З історії телескопів

З грецької «телескоп» перекладають так: «теле» — «далеко», «скопео» — «дивлюся».

Астрофізичні дослідження небесних тіл почалися З XVII ст., коли голландські оптики винайшли «збільшувальну трубу». Пер­шим, хто оцінив роль цього винаходу для астрономії, був професор Падуанського університету Галілео Галілей. Власноруч він вигото­вив три телескопи зі збільшенням від 3 до ЗО разів. До речі, саме тоді збільшувальні труби назвали телескопами.

Восени 1609 р. Галілей почав спостереження, пізніше описані в його відомій астрономічній праці «Зоряний вісник». Враження від побаченого були незвичайними. «Я не тямлю себе від здивуван­ня, — писав він, — тому що встиг переконатися, що Місяць являє собою тіло, подібне до Землі». На поверхні Місяця Галілей поба­чив гори й видолинки. Венера виявилася схожою на маленький Місяць, і зміна її фаз доводила обертання Венери навколо Сонця. Планета Юпітер постала перед здивованим Галілеєм малюсіньким диском, навколо якого оберталися маленькі зірочки — його супут­ники. Отже, Юпітер із системою своїх місяців виявився зменшеною подобою Сонячної системи. У Сатурна Галілей помітив якісь дивні додавання — сліди його знаменитого кільця. На поверхні Сонця чітко виднілися темні плями, що спростовувало вчення Арістоте- ля про «недоторканну чистоту небес». Фізичний вигляд знайомих небесних тіл виявився незвичайним. У телескопі Галілей побачив безліч недоступних неозброєному оку зір 7-ї і 8-ї зоряних величин. Деякі «туманності» на зоряному небі складалися з безлічі зір. Су­купністю малосвітних зір виявився і Чумацький Шлях.

Рис.2

У будь-якому телескопі є об’єктив і окуляр. Об’єктив збирає промені від світила і створює у своєму фокусі його зображення. Це зображення розглядають через сильну лупу, що називається оку­ляром.

У телескопах Галілея об’єктивом служила плоско-опукла зби­ральна лінза, а окуляром — розсіювальна плоско-увігнута лінза. За своєю оптичною схемою вони нагадують театральний бінокль.

Йоганн Кеплер 1611 р. запропонував іншу схему, у якій і об’єктив, і окуляр були двоопуклими лінзами. Це розширило поле зору, і тому кеплерівська система телескопа незабаром стала панів­ною. Перевага телескопів подвійна: вони збирають набагато більше світла, ніж людське око, і збільшують кут зору, під яким спостері­гаємо предмет (див. рис. 2).

Перші телескопи були вкрай недосконалі. їхні лінзи спотворю­вали зображення, інакше кажучи, створювали аберації. Головні з них — сферична і хроматична аберації.

Сферична аберація полягає в тому, що краї лінз сильніше за­ломлюють світло, ніж їхні центральні частини. З цієї причини про­мені від об’єктива сходяться в різних точках (фокусах) і зображен­ня виходить нечітким, розмитим.

Хроматична аберація виражається інакше: промені різного кольору заломлюються лінзами по-різному — сильніше над усе фіолетові, найслабше — червоні. Зрештою, зображення в перших телескопах були не тільки розмитими, але й «райдужними», за­барвленими в різні кольори.

Чим більше фокусна відстань об’єктива (за того самого діаме­тра), тим менше аберація. Тому послідовники Галілея будували довгофокусні, надзвичайно громіздкі і важкі в керуванні телеско­пи. Така ситуація тривала майже півтора століття, і деякі лінзові телескопи тих часів досягали в довжину 40 м. За допомогою склад­ної системи блоків їх закріплювали на високих щоглах, а окулярну частину телескопа залишали на землі. Часом і зовсім обходилися без тубуса (труби) і користувалися «повітряною» системою — об’єктив кріпився на високій щоглі, а окуляр тримали в руках.

До середини XVIII ст. телескопи з однолінзовими системами за­старіли, і порятунком у цій ситуації стали багатолінзові об’єктиви і окуляри. Уявіть собі складний об’єктив, що складається з двоопу­клої і плоскоопуклої лінз. Якщо підібрати відповідну кривину по­верхні лінз і сорти їхніх стекол, аберації однієї лінзи компенсують «протилежні аберації» іншої, і вийде об’єктив, що не дає спотво­рень. Теоретично така можливість була доведена ще 1695 р. англій­ським оптиком Дж. Грегорі, а 1733 р. Г. Хол знайшов сорти стекол для складного об’єктива. Його послідовник Дж. Доллонд із 1758 р. почав виготовляти «ахроматичні» об’єктиви, що не давали рай­дужних зображень.

На початку XIX ст. німецький оптик і астроном Й. Фраунго­фер почав виготовляти телескопи, які і за розмірами, і за якістю перевершували телескопи Доллонда. Абсолютний рекорд у зма­ганні рефракторів було досягнуто 1897 р. На кошти мільйонера Йєркса фірма «Альван Кларк і сини» побудувала велетенський ін­струмент — рефрактор з діаметром об’єктива 102 см (40 дюймів). 40-дюймовий рефрактор Йєркської обсерваторії, розташований по­близу Чикаго, і дотепер залишається найбільшим рефрактором сві­ту. Будувати ще більші лінзові об’єктиви ніхто не наважується — труднощі, що супроводжують під час їх створення, колосальні, а ефективність надто мала. Поглинання більш товстих лінз зводить нанівець вигоду від збільшення отвору. Крім того, величезна вага лінз змушує їх прогинатися, що спотворює зображення. У чемпіо­наті телескопів пальма першості належить рефлекторам.

Ідея дзеркального телескопа, чи рефлектора, уперше була за­пропонована ще за життя Галілея Н. Цукії (1611) і М. Мересеном (1638). Трохи пізніше подібні схеми рефлекторів були теоретично розроблені Д. Грегорі (1663), Кассегреном (1672). 1664 p. Р. Гук на­віть виготовив рефлектор за системою Грегорі, однак якість його була настільки низькою, що спостереження з ним не проводили.

Рис 3. Оптична схема телескопа Ньютона

І тільки у 1668 р. Ісаак Ньютон побудував перший діючий реф­лектор (рис.3). Це був дуже мініатюрний оптичний інструмент, бронзове увігнуте дзеркало якого мало поперечник усього 2, 5 см, а його фокусна відстань становила 6 см. Промені від головного дзер­кала відбивалися невеликим плоским дзеркалом у бічний окуляр. Три роки потому Ньютон зробив трохи більший рефлектор з діаме­тром дзеркала 3, 4 см за фокусної відстані 16 см. Таким чином, за об’єктив у рефлекторі править не лінза, а дзеркало.

Рис. 4. Оптична схема телескопа Грегорі

У системі Грегорі головне дзеркало мало в центрі отвір, куди спрямовували промені, відбиті від увігнутого еліпсоїдального дзер­кала (рис. 4). Якщо замінити це еліпсоїдальне дзеркало гіпербо­лічним, одержуємо систему Кассегрена.

Рефлектори вигідно відрізняються від рефракторів тим, що в них відсутня хроматична аберація. Якщо головному дзеркалу на­дати параболічної форми, воно збере всі промені в одному фокусі, і тоді сферична аберація буде усунута. Виготовити дзеркало лег­ше, ніж лінзу, — доводиться шліфувати тільки одну поверхню. Ці та інші переваги забезпечили поширення рефлекторів.

У середині XVIII ст. англійський оптик Д. Шорт організував фабричний випуск високоякісних рефлекторів, найбільший з яких мав поперечник дзеркала 55 см. Численні і часом дуже великі реф­лектори будував у XVIII ст. знаменитий основоположник зоряної астрономії Вільям Гершель. Найбільший з його рефлекторів мав металеве дзеркало у поперечнику 122 см. Важило воно близько

10000 Н і помітно прогиналося під дією власної ваги, через що зо­браження псувалося. Система блоків і канатів, за допомогою яких інструмент починав рухатися, ускладнювала роботу. Проте Вільям Гершель зумів зробити з ним багато відкриттів.

Ще більший рефлектор з металевим дзеркалом діаметром 2 м побудував 1845 р. ірландський аристократ Вільям Парсонс, що мав титул лорда Росса. Його «Левіафан», як прозвали сучасники реф­лектор лорда Росса, залишався найбільшим аж до першої чверті поточного століття.

1917 р. на обсерваторії Маунт-Вілсон (СІЛА) установили новий 10-дюймовий рефлектор з поперечником головного скляного дзер­кала 258 см і ґратчастим тубусом. Тривалий час він залишався най­більшим телескопом світу, поки уже після Другої світової війни його не перевершив п’ятиметровий рефлектор обсерваторії Маунт- Паломар. Це був перший телескоп, у якому кабіна спостерігача розміщувалася усередині труби.

На сьогодні найбільшими у світі телескопами-рефлекторами є два телескопи Кека, розташовані на Гавайях. Keck-I I Keck-II вве­дені в експлуатацію 1993 і 1996 р. відповідно і мають ефективний діаметр дзеркала 9, 8 м. Телескопи розташовані на одній платфор­мі, їх можна використовувати спільно як інтерферометри, розділь­на здатність яких відповідає діаметру дзеркала 85 м.

Найбільший в Євразії телескоп БТА знаходиться на території Росії, у горах Північного Кавказу, і має діаметр головного дзеркала 6 м. Він працює з 1976 р. і тривалий час був найбільшим телеско­пом у світі.

Найбільшим у світі телескопом з цільним дзеркалом є Large Binocular Telescope, розташований на горі Грехем (США, штат Арі- зона). Діаметр обох дзеркал становить 8, 4 метра.

10 жовтня 2005 р. в експлуатацію був запущений телескоп Southern African Large Telescope в ПАР з головним дзеркалом роз­міром 11x9, 8 м, що складається з 91 однакових шестикутників. 13 липня 2007 р. перше світло побачив телескоп Gran Teleseopio Canarias на Канарських островах діаметром дзеркала 10, 4 м, який є найбільшим оптичним телескопом у світі станом на першу поло­вину 2009 року.