11
Шестиметровый телефон
В 1609 году Галилей впервые направил на новое небо самодельную зрительную трубу (телекоп), составленную из двух очковых стекол, и получил увеличенное изображение небесных объектов. Эта зрительная труба давала лишь трехкратное увеличение. Уже в следующем году Галилей сделал еще два телекопа, затем еще несколько. Лучший из телекопов увеличивал в 30 раз. С этим инструментом Галилей сделал ряд замены телных открытей: он увидел четыреспутника Юпitera, обнаружил фазы у Венеры (напоминающие фазы Лунны), заметил горы на Луне, и «разложил» Млечный Путь на множество слабых, невидимых простым глазом, звезд.
Что такое увеличение телефона и от чего оно зависит? Телекоп Галилей состоит из двух основных частей: объектива (образенного к объекту) и окуляра (образенного к глазу). Объективом служила собирающая линза, а окуляром — рассеивающая, причем эти линзы были расположены так, что их задние фокусы совпадали. Ход лучей в таком телефоне (сейчас его обычно называют трубой Галилей) показан на рисунке 1. Параллельный лучок лучей от удаленного источника после преломления в объективе становится сходящимся, а по выходе из окуляра снова оказывается параллельным. Попадая затем в глаз на белюдателя, лучи сходятся на сетчатке глаза и дают действительное изображение источника. Угол α′, под которым лучи выходят из зрительной трубы, больше угла α, который составляют с осью лучи, падающие на объектив (или непосредственно в глаз наблюдается). Другими словами, зрительная труба увеличивает угол, под которым виден источник. Это увеличение равно (см. рис. 1).
где — фокусное расстояние объектива, а — окуляра.
Современник Галилея Кеплер заменил рассеивающий окуляр короткофокусной собирающей линзой, играющий роль лучы при рассматривании созданного объективом изображения увеличенного источника. Ход лучей в трубе Кеплера приведен на рисунке 2. Премишестом этой трубы по сравнению с трубой Галилея является то, что она дает действительное изображение в фокальной плоскости объектива, куда можно поместить измерительную шкалу или фотопластику. Увеличение трубы Кеплера, как и трубы Галилея, равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра.
12
Рис. 1. Ход лучей в зрительной трубе Галилея.
Рис. 2. Ход лучей в зрительной трубе Кеплера.
И телефон Галилея, и телефон Кеплера впоследствии были названы рефракторами (от латинского слова frango — ломаю). Стремление получить как можно большее увеличение привело к построке очень длинных зрительных труб, что повлияло на качество изображения: его яркость уменшилась. Это можно было избежать, увеличив диаметр объекта, то есть увеличив количество света, прохождение через телефон *). Однако увеличение размеров объекта приводит к резkomу ухудшениючеткости изображений — они становятся распливчатыми и с цветными камками. Это связано с недостатками линз — прежде всего, со сферический и хроматический аберрации.
Причина возникновения первого недостатка довольно наглядно проиллюстрирована рисунком 3. Лучи,
*) Кстати сказаны, собрать как можно большее света, идущего от небесного объекта,—одно из основных назначений телефонка.
проходящие через различные участки линзы, расположенные на разных расстояниях от оси линзы, дают изображения точного источника, лежащие на разных расстояниях от линзы. В результате изображения светящейся точки получается в виде светлого распливчатого пятна. Эту погрешность линзы и называют сферический аберрацией.
Явление хроматической аберрации состоит в том, что изображение, даваемое линзой, оказывается окрашенным, окаймленным цветными камками. Эта погрешность возникнет из-за того, что лучи разного цвета одной и той же линзой преломляются по-разному — филотовые лучи сильнее, а красные слабее (рис. 4).
Во времяна Галилея и Кеплера считалось принципиально невозможным сделать объектив свободным от сферической и хроматической аберрации. Лишь во второй половине XVIII века был найден способ избавиться от этих недостатков, сделав
13
объектив составным из двух различных линз *). Однако трудности получения однородных и оптически совершенных стекол остались.
Для устройства хроматического аберрации англичанин Грегори в 1663 году предложил использовать в качестве объекта не линзу, а волну зеркало, которое совершило свободно от хроматизма, так как, по выражению Ньютона, «угол падения равен углу отражения для всех цветов». Причем, чтобы избежать от сферической аберрации, отражающая поверхность зеркала должна иметь форму параболида вращения, который coincide в одну точку лучей, параллельных оси параболида. Довольно скоро научились шлифованием придавать зеркалу нужную форму. Однако еще долго не умели покрывать поверхность стекла отражающим свет слоем сербра, и зеркала делались из специального сплава меди с оловом, который хорошо полируется и имеет достаточный отражательную способность. В качестве окуляра предлагалось использовать собственную линзу.
Грегори не удалось сделать предложенного им зеркального телексана — рефлектора, получившего название от латинского reflecto — загибано назад. Его сделал в 1668 году Ньютон, но лишь в 1722 году Джон Хадлей в Англии, а затем Шорт в Эдинбурге начали изготовление параболических рефлекторов, которые не уступали самым большим рефрактором того времени.
С тех пор началось совершование между двумя прициппально различными конструциями телексов — между рефракторами и рефлекторами. Рефракторы было делать труднее: во-первых, приходилось шлифовать у двух линз четыре поверхности и, во-вторых, предъявлялись более высокие требования к материалу — оптически однородному стеклу. Лишь в 1824 году знаменитый оптик Фраунгофер в Мюнхене сделал для обеспечения в Дерпте (ныне Тарр)
*) Более подробно об исправлении недостатков линз можно прочитать, например, в «Элементарном учебнике физики» под редакцией академика Г. С. Ландсберга.
Рис. 3. Возникновение сферической аберрации.
Рис. 4. Хроматическая аберрация.
ту в Эстонии) рефрактор с диаметром объектава 9 дюймов (24 см), а его преемник Мерц в 1839 году изготовил для Пулковской обсерватории 15-дюймовый объектив. Самый большой объектив в 40 дюймов (104 см) был сделан в 1896 году А. Кларком в США, и с тех пор еще никогда не удалось увеличить размеры рефракторов.
Меншие трудности встречались при построке больших рефлекторов. Особые случаи в этом приналежат англичанину Вильяму Гершелю, который в 1774—1789 года сделал несколько рефлекторов; наиболее из них имеем объект на диаметром 120 см при фокусном расстоянии 12,5 м (рис. 5). С помощью собственного изготовления телексов он открыл планету Уран, ряд туманностей и звездных скоплений и исследовал строение галактиckой системы. Еще больший рефлектор построил в середине прошло века лорд Росс в Англии. Зеркало этого телексана име-
14
ло диаметр 185 см и фокусное расстояние 16 м.
Если по оптическим параметрам рефлекторы намного превосходили рефракторы, то по удобству наблюданий и разносторонности применений они им сильно уступали. Большое и менее громоздкие рефракторы уже давно стали сначала специально монтировкой, в котором одна из двух взаимно перpendикулярных осей установливаясь параллельно оси мира. Равномерное вращение вокруг этой оси со скоростью один оборот в сутки позволяет следить за видимым движением звездного неба и все время удерживать в поле зреня наблюдаемый объект. Другая ось служит для того, чтобы направлять телесоп в любую точку небосвода.
Что касается рефлекторов, то из-за огромных размеров и веса они монтировались гораздо проще и могли применять для наблюданий лишь взлизи меридиана, поворачиваясь самым примененным образом с помощью блоков и канатов; наблюдаемый же приходилось громоздиться на крайне неудобных поместах. Кроме того, недостатком рефлекторов было потернение металлических зеркал от атмосферных воздействий, что требовало повторной трудной полировки.
Рис. 5. Большой рефлектор Гермеля.
Рис. 6. 2,5-метровый рефлектор на оссеватории Муhnt Вильсон.
Таким образом, рефлекторы не сдавали своих позиций и применялись там, где требовалось производить точные угловые измерения — в меридианных инструментах для определения сферических координат звезд, при микрометрических измерениях, например, двойных звезд, а позже — для фотографирования звездного неба.
Новые возможности получили рефлекторы в шестидесятых годах прошло века, когда Германский химик Либих нашел способ покрывать стекло тончайшим слоем блескшего себра. Тогда же французский физик Фуко начал делать зеркала рефлекторов из стекла с последующим себрением отражающей поверхности. Такие зеркала были гораздо легче металлических, что позволило и для них применять специальный монтировку. В случае потускнения себраный слой легко смывался азотной кислотой, и зеркало вновь себриловось химическим способом без дополнительной полировки.
В результате с конца прошловека началось быстroe освоение рефлекторов. Однако из первых был установлен в 1895 году 36-дюймовый (92 см) Кросслевский рефлектор Ликской оссеватории в США, с которым был получен ряд замечательных фотографи множества туманности, звезд-
15
Рис. 7. 5-метровый рефлектор, установленный на горе Паломар.
ных скоплений и Млечного Пути. Затем в 1908 году последовал 60-дюймовый (152 см) рефлектор на горе Вильсон (Маунт Вильсон) в Калифорнии. Такие большие зеркала, несмотря на значительное толщину (достигающую доли диаметра), заметно проигнализация под влиянием собственного веса при разных наклонах к горизонту. Для устройства этого вредного явления была придумана так называемая разгрузка, состоящая из многочисленных рычагов с противовесами, которые подпирают тылову часть зеркала с силой, зависшей от наклона зеркала.
К этому времени окончательно определялась область применения больших рефлекторов. Это, с одной стороны, fotografические наблюдения наиболее слабых и удаленных объектов — туманностей (главаным образом, внегалактических, нахождения на расстояниях во много десятиков и сотен миллионов световых лет), а с другой стороны, fotografирование спектров для исследования физических свойств и химического состояния и их атмосфер. Сюда же относится открытие и изучение спектрально-двойных звезд и вспыхивающих новых звезд. Для всех этих целей нужно собрать как можно больше света, что действительно можно сделать с помощью больших зеркала. Кроме того, для спектральных наблюдений важно полная ахроматичность рефлекторов.
Большие успехи, достигнутые с помощью упомянутых рефлекторов, поставили вопрос о создании еще более мощных инструментов. Так, в 1917 году вступил в строй 100-дюймовый (254 см) рефлектор тоже на основе которого было применено новшество: полярная ось окачивалась двумя большими поплавками, наполовину погруженными в полушиндрическое соеды со ртутью, чем достигалось очень легкое и плавное вращение (рис. 6).
В начале тридцатых годов в калифорнийском горode Пасадена начались подготовительные работы по проектированию рефлектора вдвое большого диаметра — в 200 дюймов (508 см) и в 1946 году был закончен его montаж на горе Паломар (в 200 км от Лос-Anжелеса, штаг Калифорния) на высоте 1750 м над уровнем моря. Рефлектор (рис. 7) установлен в круглой башне под получением куполом диаметром в 42 м, который имеет широкий люк, поворотом купола направляемый в нужную сторону неба (рис. 8). Что касается зеркала, то первоначально оно оказалось не-
16
удовлетворительной формы и его пришлоось доводить местной полировкой уже в самом телефоне. К этому времени вместе серебрення был изобретен способ покрытия стека алюминим путем испарения в высоком вакууме. Оказалось, что алюминевый слой прочнее серебряного и очень хорошо отражает свет, особенно в его коротковой части. До самого последнего времени это был самый большой рефлектор в мире.
В Советском Союзе до войны самый большой рефлектор имел зеркаλο диаметром 1 м; он был изготовлен в Англии и находился в Симеизской обсерватории в Крыму. С ним академик Г. А. Шайн с сотрудниками выполнили ряд интересных спектрооптических исследований по движению звезд и составу звездных атмосфер. Во время войны этот инструмент погиб. Раньше наша оптико-механическая промышленность не имела опыта по изготовлению больших астрономических инструментов (особенно в отличке и шлифовке зеркал). Однако Ленинградский завод освоил это трудное дело и сделал несколько рефлекторов в 1, 1,25 и 1,5 м, а в 1960 году на новой Крымской астрофизической обсерватории Академии наук СССР завершлась установка рефлектора в 2,6 м, который и теперь остается одним из самых больших в Европе.
Удачный опыт позволил поставить еще более сложную задачу. По инциативе крупнейшего советского оптика Д. Д. Максутова был разработан план построки рефлектора с бметровым зеркалом (см. заставку кстатье). При этом главный конструктор Б. К. Иоаннисини не стал копировать американские образцы, а пошел по новому, оригинальным путем. Развитие электронных вычислительных машин позволило открыться от обычной экваториальной монтировки, а применить более простую — горизонтальную, в котором одна ось направлена вертикально, а перпендикулярная к ней — горизонтально. Это сильно упростило механическую часть конструкции и монтировку зеркала с его разгрузкой, поскольку зеркало в зависимости от положения наблюдаемого объекта налобо-няется только в одном направлении и не испытывает боковых наклонов. Это осложнил сложение телефона за腕шением небесной сферы: вместе одного равномерного движения вокруг полярной оси теперь нужно строго согласованного вращать телефоп с переменной скоростью вокруг другого ксегетную часть с фотопластикой прихождения вращать тоже неравномерно. Эти сложные движения удалость осуществить с помощью электронных машин, которые перечисывают координаты наблюдаемой точки неба, определяют скорости их изменений и дают соответствующие команды движения телефоп motoram (подвижная часть телефоп имеет массу почти 700 тонн).
Главное зеркало телефоп диаметром 6 м было отлито и обработано на стекольном заводе под Московой, для чего там были сооружены два специальных цеха. После отливки из особого сорта стека с малым коэффициентом расшириния, раскаленная масса медленно охлаждалась с электронским подгревом во избежание возникновения вредных напряжений, которые обычно приводят к разрыву стеклянного блюда. Такой процесс «отжигта» обычно продолжается не менее года, лишь после чего можно узнать, удалясь отливка или нет.
Огромная и сложная монтировка телефоп была выполнена на оптико-механическом заводе в Ленинграде при участии ряда других ленинградских заводов тяжелого машиностроения. В результате получился инструмент, по gabариту и массе соответствующей самым большим металлическим конструкциям, а по точности и тонкости не уступающий техническим микросопа.
Отшлифованное зеркало имеет фокусное расстояние 24 м; на таком расстоянии перед зеркалом образуется изображение наблюдаемого объекта. Сюда нужно поместить фотопластику или другой светоприемник, которые, таким образом, оказывается на пути световых лучей, induceх от объекта к зеркалу. Здесь же на распорках внесит небольшая кабина в форме ци-