Удивительная астрономия
Шрифт:
Попытка удалась, и Галилей вошел в историю как ученый, первым наблюдавший в телескоп звездное небо. Свои наблюдения итальянец проводил с 1609 по 1610 год, а о результатах сообщил в «Звездном вестнике». Интересно, что сам Галилей называл свое устройство вовсе не телескопом – этого слова тогда просто еще не знали. Ученый именовал собранную им зрительную трубу «перспективой» или «окуляром». И лишь в 1612 году греческий ученый Демесиани придумал для астрономического инструмента его современное название, которое произвел от двух древнегреческих слов: tele – «вдаль», scopeo – «смотрю».
Телескоп Галилея произвел революцию в астрономии. В те времена еще ничего не было известно о существовании галактик, а ученые вели споры о том, является ли Земля центром мироздания. И большинство считало, что является, а Солнце, планеты и даже звезды – все космические объекты обращаются вокруг нашей планеты.
Телескоп Галилео Галилея
Используя телескоп, Галилей сделал ряд открытий, расширивших горизонты познания. Во-первых, он убедился, что Млечный Путь является бесчисленным скоплением невероятно далеких звезд. И тогда астрономы поняли, что Вселенная устроена гораздо сложнее, чем им представлялось.
Во-вторых, Галилей открыл на поверхности Луны сложный рельеф: горы, котловины, цирки и другие неровности. Это говорило о великом
В-третьих, Галилей обнаружил четыре гигантских спутника Юпитера, позже получивших названия Ио, Ганимед, Европа и Каллисто (см. главу 3). Ученый наблюдал за их орбитальным движением и пришел к выводу, что именно так выглядит со стороны Солнечная система. Семейство Юпитера служило уменьшенной моделью мироздания: «царь планет» играл роль Солнца, а его спутники – планет, включая и Землю.
После этого исторического открытия астрономия постепенно отказалась от учения о Земле как центре Вселенной. А спустя около полувека французский физик Блез Паскаль (1623–1662) заявил о бесконечности Вселенной и отсутствии у нее центра.
Люди, не занимающиеся астрономией, считают, будто телескоп «приближает» к наблюдателям далекие объекты. Что же он делает в действительности? Оказывается, оптический телескоп ничего не приближает и даже не увеличивает. Его главное назначение сводится к сбору как можно большего количества лучистой энергии – как и у человеческого глаза.
Возможности глаза ограничены его скромными размерами. Например, диаметр нашего зрачка составляет максимум 7 мм. Ясно, что при таких размерах глаз не способен вместить в себя много света. Далекие и тусклые светила становятся для нас невидимыми. Но что если увеличить глаз до метра в поперечнике и сделать его зрачок диаметром около 20 см? А ведь именно такие размеры имеют небольшие телескопы. Даже сравнительно примитивный телескоп Галилея собирал света в 144 раза больше, чем человеческий глаз.
Телескоп собирает гораздо больше света и поэтому повышает яркость (блеск) тусклых объектов. Правильно измеренная яркость помогает точно установить светимость и цвет небесных тел. Кроме того, сильный телескоп позволяет получить подробные спектры светил и провести другие важные замеры, по которым ученые судят о природе звезд, планет и малых объектов.
Другим преимуществом телескопа перед глазом является то, что он обладает высокой разрешающей способностью , которую неправильно называют «увеличением». На самом деле разрешающая способность состоит в умении различить два дальних объекта, расположенных близко друг к другу. Открытие двойных звезд – типичный пример превосходства телескопических наблюдений. В двойных системах компоненты неразличимы невооруженным глазом. Телескоп не «приближает» двойную звезду, зато позволяет четко рассмотреть каждый из ее компонентов по отдельности.
Современный оптический телескоп – это сложнейшее техническое сооружение огромных размеров и колоссальной массы. Скажем, вес Зеленчукского телескопа составляет 850 тонн. Огромная конструкция приводится в движение часовым механизмом, моторчики которого поворачивают зрительную трубу. Естественно, держать подобное сооружение под открытым небом на каких-нибудь подпорках нельзя. Вот почему для размещения телескопов строят специальные здания – астрономические обсерватории .
Слово обсерватория означает в переводе с латинского языка «место для наблюдений». Кроме астрономических, существуют и другие обсерватории, например геофизические, где ведется многолетнее слежение за «пульсом» планеты: ее силой тяжести, магнитным полем, подземными толчками и т. д.
В нашей стране насчитывается более 20 крупных астрономических обсерваторий. Главная из них – Пулковская, расположенная под Санкт-Петербургом.
Поскольку для наблюдений необходимо чистое, не запыленное небо, то довольно часто обсерватории стараются строить в гористых местностях, находящихся на высотах от 500 м над уровнем моря и выше. В нашей стране в горах возведены восемь обсерваторий. Большинство высокогорных наблюдательных пунктов сосредоточены на Кавказе, здесь же находятся две обсерватории, лежащие выше всех остальных в России. Во-первых, это Специальная Астрофизическая (или Зеленчукская) обсерватория, стоящая на горе Семиродники в Карачаево-Черкесии. Во-вторых, это Кавказская горная обсерватория на плато Шатджатмаз в той же Карачаево-Черкесии. Обе находятся на отметке 2100 м над уровнем моря.
Кроме Кавказа, высокогорные обсерватории имеются в горах Южной Сибири, причем выше всего из этих наблюдательных пунктов расположена Саянская обсерватория Академии наук в поселке Монды (отметка 2000 м).
Ранее речь велась о наземных обсерваториях, однако с началом космической эры человек не оставлял попыток вывести научное оборудование в космос, чтобы проводить исследования без помех земной атмосферы. За последние 40 лет за пределами Земли работали и работают немало орбитальных обсерваторий , снабженных космическими телескопами особой конструкции. Самая знаменитая орбитальная обсерватория – космический телескоп «Хаббл».
Несмотря на разнообразие наземных и космических телескопов, все они по своему устройству разделяются на два основных класса: рефракторы и рефлекторы – в зависимости от того, линзы или зеркала применяются для сбора света. Первый оптический телескоп Галилея представлял собой типичный рефрактор. Впоследствии Галилеево изобретение было усовершенствовано немецким астрономом Иоганном Кеплером, отчего все современные рефракторы (а заодно подзорные трубы и бинокли) представляют собой варианты «трубы Кеплера».
Рефрактором называется телескоп, в котором сбор излучения от космических источников осуществляется с помощью нескольких линз. Название телескопа означает «преломляющий», поскольку действие линз состоит в преломлении световых лучей. Сегодня рефракторы изготавливаются с использованием не двух, а гораздо большего числа стекол. И тем не менее у такого телескопа неизменно присутствуют две составные части – объектив и окуляр.
Объектив – это группа линз, предназначенная для приема света. То есть это часть телескопа, нацеленная на объект (отсюда и ее название).
Окуляр (от латинского oculus – «глаз») представляет собой систему линз, которые переносят изображение в глаз наблюдателя. Астроном во время работы смотрит в окуляр, а объектив наводит на заранее намеченный участок неба.
Объективы различаются на визуальные и фотографические. Визуальные состоят из линз, которые собирают в основном желтые и зеленые лучи. Эти лучи лучше всех остальных воспринимаются человеческим глазом, поэтому задача визуального телескопа состоит в том, чтобы создать хорошо видимое изображение. Линзы фотографического объектива рассчитаны на сбор преимущественно синих и фиолетовых лучей, к которым чувствительна фотопластинка. Такой объектив позволяет получать качественные фотографии космических тел.
Визуальные объективы в настоящее время почти не используются, они устанавливаются главным образом на школьные и любительские телескопы. Рефракторы для профессиональной научной работы снабжены фотографическими объективами, чтобы ученые могли осуществлять фотосъемку звездного неба.
Важнейшим параметром объектива является его диаметр . Чем больше поперечник крупнейшей линзы объектива, тем больше света сможет уловить инструмент. Самый большой в мире рефрактор, построенный в 1897 году в Йеркской обсерватории (США), обладает объективом с диаметром 102 см.
По степени блеска небесные тела характеризуются так называемой видимой звездной величиной . Видимая звездная величина (или просто звездная величина) – это различимая глазом разница в яркости точечных светил на небе. Первым начал измерять блеск звезд древнегреческий астроном Гиппарх, живший во II веке до н. э.
Гиппарх выделил для своего каталога шесть звездных величин. При этом блеск звезды первой величины (самой яркой) примерно в 2,5 раза ярче блеска звезды второй величины. А блеск звезды второй величины в 2,5 раза ярче блеска звезды третьей величины и т. д. Сегодня астрономы улучшили способ измерения видимых звездных величин, причем за точку отсчета принимается нулевая звездная величина, которая соответствует блеску таких ярких звезд, как Вега и Арктур.
Таблица 5
Блеск некоторых звезд, обладающих экзопланетами
Звездными величинами сегодня измеряется блеск не только звезд, но и всех остальных космических объектов, кажущихся светящимися точками. Таким образом, можно измерить даже блеск космических аппаратов. Сама по себе техника не светится, но она отражает солнечные лучи, отчего в бинокль или слабый телескоп кажется точкой-звездочкой. Например, Международная космическая станция (МКС) при наиболее ярком блеске видна невооруженным глазом как звездочка величины –4.
Знак «минус» означает, что перед нами источник света гораздо более яркий, чем Вега. Блеск более сильный, чем нулевая звездная величина, измеряется в отрицательных числах. Например, Юпитер при максимальном блеске достигает звездной величины –2,9. Вспышки сверхновых способны достигать звездной величины –6. Луна в полнолуние сияет как объект звездной величины –12,7. Ну а Солнце в погожий день достигает звездной величины –26,7.Между прочим, на небосводе Плутона солнечный диск светит в 10 раз ярче полной Луны. Поверхность ледяного карлика Седны освещается Солнцем в 2,5 раза хуже, чем земная в полнолуние. Из системы ближайшей к нам звезды – альфы Центавра – Солнце покажется звездой величины 0,5.
Подсчитано, что космонавты перестанут различать в иллюминаторах наше Солнце, когда улетят на расстояние свыше 55 световых лет от Солнечной системы.
Это произойдет потому, что на большем расстоянии солнечный блеск окажется слабее шестой звездной величины, а менее яркие космические тела человек не видит невооруженным глазом. Лишь единицы очень зорких людей способны различать объекты, имеющие блеск в пределах 7,7 звездной величины. Это предел проникающей силы нашего глаза. Поэтому, например, Нептун (7,8) совершенно не виден для невооруженного глаза земного наблюдателя.
Что можно сказать о проникающей силе астрономических инструментов? Телескоп с диаметром объектива 80 мм позволяет увидеть объекты с блеском до 12,0 звездной величины. Объектив с поперечником 760 мм обеспечивает проникающую силу, достаточную для наблюдения объектов 16-й звездной величины. Крупнейшие рефракторы обладают объективами с диаметром свыше 2500 мм (два с половиной метра!). Их проникающей силы хватает для наблюдения тусклых объектов 19-й звездной величины.
Чтобы увидеть еще более тусклые объекты, астрономам приходится использовать орбитальные обсерватории или системы телескопов.
Разрешающая способность телескопа зависит не только от размеров объектива, но и от расстояния между объективом и окуляром. Если диаметр объектива велик, то и расстояние до окуляра тоже должно быть подобрано достаточно большим.
Схожие принципы лежат в основе построения и работы телескопов второго класса – рефлекторов , то есть, в переводе с латинского, «отражателей». Иначе их называют «зеркальными телескопами», поскольку такие инструменты вместо линз объектива оснащены большим вогнутым зеркалом для сбора света. Окуляр у рефлектора оснащен линзами и похож по устройству на окуляр рефрактора.
Принцип работы рефлектора
Рефлекторы получили сегодня более широкое распространение, чем рефракторы. Большинство обсерваторий мира оснащены зеркальными телескопами. Дело в том, что изготавливать гигантские линзы гораздо сложнее, чем гигантские зеркала, а значит, проникающая сила линзовых телескопов ограничена.
Крупнейшие рефлекторы оснащены зеркалами с диаметром 3–4 м. Самое большое цельное зеркало было отлито в нашей стране в 1971 году. Оно смонтировано на объективе Зеленчукского телескопа, о котором мы уже говорили. Диаметр этого зеркала составляет 6 метров, а масса равняется 42 тоннам. Когда зеркало было отлито из расплавленного стекла, его пришлось охлаждать в течение двух лет.
Чтобы получить крупное зеркало, его удобнее собрать из нескольких составных зеркал меньшего размера. Именно так сегодня конструируются объективы для большинства гигантских рефлекторов. Например, телескопы Кека, построенные в 1992–1996 годах на Гавайских островах, оснащены зеркалами диаметром 10 м каждое.
Одно время предполагалось построить 50-метровые составные зеркала для сверхгигантских рефлекторов, но сегодня к этим замыслам не возвращаются, поскольку астрономы предпочитают пользоваться оптическими интерферометрами . Интерферометром называется устройство в виде группы из нескольких телескопов, которые собирают излучение от одного и того же источника, но с разных позиций. Компьютер интерферометра объединяет информацию с разных телескопов и строит единое изображение, которое оказывается более четким и качественным, чем изображение с одного телескопа.
К примеру, «Очень большой телескоп» (Very Large Telescope – VLT) в Чили представляет собой четыре рефлектора, у каждого из которых зеркала имеют диаметр 8,2 м. Самый большой в мире интерферометр введен в действие в 1999 году в США при обсерватории Маунт-Вилсон. Устройство называется Центр астрономии большого углового разрешения (сокращенно – CHARA). Оно включает в себя пять телескопов, расположенных в радиусе 400 м.
Вплоть до конца XIX века астрономам приходилось вести наблюдения, полагаясь не столько на технику, сколько на самый главный инструмент любого наблюдателя – собственные глаза. Сам по себе глаз является естественным прибором высокой точности и чувствительности, но человек не умеет пользоваться своим зрением должным образом. Люди во время наблюдений устают, отвлекаются, допускают ошибки. И, кроме того, человек способен попросту забыть часть из того, что он увидел, особенно когда приходится охватывать взором участок неба с сотнями звезд.
Вот почему астрономы с радостью восприняли появление астрографов – так называются телескопы, в которых зрение наблюдателя заменено фотокамерой.