Текст книги "Разведка далеких планет"

Автор книги: Владимир Сурдин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 25 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

Где живет телескоп?

Небольшой телескоп может жить где угодно, даже в коробке под кроватью. Обычно так и бывает у любителей астрономии, обладающих легкими телескопами, которые на время наблюдений можно устанавливать на балконе, в саду или за городом на раздвижном штативе-треноге. Но профессиональные крупные инструменты размещают стационарно на территории особых научных учреждений – обсерваторий (от лат. observare —наблюдать).

Вообще обсерватория – это место, где ученые проводят регулярные наблюдения природных явлений. Наиболее известны астрономические обсерватории, в большинстве своем располагающие оптическими телескопами. Но существуют также радиоастрономические обсерватории, обсерватории по изучению космических лучей, а также метеорологические, сейсмологические и др.

В прежние времена астрономические обсерватории сооружали, как правило, вблизи университетов, но затем стали располагать на вершинах гор – подальше от плотных слоев атмосферы и крупных городов. Радиообсерватории часто строят в глубоких долинах, со всех сторон закрытых горами от радиопомех искусственного происхождения.

Телескопы – очень тонкие и чувствительные инструменты. Для защиты от непогоды и перепадов температуры каждый стационарный телескоп помещают в специальное здание – астрономическую башню. Небольшие башни имеют прямоугольную форму с плоской раздвигающейся крышей, а башни крупных телескопов обычно делают круглыми, с полусферическим вращающимся куполом, в котором для наблюдений открывается узкая щель. Такой купол хорошо защищает телескоп от ветра во время работы. Это важно, поскольку ветер раскачивает телескоп и вызывает дрожание изображения. Вибрация почвы и здания башни также плохо влияет на качество изображений, поэтому телескоп монтируют на отдельном фундаменте, отделенном от фундамента башни. Места для строительства оптических обсерваторий подбирают очень тщательно. Обычно это вершина горы: чем выше, тем тоньше слой атмосферы, сквозь который приходится вести наблюдения. Воздух должен быть сухим и чистым, желательно безветренным. Вблизи не должно быть городов с их ярким ночным освещением и смогом. Некоторые обсерватории располагаются в экстремальных условиях (рис. 3.24), поэтому там находятся только специалисты, которые работают посменно. Другие обсерватории размещаются в «компромиссных» местах, благоприятных для наблюдений и при этом сравнительно легко доступных, с хорошим климатом. Там многие наблюдатели живут постоянно, с семьями.

Желательно, чтобы крупные обсерватории были равномерно распределены по поверхности Земли: в этом случае в любой момент можно наблюдать любой небесный объект как на северном, так и на южном небе. Однако исторически сложилось, что большинство обсерваторий расположено в Европе и Северной Америке, поэтому небо Северного полушария изучено лучше. В последние десятилетия крупные обсерватории стали сооружать в Южном полушарии (Чили, Южная Африка, Австралия), а также вблизи экватора (например, на Гавайях), откуда можно наблюдать как северное, так и южное небо.

Рис. 3.24. Высокогорная обсерватория «Сфинкс» в Швейцарских Альпах на высоте 3570 м. Здесь занимаются инфракрасными исследованиями атмосферы и Солнца. В башне находится 76-сантиметровый кассегреновский рефлектор.

Как правило, на обсерваториях устанавливают несколько инструментов разного «калибра» и различной специализации. С помощью пассажного инструмента определяют моменты прохождения звезд через меридиан и таким образом уточняют скорость вращения Земли.

Это необходимо для службы точного времени, сигналы которого передаются по радио. Меридианный круг позволяет измерять не только моменты, но и место пересечения звездой меридиана. Это необходимо для создания точных карт звездного неба. Такие фундаментальные работы обычно проводят в крупных государственных обсерваториях: Морской обсерватории США, Королевской Гринвичской обсерватории в Великобритании, Пулковской и Московской обсерваториях в России.

Большинство телескопов имеет возможность поворачиваться вокруг одной или двух осей. К первому типу относятся меридианный круг и пассажный инструмент. Это небольшие телескопы, поворачивающиеся вокруг горизонтальной оси в плоскости небесного меридиана, проходящей через точки севера, юга и зенита. Двигаясь с востока на запад, каждое светило дважды в сутки пересекает эту плоскость. При этом в поле зрения телескопа светило непрерывно перемещается. Задача астронома – зафиксировать момент и место пересечения светилом небесного меридиана. Раньше это делали визуально, теперь – при помощи электронных камер.

Современные астрономы редко наблюдают в телескоп глазом. В основном телескопы используют для фотографирования небесных объектов или для регистрации их света или спектра с помощью различных электронных детекторов. Для таких работ требуется довольно длительное и чрезвычайно точное сопровождение объекта. Когда телескоп используется для фотографирования тусклых (астрономы говорят – слабых) небесных объектов, экспозиция может составлять несколько часов. Все это время телескоп должен быть нацелен точно на объект. Поэтому, как мы уже знаем, с помощью часового механизма он плавно поворачивается с востока на запад вслед за светилом, компенсируя этим вращение Земли с запада на восток. В принципе достаточно поворачивать телескоп вокруг одной оси, параллельной земной. Ее называют часовой осью, она-то и связана с часовым механизмом. Вторую ось, перпендикулярную часовой, называют осью склонений; она служит для исходного наведения телескопа на объект вдоль линии север – юг. Такую конструкцию механической части телескопа называют экваториальной монтировкой. Ее используют практически для всех телескопов, за исключением наиболее крупных, для которых более компактной и дешевой оказалась альт-азимутальная монтировка, когда телескоп следит за светилом, поворачиваясь одновременно с переменной скоростью вокруг двух осей – вертикальной и горизонтальной. Это значительно усложняет работу часового механизма, требуя компьютерного контроля.

Несмотря на наличие у телескопа высокоточного часового механизма, до недавних пор участие астронома-наблюдателя в процессе экспозиции было совершенно необходимым. Он был вынужден с помощью дополнительного телескопа-гида, укрепленного на главном инструменте, следить за точностью сопровождения объекта, компенсируя ошибки работы часового механизма, эффект атмосферной рефракции, а иногда – и атмосферное дрожание изображения. Он также должен был наводить телескоп на очередные объекты наблюдения, менять фотопластинки или переключать режимы электронной камеры, поворачивать купол башни, чтобы телескоп всегда был направлен в ее открытую щель. Все это приходилось делать в полной или почти полной темноте, чтобы зрение не теряло темновую адаптацию, фотопластинки не засвечивались, а электронные детекторы не страдали от яркого света. Максимум, что мог позволить себе наблюдатель, – это очень слабый свет темно-красного фонаря, почти не разрушающий ночное зрение. Поскольку в башне телескопа исключен какой-либо обогрев, неподвижное бдение у окуляра длинными зимними ночами требовало определенной «морозоустойчивости», а необходимость тонких движений ручками управления телескопом исключала наличие перчаток. При этом работа наблюдателя требовала большого навыка и порой граничила если не с искусством, то со спортом.

Современный телескоп

В последние десятилетия XX в. работа наблюдателя начала меняться. Были автоматизированы наведение телескопа на объекты наблюдения, движение купола вслед за телескопом и работа электронных детекторов света. На крупных телескопах были установлены автогиды – устройства, автоматически удерживающие телескоп точно наведенным на исследуемый объект. В результате постоянное присутствие наблюдателя у телескопа перестало быть необходимым, он снял тулуп и валенки и уютно устроился в отдельном теплом помещении перед экранами управляющих компьютеров. Фактически астронома у телескопа заменили инженеры у компьютера. Теперь работа ученого может ограничиваться тем, что днем он составляет программу ночных наблюдений. Но разве настоящий астроном позволит себе спать, когда на телескопе выполняются исследования по его программе? До утра в зале управления он помогает инженерам, чем может, а днем приступает к обработке полученных данных.

Рис. 3.25. Зеркало 5-метрового Паломарского рефлектора до алюминирования. Сделанное из пирекса (стекло с низким коэффициентом теплового расширения), оно благодаря сотовой структуре имело исходный вес 20 т, а после шлифовки и полировки – 14,5 т.

Стремление освободиться от рутинного труда и повысить эффективность работы телескопов привела к тому, что на некоторых обсерваториях были созданы полностью автоматические телескопы – так называемые патрульные камеры, постоянно фиксирующие вид звездного неба. Это необходимо для наблюдения переменных звезд, для поиска новых астероидов и комет, для регистрации метеоров и других неожиданных явлений. Появились также дистанционно управляемые телескопы: астроном теперь может сидеть в своем университетском кабинете, а послушный ему телескоп – располагаться на горной вершине тропического острова. Замечательно, что к некоторым таким телескопам-роботам открыт доступ для любителей астрономии (см.: www.faulkes-telescope.com).

Рис. 3.26. Зеркало 3-метрового Ликского рефлектора на шлифовальном станке. Несмотря на сотовую структуру, жесткое зеркало даже сравнительно небольшого диаметра имеет изрядную толщину.

В последние годы создаются телескопы нового поколения с апертурой 8-10 м. Если бы зеркало такого диаметра изготавливалось по старой технологии, оно весило бы сотни тонн. Поэтому используются новые технические принципы: главное зеркало делается либо составным из нескольких небольших зеркал, либо настолько тонким, что само не может поддерживать свою форму и требует специальной механической системы. Крупнейшими сейчас являются 10-метровые телескопы-близнецы «Кек-1» и «Кек-2», установленные в обсерватории Мауна-Кеа (о. Гавайи), и Большой канарский телескоп (Gran Telescopio Canarias, GTC) на о. Пальма. Их зеркала собраны из 36 шестиугольных элементов диаметром по 2 м. Компьютерная система постоянно регулирует их относительное положение для согласованной работы как единого зеркала.

Рис. 3.27.120-дюймовый (305 см) рефлектор «Шейн» Ликской обсерватории (1959 г.).

Немного меньшего размера четыре телескопа VLT (Very Large Telescope), имеющие монолитные зеркала диаметром 8,2 м. Они установлены на вершине горы Серро-Паранал, расположенной в самом сердце безжизненной пустыни Атакама (Чили), в 12 км от тихоокеанского побережья, где условия для астрономических наблюдений почти идеальны. Этот комплекс принадлежит Европейской южной обсерватории (ESO) и успешно работает уже 10 лет. Приступил к работе и «Большой бинокулярный телескоп» (Large Binocular Telescope, LBT) в обсерватории Маунт-Грэхем (Аризона), имеющий на одной монтировке два 8,4-метровых зеркала.

Тут я должен заметить, что дата рождения большого телескопа – понятие не вполне определенное. Гигантский телескоп – очень сложная машина. Есть несколько моментов, которые можно назвать его «рождением»: установка главного зеркала, первый свет – получение первой фотографии неба, торжественное открытие с разрезанием ленточки в присутствии гостей и начальства (бутылку шампанского о телескоп не разбивают). Один из этих моментов указывают как дату рождения телескопа. Но его окончательная доводка обычно растягивается на годы. Крупные телескопы, как крупные животные, медленно растут и долго не стареют. Они живут и работают по 100 и более лет, постепенно приобретая все большие возможности и принося все более важные результаты. Нередко случается, что телескоп теряет возможность работать не потому, что сам постарел, а потому, что изменилась окружающая среда. Об этом мы поговорим в конце главы, когда речь пойдет об астроклимате. А сейчас – небольшое отступление.

У астрономов сложилась традиция давать крупным телескопам собственные имена. До сих пор это были имена знаменитых ученых или меценатов, чьи усилия и деньги способствовали рождению уникальных научных инструментов. Например, метровые рефракторы «Лик» и «Йеркс», 100-дюймовый рефлектор «Хукер», 10-метровые телескопы «Кек» были названы в честь меценатов, а телескопы 3-5-метрового диаметра «Хейл», «Гершель», «Мейол», «Струве», «Шейн» и «Шайн» – в честь известных астрономов. Уникальному космическому телескопу дали имя знаменитого американского астронома Эдвина Хаббла. Сотрудники ESO в Чили, создающие гигантскую систему VLT из четырех 8-метровых и трех 2-метровых телескопов, решили не отступать от этой традиции и тоже дать своим гигантам имена собственные. Надо сказать, что это очень удобно, когда длинные технические обозначения заменяют простыми именами. Учитывая местные традиции, этим телескопам решили дать имена, почерпнутые из языка народа мапуче, живущего в южной части Чили. Отныне восьмиметровые телескопы называют в порядке их рождения так: «Анту» (Солнце), «Куйен» (Луна), «Мелипаль» (Южный Крест) и «Йепун» (Венера). Красиво, хотя запомнить с первого раза сложновато.

Таблица 3.3

Шесть поколений телескопов-рефлекторов

Нужно сказать, что и сами астрономы поначалу запутались в этих именах. Назвав четвертый телескоп звучным индейским именем Йепун (Yepun), ученые перевели его смысл как «ярчайшая звезда ночного неба», а поскольку таковой является Сириус, то астрономы были уверены, что именем этой звезды они и назвали свой телескоп. Однако, когда «крестины» телескопов уже состоялись, некоторые специалисты по языкам усомнились в правильности этого перевода и провели дополнительные изыскания. Не так-то легко оказалось найти знатоков почти вымершего языка. Но все же удалось выяснить, что слово «йепун» означает не «ярчайшая звезда ночи» (т. е. Сириус), а «вечерняя звезда» и относится оно к планете Венере. Заметим, что индейцы мапуче, как и многие древние народы, не отождествляли «вечернюю звезду» и «утреннюю звезду» с одной планетой Венерой в ее разных положениях относительно Солнца, а считали их двумя разными светилами. Итак, четвертый 8-метровый телескоп ESO, нареченный как «Йепун», носит имя «вечерней звезды» – Венеры. Весьма достойное астрономическое имя, хотя и не такое «звездное», как было изначально задумано.

Хотя ни один большой телескоп не повторяет предыдущие, а несет в себе новые инженерные элементы, все же эволюцию крупнейших телескопов-рефлекторов можно представить в виде смены нескольких поколений (табл. 3.3).

Каковы же особенности наземных телескопов последнего, пятого поколения? Этих особенностей много: они и в материалах, и в технологиях, и в принципиально новых идеях, уже воплощенных или ждущих своего часа. Главная черта новых телескопов – отказ от жесткого зеркала. Теперь поддержание идеальной формы главного зеркала и вообще заданных оптических параметров телескопа возложено на систему активной оптики. Что это такое?

Активная оптика

Система активной оптики – это автоматическая система для поддержания идеальной формы и правильного расположения оптических элементов телескопа-рефлектора, прежде всего его главного и вторичного зеркал. Идеальную форму (параболоида, гиперболоида или сферы, в зависимости от оптической схемы телескопа) стараются придать зеркалам при их изготовлении на оптическом предприятии, но нередко при этом остаются невыявленные дефекты. В дальнейшем качество зеркал ухудшается при их транспортировке в обсерваторию и сборке телескопа в башне. Во время эксплуатации телескопа его элементы подвергаются переменным механическим и термическим нагрузкам, вызванным поворотами телескопа при его наведении на объекты наблюдения, суточными перепадами температуры и т. п. Особенно сильно искажают форму главного зеркала телескопа его повороты по высоте, они же приводят к переменному гнутию конструкции телескопа, сбивая настройку оптических элементов.

Исторически поддержание формы оптических элементов телескопа основывалось на их жесткости. Как мы уже знаем, к концу XIX в. телескопы-рефракторы приблизились к своему пределу: с ростом диаметра и веса линз поддерживать их форму становилось все сложнее, поскольку крепление линзы возможно лишь по ее периметру. Когда диаметр линзовых объективов достиг 1 м, технические возможности оказались исчерпаны: два крупнейших в мире линзовых телескопа: рефракторы Ликской (91 см) и Йерксской (102 см) обсерваторий – никогда не будут превзойдены, во всяком случае до тех пор, пока линзы делают из стекла, а сами телескопы располагаются на поверхности Земли, в условиях обычной силы тяжести.

Рис. 3.28. Принципиальная схема системы активной оптики, применяемой на Европейской южной обсерватории.

Проблему деформации объектива удалось решить путем перехода к телескопам-рефлекторам: жесткая монтировка телескопа поддерживает зеркальный диск объектива по всей его нижней поверхности, препятствуя изгибу. Теперь такие оптические системы называют пассивными. Вес зеркала удавалось значительно снизить без потери жесткости, придав ему форму пчелиных сот и оставив сплошной только верхнюю, зеркальную поверхность. Наконец, для наиболее крупных зеркал диаметром 2,5–6,0 м была разработана механическая система разгрузки. Она поддерживает зеркало снизу в нескольких точках так, что сила упора зависит от положения телескопа: чем ближе к зениту смотрит телескоп, а значит, чем более горизонтально расположено его главное зеркало, тем сильнее упираются в него снизу поддерживающие «пальцы», не позволяя зеркалу прогибаться. Фактически это стало первым шагом к системе активной оптики.

Рис. 3.29. Оправа главного зеркала одного из телескопов VLT. Видны выступающие вверх «пальцы» 150 актюаторов, управляющих формой 8,2-метрового зеркала.

Главная особенность современных астрономических систем активной оптики – электронная линия обратной связи, позволяющая контролировать качество изображения и при необходимости исправлять его, управляя деформацией главного зеркала и перемещая вторичное зеркало телескопа. Контроль выполняется по изображению гидировочной звезды, которая выбирается на небе вблизи от изучаемого объекта и одновременно используется для точного ведения телескопа за объектом (гидирования). Размещенный у выходного зрачка телескопа анализатор волнового фронта исследует изображение звезды, пропущенное через матрицу из множества небольших линз (например, 30x30 линз). Каждая линза строит изображение звезды, которое регистрируется ПЗС-камерой. Разработано несколько способов выявления кривизны волнового фронта: по взаимному положению изображений, построенных каждой линзой, по степени их контраста и др. Чтобы результат анализа не зависел от случайного атмосферного дрожания изображения, измерения накапливаются и усредняются на интервалах в 20–30 секунд. По данным анализатора волнового фронта компьютер вырабатывает управляющие сигналы, которые усиливаются и передаются на многочисленные механические домкраты (актюаторы), упирающиеся снизу с необходимым усилием в главное зеркало, а также слегка перемещающие вторичное зеркало.

Рис. 3.30. Актюаторы главного зеркала VLT.

Рис. 3.31. Зеркало диаметром 8,3 м японского телескопа «Субару» в процессе монтажа.

При наличии системы активной оптики требования к главному зеркалу телескопа меняются принципиально: оно должно быть не предельно жестким, как раньше, а достаточно мягким, чтобы поддаваться управлению. Поэтому у современных крупных телескопов главное зеркало либо относительно тонкое (например, при диаметре 8–9 м имеет толщину всего 20 см), либо состоит из нескольких независимых элементов (например, у 10-метровых телескопов «Кек-1» и «Кек-2» главное зеркало составляют 36 гексагональных двухметровых пластин).

Рис. 3.32. Телескоп «Субару» в башне на вершине Мауна-Кеа. При диаметре зеркала 8,3 м телескоп весит 500 т. Фокусное расстояние главного зеркала 15 м.

Тонкое и легкое зеркало объектива позволяет существенно облегчить всю конструкцию телескопа. К тому же такое зеркало быстро принимает температуру окружающего воздуха, а это снимает проблему термических деформаций.

Рис. 3.33. Зеркало телескопа «Субару» в процессе тестирования (до алюминирования). Изготовлено оно из стекла ULE (ultra-low thermal expansion glass). Обратите внимание на его малую толщину – всего 20 см. Вес зеркала 22,8 т. Его формой управляет 261 актюатор.

Первая система активной оптики была реализована в 1989 г. на 3,5-метровом «Телескопе новых технологий» (New Technology Telescope, NTT) Европейской южной обсерватории (Ла-Силья, Чили). В 1992 г. подобная система была создана для управления главным сегментным зеркалом 10-метрового телескопа «Кек-1» (Мауна-Кеа, Гавайи). Затем полностью активной оптической системой были оснащены четыре главных 8,2-метровых телескопа с тонкими монолитными зеркалами, входящие в состав «Очень большого телескопа» (VLT) Европейской южной обсерватории (Паранал, Чили). Сейчас все наземные телескопы диаметром 8-10 м имеют систему активной оптики. В будущем такие системы станут применяться и на крупных космических многозеркальных телескопах, подверженных тепловой деформации. При этом они будут давать идеальные изображения, качество которых ограничено только дифракцией света.

Но у наземных телескопов есть свой враг – атмосфера. Хотя при использовании активной оптики их собственное качество становится практически идеальным, качество получаемого ими изображения ограничено нестабильностью атмосферы, для подавления которой предназначена система адаптивной оптики. А что это такое?