Телескопы
Очень плохое качество изображения в первых телескопах побуждало оптиков искать пути решения этой проблемы. Значительно улучшить качество изображения можно было за счет увеличения фокусного расстояния объектива. Христиан Гюйгенс, проводя наблюдения с 64-метровым воздушным телескопом, открыл кольцо Сатурна и его спутник – Титан, а также заметил полосы на диске Юпитера. Другой крупный астроном того времени, Жан Кассини, с помощью воздушных телескопов открыл еще четыре спутника Сатурна (Япет, Рея, Диона, Тефия), щель в кольце Сатурна (щель Кассини), «моря» и полярные шапки на Марсе. В 1663 г. Грегори создал новую схему телескопа-рефлектора. Грегори первым предложил использовать в телескопе вместо линзы зеркало. Основная аберрация линзовых объективов – хроматическая – полностью отсутствует в зеркальном телескопе. Первый телескоп-рефлектор был построен Исааком Ньютоном в 1668 г. В настоящее время практически все телескопы являются зеркальными (рефлекторами), то есть оснащаются не преломляющими свет, а отражающими объективами. Поэтому технический прогресс в астрономии определяется возможностями производства астрономических зеркал все большего и большего размера. Однако оптические технологии имеют свои пределы, и в настоящее время дальнейший рост размеров цельных зеркал практически невозможен. Для повышения разрешающей способности своих приборов астрономы стали применять новую методику – оптическую интерферометрию, позволяющую создать своеобразный «виртуальный» телескоп из нескольких; его способность различить два близко расположенных объекта определяется не диаметром основного зеркала, а расстоянием между двумя зеркалами. В конечном итоге разрешающая способность подобной составной системы чрезвычайно высока – такая же, как у цельного зеркала, размер которого равен расстоянию между зеркалами интерферометрической системы. На данный момент крупнейшими в мире телескопами-рефлекторами являются два телескопа Кека, расположенные на Гавайях на высоте 4 150 м над уровнем моря. Keck-I и Keck-II введены в эксплуатацию в 1993 и 1996 гг. соответственно и имеют эффективный диаметр зеркала почти 10 м. На 10-метровом зеркале телескопа «Keck-I» при помощи сегментирования получено разрешение 0,02". Телескопы-близнецы расположены на одной платформе и могут использоваться совместно в качестве интерферометра, давая разрешение, соответствующее диаметру зеркала 85 м. Крупнейший в Евразии телескоп БТА находится на территории России, в горах Северного Кавказа, и имеет диаметр главного зеркала 6 м. Он работает с 1976 г. и длительное время был крупнейшим телескопом в мире. Первым приемником изображений в телескопе, изобретенным Галилеем в 1609 г., был глаз наблюдателя. С тех пор не только увеличились размеры телескопов, но и принципиально изменились приемники изображения. В начале ХХ в. в астрономии стали употребляться фотопластинки, чувствительные в различных областях спектра. Затем были изобретены фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи. В современных телескопах в качестве приемников излучения используют ПЗС-матрицы. ПЗС-матрица состоит из большого количества (1000?1000 и более) полупроводниковых чувствительных ячеек размером в несколько микрон каждая, в которых кванты излучения освобождают заряды, накапливаемые в определенных местах – элементах изображения. Изображения обрабатываются затем в цифровом виде. Матрица должна охлаждаться до температур –130 °С. В современных телескопах-рефлекторах главное зеркало, как правило, имеет параболическую или гиперболическую форму. Они способны получать изображение не только в оптическом, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Наблюдения на современных телескопах проводятся из специальных помещений; во время работы телескопов людям в здании желательно не находиться, чтобы не создавать лишних вибраций и потоков тепла. Некоторые телескопы могут передавать изображение напрямую пользователям Интернета. Помехи при астрономических наблюдениях – весьма серьезная проблема Погодные условия (например, облачность, пылевые образования в атмосфере) вносят погрешности в программы наземных наблюдений, к которым астрономы иной раз готовятся годами. Кроме того, флуктуации плотности воздуха в атмосфере приводят к дрожанию или размыванию изображений астрономических объектов. Помимо помех природного характера проблемы для оптической астрономии представляет нарастающая засветка от населенных пунктов, промышленных центров, техногенное загрязнение атмосферы. Это не позволяет наземным телескопам приблизиться к теоретически возможным значениям разрешения. Земная атмосфера прозрачна далеко не во всей области электромагнитного излучения, а картина мироздания, построенная только лишь по наблюдениям в видимой области, является неполной. Борясь с вредным влиянием атмосферы, астрономы устремились сначала в высокогорные районы, затем стали поднимать свои инструменты на аэростатах, а еще позднее – проводить наблюдения со специально оборудованных самолетов, либо с высотных ракет.
Первый такой телескоп был создан в США и впоследствии выведен на орбиту Земли. Космический телескоп им. Хаббла запущен в апреле 1990 г. Телескоп Хаббла представляет собой тяжелый, массой около 11 тонн, спутник, стабилизированный по трем осям с помощью гироскопов; точность ориентации достигает 0,007 угловых секунд. Две двусторонних поворотных солнечных батареи обеспечивают мощность 5 кВт. Телескоп им. Хаббла имеет диаметр 2,4 м. Он регистрирует объекты вплоть до 30-й звездной величины, а его угловое увеличение – лучше 0,1" (под таким углом видна горошина с расстояния в несколько десятков километров). Телескоп предназначен для работы в оптическом, а также ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Основные его задачи: 1) исследование строения, физических характеристик и динамики небесных тел; 2) исследование процессов формирования, эволюции звезд и галактик и их строения; 3) исследование истории и эволюции Вселенной.
Изображение системы Плутон-Харон, полученное с помощью наземного телескопа (слева) и телескопа Хаббла (справа) С помощью телескопа Хаббла удалось получить снимки далеких объектов Солнечной системы, наблюдать падение кометы Шумейкеров–Леви на Юпитер и извержение Ио, изучить цефеиды и квазары, получить снимки предельно слабых галактик. Список открытий, совершенных с помощью телескопа им. Хаббла, обширен. Можно сказать, что практически каждый объект на снимках космического телескопа представал перед учеными в новом свете. Для обработки поступающих с телескопа им. Хаббла данных создан специальный институт – Space Telescope Science Institute в г. Балтимор, штат Мэриленд.
|
Основной объем знаний о Вселенной человечество получило, используя оптические инструменты – телескопы. Уже первый телескоп-рефрактор, изобретенный Галилеем в 1610 г., позволил сделать великие астрономические открытия. Несмотря на то, что первый телескоп имел скромные размеры (длина трубы 1 245 мм, диаметр объектива 53 мм, оптическая сила окуляра 25 диоптрий) и обеспечивал всего 30-кратное увеличение, он позволил сделать целую серию замечательных открытий: фазы Венеры, горы на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути.
Вывод оптических телескопов за пределы атмосферы Земли издавна был желанной целью астрономов. Поэтому в наш космический век особое значение придается орбитальным обсерваториям. По мере развития заатмосферной астрономии и роста числа спутников, предназначенных для проведения наблюдений небесных объектов в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах, появилась необходимость выведения на орбиту мощного оптического телескопа. Этот шаг открывал новые возможности по работе в недоступном прежде угловом разрешении.
