У истоков астрономии
410 лет назад, в 1609 году, итальянец Галилео Галилей, впервые наблюдая через телескоп небесные тела, смог разглядеть кратеры на Луне, отдельные звезды Млечного Пути и спутники Юпитера. Свои наблюдения Галилей описал в книге «Звездный вестник», которая произвела фурор в научной среде. Этот момент считается одним из поворотных в становлении астрономии как науки о Вселенной.
Галилео Галилей демонстрирует свой телескоп в Венеции. Фреска Джузеппе Бертини
Первые зрительные трубы, изучая которые Галилей собрал свой телескоп, были изготовлены в 1607 году в Голландии. Но до этого еще в 1509 году Леонардо да Винчи в своих записях сделал чертежи простейшего линзового телескопа и предлагал смотреть через него на Луну.
Устройство первых телескопов было достаточно простым. В трубе на расстоянии располагались две линзы: объектив − выпуклая линза с фокусным расстоянием в 10, 20 или 30 дюймов и окуляр – вогнутая рассеивающая линза. Недостатками такого устройства являлись малое поле зрения и слабая яркость картинки.
В 1611 году немецкий ученый Иоганн Кеплер предлагает свою конструкцию телескопа – с двумя собирающими линзами. Эта схема давала перевернутое изображение, но зато оно было более ярким, и при этом значительно расширялось поле зрения. Первый телескоп по схеме Кеплера был сделан в 1613 году ученым-иезуитом Кристофом Шейнером. Он же впервые использовал для наведения телескопа две взаимно перпендикулярные оси, одна из которых стоит под прямым углом к плоскости экватора, что помогало компенсировать вращение Земли при наблюдениях.
Рефлектор Ньютона и другие телескопы
Первый телескоп, собранный Галилеем, имел трехкратное увеличение. Позже ему удалось добиться 32-кратного приближения. В дальнейшем ученые поняли, что увеличение фокусного расстояния улучшает качество изображения и помогает избежать аберраций, или искажений. Размеры телескопов при этом стали достигать 100 метров.
Одним из существенных искажений, которые мешали работе пионеров астрономии, был хроматизм, когда изображение становилось нечетким и у него появлялись яркие цветные контуры. Чтобы избавиться от хроматических аберраций, англичанин Исаак Ньютон, экспериментировавший в 1660-е годы с оптикой, решает заменить выпуклую линзу на сферическое зеркало. Для этого он добавляет в бронзу мышьяк и разрабатывает хорошо поддающийся шлифовке материал. Первый телескоп-рефлектор был построен Ньютоном в 1668 году. Длиной он был всего 15 см и диаметром 33 мм. Ученый смог добиться 40-кратного увеличения высокого качества. Новый телескоп настолько понравился королю, что Ньютон был избран членом Королевского общества.
Оригинальный телескоп-рефлектор Исаака Ньютона. Фото Лондонского королевского общества
В 1672 году француз Лоран Кассегрен предложил двухзеркальную схему, где первое зеркало было параболическим, а в качестве второго рефлектора выступал выпуклый гиперболоид, располагающийся перед фокусом первого. Первый подобный телескоп был сделан в 1732 году. Таким образом, уже в конце XVII века были разработаны все основные схемы телескопов, которые совершенствовались в последующие годы.
Реплика от «Швабе»
Сегодня ощутить себя астрономами далекого прошлого можно благодаря ученым из столицы Сибири. В 2008 году на Новосибирском приборостроительном заводе (НПЗ) холдинга «Швабе» воссоздали телескоп-рефлектор, созданный Исааком Ньютоном в 1668 году. Первые экземпляры устройства выпустили как памятные сувениры для гостей Новосибирска, приехавших посмотреть на полное солнечное затмение, так называемое русское. Но спрос оказался таким высоким, что телескопы продолжали выпускать по единичным заказам, а потом и вовсе решили запустить серийное производство – под названием ТАЛ-35.
Чертежи телескопа создавали практически с нуля – на основе архивной информации. Оптическая труба ТАЛ-35 состоит из двух частей: подвижной и основной. Монтировка (подвижная опора телескопа) представляет собой деревянный шар. В рефлекторе Ньютона зеркало повернуто к оптической оси под углом 45 градусов, поэтому наблюдение ведется не с торца телескопа, а в боковой части.
Реплика телескопа Ньютона. Фото: «Швабе»
Детали телескопа Ньютона изготавливают на тех же линиях, где серийно производят линейку известных в мире телескопов ТАЛ. Единственное отличие копии от исторического оригинала – это качество изображения. Если Ньютон использовал для отражения полированную бронзовую пластину, то реплику оснастили оптическим зеркалом, обработанным алюминием. Таким образом, несмотря на сувенирное назначение, эти телескопы можно использовать и для наблюдений.
Астрономия – одна из важнейших наук, формирующих мировоззрение. Несколько лет назад она вернулась в обязательную школьную программу старших классов. Выпускаются новые учебники, в ЕГЭ добавляются астрономические вопросы. Как отмечает генеральный директор НПЗ Василий Рассохин, в создании телескопа ТАЛ-35 новосибирцы руководствовались не только популярностью прибора как сувенира: «Мы уверены, что телескопы Ньютона станут первым шагом в большую науку для многих молодых людей».
Экскурсия в астрофизическом центре
Посещение обсерватории строго регламентировано, всего сорок минут. За это время экскурсовод (научный сотрудник САО РАН) вам расскажет, как создавался БТА и многие интересные факты. Например, для этого телескопа необходимо было зеркало диаметром шесть метров, весом 42 тонны. Его выливали тогда еще в Ленинграде. По технологии необходимо было ждать около двух лет, чтоб оно остыло. Но наши ученые очень торопились. И по пути к Архызу (район Зеленчукский) оно дало трещину, потому что остыло раньше, чем положено. Тогда создали второе зеркало. Для него успели проложить специально новую, широкую дорогу в горы к поселку Архыз. Обсерватория получила зеркало, которое и сегодня служит на благо астрофизики.
По ходу экскурсии вы будете подниматься по винтовой лестнице. И на верхнем этаже вас будет ждать заветная дверь, ведущая к самому большому телескопу в России, который следит за Вселенной и различными галактиками. Есть у обсерватории свой сайт. Уникальность его заключается в том, что, сидя дома за ноутбуком, можно наблюдать за видами из телескопа в реальном времени.
Проблемы
Главная обсерватория в тумане.
Как и для других больших телескопов, большой проблемой являются температурные деформации главного зеркала. У БТА эта проблема особенно остро выражена из-за большой массы и термической инерции зеркала и купола, а также отсутствия адаптивной оптики, применяемой на всех больших телескопах, и позволяющей при наблюдении нивелировать атмосферные искажения путём ежесекундной коррекции формы зеркала и создания «искусственной звезды». Если температура зеркала БТА изменяется быстрее, чем на 2 °C в сутки, разрешение телескопа падает в полтора раза. Для увеличения продолжительности наблюдательного времени температура помещения телескопа регулируется с помощью системы кондиционирования и приводится к ожидаемой температуре ночного воздуха ещё до открытия забрала. Запрещено открывать купол телескопа при разности температур снаружи и внутри башни больше, чем на 10 °C, так как такие перепады температуры могут привести к разрушению зеркала. Многие из этих проблем решились бы, будь на телескопе современное зеркало из ситалла — впрочем, денег на него не нашлось. Взамен решили переделать имеющееся зеркало (см. ниже).
Второй проблемой являются атмосферные условия на Северном Кавказе. Так как место расположения телескопа находится по ветру от крупных вершин Кавказского хребта, турбулентность атмосферы значительно ухудшает условия видимости (особенно по сравнению с телескопами в более благоприятных местах) и не позволяет использовать весь потенциал угловой разрешающей способности зеркального телескопа.
За период наблюдений на БТА с 1 января 1994 года по 31 декабря 2010 года изображения с разрешением лучше 1 угловой секунды насчитывают 4 % (51 ночь), изображения с разрешением лучше 1,5 угловых секунды — 38 % (501 ночь), а изображения с разрешением лучше 2 угловых секунд — 67 % (881 ночь).
Несмотря на имеющиеся недостатки, БТА был и остаётся важным научным инструментом, способным видеть звёзды до 26-й величины. В таких задачах, как спектроскопия и спекл-интерферометрия, где собирающая способность важнее разрешения, БТА даёт хорошие результаты.
Устройство
БТА является телескопом-рефлектором. Главное зеркало диаметром 605 см имеет форму параболоида вращения. Фокусное расстояние зеркала 24 метра, вес зеркала без учёта оправы — 42 тонны. Оптическая схема БТА предусматривает работу в главном фокусе главного зеркала и двух фокусах Несмита. В обоих случаях можно применять корректор аберраций.
Телескоп установлен на альт-азимутальной монтировке. Масса подвижной части телескопа — около 650 тонн. Общая масса телескопа — около 850 тонн.
Главный конструктор — доктор технических наук Баграт Константинович Иоаннисиани (ЛОМО).
Главное зеркало телескопа обладает значительной температурной инерционностью, которая приводит к деформации зеркала и искажению его рабочей поверхности. Для снижения влияния температурных эффектов на качество изображения башня телескопа изначально была оборудована системой вентиляции подкупольного пространства. В настоящее время в башне установлены охлаждающие установки, призванные в случае необходимости искусственно понизить температуру главного зеркала телескопа в соответствии с текущим прогнозом погоды.
Отражающее покрытие зеркала выполнено из незащищённого алюминия толщиной в 100 нанометров. Технология алюминирования главного зеркала телескопа, разработанная изготовителем, предусматривала замену рабочего слоя алюминия каждые 3—5 лет. Совершенствованием узлов вакуумной установки алюминирования зеркала (ВУАЗ-6) срок эксплуатации зеркального слоя удалось довести в среднем до 10 лет. Последний раз алюминиевый слой главного зеркала БТА менялся в июле 2015 года.
Время гигантов
В середине XIX века появились первые фотографии, выполненные с помощью телескопов
В 1860-е годы произошло важное событие в мире астрономии – англичанин Уильям Хаггинс впервые использовал вместе с телескопом спектроскоп. Ученый исследовал спектры излучения звезд и доказал различия между галактиками и туманностями.
Если во второй половине XIX века моду задавали телескопы-рефракторы, то в XX веке лидерами стали зеркальные рефлекторы. И сегодня в большинстве телескопов используются зеркальные схемы.
Большой телескоп азимутальный. Фото: Руслан Зимняков/Flickr
В 1917 году в Калифорнии был построен зеркальный телескоп Хукера диаметром 100 дюймов (2,54 м), с помощью которого Эдвин Хаббл делал свои открытия. В 1948-м там же был запущен телескоп Хейла диаметром 5,15 м. Он оставался самым крупным в мире до 1976 года, когда в СССР был открыт БТА (Большой телескоп азимутальный), установленный в Специальной астрофизической обсерватории на горе Семиродники около Нижнего Архыза. Это был первый телескоп с альт-азимутальной компьютеризованной монтировкой. Основные работы по телескопу выполняли предприятия, входящие сегодня в холдинг «Швабе»: Лыткаринский завод оптического стекла и Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова. По сей день зеркало БТА диаметром 605 см является самым большим по массе.
С каждым десятилетием сложность и размеры телескопов растут. Так, самый большой в мире телескоп с цельным зеркалом диаметром 10 м находится на Гавайских островах. На Канарских островах есть еще более крупный Большой Канарский телескоп диаметром 10,4 м. Но его первичное зеркало не является цельным − оно собрано из 36 зеркальных шестиугольных сегментов. Применение ячеистых зеркал стало новым шагом в развитии телескопов.
Где находится обсерватория РАН
Самая большая астрономическая обсерватория расположена в горах Карачаево-Черкесии. Это край горных красот. Чтобы увидеть большой телескоп, вам предстоит ехать в район Зеленчукский. Комплекс стоит на горе Пастухова между двух населенных пунктов — одноименной станицей и поселком Архыз. Так, например, из Краснодара до Нижнего Архыза ехать всего 346 километров.
От Зеленчукской станицы нужно ехать в сторону Архыза. По пути вы встретите маленькую красивую церковь и рынок, где продают сувениры. Проехав далее чуть меньше километра, вы упретесь в шлагбаум. Он открыт в экскурсионное время.
Дорога хорошего качества. Вы поднимаетесь все выше по серпантинной дороге. Водители экскурсионных автобусов всегда паркуются на смотровой площадке, чтоб путники могли сделать красивые фотографии на фоне горного хребта Абишир-Ахуба над рекой Большой Зеленчук. Вот уже виднеется купол главной обсерватории страны.