Взгляд в небеса: Четыре века телескопов

Самые первые телескопы были копиями подзорных труб, изобретенных голландскими мастерами в начале XVII века. Они имели всего две линзы — выпуклый длиннофокусный объектив и вогнутый короткофокусный окуляр. Такая труба дает прямое, то есть неперевернутое изображение, которое имеет максимальную четкость, если расстояние между окуляром и объективом (длина трубы) равняется разности их фокусных расстояний (увеличение трубы равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра).

Первый телескоп Хэрриота обеспечивал шестикратное увеличение. Позже ученый изготовил еще несколько труб — вплоть до 20−30-кратных. С их помощью он провел детальные наблюдения солнечных пятен и довольно точно определил продолжительность солнечных суток. К сожалению, Хэрриот не считал нужным публиковать свои многочисленные научные работы, которые могли прославить его еще при жизни. Он выполнил фундаментальные алгебраические исследования, сильно опередившие его время, а также открыл закон преломления света задолго до того, как это сделали Виллеброд Снеллиус и Рене Декарт (не исключено, что этот закон был известен багдадскому ученому X века Ибн Сахлу; во всяком случае, на это указывает один из чертежей в его недавно найденном трактате «О сжигающих зеркалах и линзах»). О том, что Хэрриот был первым астрономом-телескопистом, мало кто знает и поныне.

Впрочем, Хэрриот недолго оставался монополистом. Осенью 1609 года великий итальянец Галилео Галилей и немецкий астроном Симон Мариус направили в небеса свои инструменты. Мариус пользовался готовой трубой голландского производства, в то время как Галилей освоил шлифовку линз и лично изготовил четыре трубы, причем считается, что самая большая обеспечивала более чем 30-кратное увеличение. В марте 1610 года он выпустил книгу Sidereus nuncius («Звездный вестник»), где рассказал о телескопических наблюдениях Луны, Юпитера и Млечного пути (в частности, в январе он открыл четыре крупнейших спутника Юпитера, хотя позднее Мариус утверждал, что сделал это несколько раньше). Именно из этого труда ученые (да и вся образованная публика) узнали о возможностях, которые открыли телескопы. Так что оптическая астрономия как новое направление в науке о небесных явлениях началась именно с Галилея. В честь юбилея этого великого события мы сейчас и отмечаем Международный астрономический год.

У труб голландской конструкции имелись слабые места — низкая яркость изображения и узкое поле зрения, которое еще больше сужалось при возрастании увеличения (что было прямым следствием применения вогнутых рассеивающих окуляров). Как исправить эти недостатки, догадался первооткрыватель законов планетных движений Иоганн Кеплер. Свою идею он изложил в труде Dioptrice («Диоптрика»), увидевшем свет в 1611 году. Кеплер предложил использовать в качестве окуляра выпуклую линзу, отодвинутую от фокуса объектива на длину собственного фокусного расстояния — причем не по направлению к объективу, а прочь от него. Длина такого телескопа равна сумме (а не разности, как у «голландского» предшественника) фокусных расстояний объектива и окуляра, а формула для увеличения, естественно, остается той же самой. Он дает перевернутое изображение, но для наблюдателей небес это не представляет никаких затруднений. Кеплеровская конструкция обеспечивает расширенное поле зрения и большую яркость — а это огромные плюсы. Первый такой телескоп сделал в 1613 году замечательный немецкий геометр, астроном и физик Кристоф Шейнер, один из самых блестящих ученых, которых подарил миру орден иезуитов. В астрономическую практику кеплеровские трубы вошли лишь в конце 1630-х годов.

Шейнер внес еще одно важное усовершенствование. Он догадался, что телескоп можно наводить на нужную точку небосвода поворотом вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, одна из которых ориентирована под прямым углом к плоскости экватора, и в 1620-х предложил прообраз экваториальной монтировки (см. врезку), что сильно упростило компенсацию суточного вращения Земли. Совершенно новым принцип не был и тогда (в 1585 году датский астроном Тихо Браге именно так установил свой крупнейший угломерный инструмент — большую армиллярную сферу), однако Шейнер первым использовал его для нацеливания телескопа. Систему усовершенствовал другой астроном-иезуит Кристофер Гринбергер, а в 1670-х Роберт Гук предложил поворачивать телескоп с помощью часового механизма.

К середине XVII века телескопы-рефракторы значительно усложнились. Богемский монах-капуцин Антон Мария Ширлеус де Рейта изобрел телескоп с четырьмя выпуклыми линзами (объектив, промежуточная линза и двухлинзовый окуляр), который расширил поле зрения по сравнению с двухлинзовой кеплеровской трубой. Ширлеус передал свои секреты аугсбургскому мастеру Иоганну Визелю, который изготавливал и продавал телескопы длиной более 4 м. Через десяток лет этот рекорд побил англичанин Ричард Рив, чьи трубы по длине зашкаливали за 10 м — высота трехэтажного дома. Данцигский бургомистр Ян Гевелий (процветающий пивовар, а по совместительству большой поклонник астрономии) строил для своей обсерватории инструменты и покрупнее, среди них 45-метровый телескоп с составным светопроницаемым тубусом, подвешенный на высоком столбе. А в конце столетия великий голландский астроном и физик Христиан Гюйгенс со своим братом Константином строили уж вовсе непомерные беструбные (так называемые воздушные) телескопы длиной до 70 м.

В главе о ранних рефракторах невозможно не упомянуть еще одно изобретение, сделанное уже в XVIII веке. В 1729 году английский адвокат и астроном-любитель Честер Мур Холл нашел способ практически свести к нулю хроматическую аберрацию — настоящий бич тогдашних рефракторов (именно для борьбы с ней и строили телескопы-исполины со сверхдлиннофокусными объективами). Холл придумал объектив, скомпонованный из пары линз — выпуклой из флинтгласа, оптического стекла с высоким показателем преломления и низкой дисперсией, и вогнутой из кронгласса, с низким показателем преломления и средней дисперсией (в теории эту идею еще в 1695 году предложил оксфордский профессор математики Дэвид Грегори, о чем Холл, возможно, знал). Изготовление подобных объективов не без конфликтов прибрала к рукам первая в мире оптическая фирма, основанная лондонцем Джоном Долландом и его сыном Питером (который в 1763 году изобрел полностью ахроматический трехлинзовый объектив).

Судя по всему, первый зеркальный телескоп в 1616 году пытался сделать римский профессор математики, иезуит Никколо Зуччи. Он взял вогнутое бронзовое зеркало, поместил в его фокус вогнутую линзу... и не увидел ровно ничего. В принципе это устройство могло сработать, будь у Зуччи зеркало хорошей шлифовки, но таких еще просто не существовало. В 1630-х годах итальянец Бонавертура Кавальери и француз Марин Мерсенн (тоже слуги церкви) опубликовали труды с глубоким теоретическим анализом возможностей зеркальных оптических приборов, но не попытались их построить.

Во второй половине XVII века дела пошли быстрее. В 1661 году шотландский математик Джеймс Грегори (родной дядя вышеупомянутого Дэвида) предложил вполне работоспособную конструкцию рефлектора. Свет от удаленного объекта падает на основное фокусирующее зеркало с поверхностью в форме параболоида вращения. Отраженные лучи попадают на небольшое — и тоже вогнутое! — вспомогательное зеркало с эллипсоидальной поверхностью, расположенное перед фокусом параболического рефлектора. Отразившись во второй раз, свет проходит сквозь отверстие в центре главного зеркала и фокусируется выпуклой окулярной линзой. В идеале такая конфигурация дает прямое изображение с нулевой сферической аберрацией; хроматическая имеет место, но в малой степени (она легко устраняется ахроматическим окуляром, но тогда его еще не придумали). Грегори даже заказал Ричарду Риву зеркала для такого телескопа, но тот не смог добиться нужного качества.

Возможно, что со временем Рив отшлифовал бы зеркала и получше, но Грегори торопился за границу, ждать не пожелал и больше к этому проекту не возвращался. В результате первый действующий телескоп-рефлектор был изобретен и собран в 1668 году Исааком Ньютоном. В отличие от грегорианского телескопа вторичное зеркало у него не выпуклое, а плоское. Оно повернуто к оптической оси под углом в 45 градусов, поэтому свет попадает в окуляр сквозь отверстие в тубусе (в такой телескоп смотрят не сзади, а сбоку). Ньютон преуспел благодаря собственному методу шлифовки главного зеркала (с помощью абразивного порошка, нанесенного на смоляную подложку), обеспечивавшему точность в десятую долю микрона. Позднее он сделал еще один такой рефлектор и 11 января 1672 года подарил его Лондонскому королевскому обществу (куда и был избран). Выполненная в XVIII веке копия этого телескопа, содержащая некоторые детали, вышедшие из рук самого Ньютона, сохранилась и поныне (первый ньютоновский рефлектор считается утраченным).

На 1672 год приходится еще одна важная дата в истории оптических телескопов. Один из членов Французской академии сообщил коллегам, что некий Лоран Кассегрен, священник и преподаватель колледжа из Шартра, изобрел оригинальную версию зеркального телескопа. Кассегреновский телескоп, подобно григорианскому и ньютоновскому, оснащен вогнутым параболическим основным зеркалом с центральным отверстием. А вот в качестве вторичного рефлектора в нем стоит выпуклый гиперболоид, расположенный не перед фокусом главного зеркала, а позади него. Эта конфигурация дает возможность уменьшить длину трубы, которая может быть в несколько раз короче, чем фокусное расстояние главного зеркала.

Первый работающий телескоп григорианского типа сделал в 1732 году мастер из Эдинбурга Джеймс Шорт. В этом же году изобретатель секстанта английский математик Джон Хадли построил телескоп Кассегрена. Так что к концу первой половины 1730-х все классические схемы рефракторов и рефлекторов получили практическое воплощение.

Идея Кассегрена фактически завершила разработку оптических схем телескопов-рефлекторов, позднее они лишь модифицировались. Так, в 1920-х годах американский астроном Джордж Ричи и француз Анри Кретьен показали, что качество изображения кассегреновской системы улучшится, если оба зеркала сделать гиперболическими. Эта конфигурация реализована и в Большом Канарском телескопе, который к тому же оснащен третьим поворотным зеркалом, выводящим изображение в различные фокальные плоскости. Кассегреновской схеме вообще повезло на модификации, их уже около десятка.

С середины XVIII и вплоть до середины XX столетия телескопы изменились не слишком сильно. Конечно, росли размеры, разрешающая способность, светосила, степень увеличения, но принципиально они не особенно отличались от инструментов прежних времен.

Впрочем, технический прогресс не стоял на месте. Великий британский астроном Уильям Гершель делал наилучшие телескопы своего времени, в том числе особо заслуженный «Большой двадцатифутовый» с зеркалом 47-сантиметрового диаметра (построенный несколько позже сорокафутовый гигант с железной трубой и зеркалом диаметром в 120 см большой пользы не принес — им было трудно управлять, да и зеркала быстро потускнели). Не оправдал надежд и законченный в 1845 году крупнейший телескоп XIX столетия с шестифутовой апертурой и 17-метровой деревянной трубой, сооруженный в имении ирландского аристократа Уильяма Парсонса, третьего лорда Росса (этот инструмент впервые позволил обнаружить, что некоторые туманности имеют спиральную структуру, но других серьезных результатов не принес).

Вот еще несколько важных вех в истории телескопостроения. Замечательный немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (тот самый, кто первым начал изучать спектры с помощью дифракционной решетки) усовершенствовал технику изготовления ахроматических объективов большого диаметра и изобрел очень элегантную экваториальную монтировку, которую назвали германской. В 1840 году профессор Нью-Йоркского университета Джон Уильям Дрейпер сделал первую астрофотографию (Луны). Спустя десять лет последовала и первая фотография звезды (в данном случае Веги), выполненная в обсерватории Гарвардского университета. В конце 1850-х годов появились рефлекторы со стеклянными посеребренными зеркалами, которые были много лучше прежних металлических. В следующем десятилетии лондонский астроном Уильям Хаггинс впервые скрестил телескоп со спектрографом и положил начало эре астрономической спектроскопии (он и химик Уильям Аллен Миллер совместно исследовали спектры полусотни звезд и доказали, что планетарные туманности — это облака горячего космического газа).

Историки астрономии именуют вторую половину XIX века эрой великих рефракторов — телескопов нового поколения с объективами диаметром более 25 дюймов (63,5 см). Первый такой инструмент был сделан в 1862 году, за ним до исхода столетия последовали еще девять. Самым большим из них был и поныне остался действующий с 1897 года 40-дюймовый рефрактор Йеркской обсерватории. В эти же годы возникли и первые промышленные предприятия, специализирующиеся на производстве телескопов.

В XX веке лидерство перехватили крупные рефлекторы. В 1917 году на горе Вильсон в Южной Калифорнии вошел в строй 100-дюймовый телескоп Хукера, благодаря которому Эдвин Хаббл определил расстояние до туманности Андромеды и обнаружил космологическое расширение Вселенной. Он оставался крупнейшим телескопом мира до тех пор, пока в 1948 году на горе Паломар не заработал 200-дюймовый рефлектор Хейла. Оба инструмента имеют цельные зеркала и установлены на экваториальных монтировках.

Через 28 лет после инаугурации телескопа Хейла самым большим рефлектором стал действующий с 1976 года БТА (Большой телескоп азимутальный), установленный в Специальной астрофизической обсерватории на горе Семиродники около Нижнего Архыза. Это первый гигантский телескоп с альт-азимутальной компьютеризованной монтировкой. К сожалению, крупных открытий на нем сделано не было (и из-за неудачного местоположения, и из-за плохо устраняемых аберраций чересчур массивного цельного зеркала диаметром 605 см).

Телескопы с еще бóльшими монолитными зеркалами появились лишь в 1990-х годах. Это 810-сантиметровый Gemini North гавайской горной обсерватории Мауна-Кеа, расположенный по соседству 830-сантиметровый японский Subaru (название в переводе с японского означает «Плеяды»), четыре 820-сантиметровых инструмента комплекса Very Large Telescope (VLT) Южной европейской обсерватории (ESO) в чилийской пустыне Атакама и Large Binocular Telescope (LBT) с парой 840-сантиметровых зеркал, установленный на горе Грэм в штате Аризона.

Новым словом в телескопостроении стали ячеистые зеркала, составленные из десятков шестиугольных сегментов. Ими оснащены телескопы с зеркалами диаметром больше 9 м: Hobby-Eberly (техасская обсерватория Макдональда), South African Large Telescope (Южно-Африканская астрономическая обсерватория) и два одинаковых десятиметровых телескопа Keck-1 и Keck-2 (Мауна-Кеа).

Сейчас в лидеры этого немногочисленного семейства вышел Большой Канарский телескоп, Gran Telescopio Canarias, с 10,4-метровым зеркалом из 36 сегментов. По занятному совпадению открытие этого гигантского суперсовременного инструмента с апертурой, перешагнувшей символический 10-метровый порог, состоялось на канарском острове Ла Пальма 24 июля 2009 года, практически ровно четыре столетия спустя после первого документированного использования телескопа.