе этих удивительных небесных объектов никто в те годы ничего не знал. Гигантские телескопы-рефлекторы, собиравшие гораздо больше света, чем их соперники — линзовые инструменты (рефракторы), впервые позволили если не ответить на вопрос: «Что такое туманность?» — то хотя бы поставить его на повестку дня. Случилось это так.

Телескоп-левиафан Вильяма Парсонса

Одновременно с Ласселем жил в Ирландии некий Вильям Парсонс — лорд Росс. И никто бы, кроме потомков, не помнил о нем в наше время, не занимайся сей аристократ постройкой телескопов. Астрономические инструменты были страстью лорда, его хобби, как сказали бы мы теперь. В своем замке он оборудовал прекрасную мастерскую для шлифовки зеркал. Сэр Вильям понимал, что только увеличение диаметра зеркала телескопа принесет ему, любителю астрономии, новые открытия. И он не жалел средств. Парсонс давно лелеял мечту разглядеть подробности непонятных туманных пятен, время от времени попадавших б объективы телескопов.

Некогда философ Иммануил Кант предполагал, что туманности — это огромные звездные миры, гигантские скопления звезд, вроде Млечного пути. Но они так далеко находятся от нас, что никакие инструменты не позволяют разглядеть их звездную структуру. Впрочем, Кант выдвинул эту гипотезу чисто умозрительно, без доказательств. Его взгляды настолько опережали свое время, что современники не поняли их и постарались поскорее забыть. Так что не исключено, что лорд Росс и не слыхал о гипотезе Канта. Но он наверняка знал о предположении француза Мессье, специалиста по «ловле» комет. Шарль Мессье убежденно считал туманности далекими «косматыми объектами», то есть кометами, и даже занес в каталог комет сто три туманных пятна. Лорд Росс, конечно, был знаком с точкой зрения Вильяма Гершеля на туманности. В общем, точек зрения было много, и Вильям Парсонс хотел иметь собственную.

В своей мастерской он построил величайший по тем временам телескоп-рефлектор с металлическим зеркалом диаметром около шести футов (183 сантиметра). Труба телескопа была длиной примерно восемнадцать метров. Это огромное сооружение на сложной системе тросов подвешивалось между столбами и приводилось в движение с помощью ассистентов. С нетерпением ждал ясной ночи владелец Бирр-Кастла. И вот наконец в поле зрения инструмента — туманность. Да, ожидания оправдались! Картина, которую увидел Парсонс в окуляре, была поистине захватывающей. В черной глубине словно неистовый вихрь закрутил струи белесого тумана в гигантский спиральный водоворот. Светящиеся струи исторгались из центра, из ядра туманности, косматыми потоками охватывая пространство. По краям этого неподвижного, словно застывшего вихря яркие вспышки указывали на возможные звезды...

Большой экваториал Парижской обсерватории

И хотя лорд Росс не был профессиональным ученым, он был настоящим астрономом и пришел в восторг от увиденного. В те далекие годы еще не существовало фотографии. И все, что астрономы наблюдали на небе, они вынуждены были сами рисовать на бумаге. С одной стороны, это было и неплохо, но с другой — не было уверенности, что в рисунках наблюдателя не оказались черточки желаемого в ущерб действительному. Ведь умудрялись же наши предки видеть в кометах огненные мечи и отрубленные головы...

Тем не менее, сообщение и рисунки лорда Росса быстро облетели весь мир. Уникальные наблюдения, сделанные на уникальном инструменте. К сожалению, зеркало телескопа-левиафана тоже быстро потускнело — и гигант вышел из строя. Разглядеть же подробности в туманностях с помощью инструментов, имеющих меньшие диаметры зеркал, возможным не представлялось. А повторить столь трудоемкую и дорогостоящую работу, какую проделал ирландский феодал, никто не решался.

Mayнт Паломар — башня телескопа

Открытие Росса пробудило интерес астрономов к забытой кантовской гипотезе и показало, что для изучения удаленных слабых объектов необходимы еще большие телескопы. Но, увы, недолговечность металлических зеркал служила серьезным препятствием постройке новых инструментов.

Между тем оптики вовсю совершенствовали объективы рефракторов. Как-то так сложилось в истории телескопостроения, что зеркальные телескопы строили, в основном, любители. Профессиональные оптики оставались верны линзам.

В 1758 году английский оптик Доллонд получил патент на изготовление ахроматических (то есть неокрашивающих) объективов для телескопов. Качество изображения рефракторов резко улучшилось. Ахроматические объективы не совсем устраняли цветную окантовку, но давали изображения куда лучше тех, что создавали металлические зеркала.

К началу XIX века впечатление было такое, что битва за первенство между рефракторами и рефлекторами выиграна первыми. В эти годы едва ли не все основные открытия были сделаны с помощью линзовых телескопов, снабженных неокрашивающими объективами. Особенно хороши были такие инструменты для измерения положений светил на небе. Длинный ряд выдающихся открытий с помощью линзовых инструментов начался с уже известной нам работы В.Я. Струве по определению параллакса яркой Веги. С самого открытия Пулковской обсерватории среди ее инструментов находился крупнейший в мире рефрактор с 38-сантиметровым объективом.

В 1896 году в американской обсерватории П. Лоуэлла, построенной в Аризоне на горе Флагстафф (2210 метров над уровнем моря), был установлен 61-сантиметровый рефрактор специально для изучения поверхности Марса.

16 июля 1850 года американец Д.Ф. Бонд получил с помощью большого рефрактора первый дагерротипный снимок звездного неба. Дагерротипия — ближайший «предок» современной фотографии. Изображение получалось на светочувствительной пленке, нанесенной на металлическую пластинку.

В 1840 году американец Д. Дрейер в Нью-Йорке таким же способом получил изображение Луны. Это означало, что древняя наука обогатилась новым методом наблюдений, документально точным и значительно более удобным. В наше время уже почти невозможно увидеть профессионального астронома, прильнувшего глазом к окуляру телескопа. Глаз повсюду сегодня заменен фотоаппаратом.

Объективы рефракторов продолжали расти. В Пулкове — 72 сантиметра, позже на Ликской и Йерской обсерваториях были установлены инструменты с объективами диаметрами 91 и 102 сантиметра соответственно. Такой диаметр уже едва ли не предел. Гнутся стекла, объективы громоздки, конструкция телескопа получается чрезвычайно сложной. Но главное, несмотря на постоянное усовершенствование рефракторов, устранить полностью их основной недостаток — хроматизм (то есть окрашивание изображений) — оптикам так и не удалось. И потому во второй половине XIX века астрономы снова вспомнили о рефлекторах.

К этому времени химики разработали способ серебрения стеклянных зеркал, который состоял в осаждении серебра под действием виноградного сахара из раствора азотнокислой соли. Стеклянные зеркала со свежим серебряным покрытием (специалисты называют такое покрытие «фильмом») отражали уже не 60% падающего света, как гершелевские бронзовые зеркала, а 90—95%. Они явились, таким образом, даже более светосильными, чем линзовые объективы. И, пожалуй, с конца XIX века уже почти все открытия обязаны именно этой системе телескопов.

Маунт Паломар — телескоп-рефлектор с зеркалом диаметром пять метров

До последнего времени самым большим в мире был американский рефлектор со стеклянным зеркалом диаметром пять метров, установленный на горе Маунт Паломар в 1949 году. Но сегодня в астрономическом мире популярностью пользуется новый шифр: ЛОМО — 1967 — БТА. Что это значит?

ЛОМО — название знаменитого на всю страну Ленинградского оптико-механического объединения, крупнейшей советской фирмы, выпускающей оптические приборы. БТА — заводская марка. Расшифровывается она как «Большой телескоп с азимутальной монтировкой». Именно так называется гигант, родившийся в Ленинграде в год пятидесятилетия Великой Октябрьской революции. Вы, наверное, уже немало слыхали о нем. Главное зеркало уникального инструмента не имеет себе равных в мире. Его диаметр — шесть метров!!! Прежде чем опустить заготовку для него на планшайбу шлифовального станка, пришлось немало поломать голову над тем, как сварить и остудить такое количество стекла. Ведь общий вес заготовки равнялся семидесяти тоннам. Варили стекло в специальных варочных печах, потом полтора года изо дня в день на полтора градуса ежесуточно снижали температуру в печах отжига, пока отливка не охладилась с 800°C до обычной комнатной температуры. После этого алмазные резцы сняли с нее около тридцати тонн лишнего стекла и краны уложили заготовку на шлифовальный станок. Этот станок один во всем корпусе специально построенного для него цеха. А сам цех?

Три герметических железобетонных коробки, как бы вставленные друг в друга, отделяют рабочий зал от внешнего мира. Три двери нужно пройти, чтобы попасть сюда. Специальная система кондиционирования воздуха поддерживает температуру в помещении с точностью до десятой доли градуса. Вы спросите: «Для чего такие предосторожности?» Во-первых, для того, чтобы даже невидимая глазом пылинка не оставила на полированной поверхности зеркала бороздку глубиной хотя бы в ничтожную долю миллиметра. Во-вторых, при изменении температуры стекло расширяется и сжимается, что тоже может нарушить точность обработки.

Телескоп состоит не из одного зеркала. Труба для гигантского зрачка весит 280 тонн. А кроме нее — площадки, платформы, лифты, электронная машина, управляющая движением махины... В Зеленчуке — месте, которое славится прозрачностью своей атмосферы, — растет целый научно-исследовательский комбинат для обслуживания уникального инструмента. Тут и фотоаппаратура для съемок небесных объектов, и приборы для колориметрических измерений — измерений цвета звезд, инфракрасные приемники невидимых тепловых лучей, и гигантский спектрограф с дополнительным двухметровым зеркалом. Изображение наблюдаемых объектов с помощью телевизионной установки будет передаваться на экран пульта управления...

Пожалуй, устройство этого гиганта инструмента как нельзя лучше показывает путь, пройденный техникой от эпохи Ньютона до наших дней. Прошло время и одиночек-оптиков, время, когда над созданием телескопа трудился один человек. Теперь эта задача под силу лишь большому коллективу. Над выполнением проекта, созданного под руководством доктора технических наук Б.К. Иоаннисиани, работали сотни и сотни людей из разных городов нашей страны...

Советский телескоп-гигант БТА с зеркалом диаметром в метров

Каковы же возможности нового инструмента? Конструкторы любят приводить такой наглядный пример: «Зеркало советского телескопа смогло бы уловить огонек спички, зажженной на расстоянии в 25 000 километров»... Это значит, что взору наблюдателей откроются бесчисленные миры со своими особенностями, со своими тайнами.

Каждый новый инструмент — новая ступенька в познании человеком Вселенной. Часто спрашивают: а нужно ли строить такие огромные дорогостоящие инструменты и приборы для современной науки; ведь никакого, казалось бы, практически полезного, в утилитарном смысле этого слова, выхода их применение не дает?..

Знаете ли вы, что?

Основоположником современного телескопостроения в России был Александр Андреевич Чикин (1865—1924). Увлекшись вначале живописью, девятнадцатилетний Александр Чикин поступает в Петербургскую академию художеств. Однако, вынужденный самостоятельно изыскивать средства для жизни, он сменил множество профессий. Чикин был художником-иллюстратором в журналах, корреспондентом, много путешествовал, в том числе был первым русским путешественником, побывавшим в Центральной Африке, читал лекции... Не имея специального образования, он накопил огромный опыт в изготовлении рефлекторов, которым отдавал все свое свободное время. Его книжка («Изготовление рефлекторов доступными для любителя средствами») завоевала признание не только тех, кому она была адресована, но и специалистов. А сколько ее читателей стали оптиками... С 1919 года А.А. Чикин плодотворно работал в Государственном оптическом институте, где воспитал целую плеяду талантливых учеников.

Даже тогда, когда лучи света падают на полированную поверхность линзы более или менее перпендикулярно, лишь 96% света проходит дальше. 4% — отражаются поверхностью стекла. Современные сложные объективы состоят из нескольких линз, и каждая из них отражает свои четыре процента падающего светового потока. В сложных объективах может теряться, таким образом, более пятидесяти процентов света.

В 1892 году английский оптик Тэйлор, собирая объективы для телескопов, обратил внимание на то, что старые потускневшие линзы пропускают больше света, чем чистые, только что изготовленные.

Прошло полвека, и случайно обнаруженный парадокс превратился в могучий метод «просветления оптики».

Современное просветление заключается в том, что на поверхность линзы наносится тонкий слой прозрачного вещества, у которого показатель преломления меньше, чем у стекла. Это уменьшает отражение лучей от поверхности линзы и увеличивает яркость изображения.

Да, современная астрономия — это чрезвычайно дорогое удовольствие, это роскошь, которую может позволить себе только очень могущественное, сильное и богатое государство. Новый телескоп откроет в глубинах Вселенной не просто еще несколько миллиардов невидимых звезд. Ради этого не стоило бы его и строить. Но там, в невероятной дали, отделенной от нас не только расстоянием, но и временем, может быть, скрываются неизвестные нам формы энергии, новые виды материи... Свет от удаленных звезд идет к нам тысячи, миллионы и миллиарды лет, — значит, наблюдая сегодня далекое светило, мы видим его таким, каким оно было много веков и эпох назад. Получается, что телескоп — это одновременно как бы машина времени, позволяющая астрономам совершать путешествия в прошлое.

Если вы подумаете о том, что звезды тоже не вечны, что они рождаются, проходят путь развития и умирают, израсходовав свою энергию, если вы подумаете о том, что и та часть Вселенной, в которой находятся обозримые в земной телескоп небесные тела, тоже пережила когда-то момент рождения и сейчас находится в состоянии развития, тогда вы ощутите всю грандиозность задачи, при решении которой новый телескоп приближает нас к началу начал, к моменту «рождения» нашей Вселенной...

А вы представляете себе, что значит для людей возможность ответить на такие вопросы.

Как и когда родился мир?

Как рождаются галактики и звездные скопления?

Как рождаются и вспыхивают звезды?

Как образуются возле звезд планеты?

Как возникает на планетах жизнь?

Что такое жизнь и что может ожидать ее в будущем?