Астрономы наблюдают

Рис. 16. Ахроматический объектив.

Теоретически возможность создания ахроматических объективов была доказана еще в 1695 году известным английским оптиком Д. Грегори.

В 1733 году Ч. Холл нашел, что двояковыпуклую линзу следует изготовить из «кронгласа» — «легкого» стекла, содержащего кремнекислоту с примесью калия. Это стекло, сравнительно слабо рассеивающее свет, используется и для оконных стекол. Вторая же рассеивающая линза, как доказал Холл, должна состоять из «тяжелого», сильно рассеивающего сорта стекла, так называемого «флинтгласа», содержащего в качестве примеси окись свинца. По заказу Холла были изготовлены несколько двухлинзовых объективов с диаметром 5 см и фокусным расстоянием 5 м, однако плохое качество стекол сильно ухудшало видимость небесных светил.

Труды Холла были продолжены Джоном Доллондом, достигшим в создании ахроматических объективов больших успехов. Объяснялось это не только высоким мастерством Доллонда, научившимся чисто опытным путем подбирать нужные кривизны линз и сорт их стекла, но и чистой случайностью: в мастерских Доллонда оказались крупные блоки очень однородного и чистого флинта. Когда кончились эти запасы, качество доллондовых труб заметно ухудшилось.

Пусть этот факт не удивляет читателя. Во второй половине XVIII столетия (с 1758 года), когда работал Доллонд, техника изготовления хорошего оптического стекла оставалась очень примитивной. Расплавленное стекло в течение нескольких дней вручную размешивали в глиняных тиглях, стремясь достичь полной однородности и прозрачности стеклянной массы. После остывания стеклянная масса из-за неравномерности охлаждения растрескивалась и распадалась на много кусков, как правило, не очень крупных. Эти осколки подвергались вторичной плавке, во время которой им придавалась форма круглых толстых стеклянных пластинок. Наконец эти остывшие блоки подвергались шлифовке, а иногда и новой переплавке в специальных тиглях, из которых блоки выходили в форме линз. Заметим, что охлаждение первичных блоков растягивалось на несколько месяцев. Тонкая же шлифовка линз требовала еще больших сроков.

Как бы там ни было, уже первые ахроматические телескопы Доллонда произвели переворот в телескопической технике. Телескоп Гюйгенса длиной 64 м давал худшие изображения, чем ахромат Доллонда длиной всего около полутора метров. Доллонд обнаружил, однако, что полностью избавиться от хроматической аберрации практически невозможно — некоторая окраска изображения (или, как говорят, вторичный спектр) все же остается. Позже для «визуальных» рефракторов вторичный спектр оставляли в виде желто-зеленых лучей, к которым наиболее чувствителен человеческий глаз. Для фотографических же наблюдений удобнее коротковолновый синий или фиолетовый вторичный спектр. В поисках новых средств для уменьшения хроматической аберрации Доллонд изобрел апохроматический объектив, состоящий из трех линз — двояковогнутой, расположенной между двояковыпуклой и плоско-вогнутой. Из-за сложности изготовления апохроматы до сих пор являются большой редкостью. Зато качество изображений в них превосходное.

Дальнейшее совершенствование ахроматических рефракторов выразилось в постепенном увеличении диаметра их объектива и улучшении качества оптического стекла. В этом деле в начале XIX века особенно преуспел немецкий оптик и астроном Иосиф Фраунгофер. Когда Наполеон ввел континентальную блокаду, из Англии в Европу перестали поступать «доллонды». Как их строить, никто не знал. Лишь Фраунгофер, с юных лет очень тщательно изучавший оптику, нашел выход из положения. Он сам стал изготовлять высококачественный флинтглас, изобрел новые, более совершенные шлифовальные машины и вскоре добился того, что его рефракторы и по размерам и по качеству значительно превзошли «доллонды».

Крупнейший из рефракторов Доллонда имел объектив диаметром 4 дюйма[6]. Первый же из телескопов Фраунгофера был почти вдвое больше — он обладал ахроматическим 7-дюймовым объективом. В 1818 году Фраунгофер начал изготовление 9-дюймового рефрактора. Этот инструмент был лучшим творением знаменитого немецкого оптика. В 1824 году его установили на Дерптской обсерватории и некоторое время он оставался крупнейшим рефрактором мира. Дерптский рефрактор был снабжен часовым механизмом, вращавшим его в сторону суточного движения звезд. На окулярном его конце употребляли для угловых измерений высокоточный микрометр. Словом, фраунгоферовский 9-дюймовый рефрактор считался в ту пору высшим достижением телескопической техники. На нем было измерено расстояние до звезды Веги.

В 1826 году преждевременная смерть помешала Фраунгоферу создать более крупные инструменты. Но его преемники и ученики Мерц и Малер продолжили его дело. В 1839 году им удалось изготовить для новой Пулковской обсерватории великолепный 15-дюймовый рефрактор, который восемь лет сохранял первенство среди рефракторов мира. При диаметре объектива 38 см пулковский рефрактор имел в длину около 7 м. Он был удобен в обращении и отличался превосходными оптическими качествами. Больший рефрактор с объективом в 18 дюймов Мерцу удалось изготовить для Миланской обсерватории лишь в 1879 году.

Еще Гюйгенс предложил в качестве окуляра использовать систему из двух плоско-выпуклых линз, направленных выпуклостью в одну сторону (рис. 17, слева). Позже Рамсден предложил сходный окуляр, где плоско-выпуклые линзы обращены выпуклостью друг к другу (рис. 17, справа). В отличие от окуляра Гюйгенса, окуляр Рамсдена можно использовать как обыкновенную лупу.

Рис. 17. Окуляры Гюйгенса (слева) и Рамсдена. D — диафрагма.

Оба типа окуляров хотя и лучше однолинзовых, но все же и у них оставались многие аберрации. Для максимально возможного устранения этих искажений были созданы многолинзовые сложные окуляры, обеспечивающие высокое качество изображения в сочетании с большим полем зрения. Кстати сказать, ахроматические оптические системы и объективов и окуляров в лучших своих вариантах уменьшают не только хроматическую, но и сферическую и другие типы аберраций. Полное устранение всех искажений — вот к чему уже третий век стремится телескопическая техника.

Старинные обсерватории России

Уже спустя шесть лет после изобретения зрительных труб в Москве появились заморские диковины — «трубочки, что дальнее, а в них смотря, видится близко». В описях дворцового имущества первых Романовых встречается перечень зрительных труб, которые, видимо, употреблялись больше для забавы, чем для каких-либо серьезных целей.

Вскоре появились в России и угломерные астрономические инструменты, завезенные с Запада. Однако до конца XVII века, по-видимому, никто их для научных целей не использовал. В начале второй половины XVII века в России был опубликован перевод книги Гевелия «Селенография», что способствовало распространению астрономических знаний среди просвещенной части тогдашнего русского общества. Первым русским астрономом принято считать Алексея Артемьевича Любимова, известного в исторической литературе под именем Афанасия, архиепископа Холмогорского.

В последнем десятилетии XVII века на побережье Ледовитого океана, в далеких от столицы Холмогорах, Афанасий занимался астрономическими наблюдениями в специально оборудованном для этой цели помещении. Судя по дошедшим до нас документам, Афанасий устроил обсерваторию в «задней келье» своего дома. К 1691 году в Холмогорах завершили строительство каменного собора, построенного под руководством Афанасия. Вполне возможно, что высокую колокольню этого собора Афанасий использовал как астрономическую вышку (что позже русские астрономы делали не раз). К сожалению, сведения о научной деятельности Афанасия крайне скудны и мы не знаем ни характера, ни результатов его астрономических наблюдений. На Куроострове, всего в двух километрах от Холмогор, в 1711 году, спустя девять лет после смерти Афанасия, родился Михаил Васильевич Ломоносов. В юности он, несомненно, слышал рассказы об Афанасии и его обсерватории, так что вполне возможно, что эти рассказы возбудили у Ломоносова интерес к астрономии.

Эпоха великих преобразований, связанных с энергичной деятельностью Петра и его соратников, была вместе с тем эпохой зарождения в России астрономической науки. Сам Петр, как известно, высоко ценил астрономические знания, понимая их значение для кораблевождения и картография. Во время заграничных путешествии Петр посетил Гринвичскую, Парижскую и Копенгагенскую обсерватории, где произвел самостоятельно астрономические наблюдения. В разных европейских странах Петр приобретал телескопы и угломерные инструменты, предполагая организовать в России научные астрономические наблюдения с их практическим выходом в теорию кораблевождения и геодезию. Особенно интересовали Петра солнечные затмения и солнечные пятна, которые он неоднократно наблюдал. Под руководством Петра началось систематическое картографирование нашей Родины, невозможное без астрономических определений широты и долготы. Весьма успешной оказалась экспедиция по картографированию Каспийского моря, об очертаниях и размерах которого в Европе были самые смутные представления. Подробную карту побережья Каспийского моря, составленную по заданию и под руководством Петра, высоко оценили на западе и Парижская Академия наук по этому случаю избрала Петра своим членом. Но Петра гораздо больше волновали не почетные звания, а дальнейшее развитие отечественной науки. Задумав учредить в России собственную Академию наук, Петр в проекте этого крупнейшего научного учреждения России предусмотрел и государственную астрономическую обсерваторию.

Впрочем, еще раньше (в 1700 году) в здании Московской Сухаревой башни, несколько напоминавшей адмиральский корабль тех времен, Петр учредил школу математических и «навигацких» наук. Здесь готовились офицерские кадры военно-морского флота и поэтому в 1716 году школа была переведена в новую столицу и преобразована в Санкт-Петербургскую морскую академию.

В первые же 16 лет XVIII века Сухарева башня служила не только школой, но и астрономической обсерваторией, где на одном из верхних этажей вел наблюдения ближайший соратник Петра Яков Вилимович Брюс. Кроме небольших рефракторов на Сухаревской обсерватории находились секстанты и квадранты, а также огромный звездный глобус диаметром более 2 м, вывезенный из Голландии еще при отце Петра. Наблюдения Брюса, как и Петра, носили, по-видимому, «ознакомительный» характер. Никаких открытий в астрономии они не сделали, но их роль в распространении астрономических знаний в России, конечно, очень велика.

В 1726 году, покинув государственную службу, Брюс уединился в своем подмосковном имении Глинки, где целиком предался научным занятиям, главным образом астрономии. Дом Брюса в Глинках имеет по обе свои стороны две обширные лоджии, которые и служили Брюсу площадками для наблюдений. Многие из астрономических инструментов Брюса после его смерти в 1735 году достались в наследство Петербургской академической обсерватории.

Стоит упомянуть и еще об одной частной обсерватории, построенной А. Д. Меншиковым в его Ораниенбауманском дворце. Сам Меншиков вряд ли занимался астрономией, но его обсерваторией пользовался Феофан Прокопович, один из главных иерархов русской церкви и немногих образованнейших людей России. Небольшие частные обсерватории были и в Петербурге.

Первая государственная обсерватория Петербургской Академии наук была сооружена в 1727 году в здании Кунсткамеры на Васильевском острове. Она просуществовала более 40 лет и долгое время оставалась крупнейшей обсерваторией России (рис. 18). Ее первым директором был парижский астроном Жозеф Делиль, приглашенный на постоянную работу в Россию. Здание обсерватории, сохранившееся до сих пор, представляет собой остроконечную башню, расположенную в центре фасада Кунсткамеры. Башня увенчивалась небольшой круглой огороженной площадкой, куда вела наружная винтовая лестница. Таскать по ней инструменты было крайне неудобно и вряд ли верхняя площадка использовалась когда-нибудь для серьезных астрономических наблюдений. Собственно обсерваторией, вероятно, служили верхние круглые залы башни с рядом широких и высоких окон. В таких условиях о длиннофокусных или воздушных телескопах не могло быть и речи. Поэтому на протяжении всей своей истории астрономы Петербургской академической обсерватории употребляли для наблюдений небольшие переносные рефракторы и угломерные инструменты. В частности, в обсерватории находился квадрант радиусом 45 см со зрительной трубой и астрономические часы. И то и другое было привезено из Франции.

В 1761 году произошло редкое событие — прохождение Венеры перед диском Солнца. Наблюдая это явление из разных мест, можно найти расстояние до Солнца. В Петербургской академической обсерватории в небольшие рефракторы прохождение Венеры наблюдали астрономы А. Д. Красильников и Н. Г. Курганов. Но они не заметили того, что заметил М. В. Ломоносов, проводивший одновременно наблюдения на своей домашней обсерватории. Она представляла собой небольшое одноэтажное здание с плоской, огороженной перилами крышей, куда изнутри вела лестница с верхним люком. С этой крыши в доллондонский рефрактор длиной 1,5 м (снабженный темным фильтром) Ломоносов заметил, как при вступлении на край Солнца вокруг Венеры появился ярко светящийся ободок — ее освещенная солнечными лучами «знатная» атмосфера. Это было первое крупное астрономическое открытие, сделанное русскими астрономами.

Рис. 18. Петербургская обсерватория.

В 1824 году на Дерптской обсерватории, как уже говорилось, был установлен ахроматический рефрактор Фраунгофера с поперечником объектива в 24 см. С этим отличным инструментом директор обсерватории В. Я. Струве в 1837 году впервые в история астрономии измерил расстояние до звезд. Он выбрал для наблюдений Вегу, одну из ярчайших звезд северного полушария неба, и нашел, что расстояние до нее составляет почти 27 световых лет.

В 1835 году, наблюдая комету Галлея в фраунгоферовский рефрактор. В, Я. Струве заметил, что блеск звезд, загороженных хвостом кометы, совершенно не изменился. Отсюда он сделал вывод о крайней разреженности вещества, из которого состоят хвосты комет.

Примерно в то же время, в 1831 году, на окраине Москвы в районе «Трех гор» начала свою деятельность Московская обсерватория, первым директором которой был Д. М. Перевощиков. Первоначальное оборудование обсерватории выглядело скромно — ее главным инструментом служил 4-дюймовый фраунгоферовский рефрактор. Кроме того, имелись различные небольшие, но высокоточные угломерные инструменты. Лишь в 1859 году на Московской обсерватории установили 10-дюймовый рефрактор Фраунгофера. В первой половине XIX века небольшие обсерватории возникли в Казани, Киеве и других русских городах.

Сто лет спустя после основания Петербургской академической обсерватории, в 1827 году, начались поиски места для постройки новой крупной обсерватории. В конце концов выбрали Пулковские высоты, в 30 км от сильно разросшейся столицы. Здесь в 1839 году в торжественной обстановке была открыта знаменитая Пулковская обсерватория, некоторое время считавшаяся астрономической столицей мира. Директором обсерватории был назначен В. Я. Струве, к тому времени уже академик. С момента закладки обсерватории в 1835 году и до ее вступления в строй Струве непосредственно руководил всеми строительными работами.

Главным инструментом Пулковской обсерватории стал великолепный рефрактор работы Мерца и Малера с диаметром объектива в 15 дюймов (38 см) и длиной 7 м. Его поместили в центральной башне здания, снабженной вращающимся куполом и раздвижным люком. С его помощью В. Я. Струве открыл много новых двойных звезд (его предварительный каталог двойных звезд, опубликованный в 1837 году, содержал 2710 объектов и был лучшим в мире). В 1847 году В. Я. Струве опубликовал монографию «Очерки звездной астрономии», где, вопреки распространенному в ту пору мнению, доказал, что Солнце находится не вблизи центра, а на периферии нашей звездной системы — Галактики. Другой важнейшей работой В. Я. Струве было открытие им поглощения света в межзвездном пространстве.

Пулковская обсерватория была оснащена лучшими в то время угломерными инструментами, позволявшими с невиданной до той поры точностью измерять координаты звезд. Эта кропотливая работа стала одним из главных направлений научной деятельности Пулковской обсерватории. Пулковские звездные каталоги принесли ей всемирную славу.

«Ни один астроном не может считать себя вполне усвоившим современную наблюдательную астрономию в ее наиболее разработанной форме, если он не познакомится с Пулковской обсерваторией во всех ее особенностях, — писал английский астроном прошлого века Эри. — Я ничуть не сомневаюсь в том, — продолжает он, — что одно пулковское наблюдение стоит по меньшей мере двух, сделанных где бы то ни было в другом месте».

Таким образом, к середине прошлого века русская астрономия прочно завоевала международный авторитет. Но совершенствование телескопов продолжалось и первенство 15-дюймового пулковского рефрактора оказалось недолгим.

Рекорды Альвана Кларка

При создании нового рефрактора два обстоятельства определяют успех — высокое качество оптического стекла и искусство его шлифовки. По почину Галилея многие из астрономов XVII века сами занимались изготовлением линз. В одном лице тогда должны были сочетаться таланты оптика, механика и астронома. Сочетание такого рода встречается не часто и потому уже в следующем XVIII веке функции были разделены: изготовлением линз занимались оптики, механической частью (то есть установкой телескопа) — механики, а наблюдениями — астрономы.

Из оптиков этого далекого прошлого следует вспомнить прежде всего Пьера Гинана, швейцарского рабочего, начавшего в XVIII веке свою карьеру оптика с изготовления очков и примитивных рефракторов с картонными тубусами. Однажды ему удалось увидеть английский «доллонд», и Гинан решил сам во что бы то ни стало научиться изготовлять такие рефракторы. В течение семи лет он пробовал самостоятельно отливать оптические стекла, однако поначалу успеха не имел. Но Гинан был человеком очень настойчивым и неудачи лишь подстрекали его к новым опытам. Он построил новую большую плавильную печь, в которой можно было плавить до 80 кг стекла. На это ушли почти все средства Гинана и много лет его семье пришлось жить впроголодь.

В конце концов упорство было вознаграждено. В 1799 году Гинану удалось отлить несколько отличных дисков поперечником от 10 до 15 сантиметров — успех по тем временам неслыханный. Спустя шесть лет Гинан отправился в Мюнхен, где стал первым инструктором Фраунгофера. В 1814 году, вернувшись во Францию, Гинан изобрел остроумный способ для уничтожения струйчатого строения в стеклянных болванках: отлитые заготовки распиливались и после удаления брака снова спаивались. Тем самым открывался путь к созданию крупных объективов.

Наконец Гинану удалось отлить превосходный диск диаметром 18 дюймов (45 см), который французский оптик Кошуа в 1823 году отшлифовал для Дублинской обсерватории. Это был последний успех Пьера Гинана. После его смерти в 1824 году секреты стекольного производства перешли к его сыну Г. Гинану, который спустя 4 года передал их французской фирме Г. Бонтана. Позже Г. Гинан создал фирму «Фейль-Гинан», которая после кончины Г. Гинана слилась с фирмой «Парра-Мантуа». Во время революции 1848 года Г. Бонтан переехал в Англию, где стал в Бирмингеме совладельцем стекольной фирмы «Ченс и братья». Вот от этих французских и английских фирм, использовавших секреты Гинана, получил стеклянные диски для крупнейших рефракторов мира знаменитый американский оптик Альван Кларк.

По профессии Кларк был живописец-портретист. В юности он был поденщиком, занимался разными механическими работами и, вероятно, это способствовало его первоначально любительскому увлечению — шлифовке старых линз. По совету старшего сына Джорджа Альван Кларк решил заняться изготовлением телескопов. Так возникла крупнейшая в западном полушарии оптическая фирма «Альван Кларк и сыновья». Объективы изготовлялись в американском Кеймбридже, причем испытание их оптических качеств производилось по искусственной звезде в тоннеле длиной 70 метров. Уже к 1853 году Альван Кларк достиг значительных успехов — в изготовленные им рефракторы удалось наблюдать ряд неизвестных ранее двойных звезд.

В 1862 году на Дирборнской обсерватории в штате Миссисипи был установлен 18-дюймовый рефрактор Кларка. В первые же ночи его великолепные оптические качества проявились в полной мере — сын Кларка Джордж обнаружил у Сириуса слабенькую звездочку-спутник, как оказалось впоследствии, первый белый карлик. Существование спутника по неправильностям в движении Сириуса было предсказано Бесселем, но знаменитый немецкий астроном, конечно, не предполагал, что спутник Сириуса откроет новую главу в астрофизике.

Одиннадцать лет спустя в Вашингтоне на Морской обсерватории начал действовать еще более крупный инструмент — 26-дюймовый рефрактор фирмы «Альван Кларк и сыновья». С помощью этого инструмента Асаф Холл в 1877 году открыл два спутника Марса — Фобос и Деймос. В том же памятном году весь мир облетело сообщение Скиапарелли об открытии на поверхности Марса загадочных «каналов». Разговоры о марсианской цивилизации увлекли многих и в 1894 году в штате Аризона Персиваль Ловелл, бывший дипломат, построил на свои средства крупную обсерваторию, главной задачей которой было решение проблемы об обитаемости Марса. В 1896 году на этой обсерватории появился очередной великолепный рефрактор Кларка с поперечником объектива в 24 дюйма.

Но еще раньше, в 1885 году, Альван Кларк побил свои прежние рекорды. В 1878 году Пулковская обсерватория обратилась к фирме Кларка с заказом на изготовление 30-дюймового, самого крупного в мире рефрактора. На создание этого инструмента русское правительство ассигновало 300 000 рублей. Заказ был выполнен за полтора года, причем объектив изготовил сам Альван Кларк из стекол парижской фирмы Фейль, а механическая часть телескопа была сделана немецкой фирмой Репсольд.

Новый Пулковский рефрактор оказался превосходным инструментом, одним из лучших рефракторов мира. Но уже в 1888 году на горе Гамильтон в Калифорнии начала свою работу Ликская обсерватория, оснащенная 36-дюймовым рефрактором Альвана Кларка (рис. 19). Отличные атмосферные условия сочетались здесь с превосходными качествами инструмента.

К концу прошлого века в «чемпионат» телескопов включились американские миллионеры. Им показалось соблазнительным увековечить свое имя пожертвованием средств на строительство крупной обсерватории. Начало этой «благотворительной» деятельности положил Джемс Лик, во время «золотой лихорадки» в Америке сколотивший себе огромное состояние. Он пожертвовал 700 000 долларов на строительство новой обсерватории при условии, что она будет носить его имя, а ее главный телескоп будет крупнейшим в мире. Условия эти были выполнены, а самого Лика по его завещанию похоронили в помещении построенной на его средства обсерватории.

Пример Лика нашел подражателей. Чикагский трамвайный магнат Чарльз Йеркс пожертвовал Чикагскому университету более миллиона долларов на создание телескопа, который по размерам и качествам превзошел бы Ликский рефрактор. Это невероятно сложное задание выполнила все та же фирма «Альван Кларк и сыновья», увы, без участия своего основателя — знаменитый оптик умер в 1887 году.

Исполинский объектив поперечником в 40 дюймов (точнее, 107 см) уже к 1893 году вчерне был готов.

Рис. 19. 36-дюймовый Ликский рефрактор.

В 1897 году недалеко от Чикаго начала свою деятельность Йеркская обсерватория, обладательница величайшего в мире рефрактора. Любопытно, что мастера фирмы Кларк тонкую шлифовку выполняли вручную, подгоняя отдельные части объектива под нужную форму. Эта мучительная работа, требующая огромного терпения и мастерства, заняла пять лет. Зато был достигнут рекорд, не превзойденный до сих пор. Вот уже более 80 лет не предпринимают даже попытки «побить» рекорды Альвана Кларка и его фирмы. Возможно, что здесь уже достигнут разумный предел. Объективы с поперечником более 40 дюймов должны быть слишком толстыми и потому поглощающими много света. Кроме того, под влиянием огромного собственного веса они прогибаются и по этой причине портятся создаваемые ими изображения.

Нет смысла побивать рекорды Альвана Кларка и по другим причинам. Длиннофокусные рефракторы типа Йеркского или Ликского обладают очень большим вторичным спектром и фотосъемка с их помощью дает расплывчатые изображения. Неудобны они и для спектральных и для астрометрических наблюдений — с меньшими инструментами получаются лучшие результаты. Видимо, рефракторы достигли «потолка» и будущее не за ними.

И все-таки в истории астрономии рефракторы Альвана Кларка, лучшие из существующих, сыграли огромную роль. Они обогатили и планетную и звездную астрономию открытиями первостепенного значения. Успешная работа на этих инструментах продолжается и поныне.

В игру вступают рефлекторы

Идея создания зеркального телескопа, или рефлектора была высказана при жизни Галилея Я. Цукки (1616 г.) и М. Мерсеном (1638 г.). Однако они, как позже Д. Грегори (1663 г.) и Г. Кассегрен (1672 г.) предложили лишь теоретические схемы инструментов, а сами инструменты построены не были. В 1664 году Роберт Гук изготовил рефлектор по схеме Грегори, но качество его оказалось настолько низким, что наблюдать что-либо в него не удалось.

Лишь Исаак Ньютон в 1668 году, наконец, построил первый действующий рефлектор. Этот крошечный телескоп по размерам уступал даже галилеевским трубам. Главное вогнутое сферическое зеркало из полированной зеркальной бронзы имело в поперечнике всего 2,5 см, а его фокусное расстояние составляло 6,5 см. Лучи от главного зеркала (рис. 20, а) отражались небольшим плоским зеркалом в боковой окуляр, представлявший собою плоско-выпуклую линзу. Первоначально рефлектор Ньютона увеличивал в 41 раз, но поменяв окуляр и снизив увеличение до 25 раз, Ньютон нашел, что небесные светила при этом вы-? глядят ярче и наблюдать их удобнее.

Рис. 20. Ход лучей в рефлекторах системы Ньютона (а), Грегори (б) и Кассегрена (в).

В 1671 году Ньютон соорудил второй рефлектор, чуть побольше первого (диаметр его главного зеркала был равен 3,4 см при фокусном расстоянии 16 см). Система Ньютона получилась весьма удобной и она успешно применяется до сих пор. Заметим, что вместо плоского зеркала в некоторых телескопах используются призмы полного внутреннего отражения.

Рефлектор по системе Грегори (рис. 20, 6) имеет несколько иное устройство. Лучи от главного зеркала падают на небольшое вогнутое эллипсоидальное зеркало, отражающее их в окуляр, который врезан в центральное отверстие главного зеркала. Эта система имеет некоторые преимущества перед системой Ньютона. Так как эллипсоидное зеркало находится дальше главного фокуса телескопа, изображения в рефлекторе Грегори прямые (как в театральном бинокле). При рассматривании земных предметов это удобно, а при наблюдении небесных тел безразлично. Так как эллипсоидное зеркало как бы удлиняет фокусное расстояние телескопа, в рефлекторах Грегори при прочих равных условиях можно применять большие увеличения, чем в рефлекторах Ньютона. Кроме того, наблюдатель смотрит на небесный объект прямо, что при наведении на светило представляет некоторое удобство.

Если вогнутое Эллипсоидальное зеркало заменить выпуклым гиперболическим, получаем систему Кассегрена (рис. 20, б). Так как гиперболическое зеркало встречает лучи, отраженные главным зеркалом до фокуса, кассегреновские рефлекторы короткие, компактные, что удобно для некоторых астрофизических наблюдений.

Позже были предложены и другие оптические системы рефлекторов, но наиболее популярными оказались три описанные системы. Любопытно, что в современных крупных рефлекторах есть устройства, позволяющие от ньютоновской комбинации переходить к кассегреновской и обратно.

Первые рефлекторы Ньютона были настолько примитивными, что явно не выдерживали конкуренции даже с «воздушными» рефракторами. Однако вскоре выявились некоторые неоспоримые достоинства рефлекторов, которые в конечном счете позволили им одержать решительную и окончательную победу в чемпионате телескопов.

Главное преимущество рефлекторов — отсутствие у зеркал хроматической аберрации. Если же главному зеркалу придать форму параболоида вращения, то можно теоретически свести к нулю и сферическую аберрацию (во всяком случае для лучей, падающих на главное зеркало параллельно его оптической оси). Изготовление зеркал — дело более легкое, чем шлифовка огромных линзовых объективов, и это также предрешило успех рефлекторов. Из-за отсутствия хроматической аберрации рефлекторы можно делать очень светосильными (до 1:3), что совершенно немыслимо для рефракторов. При изготовлении рефлекторы обходятся гораздо дешевле, чем равные им по диаметру рефракторы.

Есть, конечно, недостатки и у зеркальных телескопов. Их трубы открыты и токи воздуха внутри трубы создают неоднородности, портящие изображения. Отражающие поверхности зеркал сравнительно быстро тускнеют и нуждаются в восстановлении. Для отличных изображений требуется почти идеальная форма зеркал, что трудно исполнить, так как в процессе работы форма зеркала слегка меняется от механических нагрузок и колебаний температуры. И все-таки рефлекторы оказались наиболее перспективным типом телескопов.

Уже в 1721 году Джон Гадлей построил ньютоновский рефлектор с диаметром бронзового зеркала 15 см при фокусном расстоянии 158 см. В него легко наблюдались не только спутники Юпитера, но и такие объекты, как щель Кассини в кольце Сатурна, которую с трудом различал Гюйгенс в свой 37-метровый «воздушный» рефрактор.

В-1732 — 1768 гг. сначала в Эдинбурге·, а затем в Лондоне Джемс Шорт организовал фабричный выпуск высококачественных рефлекторов. Большинство из них было построено по системе Грегори, причем самый большой имел поперечник главного зеркала, равный 55 см. Даже спустя 200 лет при, проверке шортовских рефлекторов советские ученые могли еще раз убедиться в их очень высоких качествах.

На Петербургской академической обсерватории употреблялись для наблюдения небольшие рефлекторы системы Грегори. Большого успеха в изготовлении рефлекторов достиг Яков Брюс — крупнейшее из зеркал, им изготовленных, имело поперечник полметра. Строил рефлекторы и знаменитый русский изобретатель И. П. Кулибин.

М. В. Ломоносов применил в рефлекторах новую систему, получившую позже его имя. Главное зеркало он слегка наклонял так, что фокальное изображение получалось вблизи входного отверстия телескопа. Здесь Ломоносов укреплял окуляр, в который и вел наблюдения. Система Ломоносова имела то преимущество, что в ней не требовались промежуточные зеркала или призмы, в которых терялась часть света. Но, с другой стороны, давали себя знать различные аберрации (кома, астигматизм, дисторсия), менее заметные в других системах рефлекторов. Тем не менее система Ломоносова использовалась впоследствии и другими астрономами при наблюдениях в очень крупные рефлекторы. Среди них был и основоположник звездной астрономии Вильям Гершель.

Вильям Гершель и его последователи

Гершели были выходцами из Моравии. В XVII веке, вероятно, по религиозным убеждениям, семейство Гершелей покинуло родину и переселилось в Саксонию, где в 1738 году у полкового музыканта Исаака Гершеля родился сын Вильям. Это был четвертый сын в многодетной семье, которому предстояло стать одним из величайших астрономов мира.

Уже в детские и юношеские годы Вильям Гершель проявил любовь к точным наукам. Однако долгое время ему приходилось идти по стопам своего отца, что, впрочем, он делал с большим успехом. Вильям Гершель прекрасно играл на гобое, скрипке и уже в 17-летнем возрасте вместе с отцом ездил в Англию на гастроли. Два года спустя он окончательно переехал из Ганновера в Англию, которая и стала его второй родиной. Здесь в городе Бате Вильям Гершель стал органистом местной капеллы и учителем музыки. Хотя обе должности приносили немалый доход, Гершель все же не считал занятия музыкой своим основным призванием. Все свободное время он уделял чтению книг по астрономии, оптике, математике. В конце концов у него возникло сильнейшее желание самому увидеть те небесные объекты, о которых он читал в книгах.

В 1773 году в руки Гершеля на короткое время попал небольшой телескоп. Качество этого инструмента было невысокое и первый опыт астрономических наблюдений побудил Гершеля самому заняться изготовлением рефлекторов. Здесь проявились замечательные качества великого астронома — необыкновенное трудолюбие, соединенное с высоким мастерством. За два последующих десятилетия Гершель собственноручно изготовил 430 параболических зеркал! Заметим, что первые 15 лет он шлифовал зеркала вручную и лишь после этого изобрел специальные машины для шлифовки и полирования.

Шлифовать металлические зеркала очень трудно. Это нудная работа, которую нельзя прерывать ни на минуту и которая длится иногда подряд около шестнадцати часов. В такие тяжелые дни сестра Вильяма Каролина Гершель кормила своего брата — шлифовальщика из собственных рук. Женщина эта оставила заметный след в истории астрономии. Кроме постоянной помощи брату в наблюдениях и вычислениях, Каролина Гершель за свою долгую 98-летнюю жизнь самостоятельно открыла несколько комет.

Первый рефлектор Гершель построил по системе Грегори. Его зеркало имело диаметр 16 см и фокусное расстояние около двух метров. Первое наблюдение с этим инструментом (туманности Ориона) в дневнике Гершеля помечено 4 марта 1774 года. Среди последующих многочисленных телескопов Гершеля особо следует отметить 20-футовые и 40-футовые[7] рефлекторы.

Первый из этих инструментов обладал зеркалом с поперечником в 47 см и был в ту пору крупнейшим телескопом мира. Его штативом служила громоздкая и примитивная установка из лестниц, канатов и блоков. Нижняя рама этой установки имела ролики, катившиеся по кольцевому желобу. Таким образом 20-футовый рефлектор Гершеля мог перемещаться и по высоте и по азимуту.

Свои главные астрономические открытия Гершель сделал именно с этим телескопом. За долгие годы наблюдений он открыл около 2500 туманностей, 806 двойных звезд, совершил четыре полных обзора доступной ему части звездного неба. Его подсчет количества звезд в разных направлениях (знаменитый «метод черпков») позволил впервые, разумеется, в самых общих чертах, представить себе строение нашей звездной системы — Галактики. Гершель не щадил себя — иногда за ночь он успевал внимательно пронаблюдать до 400 различных небесных объектов!

13 марта 1781 года, наблюдая окрестности звезды Эта Близнецов, Гершель неожиданно заметил странное тело с заметным диском. Это была новая, неизвестная дотоле крупная планета Солнечной системы, обращающаяся вокруг Солнца далеко за орбитой Сатурна. Поначалу Гершель в честь английского короля Георга назвал новую планету Георгией. Но традиция в конце концов восторжествовала и новая планета окончательно получила наименование Уран (по имени мифического бога неба).

Это первое крупное открытие Гершеля сразу принесло ему всемирную известность. Из скромного музыканта, любителя астрономии, Гершель стал Королевским астрономом Англии — должность, тотчас предоставленная ему королем. Гершель вместе с сестрой переехал в Слоу (близ Виндзора) и ему правительством были отпущены средства на строительство исполинского по тем временам 40-футового рефлектора.

В 1789 году новый телескоп был готов. Еще до того как телескоп укрепили в рабочем положении, его тубус, лежащий на Земле, осмотрели король, архиепископ Кентерберийский и прочая английская знать. Размеры и качества инструмента вызвали всеобщее восхищение. Король сам залез внутрь трубы и пригласил последовать за собою главу английской церкви, шутливо сказав при этом, что он «покажет ему путь на небо».

Крупнейший из гершелевских телескопов и впрямь даже на рисунке (рис. 21) производит внушительное впечатление. Его установка почти копировала ту, которую Гершель использовал для 20-футового рефлектора. Наблюдения с ним велись по системе Ломоносова — малого отражающего плоского зеркала не было, а окуляр укреплялся около входного отверстия трубы. Иногда Гершель обходился и вовсе без окуляра — его роль выполнял хрусталик глаза наблюдателя.

И все-таки свой крупнейший телескоп Гершель редко использовал для наблюдений. Гигантский тяжелый инструмент с его системой блоков и канатов был очень неуклюж, а огромное металлическое зеркало прогибалось под действием собственного веса, из-за чего сильно портились изображения. Это зеркало диаметром 122 см при толщине 9 см весило немногим менее тонны. Оно представляло собою сплав из 75 % меди и 25 % олова. Зеркала такого типа быстро тускнели, давали трещины и требовали частой переполировки. И такими несовершенными инструментами Гершель сумел сделать великие открытия!

Рис. 21. 40-футовый телескоп Гершеля.

К тому, что уже говорилось выше, добавим, что Вильям Гершель первым обнаружил движение Солнечной системы в пространстве; он открыл ряд спутников других планет; им впервые замечены активные вулканические процессы на Луне. Вообще трудно назвать ту отрасль астрономии, в которую не внес бы крупный вклад этот неутомимый труженик науки.

Вильям Гершель скончался в 1822 году на 84-м году своей жизни. Он похоронен в Слоу, недалеко от крупнейшего своего детища. Его единственному сыну Джону предстояло выполнить для южного полушария неба такую же работу, которую его отец совершил в Англии.

В отличие от Вильяма Гершеля, Джон Гершель уже сразу получил специальное физико-математическое образование в Кембриджском университете. Позже вместе с отцом он успешно проводил астрономические наблюдения, открыв при этом ряд новых двойных звезд и туманностей.

В 1833 году Джон Гершель вместе с семьей переехал в Южную Африку. С ним на 15 судах были доставлены в Капштадт 20-футовый рефлектор и другие инструменты. У подножия Столовой горы, недалеко от Капштадта, Джон Гершель построил обсерваторию. Здесь в течение четырех лет он подробно исследовал южное звездное небо, открыв множество неизвестных двойных звезд, звездных скоплений и туманностей. Тут же был снова применен «метод черпков», что позволило уточнить структуру Галактики.

После возвращения в Англию в 1838 году Джон Гершель привел в систему результаты наблюдений как своих, так и своего отца. В конце 1839 года по распоряжению Джона Гершеля труба исполинского 40-футового телескопа была положена на землю, а год спустя семейство Гершелей устроило внутри этой трубы некую церемонию. Здесь был пропет реквием в память Вильяма Гершеля, сочиненный его сыном, а затем трубу заколотили и, как сказано в реквиеме, она была «отдана в жертву всесокрушающему времени». Зеркало же телескопа до сих пор хранится в доме Гершелей, в Слоу.

Пример Вильяма Гершеля нашел себе последователей. В 1845 году английский пивовар Вильям Лассель после долгих трудов собственноручно построил отличный по качеству рефлектор с поперечником зеркала 61 см. Этот инструмент Лассель установил в своем имении Старфильд, вблизи Ливерпуля, и уже 10 октября 1846 года с его помощью был открыт Тритон — спутник недавно открытого Нептуна. Позже в 1851 году Лассель открыл два спутника Урана — Ариэль и Умбриэль.

В 1861 году ему удалось построить вдвое больший рефлектор с поперечником зеркала в 122 см — таким же, как у 40-футового телескопа В. Гершеля. Оба свои телескопа Лассель перевез на остров Мальту, где и погода была устойчивее и часть южного полушария звездного неба, недоступная в Англии, была здесь легко наблюдаемой.

Самый крупный рефлектор с металлическим зеркалом был сооружен ирландским аристократом Вильямом Парсонсом, носившим титул лорда Роеса. Окончив Кембриджский университет и не нуждаясь в средствах, лорд Росс почти полностью отдался научным занятиям. Располагая громадным богатством, он решил соорудить крупнейший в мире телескоп, превзойдя в этом Вильяма Гершеля. После неудачных опытов с жидкими линзами Росс всю свою энергию обратил на создание исполинского рефлектора. К великому сожалению, Джемс Шорт, великий умелец в изготовлении высококачественных рефлекторов, перед смертью уничтожил все секреты своей фирмы и потому Росс должен был до всего доходить сам. Не было у него и деятельных, знающих помощников. Но все эти трудности не сломили его упорство.

В своем поместье Росс построил оптико-механические мастерские, своих крестьян он обучил оптике и механике, превратив их тем самым в опытных механиков и инженеров. Все вспомогательное оборудование находилось на высшем уровне тогдашней техники. Шлифовальные механизмы обслуживали паровые машины; всюду, где можно было механизировать ручной труд, Росс это сделал. Короче говоря, ирландский лорд всерьез превратился в знающего руководителя большого оптико-механического предприятия.

Трудно представить себе более тяжелый для обработки материал, чем сплав из четырех частей меди и одной части олова, на котором в конце концов остановился Росс. Этот материал был тверже стали, но хрупок как стекло, так что при малейшей неловкости в обращении с ним он дробился на множество мелких осколков. Но зато после полировки он отражал гораздо больше света, чем любые другие известные в те времена металлические сплавы.

Исполинское зеркало в 2 м диаметром и 15 см толщиной с фокусным расстоянием 14 м было отлито весной 1842 года. Три года ушло на его обработку и наконец в феврале 1845 года «левиафан» лорда Росса стал пригодным для созерцания Вселенной.

Установка телескопа вполне отвечала его размерам. Чтобы огромное зеркало не изгибалось под действием собственного веса, Росс придумал сложную систему платформ, подпорок и рычагов, обеспечивающих стабильность формы зеркала. Труба рефлектора длиной 18 м была сделана из еловых досок, скрепленных железными обручами. Внутри этой трубы свободно мог пройти человек с зонтиком (что, кстати сказать, и сделал местный пастор).

Рис. 22. Телескоп лорда Росса.

С двух сторон телескоп прикрывали огромные каменные стены, служившие и защитой от ветра и опорой для инструмента (рис. 22). Нижний конец, весивший 15 г, опирался на универсальный чугунный шарнир. Верхний же конец трубы фиксировался с помощью крепких цепей. Двое рабочих, вращая ворот, опускали или, наоборот, поднимали трубу по указанию Росса. К сожалению, по азимуту она могла сдвигаться в обе стороны не более чем на 12 градусов Так как Росс для своего «левиафана» использовал систему Ньютона, площадка наблюдателя находилась сбоку от инструмента. Впрочем, иногда Росс наблюдал и по системе Ломоносова.

Открытия, сделанные Россом, трудно переоценить. Он увидел много новых двойных звезд, звездных скоплений и туманностей. Некоторые из последних, казавшиеся Гершелю облачками белого тумана, распались при наблюдениях в телескоп Росса на отдельные звезды. Россу удалось разложить на звезды даже края туманности Андромеды, чем было положено начало детальному изучению других звездных систем. Росс был первым, кто открыл спиральное строение некоторых из внегалактических туманностей.

После смерти Росса зеркало его телескопа быстро потускнело и пришло в негодность. Однако вплоть до первой четверти текущего века никому не удавалось создать телескоп более крупный, чем тот, с которым работал лорд Росс — пожалуй, величайший из любителей астрономии.