Самый большой в мире телескоп-рефрактор установлен в 1897 году в Йеркской обсерватории университета в Чикаго (США). Его диаметр D = 102 сантиметра, а фокусное расстояние — 19,5 метра. Представляете, сколько места ему надо в башне!
Главными характеристиками рефрактора являются:
1. Собирательная способность — то есть способность обнаруживать слабые источники света.
Если учесть, что человеческий глаз, собирающий лучи через зрачок с диаметром d примерно 0,5 сантиметра, в темную ночь может заметить огонек спички за 30 километров, то легко подсчитать, во сколько раз собирательная способность 102-сантиметрового рефрактора больше, чем у глаза.
Значит, любая звезда, на которую направлен 102-сантиметровый рефрактор, кажется в сорок с лишним тысяч раз ярче, чем если бы наблюдать ее без всякого инструмента.
2. Следующей характеристикой является разрешающая способность телескопа, то есть свойство инструмента воспринимать раздельно два близко расположенных объекта наблюдения. А так как расстояния между звездами на небесной сфере оцениваются угловыми величинами (градусы, минуты, секунды), то и разрешающая способность телескопа выражается в угловых секундах. Так, например, разрешающая способность йеркского рефрактора примерно равна 0,137 секунды.
То есть на расстоянии в тысячу километров он позволит свободно разглядеть два светящихся кошачьих глаза.
3. И последняя характеристика — увеличение. Мы привыкли к тому, что существуют микроскопы, увеличивающие предметы во много тысяч раз. С телескопами дело обстоит сложнее. На пути к четкому увеличенному изображению небесного тела стоят воздушные вихри атмосферы Земли, дифракция света звезд и оптические дефекты. Эти ограничения сводят на нет усилия оптиков. Изображение размазывается. Так, несмотря на то, что увеличение можно сделать и большим, как правило, оно не превышает 1000. (Кстати, о дифракции света — это явление связано с волновой природой света. Заключается оно в том, что светящаяся точка — звезда наблюдается в виде пятна, окруженного ореолом ярких колец. Это явление ставит предел разрешающей способности любых оптических приборов.)
Телескоп-рефрактор чрезвычайно сложное и дорогое сооружение. Существует даже мнение, что рефракторы очень большого размера вообще не практичны из-за трудностей при их изготовлении. Кто не верит в это, пусть попробует подсчитать, сколько весит линза объектива йеркского телескопа, и подумает, как ее укрепить, чтобы стекло не гнулось от собственной тяжести.
Телескоп-рефлектор
Главным недостатком рефракторов всегда были искажения, возникающие в линзах. Трудно получить большую стеклянную отливку совершенно однородной и без единого пузырька и раковины. Всего этого не боятся телескопы-рефлекторы — инструменты, основанные на принципе отражения. Вогнутое зеркало обладает прекрасными увеличительными свойствами. А сделать одну поверхность отливки идеальной куда проще, чем всю линзу.
Принцип отражения давно привлекал оптиков. Но во времена Галилея не умели делать хороших зеркал, да и шлифовать вогнутую поверхность нелегко. И потому отражательные инструменты давали мутные, нерезкие изображения.
«Я полагаю, — писал один из учеников Галилея, математик Бонавентуре Кавальери, в 1632 году, — что они (зеркальные телескопы-рефлекторы) никогда не дойдут до совершенства труб со стеклами…» И оптики продолжали строить длинные трубы, снабжая их линзами.
Но вернемся в старую Англию. 1667 год. В Лондоне только что прекратилась эпидемия чумы. Вернувшегося в Тринити-колледж Ньютона избирают младшим членом колледжа. А год спустя молодой магистр и не очень удачный профессор (Ньютон настолько плохо читал лекции, что студенты предпочитали на них не ходить) строит первую модель все-таки отражательного телескопа с зеркальцем в два дюйма. Телескоп — крошка, лилипут, но, оказывается, в него можно увидеть спутники Юпитера, что позволяют только солидные рефракторы. Окрыленный успехом и одновременно не удовлетворенный первыми результатами, Ньютон строит второй, более крупный прибор. (Кстати, его можно и сейчас видеть в коллекции Лондонского Королевского общества. Непременно посмотрите.)
Свой новый инструмент ученый посылает королю в 1671 году. Своевременный и очень разумный шаг. Вообще вопреки сложившимся легендам Исаак Ньютон вовсе не был лишенным честолюбия ученым-затворником, отнюдь. В течение своей жизни он принимал деятельное участие во многих комиссиях, был хозяином в Монетном дворе. Добрался до парламента. Правда, те же историки утверждают, что в анналах этого последнего учреждения сохранилось упоминание лишь о единственном случае, когда ученый попросил слова. Получив разрешение, Ньютон сказал: «Я прошу закрыть окно, потому что здесь страшно дует». После чего он сел на место и снова замолчал. Достоверность этого факта вряд ли превосходит «яблочный» случай. Но то, что король Карл II не отнесся к подарку безразлично, сомнений не вызывает. Не прошло и четырех месяцев со дня отправления посылки, как Ньютон был избран членом Лондонского Королевского общества. Вы скажете: «Всего-то за телескоп?» Удивляться этому не следует. В те времена телескопы были, пожалуй, самым распространенным хобби среди людей разных классов; так же как знание астрономии — непременным условием для того, чтобы считаться не только культурным, но и просто светским человеком. Мифология, астрономические термины и астрология так глубоко проникли в язык общества XVII века, что человек, незнакомый с этими предметами, мог просто не понять смысла разговора. А обсуждались астрономические проблемы в модных салонах, пожалуй, куда чаще, чем в наши дни на заседаниях астрономических обществ.
А теперь от первого и самого маленького рефлектора перейдем к последнему и самому большому.
ЛОМО—1967—БТА. Что значат эти шифры?
Мы с вами на Ленинградском оптико-механическом объединении. Здесь в сборочных цехах в год пятидесятилетнего юбилея Советской власти родился гигант: самый большой в мире телескоп-рефлектор. Его заводская марка «БТА» означает — «Большой телескоп с азимутальной монтировкой». То есть главная ось инструмента нацелена не как обычно для больших инструментов — параллельно земной оси, а точно в зенит.
Немного конкретных данных, чтобы похвастаться. Ведь такого нет ни у кого! Главное зеркало телескопа имеет диаметр 600 сантиметров! Это почти на целый метр больше американского маунт-паломарского великана, установленного в 1949 году (диаметр его свободного отверстия — 508 сантиметров).
Вес главного зеркала БТА — 42 тонны! А вся шестиметровая труба телескопа «тянет» примерно 280 тонн. Если прибавить платформы, площадки-палубы и такие мелочи, как лифты, электронный мозг, управляющий этой махиной, лаборатории и вспомогательные механизмы, вес телескопа возрастает до 850 тонн. По сути дела, это целый научно-исследовательский комбинат. Тут и фотоаппаратура для съемок небесных объектов и приборы для калориметрических измерений, инфракрасные приемники излучений и гигант спектрограф с дополнительным двухметровым зеркалом. Аппаратура для сложных поляриметрических исследований звезд и телевизионная установка, передающая изображение наблюдаемого объекта на экран центрального пульта управления. В общем чудес удивительного инструмента не перечтешь. В заключение можно упомянуть еще одну характеристику: конструкторы уверяют, что БТА ничего не будет стоить разглядеть спичку, зажженную на расстоянии… тысяч километров. Если перевести эту популяризацию на язык астрономических масштабов, то «радиус действия» нашего телескопа ожидается равным многим сотням тысяч миллиардов миллиардов километров. Ведь разговор идет о сравнении спички с Солнцем. Ученые обнаружат звезды, о существовании которых пока никто и не подозревает.
Отражательный телескоп принципиально не может иметь искажений, возникающих из-за преломления.
(Правда, вместо этого параболические рефлекторы имеют свою собственную аберрацию, которая стоит всех чужих. Речь идет о коме. Если параллельный пучок света падает на вогнутое зеркало рефлектора не прямо, а под некоторым углом, то зеркало не может собрать его в фокусе строго в точку. Вместо этого изображение будет похожим на небольшой кометный хвост. Отсюда и название — кома. Эта аберрация ограничивает угловое поле зрения отражательного инструмента. Так, например, у 508-сантиметрового рефлектора поле зрения всего 10 угловых минут.)
Конструкция же отражательного инструмента и проще и надежнее. Ведь его зеркало можно уложить на опору куда прочнее, чем закрепить линзу рефлектора. Правда, деформация поверхности зеркала за счет теплового расширения стекла в состоянии привести к искажениям даже большим, чем прогиб висящей линзы. Неприятна и проблема обновления зеркала. Алюминиевое или серебряное покрытие чрезвычайно нежно и лет через пять-шесть требует замены. А это означает полный демонтаж установки. Зеркало надо снять, обновить и поставить с ювелирной точностью на место. В противном случае вновь полученные негативы не будут соответствовать предыдущим. И все-таки именно телескопы-рефлекторы — сегодняшний день оптической астрономии. При этом системы и типы их бывают самые различные.
Камера Шмидта
Это тот же отражательный телескоп, но лишенный главного недостатка — аберрации комы. Изобретатель Бернард Шмидт установил перед фокальной плоскостью телескопа тонкую коррекционную пластинку сложной формы. Пластинка заставляет внешние лучи параллельного пучка немного разойтись. Это исключает возможность появления аберрации. Правда, диафрагма, удерживающая корректирующую пластинку, ограничивает световой поток, принимаемый телескопом. А это значительно ограничивает его радиус действия.
К недостаткам камеры Шмидта относится и необходимость увеличивать длину трубы вдвое против обычного рефлектора. (Коррекция производится на двойном фокусном расстоянии.) Есть и еще неприятности у телескопостроителей. Тем не менее инструменты системы Шмидта установлены во многих обсерваториях мира.
Самый крупный из телескопов такого типа — с диаметром зеркала 203 сантиметра — установлен в 1960 году в Таутенбургской обсерватории ГДР.