Текст книги "Расширяя границы Вселенной: История астрономии в задачах"

Автор книги: Владимир Сурдин

Соавторы: Евгений Гусев
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 16 страниц)

2.  Развитие инструментов и методов исследований

2.1. Гномон, то есть вертикальный шест. При помощи него по длине тени от Солнца можно определить направление полуденной линии, широту места, наклонение эклиптики к экватору.

2.2. Астрономический посох – один из древних астрономических приборов. Позволяет определять высоту светил над горизонтом и угловое расстояние между звёздами.

2.3. Эфемериды– так назывались дневники событий при дворе Александра Македонского. Сейчас эфемериды – это сборники данных о предстоящих небесных явлениях, содержащие, в частности, координаты небесных светил в последовательные моменты времени.

2.4. Полусферический циферблат скафиса позволяет не только определить время, но также, используя равномерные шкалы, наглядно и быстро измерить зенитное расстояние и часовой угол Солнца.

2.5. При помощи экваториального кольца можно точно фиксировать момент равноденствия.

2.6. Кольцо Глазенапа позволяет путём простых наблюдений сверять часы, определять момент истинного полудня, находить широту места и наклонение эклиптики к небесному экватору.

2.7. Кроме Солнца на дневном небе невооружённым глазом видны два ночных светила – Луна и Венера.

2.8. Звёздные карты представляют собой проекцию участка сферы на плоскость, а потому масштаб не может быть одинаковым по всей карте. На звёздных глобусах масштаб по всей поверхности одинаков, но небо представлено с точки зрения внешнего наблюдателя, чего в принципе не может быть.

2.9. Из‑за небольшого радиуса купола планетария его небесная сфера выглядит правильно только из той точки в центре зала, где установлен проекционный аппарат планетарий. Для большинства зрителей зенит оказывается смещённым к точке севера. А при наблюдении реальной небесной сферы в её центре всегда находится сам наблюдатель.

2.10. Доисторические обсерватории – Стоунхендж в Англии (рис. 1), Зорац-Кар в Армении (рис. 2) и др. – имели визиры из массивных камней, расположенные на горизонтальной поверхности, что позволяло, например, определять моменты равноденствий и солнцестояний.

К решению задачи 2.10. 1) Стоунхендж в Англии (реконструкция). 2) Мегалитический памятник Зорац-Кар в 250 км к юго – востоку от Еревана, датируемый II тысячелетием до н. э. В переводе с армянского «Зорац-Кар» означает «Каменное войско».

Разумеется, никаких куполов эти сооружения не имели. Вплоть до начала XVII в. на обсерваториях проводились только астрометрические наблюдения при помощи различных угломерных инструментов (квадранты, армиллярные сферы, астролябии, скафисы и т. п.), состоящих обычно из системы диоптров с измерительными дугами. В тёплых странах они располагались на открытых площадках (рис. 3и 4), но в Северной Европе меридианные инструменты сооружались в закрытых помещениях, больше похожих на дворцы и замки, чем на современные астрономические башни с куполами. Примерами могут служить обсерватория «Ураниборг» на острове Вен (рис. 5), принадлежавшая Тихо Браге, и павильон Оле Рёмера (1644–1710), датского астронома,

К решению задачи 2.10. 3) и 4) Эклиптическая армилла и секстант, установленные в 1674 г. в древней Пекинской обсерватории (1279 г.).

К решению задачи 2.10. 5) Обсерватория Тихо Браге «Ураниборг» на острове Вен.

впервые измерившего скорость света (рис. 6). До сих пор меридианные инструменты устанавливают в павильонах без поворотного купола, а лишь с раздвижной щелью.

Одним из первых подвижный купол стал применять польский астроном Ян Гевелий (1611–1687), хотя для своих астрометрических наблюдений он использовал классический секстант без телескопа (рис. 7). Первые небольшие телескопы легко переносились и не требовали специальной башни. Совершенствование телескопа и возрастание его увеличения сделало ветер большой помехой для наблюдений (телескоп дрожал) и требовало постройки башен, однако в XVII и XVIII веках телескопы порой были столь длинны, что их невозможно было спрятать под купол. Появление компактных телескопов с ахроматическими объективами сделало возможной постройку специальных павильонов для наблюдений.

В современных обсерваториях конструкции башен для оптических телескопов чрезвычайно разнообразны: они имеют полусферические

К решению задачи 2.10. 6) Наблюдает О. Рёмер.

К решению задачи 2.10. 7) Подвижный павильон Яна Гевелия – прообраз поворотного купола современной башни телескопа.

либо гранёные купола, откатывающиеся крыши, мягкие навесы и т. п. Рефлекторы радиотелескопов в большинстве случаев не имеют защиты от атмосферных осадков и ветра. Нейтринные обсерватории представляют собой сложные неподвижные технические сооружения, помещённые в глубоких шахтах.

2.11. Телескоп системы Галилея, с отрицательным окуляром, совершенно подобен обычному телеобъективу: он способен строить изображение далёкого объекта на экране, расположенном за окуляром. Вы можете проверить это с помощью театрального бинокля, имеющего ту же оптическую схему, что и телескоп Галилея. Окуляр должен находиться перед фокальной плоскостью объектива, но его следует выдвинуть настолько, чтобы мнимый фокус окуляра оказался ближе к экрану, чем фокус объектива. В этом случае на экране вы получите изображение объекта. Поэтому Галилею вовсе не обязательно было смотреть глазом на Солнце: он мог изучать его поверхность путём проекции изображения на белый экран, как это до сих пор делают астрономы.

2.12. Для параксиальных лучей, обычно используемых в астрономических приборах, упомянутая форма закона преломления даёт при расчётах хорошие результаты.

2.13. Этим недостатком однолинзовых объективов была их хроматическая аберрация. Поиск Ньютоном формы объективов для рефракторов, свободных от хроматической аберрации, привёл его к открытию зависимости показателя преломления от длины волны.

2.14. В то время не умели делать сложных ахроматических объективов, а чтобы простой однолинзовый объектив давал неокрашенное изображение, его фокусное расстояние должно быть очень большим. С таким телескопом легко было получить большое увеличение, но управлять им было очень сложно. В дальнейшем, когда научились изготавливать ахроматические объективы, телескопы стали существенно более компактными.

2.15. Телескоп – рефрактор с диаметром объектива более 1 метра практически невозможно изготовить: во – первых, трудно отлить столь крупный диск оптически идеального стекла; во – вторых, чем больше диаметр линзы, тем она толще, и тем больше поглощение света; в – третьих, каждое прохождение света через оптическую поверхность линзы приводит к потере 4–6% энергии. А у объектива рефрактора четыре таких поверхности.

Кроме того, тяжёлая линза деформируется собственным весом, и созданное ей изображение портится. Самые крупные из созданных до сих пор линз имеют диаметр 1,5 м, но это не полноценные объективы рефракторов, а специальные тонкие линзы особой формы – коррекционные пластины для зеркальных телескопов Шмидта. До сих пор крупнейшим линзовым объективом остаётся созданный в 1895 г. 40–дюймовый объектив рефрактора обсерватории Йеркса (США).

У телескопов диаметром более 1 метра объективы зеркальные. Астрономические зеркала тоже сделаны из стекла или подобных ему материалов; но если линзу можно поддерживать только по периметру, то зеркало – по всей площади тыльной поверхности, поэтому оно не прогибается под собственным весом. К тому же зеркало может быть значительно тоньше эквивалентной ему по диаметру линзы – ведь у зеркала работает только одна оптическая поверхность, а не весь объём, как у линзы. Например, две линзы йеркского объектива диаметром 1,04 м имеют толщины 6,4 см (крон) и 3,8 см (флинт), а 8,2–метровое зеркало нового телескопа Европейской южной обсерватории в Чили имеет толщину всего 20 см.

В прошлом большим недостатком рефлекторов считалась недолговечность зеркального покрытия объектива. Но современная техника позволяет быстро восстанавливать потускневший за несколько лет зеркальный слой объектива, так что по всем параметрам сегодня телескопы – рефлекторы превосходят своих линзовых собратьев.

2.16. Рефракторы более предпочтительны для астрометрических наблюдений, так как деформация одной поверхности линзы при наклонном положении телескопа до некоторой степени компенсируется деформацией другой поверхности. Рефлекторы более эффективны в астрофизических наблюдениях (фотографирование и спектроскопия) из‑за полного отсутствия у них хроматической аберрации и возможности создавать большие объективы.

2.17. В трубе Кеплера действительное изображение, создаваемое объективом, находится в фокальной плоскости окуляра. В этой плоскости можно поместить отчётливо видимые в окуляр кольца и нити, при помощи которых можно точно измерить небольшие угловые расстояния на небесной сфере и ориентацию объектов.

2.18. Изображённый на рисунке прибор – квадрант, представляющий собой четверть проградуированного круга с визирами. При помощи квадранта можно измерять высоты небесных светил. Для повышения точности квадранты Тихо Браге и Улугбека имели большие размеры. Современный астрометрический прибор с аналогичными функциями – меридианный круг.

2.19. Измерительные дуги визуальных инструментов этих астрономов имели большие радиусы кривизны. Например, квадрант Улугбека имел радиус 40 м.

2.20. С увеличением размера телескопа (т. е. диаметра его объектива) быстро возрастает вес (и стоимость!) самого инструмента, его монтировки и башни. При вращении телескопа переменные нагрузки на многотонное зеркало искажают его форму. Последним классическим крупным телескопом на экваториальной монтировке был Паломарский 5–метровый рефлектор, созданный в 1950 г. Следующий гигант, 6–метровый телескоп БТА АН СССР, построенный в 1976 г., уже имел альт-азимутальную монтировку, позволившую существенно сократить

К решению задачи 2.20. 200–дюймовый телескоп им. Хейла, установленный в Паломарской обсерватории на юге Калифорнии (США).

размеры самого инструмента и его башни, а также упростить систему разгрузки главного зеркала. Правда, при этом возникла проблема гидирования, т. е. слежения за небом, поскольку на такой монтировке требуется поворачивать телескоп одновременно по двум осям с переменной скоростью, а также вращать приёмник света в фокусе телескопа. Эта проблема была решена с помощью компьютера. С того времени все крупные телескопы устанавливаются только на альт – азимутальной монтировке.

Переход от объективов 5–метрового класса к 10–метровым потребовал расчленения зеркала на части. Мозаичные зеркала собирают много света и при этом очень легки; 10–метровые телескопы Кек-1 и Кек-2 имеют полноповоротную альт – азимутальную монтировку. Однако переход к зеркалам 20–метрового класса требует новых инженерных решений. Такие зеркала станут не только мозаичными, но и потеряют подвижность. Этому учит нас опыт создания крупных радиотелескопов: величайшие антенны мира неподвижно лежат на земле. Например, 305–метровая чаша в Аресибо использует для обзора неба небольшие перемещения приёмника в фокусе телескопа и, разумеется, вращение Земли.

Оптические телескопы такой конструкции также уже существуют. Например, 9–метровый телескоп Хобби – Эберли (Hobby‑Eberly Telescope, HET). Его построили специалисты обсерватории Мак – Дональд (США) при участии астрономов из университетов США и Германии. Полный диаметр мозаичного сферического зеркала этого телескопа составляет 11 метров, но его действующая апертура «всего» 9,2 метра. Этот телескоп был создан в 1997 г. и назван именами двух меценатов, много сделавших для развития образования в США – Уильяма Хобби и Роберта Эберли. Он установлен на северной широте 50° и имеет альт – азимутальную монтировку, на которой может поворачиваться на 360° по азимуту и от 40° до 50° по высоте. Несмотря на первое впечатление о малой подвижности этого телескопа, ему доступны для наблюдений все объекты к северу от небесного экватора, т. е. ровно половина всей небесной сферы.

Успешная работа телескопа Хобби – Эберли позволила приступить к созданию следующего инструмента подобной конструкции: Предельно большого телескопа (Extremely Large Telescope, ELT) с зеркалом размером 33 м, у которого действующая апертура составит 25 м! Это гигантское сферическое зеркало будет собрано из 169 шестиугольных сегментов размером по 2,5 м. Его укрепят под постоянным углом 55° к горизонту, а наведение на объект будет происходить за счёт вращения конструкции по азимуту, а также за счёт вращения Земли и перемещения кабины наблюдателя в фокусе главного зеркала. Наблюдениями будет охвачена широкая полоса неба в диапазоне склонений от -10° до +72°. При этом любой объект можно будет сопровождать не менее часа. Исправление сферических аберраций мозаичного зеркала будет поручено четырёхзеркальному корректору в главном фокусе. Диаметр поля зрения составит 3,5'. В перспективе– создание подобных телескопов диаметром до 100 метров!

2.21. Изобретение окулярного микрометра позволило повысить точность угломерных измерений до 1״.

2.22. Объективы рефракторов того времени страдали заметной хроматической аберрацией, вследствие чего различие в фокусных расстояниях для лучей разного цвета достигало нескольких сантиметров. Ахроматические объективы высокого качества получили распространение только в конце XIX века, хотя были изобретены ещё в середине XVIII в. (Джон Доллонд, 1757 г.).

2.23. С момента своего изобретения в 1609 г. телескоп выполнял две основные функции: 1) увеличивал видимый угол между светилами или деталями на поверхности небесных объектов, усиливая тем самым остроту нашего зрения; 2) собирал больше света, чем зрачок нашего глаза, усиливая этим проницающую способность зрения.

В XIX веке, после изобретения фотографии, у телескопа появилась ещё одна функция: он строит изображение наблюдаемых объектов на фотопластинке или других приёмниках света, позволяя полностью заменить глаз более объективными и чувствительными приборами.

Для наблюдений различного типа наиболее важна какая‑то одна из трёх указанных способностей телескопа. Поэтому строят специализированные телескопы, у каждого из которых одна способность выражена лучше других. Например, астрометрические телескопы позволяют очень точно измерять углы на небе, но слабые звёзды и протяжённые объекты для них, как правило, недоступны. Существуют астрографы, в которых глаз астронома полностью заменён фотопластинкой или электронным приёмником света; они фиксируют слабые и протяжённые объекты. Есть солнечные телескопы, для которых важно не количество собранного света, а большой масштаб изображения. Есть телескопы для получения спектров слабых звёзд и галактик – вот они‑то как раз должны собирать слабый свет с большой площади, поэтому их объективы самые крупные. Сколько задач у телескопов, столько разнообразных конструкций, поэтому нечасто встретишь два одинаковых профессиональных телескопа: у каждого из них своя специализация.

2.24. Лио не использовал сложные объективы, поскольку те дают дополнительные отражения от многочисленных поверхностей линз, усиливающие рассеянный свет. Для исключения хроматической аберрации использовался узкополосный светофильтр.

2.25. Для синхронизации выстрелов с каждого заякоренного корабля необходимо видеть разрыв снарядов, выпущенных с соседних кораблей. В простейшем случае можно считать, что наблюдение производится с уровня моря и вспышка наблюдается точно на горизонте. Если R – радиус Земли, а снаряд взрывается на высоте H над сигнальным судном, то по теореме Пифагора легко найти расстояние между судами:

L=√((R+H) ² —R ²)≈√(2RH).

Для H=2 км получим L≈160 км. Даже в этом предельно допустимом случае на трассе Лондон – Калькутта пришлось бы держать около 125 сигнальных судов.

На самом деле, для надёжного наблюдения вспышки и, тем более, измерения её высоты над горизонтом необходимо, чтобы вспышка наблюдалась на высоте не менее 2–3°. Поэтому придётся расставлять сигнальные суда чаще. Лишь при дистанции в 50 км их вспышки будут видны на высоте около 2 ^°над горизонтом. Следовательно, по проекту Уистона и Диттона только на одной морской трассе Лондон – Калькутта для надёжной навигации пришлось бы держать сотни сигнальных судов.

Проблему определения долготы решили не артиллеристы, а часовщики и астрономы, снабдив в XIX веке всех корабельных штурманов секстантом, морским хронометром и астрономическим ежегодником с предвычисленными положениями небесных светил.

2.26. Стекло легче обрабатывается, чем металл, и имеет меньшую теплопроводность. Серебряное покрытие имеет большую (почти в 2 раза) отражающую способность, чем полированная бронза. Вторичное серебрение потускневшего зеркала технологически проще, чем повторная полировка металла. Метод серебрения стекла был открыт в середине XIX века, тогда и стали изготавливать стеклянные зеркала для телескопов.

2.27. Упомянутые типы рефлекторов и рефракторов использовались для наблюдения солнечных пятен и прохождения Венеры по диску Солнца. Стеклянная поверхность отражает всего около 3–4 % падающего света, а серебряное покрытие передней поверхности объектива позволяет пропустить в телескоп только небольшую часть солнечного света.

2.28. Серебряное покрытие требует периодического обновления, оно механически непрочно. Алюминиевое покрытие при почти тех же оптических свойствах более прочно, хотя для его нанесения требуются специальные вакуумные камеры.

2.29. Солнечное излучение сильно нагревает трубу телескопа, отчего возникают мощные турбулентные потоки воздуха, портящие изображение Солнца. Вакуумный телескоп лишён этого недостатка.

2.30. В некоторых астрономических инструментах жидкие зеркала всё же применяются. Речь идёт о призменной астролябии Данжона и фотографической зенитной трубе, где используется неподвижный сосуд с ртутью – так называемый ртутный горизонт.Но параболические жидкие зеркала до недавнего времени, действительно, не использовались.

Причин непопулярности телескопов с жидкими зеркалами несколько. Во – первых, пары ртути ядовиты; при большом диаметре зеркала площадь испаряющейся поверхности так велика, что находиться рядом с таким инструментом опасно. Во – вторых, вращение сосуда с ртутью должно происходить чрезвычайно стабильно, ибо оно прямо связано с фокусным расстоянием зеркала (F), а значит, и с качеством фокусировки изображения:

F=(gP ²)/(8π ²)

где g – ускорение свободного падения, P – период оборота сосуда. Например, чтобы телескоп имел F=20 м, сосуд должен совершать оборот за P =12,7 секунд. Ещё одна техническая проблема – вызванная вращением тряска или турбулентные воздушные потоки, порождающие рябь на поверхности ртути. Роберт Вуд боролся с рябью и вредными испарениями, наливая на ртуть тонкий слой масла. Наконец, одна из важнейших причин непопулярности жидких зеркал – они «смотрят» строго в зенит; такой телескоп нельзя навести на произвольный объект и сопровождать его (для длительных экспозиций при фотографировании) без использования дополнительной оптической системы, например, сидеростата.

Однако в наши дни идея жидкого зеркала вновь стала популярной. Вначале вращающиеся сосуды стали применять изготовители твёрдых зеркал: в 1990–е годы при отливке 8–метровых зеркал для телескопов Южной европейской обсерватории впервые были использованы вращающиеся изложницы, чтобы придать застывающему материалу форму параболоида. Чуть позже начались эксперименты по использованию больших ртутных вращающихся зеркал для астрономических наблюдений. К 2001 году уже были созданы телескопы с жидкими зеркалами дифракционного качества диаметром от 2 до 6 метров. Подробнее см. на сайте Liquid Mirror Telescope – http://www.astro.ubc.ca/LMT/.

2.31. Главная оптическая ось вогнутого зеркала телескопа системы Ломоносова – Гершеля наклонена к оси трубы под небольшим углом. Для длиннофокусных телескопов возникающие при этом аберрации незначительны. Подобные оптические схемы используются в настоящее время в солнечных телескопах.

2.32. Учитывая наклон лунной орбиты к эклиптике (5,3°), суточный параллакс Луны (1°) и её радиус (0,25°), мы можем вычислить ширину полосы небесной сферы, в которой бывает видна Луна из различных точек на Земле:

L=2∙(5,3°+1°+0,25°)=13,1°.

Площадь этой полосы, опоясывающей небесную сферу, составляет (в квадратных градусах, □°) величину L 360° = 4716 □°, а площадь небесной сферы равна 4π×(57,3…) ²= 41253 □°. Поэтому лишь 4680/41253=11,4 % неба доступны методу покрытий Луной. А поскольку это был очень плодотворный метод в астрономии всех диапазонов излучения, – от рентгеновской до радио, – то именно эти 11% неба в течение ряда лет были изучены заметно полнее, чем оставшиеся 89%, которые не посещает Луна.

2.33. Основным преимуществом этой оптической схемы, получившей название куде,является стационарное неподвижное положение главного фокуса, где с удобством может располагаться наблюдатель или могут быть установлены фотометрические или спектральные приборы.

2.34. Решётки из проволочек давали очень малую дисперсию. Стеклянные отражательные решётки, нарезаемые автоматическим образом, имеют большое число штрихов на единицу длины и, следовательно, большую дисперсию. Вогнутые дифракционные решётки позволяют сосредоточить большую часть излучения в каком‑либо одном порядке спектра.

2.35. Кажущиеся угловые размеры звёзд возникают вследствие рассеяния света в мутной среде оптических компонентов глаза или фотоэмульсии. Яркие звёзды дают большее пятно рассеяния света.

2.36. Основная причина заключается в том, что публикуемые цветные изображения планет и спутников получают путём компьютерного синтеза трёх отдельных чёрно – белых изображений, сделанных через разные светофильтры. В целях большего эффекта цветовой контраст делается большим, чем он есть на самом деле. Вторая причина – это отсутствие в космосе влияния земной атмосферы.

2.37. Эффект Доплера слабо влияет на форму непрерывного спектра звёзд и поэтому мало изменяет их цвет. В 1848 г. Физо пришёл к выводу, что доплеровское смещение испытывают линии в спектрах Солнца и звёзд. Метод Доплера – Физо широко используется для определения относительных лучевых скоростей тел Солнечной системы, звёзд и галактик.

2.38. Расположив щель спектроскопа вдоль длинной оси проекции кольца Сатурна, Белопольский сфотографировал спектр и исследовал форму линий. Применение принципа Доплера показало, что близкие к планете части кольца имеют большую скорость обращения, чем дальние. Если бы кольцо было сплошное, твёрдое, то картина была бы обратной.

2.39. Во время весенних наблюдений Земля, очевидно, двигалась по направлению к звезде, а осенью – в противоположном направлении. К лучевой скорости звезды один раз прибавлялась, а другой раз из неё вычиталась скорость самой Земли. Полуразность наблюдённых лучевых скоростей даёт орбитальную скорость Земли вокруг Солнца. Считая орбиту круговой, умножим скорость на число секунд в году и получим длину земной орбиты. А разделив её на 2π, получим расстояние до Солнца.

2.40. Область вокруг Солнца фотографируют во время полного солнечного затмения, когда на небе появляются яркие звёзды. Через несколько месяцев ночью снова фотографируют эту же область неба. Затем сравнивают положения звёзд на обоих снимках.

2.41. Из формулы для центростремительного ускорения (a = v ² /r)найдём значение v=√(аr). Тогда для a=gполучим v=√( gr)=5,4 м/с. Это нормальная скорость бега для тренированного человека. Ориентация станции в данном случае никакого значения не имеет.