Когда телескопы были большими. Астрономический детектив

Чуть длиннее фокус у двойного телескопа Кека на горе Мауна-Кеа, на Гавайских островах – целых 17 с половиной метров.




А вот российский телескоп БТА-6 на горе Пастухова на северном Кавказе. Фокусное расстояние – 24 метра, а уж общая длина трубы – так и вовсе зашкаливает, там больше 30 метров! Даже просто стоять рядом с такой махиной жутковато!




Всё это правда. Современные телескопы огромны и обладают просто фантастической зоркостью. Но размеры их далеко не рекордные, поверьте. Посмотрите на эту старинную гравюру.




Здесь изображён телескоп, построенный польским астрономом Яном Гевелием в 1641 году. Почти триста восемьдесят лет назад, во времена мушкетёров и кардинала Ришелье! Так вот, фокусное расстояние этого телескопа равняется сорока шести метрам! Сорок шесть метров – против двадцати четырёх у нашего БТА! В семнадцатом веке!

Думаете, это рекорд? Вовсе нет. В 1684 году астроном Джованни Кассини построил в Париже телескоп с фокусным расстоянием в шестьдесят пять метров.




Но – сразу скажу! – и телескоп Гевелия, и телескоп Кассини по своим оптическим характеристикам, по своей «зоркости» были очень и очень слабенькими. Слабее не то что профессионального, а даже просто хорошего современного школьного телескопа!

Итак, перед нами настоящая загадка из истории науки – зачем было строить телескопы таких колоссальных размеров, если они были настолько маломощными?

Чтобы понять, в чём тут дело, придётся начать с самого начала. Общепринято считать, что телескоп изобретён в самом начале XVII века Галилео Галилеем. Телескоп Галилея был сконструирован из двух линз – положительной (выпуклой) и отрицательной (вогнутой). Схема эта была крайне примитивной и несовершенной: например, самый первый телескоп Галилея давал увеличение... в три раза. Второй – в восемь раз. Наконец, третий, самый лучший из построенных учёным – в двадцать три раза. Это, извините, на уровне современного бинокля! При этом поле зрения (то есть та область, которую видно глазом) у телескопа Галилея была крохотной, отыскивать звёзды и планеты в небе было очень трудно. В общем, в точности по поговорке: первый блин комом.

В 1611 году австрийский астроном и математик Иоганн Кеплер догадался, как усовершенствовать телескоп Галилея – нужно просто брать не положительную и отрицательную линзы, а две положительные! При этом, правда, изображение получалось перевёрнутым «кверху ногами», но... когда мы смотрим в небо на звезду, какая нам разница, где «верх», а где «низ»? Зато преимущества у системы Кеплера были громадные – и большое поле зрения, гляди не хочу, и (в теории) возможность получить любое, сколь угодно большое, увеличение. Хоть в сто раз, хоть в двести, да хоть в тысячу! Нужно просто с помощью простых формул подобрать нужные фокусные расстояния линз...

Однако когда астрономы начали строить телескопы по системе Кеплера, они обнаружили отвратительное, неприятное, ужасное явление: при попытке получить сильное увеличение изображение в окуляре телескопа размазывалось, расплывалось и окрашивалось во все цвета радуги. Разглядеть, что же там такое видно, было просто невозможно. Открытое явление назвали «цветовым искажением», или по-научному «хроматической аберрацией».




Линзы у тогдашних телескопов были одинарными, в точности как линзы современных очков, и при попытке «увеличить хотя бы в сто раз» вместо чёткой и ясной картинки давали размытое безобразие. Вот как на этой фотографии и даже намного хуже.




С помощью довольно простых опытов астрономы догадались – чтобы уменьшить хроматическую аберрацию линзы и получить чёткое изображение, нужно делать трубу телескопа (и фокусное расстояние объектива) как можно длиннее. Вот тогда-то и началась эпоха строительства телескопов длиной с современный девятиэтажный дом и даже больше.

Само собой, труба при этом получалась очень тяжёлой, возникал риск, что под собственным весом такой телескоп просто «сложится» и рухнет вниз. Но, тем не менее, изображение в этих телескопах-гигантах было вполне приемлемым для того времени; так что и Ян Гевелий, и Джованни Кассини, и многие другие астрономы сумели сделать множество замечательных открытий – измерение диаметра Венеры, наблюдения «морей» и «материков» на Марсе, даже обнаружили тончайший чёрный «провал» – щель Кассини – в кольцах Сатурна...

Кстати говоря, телескоп Кассини вообще не имел трубы. При фокусном расстоянии в 65 метров труба была бы настолько неустойчивой, что могла развалиться при малейшем ветре. Поэтому Кассини решил поступить по-другому – он как бы «разрезал» телескоп, сделав отдельно поворотный узел с объективом, и отдельно узел с окуляром, которые и соединил между собой обычной верёвкой. Такие телескопы ещё называли «воздушными».




В парижскую обсерваторию доставили огромную деревянную конструкцию – Башню Марли. Когда-то она была частью водонапорной системы, подававшей воду в знаменитые фонтаны Версаля. Вот её-то астроном и умудрился приспособить в качестве опоры для своего «супертелескопа»!




Однако шло время, совершенствовались технологии стекловарения. Оптики научились получать разные сорта стекла для линз и делать линзы с разными свойствами... Ближе к середине XVIII века английский учёный Честер Холл, проведя тщательные расчёты, понял: если сделать линзу не одинарной (из одного сорта стекла), а двойной, то можно подобрать характеристики так, чтобы раз и навсегда убрать хроматическую аберрацию; во всяком случае, снизить её настолько, чтобы она перестала мешать наблюдениям! Переднюю линзу нужно было изготовить из лёгкого стекла (крона), заднюю – из тяжёлого (флинта), каждая из линз искажала изображение, но вместе искажения исчезали – как сейчас модно говорить, «плюс на минус будет ноль».

Холл держал своё открытие в строжайшем секрете. Однако сам он был никудышным стекловаром и не мог изготовить такой двойной объектив! Тогда он решил пойти на хитрость: линзу из крона он заказал в оптической мастерской у Эдварда Скарлетта, а линзу из флинта – у Джеймса Манна, в разных городах. Готовые линзы он рассчитывал склеить уже самостоятельно. Но тут случилось совершенно непредвиденное. Уже в те времена многие фирмы любили брать себе дорогостоящие заказы, а потом «спускать» их в какую-нибудь третью мастерскую, только дешевле... И по чистой случайности и Скарлетт, и Манн решили «спустить» заказы на линзы одному и тому же мастеру – Джорджу Бассу! Тот взялся за работу: сперва сварил один сорт стекла, затем другой, выбрал подходящие куски для заготовок и занялся шлифовкой... И тут вдруг сообразил, что заказанные ему линзы просто идеально подходят одна к другой! Как кусочки головоломки-паззла! Совместив их, он (из чистого любопытства) стал испытывать полученную конструкцию – о чудо, хроматической аберрации не было!

Джордж Басс был человеком простым и совсем не скрытным. Отправив готовые линзы заказчикам, он рассказал о «случайно» подходящих друг к другу линзах ещё одному английскому оптику – Джону Долланду. А вот Долланд был человеком умным и проницательным! Он моментально сообразил, что линзы «подошли» друг к другу совсем не просто так! Внимательно расспросив Басса о том, из какого стекла тот делал первую и вторую линзы, Долланд немедленно приступил к опытам.




У него получилось! Готовый объектив он назвал ахроматическим («неокрашивающим»), или просто ахроматом. Затем он подал заявку, получил патент и немедленно наладил производство подзорных труб и телескопов – да каких! Некоторые телескопы, построенные Долландом, превосходно работают до сих пор!




Они давали отменное увеличение, чёткое изображение, и были вполне компактных размеров. Само собой, про тонкие неуклюжие «телескопы-монстры» Гевелия и Кассини длиной в 40 и 60 метров немедленно забыли – дескать, да зачем они такие вообще нужны?