Разведка далеких планет

Рис. 3.6. Воздушный телескоп Гюйгенса. Отдельно показаны объектив и окуляр.

Длина телескопов Гюйгенса в 1686 г. достигала 210 футов (64 м), а диаметр объективов – 22 см. Правда, свои знаменитые астрономические открытия – кольца Сатурна и его крупнейший спутник Титан, полярные шапки Марса и его вращение, межзвездные туманности и др. – Гюйгенс открыл за 30 лет до этого с помощью скромного 12-футового телескопа с объективом 5 см.

Итак, в XVII–XVIII вв. пользовались длинными рефракторами с фокусными расстояниями в десятки метров. Это было очень неудобно.

Роберт Гук придумал, как укоротить телескоп с помощью нескольких плоских зеркал, но выяснилось, что сделать хорошее плоское зеркало не так-то легко, и от идеи отказались.

Около 1663 г. Исаак Ньютон начал свои знаменитые опыты по отражению и преломлению света, в ходе которых он ясно понял различие между сферической и хроматической аберрацией. Однако он ошибочно полагал, что все вещества обладают одинаковой силой преломления, из чего заключил, что невозможно сделать линзовую систему, свободную от хроматической аберрации. (На самом деле – можно, если использовать линзы из разных сортов стекла.) Сделав такой вывод, Ньютон обратился к зеркальным системам, поскольку лучи любого цвета отражаются от зеркала одинаково. Вообще говоря, зеркальные телескопы предлагались и до Ньютона. Я уже упоминал об идеях Цукки и Мерсенна. Около 1664 г. Джеймс Грегори предложил телескоп с главным параболическим зеркалом и вспомогательным эллиптическим. Эта схема была свободна не только от хроматической, но и от сферической аберрации. Однако изготовить столь сложные зеркальные поверхности Грегори не смог.

Рис. 3.7. Оптические схемы телескопов-рефлекторов. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, Ок — окуляр.

Ньютон разработал методы шлифовки и полировки сложных зеркал. В 1668 г. он построил первый телескоп-рефлектор длиной всего 16 см с параболическим зеркалом диаметром 3,1 см. Упростив схему Грегори, он с помощью маленького плоского зеркала вывел фокус главного зеркала наружу сквозь отверстие в трубе телескопа. Такая конструкция тоже свободна от сферической аберрации. Ньютон делал зеркала из оптической бронзы или спекулума – сплава меди с оловом, имевшего блеск, сравнимый с блеском серебра. К сожалению, этот сплав из-за присутствия меди быстро тускнеет и требует переполировки. Но его использовали для астрономических зеркал вплоть до 1850 г., когда изобрели метод серебрения стекла.

Таблица 3.1

Открытия спутников планет в XVII–XIX вв.

Рефлектор иной системы, также свободной от сферической аберрации, предложил в 1672 г. француз Лоран Кассегрен (Laurent Cassegrain, 1629–1693), о котором мало что известно. И хотя Ньютон резко критиковал эту конструкцию, она широко используется до сих пор. Главное зеркало в ней параболическое, а вторичное – выпуклое гиперболическое. Свет выходит сквозь центральное отверстие в главном зеркале.

Для XVIII в. характерен быстрый прогресс в изготовлении рефлекторов. Английский оптик Джон Хэдли (Гадлей, 1682–1744) первым использовал оптический метод контроля формы зеркала. Шотландский оптик и астроном Джеймс Шорт (1710–1768) построил множество прекрасных телескопов по схеме Грегори. А Вильям Гершель с помощниками создал в 1789 г. крупнейший по тем временам телескоп с зеркалом диаметром 126 см и фокусным расстоянием 12 м; с этим «Великим 40-футовым» мы уже познакомились в главе 2. Заметим, что в нем впервые было реализовано наблюдение в главном фокусе, смещенном к краю апертуры (система Ломоносова – Гершеля). После изобретения фотографии наблюдение в главном фокусе стало нормой.

Но и до появления фотопластинки большие рефлекторы уверенно демонстрировали свое главное преимущество – высокую проницающую способность, то есть позволяли замечать тусклые объекты. Вильям Гершель с помощью своего любимого «Большого 20-футового» диаметром 18 дюймов в 1787 г. открыл спутники Урана – Титанию и Оберон, имеющие блеск около 14 ^m. До этого астрономы замечали спутники с блеском не слабее 11 ^m, и вдруг – скачок сразу на три звездные величины (табл. 3.1). Результат Гершеля немного улучшил другой любитель астрономии – английский пивовар Уильям Ласселл (1799–1880), построивший близ Ливерпуля рефлектор диаметром 24 дюйма. И это было вполне закономерно: используя зеркало почти вдвое большей площади, он и продвинулся к вдвое более тусклым объектам. При этом Ласселл повторил рекорды Галилея, Кассини и Гершеля – открыл 4 спутника (он обнаружил Гиперион независимо от американских астрономов отца и сына Бондов). Любопытно, что вслед за Гершелем и лордом Россом Ласселл в 1855 г. тоже построил огромный 48-дюймовый рефлектор. Понимая, что Англия – не лучшее место для астрономических наблюдений, Ласселл установил свой гигантский инструмент в прекрасном районе – на острове Мальта. Однако, как и его предшественники, он не обнаружил новых спутников. Для этого требовался новый технологический рывок.

Фактически прорыв Гершеля не был превзойден в течение столетия. Лишь в самом конце XIX в. американский астроном Уильям Пикеринг смог продвинуться еще на две звездных величины, обнаружив спутник Сатурна Фебу, но дело тут было не в качестве телескопа: Феба стала первым спутником, открытым с помощью фотографии. Вообще говоря, этот факт обескураживает: фотоэмульсия обладает неоспоримым преимуществом перед нашим зрением: она может долго накапливать свет тусклых звезд. Почему же в течение полувека развития фотографии глаз выдерживал конкуренцию с фотокамерой?

Глаз и телескоп

Вначале этой главы мы уже говорили об особенностях зрения. Если продолжить сравнение нашего глаза с оптической техникой, созданной человеком, то придется перевести разговор со старых фотоаппаратов на современные видеокамеры. Наши глаза, как хорошая камера, имеют собственный «процессор», передающий в мозг уже частично проанализированную и исправленную картину увиденного. У электронных устройств есть система стабилизации изображения, делающая незаметным дрожание рук оператора – глаз тоже имеет систему, которая стремится сделать незаметными для нас дрожание головы и глазного яблока, смазывающее «картинку». Эта же система работает при визуальном наблюдении в телескоп: наше зрение компенсирует атмосферное дрожание и размытие изображения, чего фотокамера делать не умеет. Точнее, не умела до недавних пор, но об этом чуть позже.

Каждый орган человека становится более умелым в результате тренировки – и руки пианиста, и ноги балерины. Оказывается, что и глаза тоже можно научить видеть лучше. Известно, что первый опыт наблюдения в телескоп часто обескураживает. «Я не вижу никаких деталей», – сетует начинающий наблюдатель, глядя на Марс или даже на огромный Юпитер. А опытный астроном с помощью того же телескопа составляет подробные карты поверхности планет: у него «тренированный глаз», он научился настраивать свое зрение на астрономические наблюдения. До определенной степени этому может научиться каждый, если будет систематически наблюдать небо. Но и природные данные тоже важны, так же как у пианистов и балерин. У большинства людей практический предел при наблюдении звезд или звездообразных объектов, таких как спутники планет или астероиды, лежит между 5 ^mи 6 ^m. Но возможности глаза улучшает оптика. Даже применение простого полевого бинокля 7x50 (т. е. 7-кратный с объективами диаметром 50 мм) делает доступными звезды 9 ^m.В телескоп можно увидеть еще более тусклые звезды, хотя наблюдение в окуляр одним глазом немного снижает общую чувствительность зрения.

Таблица 3.2

Предельная звездная величина (V _Lim) при визуальных наблюдениях

* Наблюдение ведется двумя глазами.

Табл. 3.2. демонстрирует возможности нашего зрения, усиленные оптической техникой. В третьей колонке указано примерное расстояние, на котором глаз различает свет обычной свечи. Нужно помнить, что таблица составлена для среднего человека, а некоторые астрономы-наблюдатели отличаются повышенной чувствительностью зрения (и большим опытом наблюдений!), поэтому способны продвинуться еще на 1 ^m.

Эволюция телескопа

Итак, в XVIII в. вперед вырвался рефлектор с металлическим зеркалом. Но в эти же годы постепенно совершенствовалась и конструкция рефрактора. Важнейшим событием в оптике стало открытие ахроматического объектива. Это сделал в 1729 г. адвокат Честер Мур Холл, заметивший, что объектив, составленный из двух линз – выпуклой из легкого стекла крона и вогнутой из тяжелого флинта (соответственно с ничтожной и с большой примесью окиси свинца), – не окрашивает изображений. Такой «дублет» имел значительно меньшую хроматическую аберрацию, чем длиннофокусные одиночные линзы. Холл никак не закрепил за собой это изобретение. Знавший об открытии Холла Джон Доллонд в 1760 г. взял патент и стал выпускать ахроматические объективы. Но они были небольшого размера, не более 10–13 см, и качество стекла, особенно флинта, было невысоким. Поэтому конкурировать с зеркалами Шорта и Гершеля они не могли.