Астрономы наблюдают

В конце 1393 года Тимур начал большой семилетний поход на Иран. По обычаю, принятому у монголов, Тимура сопровождали члены его двора, среди которых была и жена младшего сына Тимура семнадцатилетнего Шахруха. 22 марта 1394 года во время одной из стоянок жена Шахруха разрешилась от бремени. Новорожденному дали имя Мухамед-Тарагай, но в историю он вошел под прозвищем Улугбек, что означает «великий князь».

Маленький. Улугбек принимал участие во всех походах своего деда. Он сопровождал Тимура во время его набегов на Индию, Армению, Афганистан. Участвовал Улугбек и в приеме иностранных посланников, как требовали того сложившиеся традиции.

В 1404 году Тимур женил своего десятилетнего внука Улугбека на его двоюродной племяннице, и, видимо, чувствуя приближение своей кончины, назначил уделы малолетним внукам. Улугбеку досталась обширная область, куда входил, в частности, город Ташкент.

Спустя год во время одного из походов Тимур заболел и умер, а его громадное, но непрочное государство распалось в течение нескольких месяцев. Началась длительная междоусобная борьба за наследство Тимура, в ходе которой в 1409 году Улугбек становится правителем Мавераннахра, Хорезма и Ферганы. Столицей этого большого государства был оставлен древний Самарканд.

В отличие от деда, Улугбек не отличался воинственностью. Правда, в первые годы правления он совершил несколько походов для защиты своих владений. Но увлекало Улугбека совсем иное. Его призванием стала наука. Он всячески покровительствовал ученым, строил для школ (медресе) великолепные здания. Улугбек окружил себя знаменитыми в то время поэтами, врачами, историками. Он сам писал стихи и принял участие в составлении большого научного труда по истории главнейших стран Азии. Но основной привязанностью Улугбека была астрономия.

На окраине Самарканда Улугбек выбрал невысокий холм, на котором под его руководством была построена крупнейшая астрономическая обсерватория XV века. Время не пощадило ее и вскоре после смерти Улугбека в 1449 году его обсерватория пришла в упадок, а затем постепенно разрушилась и была забыта. Лишь в 1908 году русский археолог В. Л. Вяткин с трудом отыскал развалины обсерватории Улугбека. Его раскопки продолжили советские археологи и сегодня мы можем достаточно полно представить себе внешний облик и оборудование крупнейшей обсерватории XV века.

Цилиндрическое трехэтажное здание обсерватории со множеством окон и помещений, достигавшее около 50 ж в диаметре, имело мраморный цоколь и керамическую облицовку из яркой резной мозаики. Внутренние помещения были оштукатурены и, но свидетельству очевидцев, на их стенах имелись изображения небесных сфер и «семи климатов». Холм, на котором была воздвигнута обсерватория, имел высоту 21 м, с крыши обсерватории (то есть с высоты 55 м) открывался широкий горизонт.

Здание обсерватории имело центральный широкий проем, расположенный по меридиану. В этом проеме и располагался главный угломерный инструмент обсерватории — исполинский секстант.

Даже у нас, привыкших к огромным размерам современных технических сооружений, секстант Улугбека вызывает изумление (рис. 9). Дуга секстанта имеет радиус 40,2 м. В ее центре в верхней части здания был укреплен основной диоптр. По самой дуге секстанта на специальных бронзовых рельсах наблюдатель передвигал визирные инструменты, с помощью которых фиксировалось направление на небесное светило. При наблюдениях Солнца помещение секстанта полностью затемнялось, превращаясь, таким образом, в огромную камеру-обскуру. Луч Солнца, пройдя через основной диоптр, давал «зайчик» на специальном белом диске, перемещавшемся по дуге секстанта. По положению тележки с этим диском измерялась полуденная высота Солнца.

Дуга секстанта Улугбека, собственно, состоит из двух параллельных дуг, выложенных из жженого кирпича и облицованных сверху мрамором. Расстояние между ними составляет 51 см. Вдоль каждой из дуг врезаны пазы шириной 26 мм и глубиной 15 мм, в которых, видимо, укреплялись бронзовые рельсы. Расстояния между градусными делениями на дуге инструмента равны 70,2 см. Эти деления отмечены поперечными пазами, с помощью которых, вероятно, закреплялись тележки с подвижными визирами. По бокам дуг шла лестница для наблюдателя. До сих пор нельзя считать окончательно решенным вопрос, был ли инструмент Улугбека секстантом, или, как считал В. Л. Вяткин, квадрантом. До наших дней в нижней подземной части инструмента сохранились плитки с обозначениями от 80 до 58 градусов. В верхней же части дуги видны деления, соответствующие 19, 20 и 21 градусу. Возможно, что исполинский угломерный инструмент Улугбека был квадрантом, что вполне соответствует размерам и высоте здания обсерватории. Как показали измерения, выполненные в 1941 году В. П. Щегловым, точность расположения по меридиану главного инструмента обсерватории Улугбека была очень высокой — ошибка по азимуту оказалась близкой всего к 10 минутам дуги!

Рис. 9. Обсерватория Улугбека (реконструкция) и его секстант (справа).

Несомненно, что наряду с основным инструментом Улугбек и его сотрудники при астрономических наблюдениях использовали небольшие переносные угломерные приборы. Что же нового в астрономию внесла обсерватория Улугбека?

Исполинские размеры основного инструмента, отличное качество его изготовления, а также высокое искусство самаркандских астрономов позволили им с максимально возможной для того времени точностью измерить важнейшие астрономические величины — наклон эклиптики к экватору, продолжительность года и другие. На короткий срок обсерватория Улугбека сделалась астрономической столицей мира. Слава Улугбека перешагнула границы Азии и на гравюрах XVII века мы видим Улугбека в окружении немногих самых знаменитых астрономов мира.

Основным трудом обсерватории Улугбека считаются «Новые астрономические таблицы» («Зидж Гурагони»), которые содержат каталог 1018 звезд. В этом труде излагаются также различные системы летосчисления, основы сферической и практической астрономии, теория затмений и движения планет и ряд других сведений. Книга Улугбека неоднократно переиздавалась в различных странах, что неудивительно, так как она представляла собою астрономическую энциклопедию XV века. Измеренные Улугбеком положения звезд отличались от тех, которые были даны в древних каталогах Тимохариса и Гиппарха. Объяснялось это не только ошибками древних наблюдателей и другими причинами, но в некоторых случаях и реальными перемещениями звезд в пространстве.

Обсерватория Улугбека была высшим достижением в области астрономии всего мусульманского Востока. О самом Улугбеке великий узбекский поэт Алишер Навои писал так:

«Султан Улугбек, потомок хана Тимура, подобного которому мир еще не знал. Все его сородичи ушли в небытие. Кто о них вспоминает в наше время? Но Улугбек протянул руку к наукам и добился многого. Перед его глазами небо стало близким и опустилось вниз».

Он жил недаром

Почти век спустя после трагической гибели Улугбека (он был зверски убит по приказу его сына) в далекой от Самарканда Дании в семействе датского дворянина Браге в 1546 году родился мальчик, которому дали имя Тиге. Позже это имя было латинизировано и в историю астрономии знаменитый датчанин вошел под именем Тихо Браге.

На тринадцатом году жизни по настоянию своего дяди Тихо поступил в Копенгагенский университет, где успешно изучал риторику и философию, готовя себя к политической карьере. Однако необычное небесное явление изменило его первоначальные планы. В 1560 году произошло частное солнечное затмение и Тихо мог убедиться, что все его фазы наступали почти точно по предсказаниям календаря. Юноша был настолько поражен этим научным предвидением, что решил сам посвятить свою жизнь изучению тех законов, которые управляют движением небесных светил. Эту страсть, пробудившуюся в Тихо, поддерживали и его астрологические заблуждения. Он был сыном своего века, верил прорицаниям по звездам, и сам пожелал в этом достичь высшего совершенства.

От изучения гуманитарных наук Тихо перешел к математике и астрономии. Деньги, которые ему посылал дядя для развлечений, Тихо употреблял на покупку книг и угломерных астрономических инструментов. Уже в 1563 году, 17-летним юношей Тихо приступил к первым самостоятельным астрономическим наблюдениям. Три года спустя он отправился в путешествие по Германии, посетил Виттенберг, Базель и другие научные центры. Здесь он встречался с известными астрономами и тут же в Германии он соорудил огромный квадрант радиусом 6 метров, а также начал постройку громадного небесного глобуса поперечником в 1,5 метра.

Неожиданное происшествие на время прервало научные занятия Тихо. В Ростоке во время пирушки Тихо вступил в спор с неким Мандерупиусом по поводу доказательства одной математической теоремы. Жаркая дискуссия закончилась дуэлью, во время которой противник Тихо отсек ему шпагой большую часть носа. С тех пор будущий великий астроном носил серебряный протез. Рассказывают, что этот искусственный нос постоянно отклеивался и Тихо был вынужден постоянно возить с собой коробочку с цементом и часто приклеивать себе нос. Вероятно, это обстоятельство сделало Тихо особенно раздражительным, хотя и до происшествия в Ростоке он не отличался тихим нравом.

По возвращении в Данию в 1570 году Тихо увлекся алхимией и, казалось, навсегда позабыл астрономию. Но снова неожиданное небесное явление заставило Тихо, и на этот раз уже окончательно, посвятить свою жизнь звездам. В ноябре 1572 года в созвездии Кассиопеи вспыхнула новая звезда, достигшая яркости Юпитера. Тихо измерял ее угловое расстояние от других обычных звезд. Он установил, что суточное вращение Земли на положение таинственной звезды никак не влияет. Отсюда Тихо сделал вывод, что новая звезда значительно дальше Луны. Год спустя Тихо написал трактат о Новой 1572 года, а в 1574 году его пригласили в Копенгагенский университет для чтения лекций по астрономии.

В 1576 году в жизни Тихо Браге произошло важное событие. Датский король Фридрих II отвел Тихо остров Гвен вблизи берегов Швеции и отпустил значительные средства для строительства крупной обсерватории на этом острове. Кроме того, для поощрения Тихо король назначил ему крупную пенсию и подарил имение в Норвегии.

Обрадованный неожиданной поддержкой Тихо уже в мае 1576 года развернул на острове Гвен крупное строительство. К 1584 году в распоряжении Тихо были две большие обсерватории. Они мало походили на современные обсерватории, а скорее напоминали роскошные, богатые замки. Один из них Тихо назвал Ураниборгом (то есть «замком Урании», богини астрономии), второй получил наименование Стьернеборг («звездный замок»).

Ураниборг стоял на холме в центре острова и был со всех сторон окружен живописным садом. Внутри замка размещались четыре обсерватории, лаборатории, типография, жилые помещения и даже тюрьма.

Внутри посетитель любовался гобеленами, картинами и статуями великих людей. В Стьернеборге обсерватории были расположены под землей, чтобы защитить находившиеся там инструменты от нежелательных внешних воздействий (например, ветра).

На острове Гвен находились также мастерские, где под руководством Тихо изготовлялись изумительные по своей точности астрономические угломерные инструменты. Они уступали по размерам главному инструменту Самаркандской обсерватории, но тщательность их изготовления (почти все они были металлическими) и, особенно, градуировки позволили Тихо достичь максимальной для его эпохи точности наблюдений, — ошибка в определении координат звезд в среднем не превосходила одной минуты дуги.

Тихо был первым из астрономов, кто стал учитывать рефракцию — кажущееся смещение небесных светил с их истинного положения на небесной сфере благодаря преломлению световых лучей в земной атмосфере. На известной гравюре XVI века Тихо Браге изображен во время наблюдений на шестиметровом стенном квадранте (рис. 10). Один из помощников.(справа от Тихо) фиксирует положение визира на дуге квадранта, другой записывает данные наблюдений, третий следит за показаниями часов.

Кстати сказать, до XVIII столетия часы были «ахиллесовой пятой» всех астрономов. Маятниковых часов тогда еще не знали, а клепсидры, песочные и им подобные часы отличались неравномерностью хода и грубыми ошибками. Стоит упомянуть еще одну деталь рассматриваемой нами гравюры. У ног Тихо лежит любимый дог — подарок английского короля Якова, посетившего Ураниборг.

Двадцать один год продолжалась научная деятельность Тихо на острове Гвен. Ему удалось открыть новые неправильности в движении Луны, одна из которых вызвана перемещением плоскости лунной орбиты в пространстве. Он составил новые солнечные и планетные таблицы, более точные, чем те, что были до тех пор. Замечателен звездный каталог, на составление которого Тихо затратил 7 лет. По количеству звезд он уступал каталогам Улугбека или Гиппарха — в нем дана перепись всего 777 звезд. Но зато координаты этих звезд Тихо измерил с точностью несравненно большей, чем его предшественники. В начале XVII века Байер использовал каталог Тихо для составления первого подробного звездного атласа. Ко всему сказанному следует добавить, что Тихо заново перемерил основные астрономические постоянные и его результаты остались лучшими в дотелескопической астрономии.

Рис. 10. Тихо Браге за наблюдениями.

Известность Тихо и его Ураниборга побудила многих ученых, а также высокопоставленных особ к «паломничеству» на остров Гвен. Надо заметить, что Тихо и с королями и с крестьянами вел себя, как говорят, на равной ноге. Всякое услужничество и раболепие было совершенно чуждо его натуре. К сожалению, эти качества и погубили великого астронома. Однажды канцлер Дании Вальтендорф во время посещения Ураниборга жестоко избил любимого дога Тихо. Астроном не стерпел и в крайне резких выражениях высказал главе датского правительства все, что он о нем думает. В результате из-за травли и интриг со стороны Вальтендорфа Тихо в 1597 году был вынужден навсегда покинуть Данию. Он попробовал обосноваться в Праге, где нашел себе покровителя в лице императора Рудольфа II. Но Пражская обсерватория, куда Тихо перевез часть своих инструментов, ни в какое сравнение не могла идти с Ураниборгом. Правда, здесь у Тихо Браге появился молодой помощник, бедный юноша по имени Иоганн Кеплер — один из будущих основоположников новой астрономии. Но никаких новых открытий в Праге Тихо не сделал. Дух его был надломлен и в 1601 году после мучительной болезни Тихо Браге скончался.

На его могильном памятнике есть надпись — «Я жил недаром». Рассказывают, что, чувствуя приближение смерти, Тихо говорил так о себе своим близким. Можно, впрочем, согласиться с этой горделивой самооценкой. Тихо Браге был величайшим наблюдателем в дотелескоиический период развития астрономии. Он достиг максимума того, что мог дать невооруженный глаз для угловых измерений на небе. Наблюдения Тихо Браге послужили той экспериментальной основой, опираясь на которую Иоганн Кеплер открыл свои знаменитые законы движения планет.

Всего лишь несколько лет Тихо Браге не дожил до того момента, когда был изобретен телескоп, сразу раскрывший перед человечеством неисчерпаемую сложность мироздания. Астрономия до начала XVII века была, в сущности, астрометрией — наукой об угловых измерениях на небесной сфере. С изобретением телескопа зародилась астрофизика — основа современной астрономии.

ЧЕМПИОНАТ ТЕЛЕСКОПОВ

«Я вне себя от изумления, так как

уже успел убедиться, что Луна

представляет собой тело, подобное Земле».

Г. Галилей (1610 г.)

Первые телескопы

Трудно сказать, кто первый изобрел телескоп. Известно, что еще древние употребляли увеличительные стекла. Дошла до нас и легенда о том, что якобы Юлий Цезарь во время набега на Британию с берегов Галлии рассматривал в подзорную трубу туманную британскую землю. Роджер Бэкон, один из наиболее замечательных ученых и мыслителей XIII века, в одном из своих трактатов утверждал, что он изобрел такую комбинацию линз, с помощью которой отдаленные предметы при рассматривании их кажутся близкими.

Так ли это было в действительности — неизвестно. Бесспорно, однако, что в самом начале XVII века в Голландии почти одновременно об изобретении подзорной трубы заявили три оптика — Липперсгей, Мециус и Янсен. Рассказывают, что будто бы дети одного из оптиков, играя с линзами, случайно расположили две из них так, что далекая колокольня вдруг показалась близкой. Как бы там ни было, к концу 1608 года первые подзорные трубы были изготовлены и слухи об этих новых оптических инструментах быстро распространились по Европе.

В Падуе в это время уже пользовался широкой известностью Галилео Галилей, профессор местного университета, красноречивый оратор и страстный сторонник учения Коперника. Услышав о новом оптическом инструменте, Галилей решил собственноручно построить подзорную трубу. Сам он рассказывает[2] об этом так:

«Месяцев десять тому назад стало известно, что некий фламандец построил перспективу, при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они находятся вблизи. Это и было причиной, по которой я обратился к изысканию оснований и средств для изобретения сходного инструмента. Вскоре после этого, опираясь на учение о преломлении, я постиг суть дела и сначала изготовил свинцовую трубу, на концах которой я поместил два оптических стекла, оба плоских с одной стороны, с другой стороны одно стекло выпукло-сферическое, другое вогнутое».

Этот первенец телескопической техники давал увеличение всего в три раза. Позже Галилею удалось построить более совершенный инструмент, увеличивающий в 30 раз. И тогда, как пишет Галилей, «оставив дела земные, я обратился к небесным».

7 января 1610 года навсегда останется памятной датой в истории человечества. Вечером этого дня Галилей впервые направил построенный им телескоп[3]) на небо. Он увидел то, что предвидеть заранее было невозможно. Луна, испещренная горами и долинами, оказалась миром, сходным хотя бы по рельефу с Землей. Планета Юпитер предстала перед глазами изумленного Галилея крошечным диском, вокруг которого обращались четыре необычные звездочки — его спутники. Картина эта в миниатюре напоминала Солнечную систему по представлениям Коперника. При наблюдениях в телескоп планета Венера оказалась похожей на маленькую Луну. Она меняла свои фазы, что свидетельствовало о ее обращении вокруг Солнца. На самом Солнце (закрыв глаза темным стеклом) Галилей увидел черные пятна, опровергнув тем самым общепринятое учение Аристотеля о «неприкосновенной чистоте небес». Эти пятна смещались по отношению к краю Солнца, из чего Галилей сделал правильный вывод о вращении Солнца вокруг оси.

В темные прозрачные ночи в поле зрения галилеевского телескопа было видно множество звезд, недоступных невооруженному глазу. Некоторые туманные пятна на ночном небе оказались скопищами слабо светящихся звезд. Великим собранием скученно расположенных звездочек оказался и Млечный Путь — беловатая, слабо светящаяся полоса, опоясывающая все небо.

Несовершенство первого телескопа помешало Галилею рассмотреть кольцо Сатурна.

Рис. 11. Телескопы Галилея.

Вместо кольца он увидел по обе стороны Сатурна два каких-то странных придатка и в своем «Звездном вестнике» — дневнике наблюдений — Галилеи был вынужден записать, что «высочайшую планету» (то есть Сатурн) он «тройною наблюдал».

Открытия Галилея положили начало телескопической астрономии. Но его телескопы (рис. 11), утвердившие, окончательно новое коперниканское мировоззрение, были очень несовершенны. Уже при жизни Галилея им на смену пришли телескопы несколько иного типа. Изобретателем нового инструмента был уже знакомый нам Иоганн Кеплер. В 1611 году в трактате «Диоптрика» Кеплер дал описание телескопа, состоящего из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер, будучи типичным астрономом-теоретиком, ограничился лишь описанием схемы нового телескопа, а первым, кто построил такой телескоп и употребил его для астрономических целей, был иезуит Шейнер, оппонент Галилея в их горячих спорах о природе солнечных пятен.

Рассмотрим оптические схемы и принцип действия галилеевского и кеплеровского телескопов[4]. Линза А, обращенная к объекту наблюдения, называется объективом, а та линза В, к которой прикладывает свой глаз наблюдатель — окуляром. Если линза толще посередине, чем на краях, она называется собирательной или положительной, в противном случае — рассеивающей или отрицательной. Заметим, что в телескопе самого Галилея объективом служила плоско-выпуклая линза, а окуляром — плоско-вогнутая. По существу, галилеевский телескоп был прообразом современного театрального бинокля, в котором используются двояковыпуклые и двояковогнутые линзы. В телескопе Кеплера и объектив и окуляр были положительными двояковыпуклыми линзами.

Рис. 12. Галилеевский (вверху) и кемеровский телескопы (схема)

Представим себе простейшую двояковыпуклую линзу, сферические поверхности которой имеют одинаковую кривизну. Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется оптической осью линзы. Если на такую линзу падают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием. Нетрудно сообразить, что чем больше кривизна поверхностей собирательной линзы, тем меньше ее фокусное расстояние. В фокусе такой линзы всегда получается действительное изображение предмета.

Иначе ведут себя рассеивающие, отрицательные линзы. Падающий на них параллельно оптической оси пучок света они рассеивают и в фокусе такой линзы сходятся не сами лучи, а их продолжения. Потому рассеивающие линзы имеют, как говорят, мнимый фокус и дают мнимое изображение.

На рис. 12 показан ход лучей в галилеевском телескопе. Так как небесные светила, практически говоря, находятся «в бесконечности», то изображения их получаются в фокальной плоскости, то есть в плоскости, проходящей через фокус F и перпендикулярной к оптической оси. Между фокусом и объективом Галилей поместил рассеивающую линзу, которая давала мнимое, прямое и увеличенное изображение MN.

Главным недостатком галилеевского телескопа было очень малое поле зрения — так называют угловой поперечник кружка неба, видимого в телескоп. Из-за этого наводить телескоп на небесное светило и наблюдать его Галилею было очень трудно. По той же причине галилеевские телескопы после смерти их изобретателя в астрономии не употреблялись и их реликтом можно считать современные театральные бинокли.

В кеплеровском телескопе (см. рис. 12) изображение CD получается действительное, увеличенное и перевернутое. Последнее обстоятельство, неудобное при наблюдениях земных предметов, в астрономии несущественно — ведь в космосе нет какого-то абсолютного верха или низа, а потому небесные тела не могут быть повернутыми телескопом «вверх ногами».

Первое из двух главных преимуществ телескопа — это увеличение угла зрения, под которым мы видим небесные объекты. Как уже говорилось, человеческий глаз способен в отдельности различать две части предмета, если угловое расстояние между ними не меньше одной минуты дуги. Поэтому, например, на Луне невооруженный глаз различает лишь крупные детали, поперечник которых превышает 100 км. В благоприятных условиях, когда Солнце затянуто облачной дымкой, на его поверхности удается рассмотреть самые крупные из солнечных пятен. Никаких других подробностей невооруженный глаз на небесных телах не видит. Телескопы же увеличивают угол зрения в десятки и сотни раз.

Второе преимущество телескопа по сравнению с глазом заключается в том, что телескоп собирает гораздо больше света, чем зрачок человеческого глаза, имеющий даже в полной темноте диаметр не больше 8 мм. Очевидно, что количество света, собираемого телескопом, во столько раз больше того количества, которое собирает глаз, во сколько площадь объектива больше площади зрачка. Иначе говоря, это отношение равно отношению квадратов диаметров объектива и зрачка.

Собранный телескопом свет выходит из его окуляра концентрированным световым пучком. Наименьшее его сечение называется выходным зрачком[5]. В сущности, выходной зрачок — это изображение объектива, создаваемое окуляром. Можно доказать, что увеличение телескопа (то есть увеличение угла зрения по сравнению с невооруженным глазом) равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, увеличивая фокусное расстояние объектива и уменьшая фокусное расстояние окуляра, можно достичь любых увеличений. Теоретически это так, но практически все выглядит иначе. Во-первых, чем больше употребляемое в телескопе увеличение, тем меньше его поле зрения. Во-вторых, с ростом увеличения становятся все заметнее движения воздуха. Неоднородные воздушные струи размазывают, портят изображение и иногда то, что видно при малых увеличениях, пропадает для больших. Наконец, чем больше увеличение, тем бледнее, тусклее изображение небесного светила (например, Луны). Иначе говоря, с ростом увеличения хотя и видно больше подробностей на Луне, Солнце и планетах, но зато уменьшается поверхностная яркость их изображений. Есть и другие препятствия, мешающие применять очень большие увеличения (например, в тысячи и в десятки тысяч раз). Приходится искать некоторый оптимум и потому даже в современных телескопах, как правило, наибольшие увеличения не превосходят нескольких сотен раз.

При создании телескопов со времен Галилея придерживаются следующего правила: выходной зрачок телескопа не должен быть больше выходного зрачка наблюдателя. Легко сообразить, что в противном случае часть света, собранного объективом, будет напрасно потеряна. Очень важной величиной, характеризующей объектив телескопа, является его относительное отверстие, то есть отношение диаметра объектива телескопа к его фокусному расстоянию. Светосилой объектива называется квадрат относительного отверстия телескопа. Чем «светосильнее» телескоп, то есть чем больше светосила его объектива, тем более яркие изображения объектов он дает. Количество же света, собираемого телескопом, зависит лишь от диаметра его объектива (но не от светосилы!). Из-за явления, именуемого в оптике дифракцией, при наблюдениях в телескопы яркие звезды кажутся небольшими дисками, окруженными несколькими концентрическими радужными кольцами. Разумеется, к настоящим дискам звезд дифракционные диски никакого отношения не имеют.

В заключение сообщим читателю основные технические данные о первых галилеевских телескопах. Меньший из них имел диаметр объектива 4 см при фокусном расстоянии 50 см (его относительное отверстие было равно 4/50 = 0,08). Он увеличивал угол зрения всего в три раза. Второй, более совершенный телескоп, с помощью которого Галилей совершил свои великие открытия, имел объектив диаметром 4,5 см при фокусном расстоянии 125 см и давал увеличение в 34 раза. При наблюдениях в этот телескоп Галилей различал звезды до 8-й звездной величины, то есть в 6,25 раз более слабые, чем те, которые еле видит на ночном небе невооруженный глаз.

Таково было скромное начало развернувшегося позже «чемпионата» телескопов — длительной борьбы за усовершенствование этих главных астрономических инструментов.

Динозавры телескопической техники

До сих пор, рассуждая о ходе световых лучей в телескопе, мы считали эти лучи идеальными геометрическими прямыми, а точки их схождения — идеальными математическими точками. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Прежде всего астрономам приходится сталкиваться с так называемой дифракцией света (подробнее см. стр. 110). Суть же этого явления заключается в следующем.

Представьте себе поток световых лучей, падающих на объектив телескопа. Плоскость, перпендикулярную к направлению лучей, назовем фронтом световой волны. Согласно так называемому принципу Гюйгенса каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный источник света, посылающий лучи во все стороны. Принимая этот принцип, можно доказать, что изображение звезды, создаваемое телескопом, никогда не будет точечным, как того требуют законы «идеальной» геометрической оптики. Оно, это изображение, выглядит светлым кружочком, окруженным несколькими концентрическими кольцами, причем с удалением от изображения звезды яркость дифракционных колец быстро уменьшается, а ширина возрастает.

Настоящие диски звезд ни в один даже самый крупный современный телескоп рассмотреть невозможно. Дифракционные диски, особенно хорошо заметные у ярких звезд, — неизбежная помеха при астрономических наблюдениях. Теория показывает, что угловой радиус r дифракционного диска (в секундах дуги) для желто-зеленых лучей, к которым глаз наиболее чувствителен, определяется простой формуле

где D — диаметр объектива телескопа в сантиметрах. Значит, чем больше объектив телескопа, тем меньше дифракционные диски наблюдаемых в него звезд, а значит, тем выше разрешающая сила телескопа, то есть тем мельче подробности, различаемые с его помощью.

Так, например, если в телескоп наблюдается двойная звезда и оба ее компонента на небе так близки друг к другу, что их дифракционные диски сливаются, то ни в один окуляр (то есть ни при каком увеличении) различить эти звезды в отдельности не удастся. Следовательно, разрешающая сила телескопа полностью определяется поперечником его объектива.

Казалось бы, отсюда вытекает естественный практический вывод: надо строить телескопы с возможно большим диаметром объектива. Однако изготовление крупных оптических линз — необычайно сложная даже для современной техники задача. Нужно очень прозрачное, совершенно однородное стекло, с правильно отшлифованными поверхностями. Малейшие уклонения от этих весьма жестких норм сводят на нет все усилия и линзу приходится браковать. Но если даже все кончится хорошо и линза изготовлена по всем правилам высшего оптического искусства, она неизбежно будет создавать искажение изображений, то есть, как говорят оптики, аберрации.

Одна из главных аберраций линз — так называемая хроматическая аберрация. Выражается она в том, что лучи разного цвета линза преломляет по разному — сильнее всего фиолетовые, слабее других — красные. Поэтому для лучей разного цвета и фокусы получаются разные (рис. 13, вверху). Из них самый близкий к объективу «фиолетовый» фокус, самый дальний — «красный». В результате наблюдатель видит в телескопе окрашенные в «радужные» цвета изображения небесных тел. Особенно заметны радужные ореолы на краях изображения.

Хроматическая аберрация создает большие неудобства. Она искажает действительную окраску космического объекта, портит его изображение в телескопе.

Другой недостаток линз — сферическая аберрация. Суть ее в том, что края линзы сильнее преломляют световые лучи, чем ее центральная часть. Из-за этого, независимо от цвета лучей, разные лучи будут собираться в разных фокусах (рис. 13, внизу). В итоге изображение в телескопе не будет повсюду одинаково четким — либо четки его края и тогда размыта, размазана его середина, либо наоборот.

Рис. 13. Хроматическая (вверху) и сферическая аберрации.

Если лучи от звезды падают наклонно по отношению к оптической оси телескопа, то возникает еще одна аберрация, называемая комой. Она выражается в том, что по краям поля зрения звезды похожи на маленькие хвостатые кометы. Из-за дисторсии (еще один недостаток линз!) изображение к краям поля зрения растягивается, а прямые линии искривляются. Есть и другие аберрации, например, астигматизм, при котором изображения звезд растягиваются в светлые черточки. Словом, линзы обладают множеством естественных недостатков, в принципе неустранимых (если речь идет об однолинзовых объективах и окулярах).

Уже первые конструкторы телескопов заметили, что действия двух главных аберраций — хроматической и сферической — заметно ослабляются, если применять длиннофокусные объективы сравнительно небольшого диаметра (порядка 10 см). В этом случае при очень малой светосиле масштаб изображения увеличивается, а обе аберрации становятся почти незаметными.

Рис. 14. Рефрактор XVII века.

Удивительный облик имели длиннофокусные телескопы XVII и XVIII веков (рис. 14). Их трубы длиной в 30, а иногда и 40 метров с помощью сложной системы блоков укреплялись на высоких мачтах, а наблюдатель окулярную часть телескопа держал в руках. Трубы сравнительно коротких телескопов (примерно до 30 м) делались сплошными, а более длинные — ажурными. Управлять таким телескопом было очень трудно и потому при наблюдениях астроному помогали несколько ассистентов. Из-за суточного движения и маленького поля зрения астрономические объекты непрерывно ускользали от глаз наблюдателя, который должен был непрерывно перемещаться по земле (примерно на четверть метра в минуту). Порой и вовсе отказывались от тубуса (трубы) телескопа, предпочитая «воздушную систему». В этом случае объектив укреплялся высоко на мачте, а окуляр наблюдатель держал в руках! Для удобства наблюдений (если вообще здесь можно говорить о каком-либо удобстве) оправа объектива соединялась с окуляром специальным шнуром (рис. 15). Воздушные телескопы, эти динозавры телескопической техники, достигали иногда поистине исполинских размеров. Так, например, Ян Гевелий, знаменитый польский астроном XVII века, работал с воздушным телескопом длиной около 50 м; Христиан Гюйгенс, голландец по происхождению, большую часть жизни проведший во Франции, пользовался воздушным телескопом длиной 64 м. Но все эти рекорды были побиты А. Озу, который в 1664 году во Франции соорудил воздушный телескоп длиной 98 м. По длине телескоп Озу остался чемпионом и доныне. Но качества его были так плохи, а наблюдать с ним было так неудобно, что в изучений Вселенной Озу не сделал ни одного открытия.

Рис. 15. «Воздушный» телескоп.

Иные результаты получили такие великие наблюдатели XVII столетия, как Гюйгенс, Гевелий и Жан Кассини. Редкое терпение и большое искусство наблюдения с необычайно громоздкими телескопами были награждены очень важными открытиями. Галилей из-за аберрации не мог рассмотреть кольцо Сатурна — ему мерещились какие-то два придатка этой планеты. Гюйгенс был первым, кто ясно увидел, что (как он писал) Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся к эклиптике наклоненным». Он же открыл Титан — главный спутник Сатурна.

Гевелий положил начало селенографии — подробному описанию рельефа лунной поверхности. Его труд «Селенография», изданный впервые в 1647 году — плод личных многолетних наблюдений Луны. Хотя телескопы Гевелия были очень громоздки и несовершенны, ему удалось составить каталог 1564 звезд, гораздо более точный и подробный, чем каталог Тихо Браге.

Жан Доминик Кассини, родоначальник известной династии французских астрономов, с помощью воздушных телескопов (!) открыл четыре спутника Сатурна, названные им Япет, Рея, Диона и Тефия. Ему же удалось в кольце Сатурна увидеть тонкую щель, названную позже его именем. Жан Кассини составил одну из первых подробных карт Луны, а также открыл «моря» и полярные шапки Марса. Вместе с Гюйгенсом, впервые заметившим полосы в атмосфере Юпитера, Жан Кассини положил начало планетологии — отрасли астрономии, изучающей физическую природу планет и их эволюцию.

Галилей не имел какой-либо специально оборудованной обсерватории — его легкие и небольшие телескопы были, как мы теперь говорим, переносными инструментами. Ян Гевелий соорудил личную обсерваторию на крыше своего дома, где работал с небольшими инструментами. Воздушный же 50-метровый телескоп был установлен на обширном поле, откуда открывался широкий горизонт. Гевелий сам изготовлял свои телескопы — в те времена специальности оптика-механика и астронома сочетались в одном лице. Кстати сказать, во всех его трудах и наблюдениях Гевелию усердно помогала его жена, бывшая к тому же неплохой вычислительницей. Кажется, она была одной из первых в истории человечества женщин-астрономов.

В 1671 году в Париже была основана первая государственная обсерватория, директором которой стал Жан Кассини. Ее оборудовали лучшими астрономическими инструментами. Любопытно, что наряду с квадрантами и другими угломерными инструментами древней астрономии здесь использовались воздушные телескопы длиной 10, 30 и 40 метров.

Четыре года спустя в Англии начала свою деятельность Гринвичская обсерватория, первым директором (Королевским астрономом) которой стал Д. Флемстид. В отличие от Парижской обсерватории, где закладывались основы астрофизики, Гринвичская обсерватория с самого начала приобрела астрометрический уклон. Она предназначалась для практических целей, для нужд мореплавания и потому английские астрономы занимались главным образом измерениями точного положения звезд и планет. Благодаря использованию микрометра, точность в определении координат звезд возросла до 10''. В Гринвиче не было длиннофокусных, в частности, воздушных телескопов. Главными инструментами Гринвичской обсерватории служили секстант с радиусом 2,1 м, метровый квадрант и телескопы с фокусными расстояниями 2,1 и 4,6 м.

Вторым директором Гринвичской обсерватории (Королевским астрономом) стал Эдмунд Галлей, открывший собственное движение звезд и периодическое обращение комет вокруг Солнца. В начале XVIII века третьим королевским астрономом был назначен Д. Брадлей. В отличие от своих предшественников, он воспользовался длиннющим 65-метровым воздушным телескопом и с его помощью открыл годичную аберрацию — кажущееся смещение звезд, вызванное обращением Земли вокруг Солнца. Эта аберрация света не связана с расстоянием до звезды, а вызвана сложением скорости света со скоростью орбитального движения нашей планеты.

Первые успехи телескопической техники не могли, конечно, заслонить ее недостатки. Длиннофокусные, в частности, воздушные телескопы явно вели в тупик. Они ослабляли аберрации, но не устраняли их. По необходимости приходилось пользоваться небольшими объективами с диаметрами, не большими 10–20 см. И если бы в ту пору кому-нибудь посчастливилось изготовить объектив с поперечником в 1 м, то для мало-мальски приличных изображений соответствующий телескоп должен был бы иметь длину около двух километров!

Ясно, что решение проблемы находилось не на этом пути. Телескопы с однолинзовыми объективами и окулярами к середине XVIII столетия изжили себя. Выход был найден в использовании многолинзовых оптических систем.

Устранение аберраций

На школьных уроках физики иногда показывают нехитрый опыт. Небольшой диск, секторы которого раскрашены в «семь цветов радуги», приводят в быстрое вращение. И разноцветный диск неожиданно становится белым! Произошло, как говорят, смешение цветов, нечто обратное дисперсии света, то есть разложению белого луча света на составные разноцветные лучи. Важно заметить, что ощущение белого цвета создается не только от смешения всех цветов спектра, но и от соединения некоторых простых цветных лучей, как, например, красного и голубовато-зеленого, желтого и синего, зеленого и пурпурного. Все такие цвета называются дополнительными.

Отсюда ясен и принцип создания ахроматического объектива, то есть объектива, не дающего окрашенные изображения. Представим себе объектив, состоящий из двух линз — двояковыпуклой А и плоско-вогнутой В (рис. 16). Обе они обладают хроматическими аберрациями, но действия этих линз противоположны. Лучи света, пройдя двояковыпуклую линзу, затем преломляются в рассеивающей плоско-вогнутой линзе, которая, в отличие от первой, удлиняет фокусное расстояние для синих лучей и укорачивает его для красных. Степень преломления в линзах зависит не только от формы их поверхностей, но и от сорта стекла, то есть от показателя преломления этой прозрачной среды. Чем плотнее, или, как иногда говорят, «тяжелее стекло», тем сильнее преломляет оно лучи. Таким образом, две совершенно одинаковые двояковыпуклые линзы, изготовленные из разного стекла, имеют разные фокусы — у «тяжелой» линзы он короче, чем у более легкой.

Если в рассматриваемом нами сложном объективе подобрать соответствующую кривизну для поверхностей линз, а также разные сорта их стекол, то в принципе можно достичь желаемого — все разноцветные лучи практически соберутся в одной точке и изображение получится неокрашенным.