Пристальный взгляд в космос: как телескопы эволюционировали от крошечных линз к гигантским зеркалам

В 1609 году Галилео Галилей, разработавший особый способ шлифовки линз специально для астрономических наблюдений, представил первый телескоп. В наши дни ему на смену благодаря череде технологических революций пришли огромные инструменты с гибкими сегментированными зеркалами, зажигающие в небе искусственные звезды.

Гавайские острова, вершина горы Мауна-Кеа, 4145 метров над уровнем моря. Для пребывания на такой высоте требуется акклиматизация. На фоне меркнущей вечерней зари четкими силуэтами выделяются два огромных сферических купола. На одном из них медленно поднимается белое «забрало» шириной с трехполосное шоссе. Внутри — темнота. Вдруг прямо оттуда вверх бьет лазерный луч и зажигает в темнеющем небе искусственную звезду. Это включилась система адаптивной оптики на 10-метровом телескопе Кека. Она позволяет ему не чувствовать атмосферных помех и работать так, словно он находится в открытом космосе…

Впечатляющая картина? Увы, на самом деле если вы случайно окажетесь рядом, то не заметите ничего особенно эффектного. Луч лазера виден лишь на снимках с длительной экспозицией — 15—20 минут. Это в фантастических фильмах бластеры стреляют ослепительными лучами. А в чистом горном воздухе, где почти нет пыли, лазерному лучу не на чем рассеиваться, и он незамеченным пронизывает тропосферу и стратосферу.

Лишь у самой границы космического пространства, на высоте 95 километров, он неожиданно встречает препятствие. Здесь, в мезосфере, есть 5-километровый слой с повышенным содержанием электрически нейтральных атомов натрия. Лазер как раз настроен на их линию поглощения, 589 нанометров. Возбужденные атомы начинают светиться желтым цветом, хорошо знакомым по уличному освещению больших городов, — это и есть искусственная звезда.

Ее тоже не видно простым глазом. При звездной величине 9,5m она в 20 раз слабее нашего порога восприятия. Но по сравнению с человеческим глазом телескоп Кека собирает в 2 миллиона раз больше света, и для него это ярчайшее светило. Среди триллионов видимых ему галактик и звезд столь ярких объектов лишь сотни тысяч.

По виду искусственной звезды специальная аппаратура выявляет и корректирует искажения, вносимые земной атмосферой. Для этого служит особое гибкое зеркало, от которого по пути к приемнику излучения отражается собранный телескопом свет. По командам компьютера его форма меняется сотни раз в секунду, фактически синхронно с флуктуациями атмосферы. И хотя подвижки не превышают нескольких микрон, их достаточно для компенсации искажений. Звезды для телескопа перестают мерцать.

Такая адаптивная оптика, на ходу приспосабливающаяся к условиям наблюдений, — одно из последних достижений телескопостроения. Без нее рост диаметра телескопов свыше 1—2 метров не увеличивает числа различимых деталей космических объектов: мешает дрожание земной атмосферы.

Орбитальный телескоп Хаббла, запущенный в 1991 году, несмотря на скромный диаметр (2,4 метра), получил удивительные снимки космоса и совершил множество открытий как раз потому, что не испытывал атмосферных помех. Но «Хаббл» стоил миллиарды долларов — в тысячи раз дороже адаптивной оптики для куда более крупного наземного телескопа. Вся дальнейшая история телескопостроения являет собой непрерывную гонку за размерами: чем больше диаметр объектива, тем больше света слабых объектов он собирает и тем мельче детали, которые можно в них различить.

Правда, адаптивная оптика способна компенсировать атмосферные искажения лишь рядом с яркой опорной звездой. Первое время это сильно ограничивало применение метода — таких звезд на небе немного. Искусственную «натриевую» звезду, которую можно поместить рядом с любым небесным объектом, теоретики придумали только в 1985 году.

Чуть больше года понадобилось астрономам, чтобы собрать аппаратуру и опробовать новую методику на небольших телескопах обсерватории Мауна-Кеа. А когда результаты были опубликованы, выяснилось, что американское министерство обороны ведет такие же исследования под грифом «совершенно секретно». Пришлось военным раскрывать свои наработки, правда, сделали они это лишь на пятый год после экспериментов в обсерватории Мауна-Кеа.

Появление адаптивной оптики — одно из последних крупных событий в истории телескопостроения, и оно как нельзя лучше иллюстрирует характерную черту этой сферы деятельности: ключевые достижения, кардинально менявшие возможности инструментов, часто бывали внешне малозаметны.

Цветные каемки

Осенью 1609 года профессор Падуанского университета Галилео Галилей проводил все свободное время за шлифовкой линз. Узнав об изобретенной в Голландии «волшебной трубе», нехитром устройстве из двух линз, позволяющем втрое приближать далекие объекты, он всего за несколько месяцев радикально усовершенствовал оптическое приспособление.

Подзорные трубы голландских мастеров делались из очковых стекол, имели диаметр 2—3 сантиметра и давали увеличение в 3—6 раз. Галилей же добился 20-кратного увеличения при вдвое большей светособирающей площади объектива. Для этого ему пришлось разработать собственную технологию шлифовки линз, которую он долго держал в секрете, чтобы конкуренты не собрали урожай открытий, делавшихся с помощью нового замечательного инструмента: лунные кратеры и солнечные пятна, спутники Юпитера и кольца Сатурна, фазы Венеры и звезды Млечного Пути.

Но даже у лучшего из телескопов Галилея диаметр объектива составлял всего 37 миллиметров, и при фокусном расстоянии 980 миллиметров он давал очень бледное изображение. Это не мешало наблюдать Луну, планеты и звездные скопления, но увидеть в него туманности было затруднительно. Увеличить светосилу не позволяла хроматическая аберрация. Лучи разного цвета по-разному преломляются в стекле и фокусируются на разных расстояниях от объектива, отчего изображения объектов, построенные простой линзой, всегда окрашены по краям и тем сильнее, чем резче преломляются лучи в объективе. Поэтому с увеличением диаметра объектива астрономам приходилось увеличивать и его фокусное расстояние, а значит, длину телескопа.

Предела разумного достиг польский астроном Ян Гевелий, построивший в начале 1670-х годов гигантский инструмент длиной 45 метров. Объектив и окуляр крепились к составным деревянным доскам, которые на канатах подвешивались на вертикальной мачте. Конструкция шаталась и вибрировала от ветра. Наводить ее на объект помогал ассистент-матрос, имевший опыт работы с корабельными снастями. Чтобы не отставать от суточного вращения неба и следить за выбранной звездой, наблюдатель должен был со скоростью 10 см/мин поворачивать свой конец телескопа. А на другом его конце стоял объектив диаметром всего 20 сантиметров.

Еще немного дальше по пути гигантизма продвинулся Гюйгенс. В 1686 году он устанавливал объектив диаметром 22 сантиметра на высоком столбе, а сам располагался в 65 метрах позади него на земле и рассматривал построенное в воздухе изображение через окуляр, укрепленный на штативе.

Бронза с мышьяком

Исаак Ньютон пытался избавиться от хроматической аберрации, но пришел к выводу, что в линзовом телескопе-рефракторе сделать это невозможно. Будущее за зеркальными телескопами-рефлекторами, решил он. Поскольку зеркало отражает лучи всех цветов одинаково, рефлектор полностью избавлен от хроматизма. Ньютон оказался одновременно прав и неправ. Действительно, начиная с XVIII века все крупнейшие телескопы были рефлекторами, однако рефракторам еще предстоял расцвет в XIX веке.

Разработав хорошо полирующийся сорт бронзы с добавлением мышьяка, Ньютон в 1668 году сам изготовил рефлектор диаметром 33 миллиметра и длиной 15 сантиметров, который не уступал по возможностям метровой галилеевой трубе. За следующие 100 лет металлические зеркала рефлекторов достигли диаметра 126 сантиметров — таков был крупнейший телескоп Уильяма Гершеля с трубой длиной 12 метров, построенный на рубеже XVIII и XIX веков. Однако этот гигант, как оказалось, не превосходил по своим качествам инструменты меньшего размера. Он был слишком тяжел в обращении, а зеркало, судя по всему, не сохраняло идеальную форму из-за деформаций, вызванных перепадами температуры и собственной тяжестью.

Возрождение рефракторов началось после того, как математик Леонард Эйлер рассчитал в 1747 году конструкцию двухлинзового объектива из стекла разных сортов. Вопреки Ньютону такие объективы почти лишены хроматизма и до сих пор широко применяются в биноклях и подзорных трубах. С ними рефракторы становились гораздо привлекательнее.

Во-первых, резко сокращалась длина трубы. Во-вторых, линзы были дешевле металлических зеркал — и по стоимости материала, и по сложности обработки. В-третьих, рефрактор был практически вечным инструментом, поскольку линзы не портились со временем, тогда как зеркало мутнело, и его приходилось полировать, а значит, заново придавать ему точную форму.

Наконец, рефракторы были менее чувствительны к погрешностям в юстировке оптики, что было особенно важно в XIX веке, когда основные исследования велись в области астрометрии и небесной механики и требовали точных угломерных работ. Например, именно с помощью ахроматического Дерптского рефрактора диаметром 24 сантиметра Василий Яковлевич Струве, будущий директор Пулковской обсерватории, впервые измерил расстояние до звезд методом геометрического параллакса.

Диаметры рефракторов росли на протяжении всего XIX века, пока в 1897 году в Йоркской обсерватории не вступил в строй телескоп диаметром 102 сантиметра, и поныне крупнейший в своем классе. Попытка построить рефрактор диаметром 125 сантиметров для Парижской выставки 1900 года потерпела полное фиаско.

Пригибание линз под собственной тяжестью положило предел росту рефракторов. Но и металлические рефлекторы со времен Гершеля не показывали прогресса: большие зеркала оказывались дорогими, тяжелыми и ненадежными. Так, например, не принес серьезных научных результатов построенный в 1845 году в Ирландии огромный рефлектор «Левиафан» с металлическим зеркалом диаметром 183 сантиметра. Для развития телескопостроения требовались новые технологии.

Подслеповатый царь-телескоп

Почву для нового рывка заложили в середине XIX века немецкий химик Юстус Либих и французский физик Жан Бернар Леон Фуко. Либих открыл метод серебрения стекла, позволяющий многократно обновлять отражающее покрытие без трудоемкой полировки, а Фуко разработал эффективный метод контроля поверхности зеркала в процессе его изготовления.

Первые крупные телескопы со стеклянными зеркалами появляются уже в 80-х годах XIX века, но все свои возможности они раскрывают в XX веке, когда американские обсерватории перехватывают лидерство у европейских. В 1908 году в обсерватории Маунт-Вилсон начинает работать 60-дюймовый (1,5 метра) рефлектор. Не проходит и 10 лет, как рядом с ним возводится 100-дюймовый (2,54 метра) телескоп Хукера — тот самый, на котором Эдвин Хаббл впоследствии измерил расстояния до соседних галактик и, сопоставив их со спектрами, вывел свой знаменитый космологический закон.

А когда в 1948 году в обсерватории Маунт-Паломар вводится в строй огромный инструмент с 5-метровым параболическим зеркалом, многие специалисты считают его размер предельно возможным. Более крупное зеркало станет гнуться под собственной тяжестью при поворотах инструмента или попросту окажется слишком тяжелым, чтобы смонтировать его на подвижном инструменте.

И все же Советский Союз решает перегнать Америку и в 1975 году строит рекордный Большой телескоп альтазимутальный (БТА) с 6-метровым сферическим зеркалом толщиной 65 сантиметров. Это было весьма авантюрное предприятие, если учесть, что крупнейший советский телескоп того времени имел диаметр лишь 2,6 метра. Проект едва не закончился полным провалом.

Качество изображения у нового гиганта оказалось не выше, чем у 2-метрового инструмента. Поэтому три года спустя главное зеркало пришлось заменить новым, после чего качество изображения заметно выросло, но все равно уступало паломарскому телескопу. Американские астрономы посмеивались над этой гигантоманией: у русских есть царь-колокол, который не звонит, царь-пушка, которая не стреляет, и царь-телескоп, который не видит.

Фасеточные глаза Земли

Опыт БТА довольно характерен для истории телескопостроения. Всякий раз, когда инструменты подходили к пределу возможностей определенной технологии, кто-то безуспешно пытался пойти чуть дальше, ничего принципиально не меняя. Вспомните парижский рефрактор и рефлектор «Левиафан». Для преодоления 5-метрового рубежа требовались новые подходы, но, располагая формально крупнейшим телескопом в мире, в СССР уже не стали их развивать.

Первая из революционно новых технологий была опробована в 1979 году, когда в Аризоне заработал многозеркальный телескоп Уиппла (Fred Lawrence Whipple Multiple Mirror Telescope, MMT). На общей монтировке было установлено сразу шесть относительно небольших телескопов диаметром 1,8 метра каждый. Компьютер контролировал их взаимное расположение и сводил все шесть пучков собранного света в общий фокус. В результате получался инструмент, эквивалентный 4,5-метровому телескопу по светособирающей площади и 6,5-метровому по разрешающей способности.

Давно замечено, что стоимость телескопа с монолитным зеркалом растет примерно как куб его диаметра. Значит, собрав большой инструмент из шести маленьких, можно сэкономить от половины до трех четвертей стоимости и одновременно избежать колоссальных технических трудностей и рисков, связанных с изготовлением одного огромного объектива.

Работа первого многозеркального телескопа не была беспроблемной, точность сведения пучков периодически оказывалась недостаточной, но отработанная на нем технология стала впоследствии широко применяться. Достаточно сказать, что она использована в нынешнем мировом рекордсмене — Большом бинокулярном телескопе (Large Binocular Telescope, LBT), состоящем из двух 8,4-метровых инструментов, установленных на одной монтировке.

От жесткости к управляемости

Консорциум американских университетов, объединенных в проекте «Магеллан», также использовал активную оптику при создании двух телескопов, носящих имена астронома Вальтера Бааде и филантропа Ландона Клея. Особенность этих инструментов — рекордно короткое фокусное расстояние главного зеркала: всего на четверть больше диаметра, составляющего 6,5 метра.

Зеркало толщиной около 10 сантиметров отливали во вращающейся печи, чтобы, застывая, оно под действием центробежных сил само приняло форму параболоида. Внутри заготовка была армирована специальной решеткой, контролирующей тепловые деформации, а тыльной стороной зеркало опирается на систему из 104 актуаторов, поддерживающих правильность его формы при любых поворотах телескопа.

А в рамках проекта «Магеллан» в 2005 году началось создание гигантского многозеркального телескопа, в котором будет семь зеркал, каждое диаметром 8,4 метра. Собирая свет в общий фокус, они будут эквивалентны по площади зеркалу диаметром 22 метра, а по разрешению — 25-метровому телескопу. Интересно, что шесть зеркал, располагаемых, по проекту, вокруг центрального, будут иметь асимметричную параболическую форму, чтобы собирать свет на оптической оси, проходящей заметно в стороне от самих зеркал. По планам этот Гигантский телескоп (Giant Magellan Telescope, GMT) должен войти в строй к концу 2020-х. Но возможно, что к тому времени он уже не будет рекордным.

Дело в том, что ведутся и другие проекты. Еще один консорциум американских и канадских университетов работает над проектом 30-метрового телескопа (Thirty Meter Telescope, TMT) на горе Мауна-Кеа с объективом из 492 шестиугольных зеркал размером 1,4 метра каждое. (Его ввод в строй ожидался в 2018 году, однако строительство задержалось в связи с протестами местного населения, теперь начало работы телескопа прогнозируется на 2027 год. — Прим. ред.)

Но превзойти всех может еще более амбициозный проект по созданию Исключительно большого телескопа (Extremely Large Telescope, ELT, до 2017 года в название входило слово European — «Европейский») диаметром 42 метра — его запуск также запланирован на 2028 год. Предполагается, что его зеркало будет состоять из тысячи шестиугольных сегментов размером 1,4 метра и толщиной 5 сантиметров. Форма их будет поддерживаться системой активной оптики. И, конечно, такой инструмент просто лишен смысла без адаптивной оптики, компенсирующей турбулентность атмосферы. Зато с ее использованием он будет вполне способен непосредственно исследовать планеты у других звезд.

Финансирование работ по этому проекту было одобрено Европейским союзом в 2009-м, после того как был отвергнут слишком рискованный проект OWL (Overwhelmingly Large Telescope, Ошеломляюще большой телескоп), предполагавший создание сразу 100-метрового телескопа. В самом деле, пока просто непонятно, не столкнутся ли создатели столь крупных установок с новыми принципиальными проблемами, которые не удастся преодолеть на существующем уровне технологий. Как-никак вся история телескопостроения говорит о том, что рост инструментов должен быть постепенным.

О том, что нового происходит в телескопостроении в 2023 году, мы попросили рассказать преподавателя астрономии Сергея Чумакова.

К 2030 году список крупных наземных телескопов Земли пополнится — на территории Саянской солнечной обсерватории в Бурятии планируется открытие крупного солнечного телескопа-коронографа с зеркалом диаметром три метра (КСТ-3). Несмотря на скромный относительно европейского Исключительно большого телескопа, размер зеркала, российский КСТ всё же находится в совершенно другой «весовой» категории, ибо создаётся с очень специфическими целями: его планируют использовать для наблюдений за Солнцем и самой загадочной и протяжённой частью его атмосферы.

Это солнечная корона, которая простирается на многие миллионы километров и состоит из очень разреженного вещества. Оно разогревается до сверхвысоких температур — фактически, корона горячее поверхности звезды. Механизмы, что отвечают за это парадоксальное свойство, до сих пор точно неизвестны. КСТ-3 поможет учёным разобраться с проблемой высоких температур в солнечной короне. К тому же, новый телескоп рассчитывают использовать для изучения солнечной активности и магнитных полей звезды, что позволит точнее прогнозировать космическую погоду.

КСТ-3 смонтируют на вращающейся платформе в башне высотой 30 метров. Для его функционирования, сбора и обработки научных данных планируется возвести несколько корпусов, где разместят всё необходимое оборудование. Общий вес телескопа — 120 тонн, что, вкупе с размерами зеркала, сделает КСТ крупнейшим солнечным телескопом-коронографом на просторах Евразии. В этом году на месте строительства исследовательского комплекса заложен первый камень.

Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 10, октябрь 2009, частично обновлен в октябре 2023