Фото Петра Тимофеева
Алексей Анастасьев
Телескопы: от стекол к лазерам
Инженеры контролируют процесс изготовления параболического зеркала диаметром 8,2 метра для одного из четырех телескопов системы VLT Европейской Южной обсерватории в Чили Телескопы: от стекол к лазерам. Фото: SPL/EAST NEWS.
Ровно 400 лет назад Галилео Галилей, разработавший особый способ шлифовки линз специально для астрономических наблюдений, создал первый телескоп. В наши дни ему на смену благодаря череде технологических революций пришли огромные инструменты с гибкими сегментированными зеркалами, зажигающие в небе искусственные звезды.
Гавайские острова , вершина горы Мауна-Кеа, 4145 метров над уровнем моря. Для пребывания на такой высоте требуется акклиматизация. На фоне меркнущей вечерней зари четкими силуэтами выделяются два огромных сферических купола. На одном из них медленно поднимается белое «забрало» шириной с трехполосное шоссе. Внутри — темнота. Вдруг прямо оттуда вверх бьет лазерный луч и зажигает в темнеющем небе искусственную звезду. Это включилась система адаптивной оптики на 10-метровом телескопе Кека. Она позволяет ему не чувствовать атмосферных помех и работать так, словно он находится в открытом космосе...
Впечатляющая картина? Увы, на самом деле если вы случайно окажетесь рядом, то не заметите ничего особенно эффектного. Луч лазера виден лишь на снимках с длительной экспозицией — 15—20 минут. Это в фантастических фильмах бластеры стреляют ослепительными лучами. А в чистом горном воздухе, где почти нет пыли, лазерному лучу не на чем рассеиваться, и он незамеченным пронизывает тропосферу и стратосферу. Лишь у самой границы космического пространства, на высоте 95 километров, он неожиданно встречает препятствие. Здесь, в мезосфере, есть 5-километровый слой с повышенным содержанием электрически нейтральных атомов натрия. Лазер как раз настроен на их линию поглощения, 589 нанометров. Возбужденные атомы начинают светиться желтым цветом, хорошо знакомым по уличному освещению больших городов, — это и есть искусственная звезда.
Воздушный телесоп Гюйгенса (1684 год). Объектив на мачте поворачивался веревкой, которая одновременно помогала удерживать окуляр на нужном расстоянии. Фото: WWW.ASTRO/UTU.FI
Ее тоже не видно простым глазом. При звездной величине 9,5m она в 20 раз слабее нашего порога восприятия. Но по сравнению с человеческим глазом телескоп Кека собирает в 2 миллиона раз больше света, и для него это ярчайшее светило. Среди триллионов видимых ему галактик и звезд столь ярких объектов лишь сотни тысяч. По виду искусственной звезды специальная аппаратура выявляет и корректирует искажения, вносимые земной атмосферой. Для этого служит особое гибкое зеркало, от которого по пути к приемнику излучения отражается собранный телескопом свет. По командам компьютера его форма меняется сотни раз в секунду, фактически синхронно с флуктуациями атмосферы. И хотя подвижки не превышают нескольких микрон, их достаточно для компенсации искажений. Звезды для телескопа перестают мерцать.
Такая адаптивная оптика, на ходу приспосабливающаяся к условиям наблюдений, — одно из последних достижений телескопостроения. Без нее рост диаметра телескопов свыше 1—2 метров не увеличивает числа различимых деталей космических объектов: мешает дрожание земной атмосферы. Орбитальный телескоп Хаббла, запущенный в 1991 году, несмотря на скромный диаметр (2,4 метра), получил удивительные снимки космоса и совершил множество открытий как раз потому, что не испытывал атмосферных помех. Но «Хаббл» стоил миллиарды долларов — в тысячи раз дороже адаптивной оптики для куда более крупного наземного телескопа. Вся дальнейшая история телескопостроения являет собой непрерывную гонку за размерами: чем больше диаметр объектива, тем больше света слабых объектов он собирает и тем мельче детали, которые можно в них различить.
Правда, адаптивная оптика способна компенсировать атмосферные искажения лишь рядом с яркой опорной звездой. Первое время это сильно ограничивало применение метода — таких звезд на небе немного. Искусственную «натриевую» звезду, которую можно поместить рядом с любым небесным объектом, теоретики придумали только в 1985 году. Чуть больше года понадобилось астрономам, чтобы собрать аппаратуру и опробовать новую методику на небольших телескопах обсерватории Мауна-Кеа. А когда результаты были опубликованы, выяснилось, что американское министерство обороны ведет такие же исследования под грифом «совершенно секретно». Пришлось военным раскрывать свои наработки, правда, сделали они это лишь на пятый год после экспериментов в обсерватории Мауна-Кеа.
Появление адаптивной оптики — одно из последних крупных событий в истории телескопостроения, и оно как нельзя лучше иллюстрирует характерную черту этой сферы деятельности: ключевые достижения, кардинально менявшие возможности инструментов, часто бывали внешне малозаметны.
Цветные каемки
Ровно 400 лет назад, осенью 1609 года, профессор Падуанского университета Галилео Галилей проводил все свободное время за шлифовкой линз. Узнав об изобретенной в Голландии «волшебной трубе», нехитром устройстве из двух линз, позволяющем втрое приближать далекие объекты, он всего за несколько месяцев радикально усовершенствовал оптическое приспособление. Подзорные трубы голландских мастеров делались из очковых стекол, имели диаметр 2—3 сантиметра и давали увеличение в 3—6 раз. Галилей же добился 20-кратного увеличения при вдвое большей светособирающей площади объектива. Для этого ему пришлось разработать собственную технологию шлифовки линз, которую он долго держал в секрете, чтобы конкуренты не собрали урожай открытий, делавшихся с помощью нового замечательного инструмента: лунные кратеры и солнечные пятна, спутники Юпитера и кольца Сатурна , фазы Венеры и звезды Млечного Пути.
Но даже у лучшего из телескопов Галилея диаметр объектива составлял всего 37 миллиметров, и при фокусном расстоянии 980 миллиметров он давал очень бледное изображение. Это не мешало наблюдать Луну, планеты и звездные скопления, но увидеть в него туманности было затруднительно. Увеличить светосилу не позволяла хроматическая аберрация. Лучи разного цвета по-разному преломляются в стекле и фокусируются на разных расстояниях от объектива, отчего изображения объектов, построенные простой линзой, всегда окрашены по краям и тем сильнее, чем резче преломляются лучи в объективе. Поэтому с увеличением диаметра объектива астрономам приходилось увеличивать и его фокусное расстояние, а значит, длину телескопа. Предела разумного достиг польский астроном Ян Гевелий , построивший в начале 1670-х годов гигантский инструмент длиной 45 метров. Объектив и окуляр крепились к составным деревянным доскам, которые на канатах подвешивались на вертикальной мачте. Конструкция шаталась и вибрировала от ветра. Наводить ее на объект помогал ассистент-матрос, имевший опыт работы с корабельными снастями. Чтобы не отставать от суточного вращения неба и следить за выбранной звездой, наблюдатель должен был со скоростью 10 см/мин поворачивать свой конец телескопа. А на другом его конце стоял объектив диаметром всего 20 сантиметров. Еще немного дальше по пути гигантизма продвинулся Гюйгенс . В 1686 году он устанавливал объектив диаметром 22 сантиметра на высоком столбе, а сам располагался в 65 метрах позади него на земле и рассматривал построенное в воздухе изображение через окуляр, укрепленный на штативе.
Сегментированное сферическое зеркало телескопа Хобби-Эберли (1996 год) размером 11х9,8 метра. Фото: SPL/EAST NEWS
Бронза с мышьяком
Исаак Ньютон пытался избавиться от хроматической аберрации, но пришел к выводу, что в линзовом телескопе-рефракторе сделать это невозможно. Будущее за зеркальными телескопами-рефлекторами, решил он. Поскольку зеркало отражает лучи всех цветов одинаково, рефлектор полностью избавлен от хроматизма. Ньютон оказался одновременно прав и неправ. Действительно, начиная с XVIII века все крупнейшие телескопы были рефлекторами, однако рефракторам еще предстоял расцвет в XIX веке.
Разработав хорошо полирующийся сорт бронзы с добавлением мышьяка, Ньютон в 1668 году сам изготовил рефлектор диаметром 33 миллиметра и длиной 15 сантиметров, который не уступал по возможностям метровой галилеевой трубе. За следующие 100 лет металлические зеркала рефлекторов достигли диаметра 126 сантиметров — таков был крупнейший телескоп Уильяма Гершеля с трубой длиной 12 метров, построенный на рубеже XVIII и XIX веков. Однако этот гигант, как оказалось, не превосходил по своим качествам инструменты меньшего размера. Он был слишком тяжел в обращении, а зеркало, судя по всему, не сохраняло идеальную форму из-за деформаций, вызванных перепадами температуры и собственной тяжестью.
