Телескопы

Все сведения о небесных телах доставляет нам свет. Только он является тем мостиком, который соединяет Землю с великой Вселенной. Уловленный телескопами и запечатленный на рисунках, фотопластинках и звездных картах, свет позволил астрономам накопить множество знаний и создать первые серьезные теории о происхождении и строении Вселенной.

Мы являемся свидетелями начала новой астрономии - астрономии эпохи космических путешествий. Эпохи, в которую человечество приступит к непосредственному исследованию многих небесных тел. Совсем недавно советскими людьми был запущен первый искусственный спутник. Но за это короткое время ученые и инженеры добились новых блестящих успехов. Эти успехи превзошли самые смелые прогнозы специалистов, недооценивших возможностей современной ракетной техники и темпов ее развития. Так, например, лет пять назад считалось, что высадка человека на Луну окажется осуществимой лет через сто после запуска первого спутника, теперь же можно смело сказать, что мы будем свидетелями этого великого события в 70-е годы нашего столетия.

Столь большие успехи породили у некоторых людей мнение, что теперь наступает пора прямых исследований и что телескоп со временем перестанет быть главным орудием исследования Вселенной, потому что путешествия человека к звездам и тем более на другие планеты сделают его ненужным.

Это - ошибочное мнение.

Несомненно, люди посетят планеты, и, видимо, в первую очередь Марс. И очень хотелось бы, чтобы это произошло еще при жизни создателей первого спутника. Но самые крупные планеты солнечной системы, к сожалению, еще надолго останутся недоступными для человека. Главное средство обороны этих планет от посягательств землян - огромная сила тяготения. Так. например, на Юпитере, самой большой планете солнечной системы, все тела приобретают вес в 3 раза больший, чем на Земле. Даже если не будет никаких других препятствий¹, посадка ракеты на Юпитер и ее возвращение хотя бы к одному из спутников этой планеты из-за очень большой силы тяготения вряд ли окажутся возможными в ближайшие десятилетия. Что же касается визита на какую-нибудь звезду или хотя бы близкого подлета к ней, то такая экспедиция никогда не будет возможной - достаточно лишь вспомнить о температурах, существующих на поверхности звезд, чтобы понять это.

¹ (Может оказаться, что Юпитер вовсе не имеет "тверди", то есть, что плотность внешних слоев его поверхности недостаточно велика.)

Таким образом, телескоп навсегда останется одним из главных инструментов, с помощью которого будет вестись большинство астрономических наблюдений и исследований. Но это вовсе не означает, что развитие ракетной техники никак не повлияет на эти исследования. Оно уже начало сказываться на них. И о первых результатах здесь будет сказано несколько слов.

Часто говорят, что телескоп увеличивает наблюдаемые объекты. Это неверно. Изображение в телескопе всегда меньше наблюдаемого небесного тела. Правильнее говорить, что телескоп увеличивает угол, под которым наблюдается тот или иной объект. Иными словами, изображение в телескопе имеет увеличенные угловые размеры в сравнении с видимыми невооруженным глазом. Телескоп как бы приближает к нам наблюдаемые объекты. Однако такое увеличение не всегда возможно даже при использовании самых больших телескопов. И вот почему.

Объекты астрономических наблюдений в зависимости от угловых размеров, наблюдаемых невооруженным глазом, можно разделить на две категории.

К первой относят все небесные тела, угловой размер которых, определяемый как отношение поперечника тела к его расстоянию до Земли, достаточно велик. К таким объектам в первую очередь следует отнести Солнце и Луну, видимые под углом в 0,5°. Сюда же входят и планеты, хотя их угловые размеры значительно меньше: у Юпитера - 57", или 0,0158°, а у Марса - не более 19,2", или 0,00535°. Многие галактики тоже видны под большими углами, даже значительно большими, чем Солнце и Луна. Например, туманность Андромеды, вернее, ее главное тело, имеет около 40' в ширину и 160' в длину. Однако расстояние до нее так велико, что ее яркость соответствует девятой звездной величине. И даже глазу, вооруженному телескопом, она представляется не очень яркой звездой. Только фотографирование с большой выдержкой позволяет получить ее четкое изображение.

Вторая категория - так называемые точечные объекты - очень многочисленна. К ней относятся все звезды. Самая близкая из них так далека от нас, что численное значение отношения ее поперечника к расстоянию до Земли необычайно мало. Даже при максимальном теоретически возможном увеличении телескопа звезда все равно будет выглядеть светящейся точкой - такой же, как и при наблюдении невооруженным глазом. Изображение звезды в телескопе будет отличаться лишь большей яркостью да отсутствием лучей, которые мы видим у ярких звезд.

Итак, объекты первой группы при рассмотрении в телескоп приобретают большие угловые размеры, при этом на их поверхности могут быть различены детали, недоступные невооруженному глазу; а угловые размеры точечных объектов остаются практически неизменными.

Зачем же в таком случае рассматривать их в телескоп?

Прежде чем ответить на этот вопрос, отвлечемся от астрономии.

В некоторых районах нашей страны вода в источниках очень жесткая: она плоха и для стирки, и для мытья. В таких местах очень ценится дождевая вода. И, когда начинается дождь, люди, запасаясь водой, ставят под его струи ведра, корыта, тазы. Но ни одному даже самому несведущему в физике и математике человеку не придет в голову выставить под дождь бутылку - слишком мало капель попадет в ее узкое горлышко.

Нечто похожее происходит и при наблюдении звезд.

Все лучи, приходящие на Землю от какой-либо звезды, имеют практически одно и то же направление. Иными словами, пути всех фотонов, мчащихся от этой звезды к Земле, параллельны. Оптическая система, находясь на пути такого "дождя" фотонов, меняет направление каждого из них таким образом, что пути их перекрещиваются в одной точке. В глазу эта точка (фокус) находится на сетчатке, а в телескопе - в фокальной плоскости, где обычно устанавливается фотопластинка. Захваченные входным зрачком оптической системы световые кванты отдадут свою энергию: в глазу - палочкам и колбочкам, в телескопе - светочувствительным зернышкам фотоэмульсии или опять-таки палочкам и колбочкам глаза наблюдателя.

В невооруженный глаз фотонов попадает очень мало, а на фотопластинку или в глаз наблюдателя, вооруженный телескопом, - значительно больше.

Это и понятно. Ведь наибольший диаметр зрачка человеческого глаза не превышает 8 миллиметров. И, следовательно, площадь, с которой глаз собирает капли светового "дождя" - фотоны, равна 50 квадратным миллиметрам. Зато входной зрачок построенного в США телескопа имеет диаметр 5000 миллиметров. Площадь его равна 19,6 квадратного метра, то есть примерно такая же, как площадь жилой комнаты средних размеров. Соотношение площадей двух этих зрачков показывает, что в единицу времени телескоп собирает в 392 тысячи раз больше фотонов. Хороший наблюдатель в самых благоприятных условиях может увидеть невооруженным глазом звезды шестой величины. С помощью 5-метрового телескопа ему же удастся увидеть звезды 18-19-й величины.

Невооруженный глаз в нашем случае можно сравнить с узкогорлой бутылкой, а телескоп - с огромным чаном. И если продолжать эту аналогию, то при наблюдении в телескоп глаз можно уподобить бутылке, а телескоп - воронке с очень широким раструбом, собирающей все капли - фотоны и "вливающей" их в узкое отверстие глаза.

Оптические схемы телескопов

В наше время астрономы довольно редко смотрят на звезды. Наблюдателя уже довольно давно сменила фотопластинка. Это удобнее по многим причинам, но наиболее важные из них, пожалуй, две.

Во-первых, фотографирование лучше тем, что каждая фотография является самым достоверным документом, сохраняющим на века точнейшие данные о взаимном расположении наблюдаемых объектов, об их светимости и конфигурации, имевших место в то время, когда производилось фотографирование. Обнаружить какие-либо изменения можно, только сопоставив снимки одного и того же участка неба, сделанные в разное время.

Во-вторых, фотографирование позволяет обнаружить звезды и другие объекты, слишком слабые для невооруженного глаза. Это объясняется способностью светочувствительных зерен фотоэмульсии суммировать во времени, накапливать фотохимическое действие фотонов. У глаза эта способность накапливать последовательные возбуждения от отдельных фотонов выражена в значительно меньшей степени. Кроме того, если количество фотонов, попадающих в данную палочку за единицу времени, меньше некоторого минимума (ниже некоторого порога), глаз вообще не ощутит света.

Схема трубы Галилея

В "паспорте" каждой звезды имеется не только ее фотография, имя и адрес. В него же вписаны и особые приметы гражданки Вселенной - светимость (величина, характеризующая яркость звезды) и спектральный тип. Эти приметы помогают устанавливать специальные приборы - фотометры и спектрографы, применяемые совместно с телескопом. С помощью спектрографа фотографируется спектр звезды, а распределение энергии в этом спектре исследуется особо чувствительными термометрами - термопарами.

В наши дни в распоряжении астрономов имеются телескопы различных типов и классов. Одни предназначены для исследования предельно доступных глубин Вселенной, но зато имеют очень малый угол поля зрения; другие так далеко в космос не проникают, но зато позволяют вести фотографирование довольно больших участков неба.

Телескоп Максутова. У телескопа автор Д. Д. Максутов

По принципу действия или, вернее, по оптической схеме телескопы можно разделить на три основные группы: рефракторы, рефлекторы и зеркально-линзовые. Первыми появились телескопы, в которых в качестве объектива использовалась собирающая линза, а в качестве окуляра - рассеивающая. По такой оптической схеме была собрана труба Галилея. Кеплер создал другую оптическую схему, по которой и сейчас выполняются рефракторы. В этой схеме собирающие линзы используются и в объективе и в окуляре.

Первые телескопы давали очень несовершенное окрашенное изображение. Ньютон объяснил причину этого недостатка и даже пришел к выводу, что устранить окрашивание в рефракторах невозможно. Это была ошибка. Но она имела не только вредные, но и полезные последствия: она натолкнула Ньютона на мысль о постройке телескопа по иной оптической схеме. Такой телескоп был собственноручно изготовлен ученым в 1668 году. Это был первый в мире рефлектор - телескоп, у которого в качестве объектива используется не собирающая линза, а вогнутое зеркало. Окрашивание объектов в рефлекторе принципиально отсутствует, потому что свет не проходит сквозь линзу, а отражается от полированной поверхности зеркала.

Схема трубы Кеплера

Правда, сама идея рефлектора принадлежит не Ньютону - она была высказана еще за пять лет до него соотечественником великого физика - Грегори, но его оптическая схема несколько отличалась от предложенной Ньютоном. Поэтому последнему часто приписывают и славу изобретателя рефлектора. На самом деле он был первым, кто построил телескоп-рефлектор. Грегори же не повезло: уже после того как Ньютон построил свои телескопы, оптическую схему, подобную предложенной Грегори, вновь описал другой ученый - Кассегрен. И оптику, выполненную по этой схеме, до сих пор часто называют кассегреновской.

Ошибка Ньютона была исправлена лишь в 1729 году, когда появился первый ахроматический (неокрашивающий) объектив. С тех пор рефракторы вновь обрели признание.

В настоящее время строятся и применяются оба типа телескопов. Каждому присущи свои достоинства и недостатки; каждый тип применяется для решения особого круга задач: с помощью рефракторов ведутся астрономические наблюдения и исследования, с помощью рефлекторов - астрофизические, например исследования спектров.

Совсем недавно появился новый тип телескопа. Его изобрел советский ученый Д. Д. Максутов. Схема этого телескопа представляет собой сочетание рассеивающей линзы - мениска - и вогнутого зеркала сферической формы. Преимуществами этого типа телескопов являются большая простота и весьма малая длина инструментов.

Новый телескоп-рефлектор в Симеизской обсерватории. Его называют ЗТШ-2,6, что означает: зеркальный телескоп Шайна с диаметром главного зеркала 2,6 метра

Наиболее мощными инструментами в настоящее время являются рефлекторы. Диаметр главного зеркала, наиболее крупного из всех существующих, равен 508 сантиметрам. Этот телескоп установлен в обсерватории на горе Маунт Паломар, в Калифорнии. Диаметр объектива самого крупного рефрактора равен всего лишь 102 сантиметрам. Это означает, что самый большой рефлектор позволяет собирать в 25 раз больше света, чем самый большой рефрактор.

В СССР совсем недавно был построен рефлектор с диаметром зеркала в 260 сантиметров. Он установлен в Крымской астрофизической обсерватории в Симеизе. Можно не сомневаться, что наши оптики при необходимости сумеют построить и более крупные телескопы, которые позволят астрономам исследовать глубины космоса. Это будут самые большие в мире инструменты.

Обработка зеркала диаметром 2,6 метра на Ленинградском оптико-механическом заводе. Обработка длилась более года и велась при строго постоянной температуре

Самый большой рефрактор в Советском Союзе установлен в Пулковской обсерватории: диаметр его объектива равен 75 сантиметрам.

По фотографиям вы можете судить, какое огромное и сложное сооружение - современный крупный телескоп. Помимо высоких оптических качеств, это огромное сооружение должно иметь возможность наводиться на требуемый участок неба и вращаться так же плавно и равномерно, как наш земной шар, с тем чтобы с чрезвычайно высокой точностью следить за положением избранной звезды. Строительство подобных телескопов длится годы и обходится очень дорого. Иметь такие инструменты может позволить себе не каждое даже богатое государство.

Новый телескоп-рефрактор, построенный в ГДР

Еще совсем недавно, до эпохи ракет и спутников, многие считали астрономию наукой, оторванной от жизни. Теперь отношение к ней со стороны непосвященных переменилось, но тем не менее они продолжают считать, что практическую пользу астрономия принесет лишь в будущем. Это неверно. Астрономия не только наука, устремленная в будущее, она в то же время одна из самых древних наук. И появилась она для того, чтобы ответить на вопросы, жизненно важные для человеческого рода. Ею успешно занимались жрецы Египта и Двуречья, а в Западном полушарии - жрецы народов майя, инков и ацтеков.

Астрономия для древних народов имела не только мистическое значение и служила не только для укрепления власти жрецов. Основное ее назначение было чисто практическим и необыкновенно важным - она дала народам календарь.

В наши дни календарь кажется извечным, присущим самой природе и само собой разумеющимся явлением. Однако это вовсе не так. Календарь - одно из важнейших, изобретений древнего мира, сделанное на основании знаний о законах смены времен года и небесных явлений. Именно календарь помогал народам проводить сельскохозяйственные работы в правильные сроки.

Строительство нового телескопа в ГДР

Самый точный календарь, как недавно установили ученые, оказался у народа майя. Хотя летосчисление у этого народа было основано на отличных от принятых теперь принципов, они все же точнее всех других определили длительность года. Вот табличка, в которой сопоставлены длительности года, указываемые различными календарями:

Юлианский календарь 365, 250 000 дня

Григорианский календарь 365, 242 000 дня

Календарь майя 365, 242 129 дня

Точные астрономические данные 365, 242 198 дня

Жизнь любого народа даже и по настоящий день в какой-то степени подчинена календарю. Есть дни, когда он предписывает веселиться; есть дни, считающиеся печальными. Все это - наследие глубокой старины, когда жрецы, а затем и священники требовали неукоснительного соблюдения календарных предписаний.

Дальнейшее развитие астрономия получила, столкнувшись с новой, очень важной для человечества задачей - с навигацией. Это произошло в то время, когда стало развиваться мореплавание. Только звезды могли указывать дорогу судам вдали от берегов, и морякам поневоле пришлось стать и астрономами. Знание некоторых разделов астрономии необходимо и штурманам наших дней. Навигация по звездам - астронавигация - имеет в наше время важное практическое значение.

Новая, современная астрономия зародилась в эпоху позднего Возрождения, когда ум человеческий впервые за многие века вырвался из оков церковного мракобесия. В 1543 году, в год смерти великого польского астронома Николая Коперника (1473-1543), вышла в свет его книга "Об обращении небесных сфер". Этой книгой Коперник нанес решительный удар освященной веками и римской церковью Аристотелевой картине Вселенной.

Окончательно взгляды Коперника утвердились уже в начале XVII века, когда Галилей сделал свои всем известные наблюдения. Вот что пишет об этом в книге "Наука в истории общества" профессор Дж. Бернал:

"Едва новость о телескопе дошла до профессора физики и военно-инженерного дела в Падуе Галилео Галилея, как он решил сделать себе такой же прибор, чтобы направить его на небо. Галилей уже в то время был убежденным последователем Коперника, причем он одновременно глубоко интересовался движениями маятника и связанной с этим проблемой свободного падения тел. За несколько первых ночей наблюдения неба он увидел достаточно для того, чтобы разгромить всю аристотелевскую картину этой безмолвной стихии. Ибо Луна оказалась не совершенной сферой, а покрытой морями и горами; планета Венера, так же как и Луна, имела фазы, в то время как планета Сатурн казалась разделенной на три планеты. И, что важнее всего, Галилей заметил, что вокруг Юпитера вращаются три звезды или луны - миниатюрная модель системы Коперника, которую каждый смотрящий в телескоп мог увидеть собственными глазами".

В наши дни астрономия представляет собой по существу не одну, а несколько объединившихся ради единой цели наук. Здесь и небесная механика, изучающая законы движения небесных тел; и астрофизика, исследующая физические процессы и химический состав небесных тел и межзвездного вещества; и космогония - наука, стремящаяся постигнуть тайны происхождения и развития небесных тел; и даже астроботаника - новая область астрономии, изучающая растительные покровы Марса.

Астрономия - одна из немногих наук, привлекающая к себе с давних пор множество любителей. Нередки случаи, когда им удавалось делать весьма ценные наблюдения. Очень большую помощь оказали они при наблюдениях за полетом первого искусственного спутника. Правда, пока еще любителям трудно приобрести инструмент хорошего качества и часто они самостоятельно изготовляют простейшие телескопы. Теперь оптическая промышленность нашей страны стала одной из сильнейших в мире, и надо полагать, что скоро в продаже появятся хорошие любительские телескопы. И тогда астрономов-любителей будет у нас не меньше, чем радио- или фотолюбителей¹.

¹ (Г. Г. Слюсарев в своей книге "О возможном и невозможном в оптике" рассказывает, как сделать простейший телескоп. "В качестве объектива можно взять очковое соффательное стекло от 2 до 4 положительных диоптрий (для дальнозоркого), в качестве окуляра - сильную положительную линзу с фокусным расстоянием в 3-4 сантиметра каждая, ставя их одну за другой, выпуклыми сторонами внутрь. Линзы оправляются картоном и вставляются в две трубы (длинную для объектива и короткую для окуляра) с таким расчетом, чтобы была возможность подфокусировки на далекие и на близкие расстояния. Такая труба при условии диафрагмирования отверстия объектива до 2-3 сантиметров в диаметре позволяет получить неплохие изображения небесных светил. Можно наблюдать лунные цирки, Юпитер и четыре его спутника, туманности Андромеды, Ориона и др. При фокусном расстоянии объектива в 50-100 сантиметров и хороших атмосферных условиях можно на Сатурне рассмотреть если не кольца, то, по крайней мере, неясной формы образования, замеченные впервые Галилеем в трубе приблизительно такого же качества. Как известно, Галилей умер, так и не выяснив, что это были за образования. Причиной этой неудачи нужно считать... дифракцию". Очковое стекло, вставляемое в оправы "модной" формы, не совсем удачно для применения в таком телескопе. Лучше брать круглое, хорошо вырезанное стекло.)

Одним из важнейших разделов астрономии является изучение планет солнечной системы. Они с давних пор привлекали внимание астрономов и тем, что были наиболее доступны для наблюдений, и тем, что ученые уже давно предчувствовали их близкое родство с Землей.

Эти предчувствия подтвердились, когда Ломоносов открыл атмосферу на нашей ближайшей соседке Венере. К сожалению, она очень непрозрачна, и мы до сих пор знаем об этой планете гораздо меньше, чем о более отдаленном Марсе. Изучению Венеры мешает также и то, что она ближе к Солнцу, и поэтому наблюдать ее менее удобно, чем Марс.

Но эта планета ближе к Земле, чем Марс, и поэтому именно в ее сторону, а не к Марсу были запущены первые автоматические межпланетные станции с различными научными приборами на борту. Пока еще неизвестно, каковы результаты изучения этих планет с помощью космических станций. Но несомненно одно - они позволят ученым делать новые открытия, важные не только для астрономов, но и для тех, кто изучает Землю. Ведь изучив особенности нашей ближайшей (не считая Луны) соседки, мы сумеем лучше понять и нашу родную планету.

Нам станут более понятными процессы, протекающие в нашей атмосфере; быть может, мы сумеем понять происхождение магнитного поля Земли.

Вероятно, в недалеком будущем люди сумеют послать к Венере и другим планетам такие автоматические станции, которые, "приземлившись" на поверхности планет, позволят уже самым непосредственным образом изучать их. И тогда мы сумеем узнать, есть ли жизнь на планетах солнечной системы, хотя бы самая примитивная, и изучать эти внеземные формы жизни. И, конечно, ученые постарались бы как можно скорее получить точную карту каждой из планет.

Этот снимок сделан в радостные дни октября 1957 года, когда был запущен первый в истории искусственный спутник Земли. Астрономы-любители оказали в те дни большую помощь ученым

Точная карта планеты... Это действительно было бы бесценным приобретением для нашей земной науки. По ней мы могли бы судить не только о другой планете, а сумели бы, видимо, узнать и кое-что новое о своей.

И недаром столько внимания уделяется изучению поверхности Марса. Исследования этой планеты приняли особенно широкий характер после того, как итальянский астроном Джованни Скиапарелли (1835-1910) увидел на ее поверхности необычайный узор из пересекающихся тонких линий. Он истолковал увиденные линии как сооружения, выполненные разумными существами, и назвал их каналами. Такое толкование, вероятно, выражало заветную и не всегда осознанную мечту человечества - убедиться в существовании разумных существ на других мирах.

И, видимо, именно поэтому сообщение об открытии Скиапарелли привлекло к себе всеобщее внимание.

В годы, последовавшие за этим открытием, вопрос о каналах на Марсе был предметом очень серьезных споров между астрономами. В настоящее время они все же пришли к выводу, что скорее всего никаких образований на поверхности Марса, похожих на те, которые видел Скиапарелли, не существует. Но в то же время они не считают вопрос выясненным до конца.

Наиболее вероятным объяснением открытия каналов они считают оптический обман. Он возникает при наблюдении слабо освещенных объектов, находящихся на пределе видимости. Этому же способствовало и то, что телескоп Скиапарелли был небольшим и в нем сильно сказывались явления дифракции.

По мере того как в распоряжение астрономов поступали все более крупные инструменты, в которых изображение Марса было более ярким, а явление дифракции сказывалось меньше, случаи обнаружения каналов становились все более и более редкими. А в современные большие инструменты их и вовсе не видно. Вы можете убедиться в этом, посмотрев на карту Марса, составленную в обсерватории Пик дю Миди во время последнего противостояния Марса в ноябре 1958 года. Наблюдения Марса велись с помощью 61-сантиметрового рефрактора при увеличении в 1200 раз. Угловой размер изображения Марса при этом был равен 19,2" Х 1200 = 6,4°. Под таким углом виден пятак, помещенный в 22 сантиметрах от глаза. Помимо карты Марса, в книге приведен один из последних его рисунков (Марс на фотографиях получается хуже, и его до сих пор зарисовывают наблюдатели). Карта и фотоснимок дают некоторое представление о том, каким видят Марс астрономы. Из этого рисунка видно, что каналов на Марсе нет. Либо за шестьдесят лет, прошедшие со времени открытия Скиапарелли, они исчезли, заметенные песчаными бурями, либо, и это почти не вызывает сомнений, никогда не существовали.

В наше время ученые считают, что на Марсе нет разумных существ. Зато они не сомневаются в существовании растительности. Множество фотографий поверхности Марса, сделанных в различных лучах спектра, и другие спектральные исследования, проведенные советскими астроботаниками под руководством Г. А. Тихова, позволяют считать это установленным фактом.

Огромное внимание уделяют астрономы и астрофизики изучению Солнца - этой единственной звезды, которая достаточно близка к нам.

Физические процессы на Солнце, исследуемые учеными, позволяют глубже проникнуть в тайну вещества и ядерных реакций. Эти процессы оказывают очень большое влияние на состояние атмосферы Земли, на погоду, и радиосвязь. Изучив Солнце, ученые сумеют лучше познать и другие звезды.

Солнце исследуют разными методами: фотографируют спектры, его видимую поверхность в лучах света с различными длинами волн, исследуют его корону. И во всех этих исследованиях телескоп является основным прибором.

Карта Марса, выполненная во время противостояния в 1958 году

Вот как описывает Солнце известный английский астрофизик Джемс Джинс (1877-1946):

"Ясно, что Солнце - не мертвый мир, подобно Луне или Меркурию. Наоборот, здесь ничто не пребывает в покое; все находится в бешеном движении; вся поверхность возбуждена, кипит, бурлит и извергается разными путями. Нам понятно, почему это должно быть так.

Внутренность Солнца представляет собой как бы огромную, непрерывно работающую силовую станцию. Энергия, освобождающаяся внутри Солнца, делает его чрезвычайно горячим, так что огромный поток тепла выбрасывается наружу, на поверхность, откуда он и изливается в пространство в виде радиации...¹ При этом поверхность, естественно, не может оставаться спокойной, и мы видим ее сплошь кипящей. Верхние слои, попросту говоря, перевертываются и обращают свои самые горячие стороны к внешнему пространству, что дает возможность быстрее выделиться заключенной в них энергии излучения.

¹ (Все излучение Солнца в секунду исчисляется огромной цифрой с 25 нулями и равно 9•10²⁵ калорий. Мы знаем, что энергия имеет массу. Если перевести эту цифру в массу, то окажется, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на 3170 тысяч тонн!)

Но и этого еще недостаточно. Огромные фонтаны пламени, называемые протуберанцами, там и сям бьют над солнечной поверхностью на сотни тысяч километров в высоту. Они - большей частью малинового цвета - часто принимают самые фантастические формы. Одни из них стоят почти спокойно, другие же выпускают побеги со скоростью тысяч километров в секунду. Некоторые совершенно отделяются от Солнца, взлетая на высоту сотен тысяч километров...

Солнце, сфотографированное через специальные светофильтры, пропускающие практически свет одной длины волны: 1 - в ультрафиолетовых лучах; 2 - в лучах синего цвета; 3 в лучах красного цвета; 4 - для сравнения приведена обычная фотография Солнца в лучах белош цвета

Фантастическая архитектура малинового пламени протуберанцев не единственная декорация солнечной поверхности. В разных ее местах мы видим темные зияющие впадины, очень похожие на кратеры действующих вулканов, извергающих огонь и вещество из недр Солнца. На Земле мы называем эти впадины солнечными пятнами..."

На фотографиях, приведенных в книге, можно увидеть снимки Солнца, полученные на разных длинах волн, а также четыре последовательных снимка гигантского взрыва на Солнце.

Четыре последовательных снимка гигантского взрыва на Солнце

От Солнца путь астрономической науки идет к звездам и отдаленным мирам Вселенной - к галактикам. Для их изучения требуются огромные и объединенные усилия ученых всего мира. Чтобы лучше представить объем уже проделанной работы, достаточно сказать, что обследованы и внесены в каталог уже несколько сотен тысяч одних только галактик. Но исследуются ведь не только галактики, но и отдельные звезды. Очень большой интерес для науки представляет изучение межзвездного вещества и газа. Изображение одной из таких газовых туманностей вы можете увидеть на фотографии.

Познакомившись с фотографиями различных объектов астрономических исследований, вернемся снова к инструменту, с помощью которого они были сделаны, - к телескопу. Мы видим, что он позволил ученым добиться очень многого, но отнюдь не всего, чего им хотелось бы. Телескопы вовсе не идеальны и не всесильны. Их совершенству положены пределы, установленные законами оптики и свойствами земной атмосферы.

Фотография одной из галактик

Так, например, оказывается невозможным поднять увеличение телескопа выше некоторой, сравнительно небольшой величины. И, если кто-либо из читателей полагал, что большие телескопы строятся только для получения больших увеличений, он ошибался. С ростом диаметра объектива максимально возможное увеличение действительно повышается, однако основная цель строительства гигантских телескопов в другом: в том, чтобы увеличить количество собираемого света и тем самым увеличить глубину проникновения в бесконечные дали Вселенной.

Предел увеличению телескопа ставит явление дифракции. Оно сказывается тем сильнее, чем меньше диаметр объектива и чем больше увеличение. Практически наилучшее увеличение даже в очень крупных инструментах не превышает 800 раз. В некоторых случаях наблюдатели сознательно прибегают к удвоению и даже учетверению этой цифры, но количество различимых деталей при этом не повышается. Меняются лишь условия наблюдения, что иногда бывает удобнее для работы. Явление дифракции очень хорошо видно на фотографии Сириуса. Лучи, отходящие от этой звезды, являются следствием дифракции света. На самом же деле их нет.

Светящаяся газовая туманность

"Острота зрения" телескопа с диаметром зеркала 508 сантиметров в 1200 раз выше, чем у глаза. Это означает, что наименьший объект, форму которого еще можно различить, должен иметь угловой размер не менее 0,05", что на поверхности Луны будет соответствовать линейному размеру 50 метров, а на поверхности Марса - 8 километрам. Можно видеть и меньшие предметы, но форму их определить окажется невозможным: круг, квадрат, прямоугольник или любая другая фигура при этом становятся неотличимыми друг от друга, представляя собой некие расплывчатые пятнышки. Наибольшее полезное увеличение 508-сантиметрового рефлектора, как мы уже говорили, равно примерно 1200, но поле четкого зрения у него очень мало - всего лишь 0,25° в поперечнике; в него не поместится целиком даже Луна.

Предел увеличению ставит и яркость наблюдаемых объектов. При повышении увеличения яркость изображения в телескопе будет падать. Это и понятно - ведь количество фотонов, попадающих в глаз или на пластинку, определяется только яркостью самого объекта, расстоянием до него и диаметром объектива телескопа, но не зависит от увеличения. С ростом же увеличения растет размер изображения, и то же самое количество фотонов должно будет распределиться на большей площади. Следовательно, на каждое зернышко эмульсии или на каждую светочувствительную клетку на сетчатке глаза придется меньшее количество фотонов. Такое падение освещенности фотопластинки или сетчатки при наблюдении объектов малой яркости может оказаться недопустимым¹.

¹ (Не следует забывать, что все эти рассуждения относятся только к случаю наблюдения объектов первой категории. При наблюдении объектов второй категории, которые представляют собой точечные светящиеся тела, об увеличении нет смысла говорить. Можно лишь интересоваться дальностью видимости точечных источников света. Как мы помним, глаз может заметить свечу (теоретически) на расстоянии 30 километров. При использовании 500-сантиметрового телескопа это расстояние достигнет 18 750 километров. Но при этом мы не увидим ни свечи, ни язычка пламени - мы увидим только светлую точку. Но разрешающая способность важна и в этом случае: чем она больше, тем легче удается различить отдельные звезды в скоплениях.)

Если первые две причины, ограничивающие увеличение, определялись диаметром телескопа, то есть так или иначе зависели от человека, то третья, весьма существенная причина имеет совсем иную природу и совершенно не подчиняется нашей воле. Эта причина - состояние атмосферы.

При чрезмерно большом увеличении наблюдению светил начинает препятствовать явление дифракции. На снимке приведено изображение Сириуса; лучи, расходящиеся в стороны, возникли за счет дифракции

Оказывается, наша атмосфера не столь уж прозрачна и однородна, как мы привыкли считать. И дело вовсе не только в облаках, туманах и пыли. Есть другие не менее неприятные помехи для астрономических наблюдений. Речь идет о тех малозаметных мельчайших изменениях плотности атмосферы, которые обычно можно наблюдать над разогретыми поверхностями: над асфальтовой лентой шоссе, над большими полями или над степью. Если смотреть сквозь толщу воздуха над такими поверхностями, то мы увидим, что воздух струится и дрожит от мелких токов, словно густой сахарный сироп, растворяемый в воде.

В контейнере установлены два телескопа: большой - для фотографирования светил, а с помощью малого телескопа и специального автомата осуществляется наводка большого телескопа на заданное светило (малый телескоп спереди)

Такие колебания атмосферы, даже выраженные в гораздо меньшей степени, - страшные враги астрономов. Они мешают им вести наблюдения, потому что приводят к непрерывным и неконтролируемым изменениям резкости изображений небесных тел. Они сказываются тем сильнее, чем больше увеличение телескопа. Поднимать его выше определенной величины нет смысла - изображение от этого только ухудшится. Чтобы избавиться от таких помех, астрономы поднимаются высоко в горы, где воздух не только чище, но и гораздо спокойнее. Так, в СССР Абастуманская и Бюраканская обсерватории построены в горах на высоте 2000 метров над уровнем моря.

Контейнер с телескопом поднимается над плотными слоями атмосферы с помощью статостата

Атмосфера Земли создает и другие помехи - она оказывается неодинаково прозрачной в различных участках спектра. На некоторых длинах волн она поглощает почти весь свет. И это свойство атмосферы очень мешает астрономам при исследовании спектров Солнца и звезд. До последнего времени астрономам приходилось бороться с этой трудностью только косвенными методами. Но несколько лет назад в иностранных журналах появилось сообщение, что американским инженерам удалось помочь ученым: они сумели поднять телескоп над атмосферой. Такой подъем осуществляют двумя способами.

Первый - это подъем контейнера с телескопом и другой аппаратурой на стратостате. Стратостат такого типа, как изображенный на фотографии, способен подняться настолько высоко, что под ним остается практически вся атмосфера. На такой высоте (20 километров и более) телескоп автоматически наводится на Солнце и опять-таки с помощью автоматов производится фотографирование Солнца в различных лучах спектра и снимаются спектрограммы. Одна из фотографий, сделанных со стратостата, и приведена здесь.

Для того чтобы увидеть изображенное на первом из этих трех цветных снимков, герои Жюля Верна объездили весь сбет. Но это совсем необязательно, - каждый внимательный наблюдатель может увидеть зеленый луч, не уезжая далеко от дома. На закате, особенно над морем, его часто можно видеть

Второй способ - это подъем телескопа на высотной ракете. Конечно, телескоп на ней можно установить только очень небольшой. Зато атмосфера уже не помешает повысить увеличение. Как и на стратостате, фотографирование и другие исследования производятся автоматически. При возвращении ракеты в атмосферу отсек с установленной в нем аппаратурой спасается с помощью парашютов. Снимки Солнца, сделанные с борта высотной ракеты, вы тоже можете здесь увидеть.

Кроме зеленого луча, бывает еще и красный луч; его фотография находится рядом. Вероятно, каждый видел яркую мерцающую и переливающуюся чистыми цветами планету Венера

Ракетные исследования верхних слоев атмосферы и солнечного излучения ведутся уже более десяти лет. Как известно, метеорологические и геофизические ракеты использовались наукой еще за несколько лет до запуска первого спутника.

Третий снимок показывает, как Венера на закате и переливы цветов в телескопе

Но вот 4 октября 1957 года над Землей закружился первый искусственный спутник. Он был еще очень мал - небольшой шар весом примерно 80 килограммов, но сигналы его радиопередатчиков, знаменитые "бип-бип", всколыхнули весь мир, возвестив человечеству начало новой эпохи.

Эти прекрасные снимки Солнца были сделаны со стратостата

Первые спутники Земли были предназначены для исследования околоземного пространства, о котором ученые в то время знали гораздо меньше, чем теперь. Так, им еще не были точно известны границы земной атмосферы, и они не могли даже достаточно точно предсказать, сколько времени просуществует на орбите первый спутник.

Эти прекрасные снимки Солнца были сделаны со стратостата

После запуска первых трех спутников наука получила очень ценные сведения о метеоритной опасности, о космическом излучении; она открыла пояса интенсивной радиации, окружающие Землю, уточнила свои знания об атмосфере. Не менее ценные знания получила и техника. Опыт по созданию и запуску спутников позволил вскоре перейти к решению более сложной проблемы. 2 января 1959 года был дан старт первой космической ракете, которая стала первой искусственной планетой солнечной системы. Осенью того же года была запущена новая космическая ракета, достигшая Луны. А через два года после запуска первого спутника советские люди послали новую ракету.

Поверхность Солнца, сфотографированная при большом увеличении телескопа. Телескоп был установлен на борту ракеты

Отделившаяся от этой ракеты межпланетная станция облетела Луну и, приблизившись к Земле, передала с помощью телевизионных устройств фотографии неведомой дотоле обратной стороны Луны. Это был новый триумф на пути прямых исследований солнечной системы¹.

¹ (12 апреля 1961 года сбылась мечта человечества - первый космонавт, советский летчик Ю. А. Гагарин, облетел Землю на корабле-спутнике "Восток"; 6 августа 1961 года совершил 25-часовой полет второй космонавт Г. С. Титов; а 11 и 12 августа 1962 года уже два советских космонавта А. Г. Николаев и П. Р. Попович совершили групповой полет.)

Современная техника вооружила астрономов еще одним мощным инструментом для исследования Вселенной.

Для точного определения траектории спутника его фотографируют в полете с помощью специальных киноустановок. Пунктирная линия - след спутника в небе. Слева, внизу, фотографируется шкала очень точных часов, что позволяет точно определять время полета спутника

Мы уже знаем, что принципиальной разницы между радио и световыми волнами нет. Она заключается лишь в том, что самые длинные световые волны значительно короче самых коротких радиоволн. Поэтому и на радиоволнах можно создать некое устройство, которое по своему назначению будет похоже на телескоп. Такое устройство должно улавливать не световые волны, а радиоволны, излучаемые небесными телами. По аналогии с телескопом его назвали "радиотелескоп".

Вот как выглядели на экране осциллографа сигналы первого искусственного спутника Земли, его знаменитые 'бип-бип'

И это не поверхностная аналогия. Между оптическим и радиотелескопом действительно очень много общего. По существу, радиотелескоп очень похож на телескоп-рефлектор. Так же как и в рефлекторе, в радиотелескопе используется параболическое собирающее зеркало. Правда, оно отличается от оптических зеркал. Его поверхность делают из листов металла или даже из металлической сетки. Для световых волн она не является зеркалом, но радиоволны великолепно отражаются не только от листов металла, но и от металлической сетки, при условии, что размеры сторон каждой из ее ячеек будут меньше наикратчайшей из принимаемых радиоволн.

Последовательные снимки искусственной кометы - облака натрия, которое было выпущено в космосе автоматической межпланетной станцией, сфотографировавшей Луну

Сетка в параболических зеркалах для радиоволн применяется для того, чтобы облегчить вес зеркала и уменьшить давление ветра на него. На первый взгляд это может показаться странным, но станет понятным, если назвать размеры зеркала. Они очень велики. У среднего радиотелескопа диаметр зеркала достигает 20-25 метров, а у самого большого из существующих он равен 76 метрам, то есть в 15 раз больше, чем у самого крупного оптического телескопа.

Этот радиотелескоп сравнительно невелик - диаметр его антенны всего лишь 25 метров

Такие огромные зеркала радиотелескопов строятся с той же самой целью, что и в оптике, - собрать как можно большую энергию радиоизлучений и сфокусировать ее. В фокусе параболического зеркала устанавливается антенна сравнительно небольшого размера. Она предназначена для преобразования энергии электромагнитных волн в пропорциональные по величине электрическое напряжение и ток.

Известный радиотелескоп в Джодрел Бэнк, Англия. Диаметр параболического зеркала этого телескопа равен 76 метрам

В оптических системах в качестве приемников световой энергии используются глаз, фотопластинка, фотоэлемент и некоторые другие типы приемников света. В радиотелескопах эти приемники не применимы. Их заменяет сверхчувствительный радиоприемник, к которому подводится из антенны электрическое напряжение радиочастоты. Но это не единственное различие между оптическим телескопом и радиотелескопом. Очень важное различие состоит в том, что в радиотелескопе не создается какого-либо изображения в том смысле, в котором мы привыкли понимать его. Вся энергия радиоволн концентрируется в очень малом объеме-в фокусе зеркала. Здесь она захватывается антенной и практически целиком подводится к радиоприемнику.

Вид радиотелескопа в Джодрел Бэнк с самолета

Разрешающая способность радиотелескопов гораздо хуже, чем у оптических, несмотря на столь большие размеры зеркал. Это, оказывается, зависит от того, что отношение диаметра зеркала к длине волны в радиотелескопах во много раз меньше, чем в оптических.

Проект гигантского радиотелескопа с диаметром зеркала 180 метров

В настоящее время в США приступили к постройке радиотелескопа, у которого диаметр зеркала будет равен 180 метрам. Высота этого гигантского телескопа будет такой же, как у 66-этажного небоскреба. Вес стальных и алюминиевых конструкций составляет 20 тысяч тонн. Но даже его разрешающая способность будет все же очень мала. Например, при работе на волне длиной 21 сантиметр этот радиотелескоп сможет различить два источника радиоизлучения, находящиеся на Луне, только при условии, если расстояние между ними будет не менее 480 километров. А оптический телескоп с диаметром зеркала 5 метров различит два источника света на Луне, если они будут разделены расстоянием всего в 50 метров.

Скопление облаков водорода в нашей Галактике. Крестиком отмечен центр Галактики

Радиотелескопы значительно увеличили возможности астрономов и позволили им открыть многое из того, что раньше оставалось совершенно недоступным.

Так, радиоастрономические исследования позволили проникнуть сквозь плотный атмосферный покров Венеры и измерить температуру ее поверхности. Подобным же образом исследуют и Юпитер. Не меньший интерес для науки представляет и радиоизлучение Солнца, звезд и галактик.

Одним из очень интересных открытий, сделанных с помощью радиотелескопов, является открытие радиогалактики в созвездии Лебедя. Радиоволны от нее идут к Земле 650 миллионов лет. Но, несмотря на невероятно большое расстояние, радиоизлучение этой галактики по мощности сравнимо с солнечным. О существовании такой галактики астрономы раньше не знали, потому что в обычные телескопы она почти не видна. И только когда радиотелескопы указали, где ее искать, была сделана фотография, на которой эта галактика получилась очень бледной, так как ее световое излучение очень мало. Зато ее радиоизлучение очень интенсивно, и именно поэтому она называется радиогалактикой.

Ученые предполагают, что она представляет собой "взорвавшуюся" звездную систему.

Радиотелескопы позволили также исследовать скопления межзвездного вещества. На одной из приведенных здесь фотографий вы можете увидеть рисунок распределения гигантских облаков водорода в нашей Галактике.