В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Сегодня, как никогда, внимание добытчиков знания приковано к гигантской звездной арене, к феерическим спектаклям, которые прокручивает природа, с легкостью двигая целыми мирами. Всматриваясь в звездное небо, астрофизики надеются ответить на вопросы мировоззренческие, проверить свои модели мира. Всматриваясь в звездное небо, астрофизики надеются ответить и на вопросы практические — многие эксперименты с веществом, полями, энергией, которые сами собой идут в космических лабораториях, земным экспериментаторам пока недоступны.

Оправдаются ли надежды? В огромной мере это зависит от инструментов, которыми вооружены наблюдатели, в частности от размера оптических телескопов, от площади их главной линзы (телескоп-рефрактор) или светоприемного зеркала (телескоп-рефлектор). Арифметика здесь простая: чем больше площадь зеркала или линзы, тем больше они собирают световой энергии, создавая изображение звезды (чем больше площадь паруса, тем больше энергии отбирает он у ветра), и, следовательно, тем более слабые световые источники можно увидеть в телескоп. А за этим следует целая цепочка других замечательных «можно». Например, такое: увеличивая размеры зеркала (линзы), можно видеть более далекие объекты, отодвигая тем самым видимую границу Вселенной. Или такое: чем больше света собирает зеркало (линза), тем меньшая экспозиция нужна при фотографировании звезды, тем больше шансов выявить переменность ее свечения, за которой могут стоять чрезвычайно интересные детали, вплоть до планетных систем или «черных дыр».

Стремление астрофизиков иметь большие телескопы ограничивается реальными возможностями телескопостроителей, разумно обоснованному «хотелось бы…» противостоит холодное «сложно… дорого… технически невозможно…». О том, насколько велики трудности на пути создания больших телескопов, говорят, в частности, такие факты: в 1897 г. был построен телескоп-рефрактор с диаметром объектива 102 см, до сих пор он остается чемпионом в своем классе; во всем мире известно лишь около десятка телескопов-рефлекторов с диаметром зеркала более 2,5 м, многие технически развитые страны не перешагнули еще этот рубеж; телескоп-рефлектор Крымской астрофизической обсерватории АН СССР с зеркалом 2,6 м полтора десятилетия оставался крупнейшим в Европе; почти 28 лет держал мировое первенство рефлектор с пятиметровым зеркалом, установленный в обсерватории Маунт Паломар (США), недосягаемый, казалось, шедевр оптической техники.

Но вот несколько лет назад, а точнее, в канун 1976 г. в самые предпраздничные, предновогодние дни, в мировой науке произошло событие чрезвычайной важности — в Специальной астрофизической обсерватории (САО) Академии наук СССР вступил в строй телескоп-рефлектор БТА с диаметром зеркала 6 м. Завершился пятнадцатилетний труд многих научных и производственных коллективов. Государственная комиссия, возглавляемая академиком А. М. Прохоровым, подписала акт о приемке всего комплекса БТА с оценкой «отлично». Новый мировой чемпион вышел на старт исследования Вселенной. О некоторых возможностях этого уникального инструмента рассказывает директор Специальной астрофизической обсерватории АН СССР доктор физико-математических наук Иван Михеевич Копылов:

— Поразительные успехи космической техники последних лет сделали реальностью внеатмосферную астрономию, т. е. изучение звездного неба инструментами, вынесенными за пределы земной атмосферы. Для ряда участков спектра внеатмосферные наблюдения навсегда сохранят свою монополию. Так, например, рентгеновские и гамма-лучи, которые приходят от некоторых объектов, вообще не пробивают атмосферу, регистрировать эти излучения могут лишь приборы, поднятые на десятки километров над Землей. Немало достоинств имеют внеатмосферные наблюдения в оптическом диапазоне, т. е. наблюдения с помощью телескопов, установленных на космических кораблях или на Луне, — даже небольшой телескоп, если ему не мешает земная атмосфера, может увидеть больше, чем гигант, установленный на Земле. И какое-то время даже бытовало мнение, что поэтому нет смысла вкладывать средства в сложные и большие наземные телескопы. К счастью, мнение это продержалось недолго и не успело причинить заметного вреда. Сейчас же всем ясно, что оба направления — внеатмосферная астрономия и наземная — должны развиваться параллельно, взаимно дополняя друг друга. При этом решающими остаются традиционные достоинства наземного телескопа — его можно оснастить разнообразной исследовательской аппаратурой, оперативно менять программы наблюдений, предоставлять возможность работать на телескопе различным коллективам исследователей, изучающим самые разные астрофизические проблемы. На БТА сделано многое, чтобы реализовать эти достоинства в полной мере.

Оптическая схема БТА позволяет использовать инструмент в нескольких режимах, в частности иметь пять «ступенек» фокусного расстояния — от 24 м до примерно 350 м; поле зрения при этом меняется от 1 до 10 угловых минут, а относительное отверстие — от 1:4 до 1:58 Телескоп оснащен целой гаммой спектрографов, каждый из которых сам по себе представляет сложный исследовательский прибор с совершенной оптикой и электроникой. Для иллюстрации отмечу, что одно из зеркал основного звездного спектрографа ОЗСП имеет диаметр 2,05 м; подобное зеркало само могло бы послужить основой большого телескопа.

Основные возможности БТА, конечно, определяет его главное шестиметровое зеркало. Оно должно позволить наблюдательной астрономии заметно продвинуться вперед по сравнению с достижениями недавнего мирового чемпиона — пятиметрового паломарского рефлектора. Вот некоторые цифры, показывающие, что должно дать увеличение диаметра зеркала на 1 м. Площадь зеркала возрастает примерно в 1,45 раза, и во столько же раз увеличивается улавливаемая им световая энергия. Это значит, что примерно на 30–40 % увеличится расстояние, на котором можно наблюдать слабые звездные объекты. Вместо расстояний в 5–6 млрд. св. лет, которые до сих пор были доступны оптической астрономии, мы сможем, по видимому, заглянуть на расстояния 8–9 млрд. св. лет. Доступный наблюдениям объем звездного мира зависит от куба этого расстояния, и можно предположить, что число видимых слабых объектов Вселенной увеличится в 1,6–1,7 раза, а может быть, даже в 2 раза, потому что условия наблюдений, само небо, как говорят астрономы, в Зеленчукской, по-видимому, лучше, чем в районе горы Паломар.

Приведенные цифры лишь в некоторой степени характеризуют те новые возможности, которые БТА открывает перед астрофизиками, возможности и количественные, и качественные. Инструмент позволит значительно более тщательно изучить особенности двойных звезд и иных звездных систем, в частности систем, в которых подозревают существование такого экзотического объекта, как «черная дыра». Новые возможности появятся для изучения тонких механизмов звездной энергетики, процессов рождения и умирания звезд, развития галактик. Может быть, удастся продвинуться и в понимании природы наиболее далеких жителей Вселенной — квазаров. Новую информацию, по-видимому, удастся получить и о самых близких к нам космических телах — планетах Солнечной системы. Даже в космических экспериментах сможет принять участие БТА, например, контролируя полет межпланетных станций, помогая определить их звездные координаты.

Уже на первых снимках, полученных на БТА, удалось увидеть объекты 23,5 звездной величины, а вскоре и 25 величины.

Не хотелось бы, чтобы о БТА сложилось представление просто как о большом телескопе. БТА — это огромный, сложный комплекс, комплекс оптический, механический, теплотехнический, электрический, электронный. Молодой коллектив САО делает все возможное, чтобы созданный всей страной уникальный астрофизический инструмент во всю свою силу работал на науку.

Вряд ли найдется человек, которому удалось бы уйти от наивных «почему?» касательно размеров телескопа. Действительно, почему 5 м, почему 6? Почему не 10, не 15, не 50? Почему нельзя построить гигантское зеркало размером со стадион? Например, сварить его из полированных металлических листов, подобно тому как мы свариваем корпуса супертанкеров?

Ответ на эти «почему?» во всех случаях должен начинаться с напоминания: телескоп — прибор оптический, его линзы или зеркала должны сфокусировать, собрать в точку не что иное, как свет, т. е. электромагнитные колебания с длиной волны меньше стотысячной доли миллиметра. Значит, еще меньше должны быть неровности на поверхности зеркала — морская волна легко перекатывается через небольшие камешки, не замечая их, но разбивается в брызги, наткнувшись на скалу, соизмеримую с длиной волны. Не должны выходить за пределы ничтожных долей миллиметра и изменения формы зеркала, например, из-за перераспределения механической нагрузки при повороте трубы телескопа или из-за перепадов температуры.

Заманчивая идея большого металлического зеркала проваливается с треском после того, как прикинешь, что при изменении температуры всего на 1 °C размеры пятиметрового металлического зеркала изменятся на совершенно недопустимую величину — на доли миллиметра. Температурная стабильность — одно из решающих «за» в пользу больших зеркал из особых сортов стекла. А необходимость с высочайшей точностью сохранять геометрию зеркала — одно из основных препятствий на пути создания крупных телескопов. Современный телескоп — это не просто подзорная труба, это высокоточный измерительный инструмент, ему прежде всего нужно верить.