Что такое телескоп и кто его изобрел История изобретения: от первого телескопа до самого мощного

Еще в античном мире все звезды были сосчитаны, поименованы, и размещены по созвездиям, которые с тех пор «иллюстрируют» прямо на небе древнегреческие мифы. Список астронома Гиппарха (II в. до н.э.) дополнил Клавдий Птолемей и поместил его в своем каноническом труде «Великое математическое построение по астрономии в тринадцати книгах», или Megale Syntaxis. В списке оказалось 1022 небесных объекта: 1017 звезд и пять туманностей. Наблюдая небо невооруженным взглядом, польский астроном Ян Гевелий спустя полторы тысячи лет довел список до 1564 звезд. Но даже если добавить в этот перечень объекты, которые можно увидеть из Южного полушария, человек с самым лучшим зрением не сможет различить больше 3000 звезд без специального прибора, называемого «телескоп».

Что такое телескоп

Человека неподготовленного может озадачить даже определение телескопа (от др.-греч. τῆλε «далеко» + σκοπέω «смотрю») – это астрономический прибор, при помощи которого можно наблюдать отдаленные объекты методом сбора частиц и электромагнитного излучения.

Именно так – ведь даже свет, который мы видим, и благодаря которому видим предметы, не что иное, как явление с дуалистической (двойственной) природой – это и поток частиц, и электромагнитные волны. Совершенствование телескопа было бы невозможно без развития фундаментальных знаний человека в области физики. Информацию несут любые волны и любые частицы, так что сейчас существуют и рентгеновские, и гамма-телескопы, и даже нейтринные телескопы и телескопы-детекторы гравитационных волн.

Как телескоп работает

Задача телескопа – собрать как можно больше тех частиц и волн, при помощи которых формируется проекция дальних объектов, иначе говоря – картинка, а затем сконцентрировать их на плоскости, проходящей через особую точку, которую называют «точка фокуса», при помощи оптической линзы или иного устройства. Принцип остается единым для всех разновидностей телескопов, даже если на стороне, противоположной объективу находится не окуляр и глаз наблюдателя, а фотокамера или иной прибор для визуализации картинки.

Первый телескоп: кто его изобрел и когда

Считается, что первый телескоп создал в 1609 году итальянский учёный Галилео Галилей. Это верно, но начинал он не с чистого листа. Заметки о приспособлении для наблюдения далеко расположенных объектов есть еще у Леонардо да Винчи, в тетради 1492 года, названной «Кодекс А» (лист 12): «Чем дальше отодвинешь ты стекло от глаза, тем большими покажет оно предметы для глаз 50 лет; если глаза для сравнения глядят один через очковое стекло, другой вне его, то для одного предмет покажется большим, а для другого малым;» Некоторые исследователи считают, что в тетради «Кодекс F» в зашифрованном или незаконченном виде дана и конструкция двухлинзового телескопа. Но ни эскизов, ни тем более чертежей «Кодексы» великого Леонардо все же не содержат.

А вот точным фактом является прибытие в начале октября 1608 года голландского продавца очков и оптика Ханса Липперсхея в Гаагу, ко двору принца Мориса Оранского. Ему Липерсхей продемонстрировал свое изобретение – «зрительную трубу».

В основе был выпуклый объектив и вогнутый окуляр. Однако запатентовать изобретение не удалось – соискателей оказалось слишком много! Идеи порой ну просто носятся в воздухе.

Так что первым телескопом – именно астрономическим прибором – по праву может считаться «зрительная труба» Галилея. Во всяком случае, так он ее назвал. А само слово «телескоп» впервые упоминается в письме Галилею от его ученого друга Федерико Анджело Чези в августе 1611 года в форме telescopio.

Телескопы-рефракторы

Итак, рассмотрим телескоп Галилея подробнее. Такие телескопы называют телескопами-рефракторами, в основе их устройства – принцип преломления световых лучей.

Они собирают свет при помощи большой линзы (сейчас используют системы из нескольких линз), называемой объективом. Параллельные лучи света объектив преломляет, то есть собирает в пучок, и на фокальной плоскости, то есть плоскости, проходящей через точку, называемую «фокусом» формируется проекция – та самая картинка. Расстояние от центра линзы до этой плоскости называют фокусным расстоянием, размеры захватывающей свет линзы – апертурой. А на собранные в фокусной точке лучи наблюдатель смотрит уже при помощи другой линзы – окуляра, и увеличивает размер проекции изображения до размеров, удобных для восприятия человеческим глазом.

Значение рефрактора Галилея

Итак, Галилей создал первый телескоп-рефрактор с апертурой приблизительно 40 мм и фокусным расстоянием 500 мм. Маловато? Ему тоже так показалось, и он соорудил второй телескоп, с 45-миллиметровой апертурой и фокусным расстоянием в 1250 мм.

Это был прибор примитивный, низкокачественный, содержавший все ранние конструктивные пороки… но именно он позволил Галилею рассмотреть горы на Луне, пятна на Солнце, увидеть четыре спутника Юпитера: Ио, Европу, Каллисто и Ганимеда, а еще разглядеть у Сатурна не то наросты, не то рога… Ни мощности телескопа, ни имеющихся на тот момент сведений не хватило Галилею, чтобы понять, что же он увидел. Но сам факт наблюдения неба вооруженным глазом уже стал огромным прорывом в астрономии.

Научные успехи Галилея, как известно, приносили ему не только славу, но и большие неприятности, так что о «рогах» Сатурна он сделал шифрованную запись: smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras. Если переставить буквы в нужном порядке, получится: Altissimum planetam tergeminum obseruaui, или «Высочайшую планету тройною наблюдал». Расшифровку он послал 13 ноября 1610 года Джулиано Медичи. А в 1656 великий голландский ученый Христиан Гюйгенс наблюдал Сатурн в телескоп собственной конструкции, дававший 50-кратное увеличение, и записал: «aaaaaaa ccccc d eeeee g h iiiiiii llll mm nnnnnnnnn oooo pp q rr s ttttt uuuuu». В своем сочинении De Saturno Luni observatio nova он раскрыл секрет: Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato, то есть «Кольцом окружён тонким, плоским, нигде не прикасающимся, к эклиптике наклонённым».

Телескоп Кеплера

Уже в 1611 году Иоганн Кеплер заменил в окуляре рассеивающую линзу собирающей. Угол зрения изменился и попросту говоря, при той же апертуре стало видно большее пространство. Все оптические телескопы начиная с 1611 года в этом повторяют телескоп Кеплера.

Но астрономов везде поджидает опаснейший враг.

Аберрация

Слово это происходит от латинского aberratio – то есть «заблуждение, уклонение», или «искажение».

Первое, с чем сталкивается наблюдатель дальних объектов при помощи оптики – хроматическая аберрация. По краям объектов образуется радужный контур, или каемка. Дело в том, что волны, соответствующие разным цветам, имеют разную частоту и длину. Исаака Ньютон использовал это явление, пропуская свет через призму и создал искусственную радугу в своей лаборатории.

У линзы не может быть одного фокуса для всех цветов. Поэтому в современных рефракторах используются системы линз, с разным фокусным расстоянием. Если таких линз две, то система называется ахроматической, три линзы делают систему апохроматической, а уж если их четыре – то суперахроматической.

Но есть еще сферическая аберрация, аберрация входного зрачка, аберрация света… А ведь человеческий глаз – тоже оптический прибор?! Увы нам всем. Ни одна оптическая система, включая наши собственные глаза, не дает абсолютно точной картины.

Телескоп Яна Гевелия

Чем больше фокусное расстояние – тем меньше аберрация. Польский астроном из Гданьска Ян Гевелий чтобы хоть частично преодолеть хроматическую аберрацию, построил телескоп-рефрактор с фокусным расстоянием 45 метров!

Современный телескоп трудно представить себе без тубуса – цилиндрического корпуса, который не пропускает постороннего света, и не дает пыли и брызгам воды попасть на линзы. Без монтировки – системы креплений, позволяющих направлять и удерживать его в азимутальной (горизонталь – вертикаль) и экваториальной (вдоль высоты небесной сферы) плоскостях. Такая монтировка и называется «альт-азимутальной». У телескопа Гевелия ничего подобного не было. Окуляр и объектив не имели жесткой связки. Была мачта, на которой подвесили всю конструкцию, а управляли ею отставные матросы, умевшие обращаться с такелажем и слаженно выполнять команды.

Плюсы и минусы телескопа-рефрактора

Достоинства:

- герметичная конструкция тубуса не позволяет проникнуть внутрь пыли, влаге или воздуху;

- прочность конструкции сохраняет положение объектива и окуляра при транспортировке;

- не требует никакого ухода, кроме внешней протирки линз;

- предельно прост в эксплуатации

Недостатки:

- хроматическая аберрация;

- чем толще линза, тем больше часть фиолетовая и ультрафиолетовая части спектра поглощаются стеклом

- потеря света при прохождении через линзы и отражений на их поверхностях;

- при апертуре больше 90 мм телескоп становится громоздким и нетранспортабельным;

Самый большой телескоп-рефрактор в мире был создан для Всемирной выставки в Париже в 1900 году, в Palais de l’Optique (во «Дворце оптики» на Марсовом поле). Длина его тубуса – 60 м, апертура – 1, 25 м, установить его на привычную монтировку, пусть даже огромную, было невозможно – он бы просто развалился под собственной тяжестью. Так что телескоп…лежал в горизонтальном положении, а наводили его на объекты наблюдения при помощи вращающегося двухметрового стекла – сидеростата.

Для астрономических наблюдений использовался только один раз, с его помощью наблюдали солнечные пятна и сфотографировали Луну. Изготовитель обанкротился, покупателя на телескоп не нашли, сидеростат отдали в музей при Парижской обсерватории, а два ящика с объективами лежат там же – но в подвале.

Похоже на историю Царь-пушки или Царь-колокола, не находите?

Телескоп-рефлектор

Итак, чтобы приуменьшить хроматическую аберрацию, приходилось увеличивать габариты прибора, что и дорого, и неудобно. В 1668 году сэр Исаак Ньютон придумал телескоп вообще без хроматический аберрации. Вместо линзы он использовал вогнутое параболическое зеркало, оно отражало свет, не преломляя его, на другое зеркало, а на него уже Ньютон навел линзы окуляра!

Зеркало Ньютон создал из сплава олова и меди, окуляр прикрепил сбоку, он диагональное зеркало передавало проекцию окуляру. Победа?! Увы, не полная.

Волновую природу света не изменит никакая конструкция телескопа, волны умеют и будут огибать препятствия. А значит, не удастся избежать дифракционной аберрации и погрешности неизбежны. А есть еще сферическая аберрация, аберрация комы, астигматизм телескопа. Телескопу знакомы и свойственны почти все болезни человеческого глаза.

Однако рефлектор сразу завоевал популярность у астрономов – хотя бы потому, что он дешевле. Свои системы телескопов-рефлекторов предложили Джеймс Грегори в 1663 году, (вторичное зеркало у него имело вогнутую эллиптическую форму и давало неперевернутое изображение), Лоран Кассегрен в 1672 году, Михаил Васильевич Ломоносов в 1759 году, Джордж Ричи и Анри Кретьен в 1910 году, Дитрих Корш в 1972 году… Над совершенствованием конструкций телескопов ученные работают постоянно – кто-то и рядом с вами. Для многих окажется неожиданностью, что до сих пор во многих астрономических кружках школьники строят и рефракторы, и рефлекторы самостоятельно, причем сами изготавливают линзы и зеркала!

Плюсы и минусы телескопа-рефлектора

Достоинства:

- полное отсутствие хроматической аберрации;

- дефекты зеркального стекла значения не имеют – свет отражается, а не преломляется;

- размер апертуры не влияет на общие габариты прибора;

- чрезвычайная простота и дешевизна при изготовлении;

Недостатки:

- требуется регулярная юстировка зеркала;

- амальгама или иное отражающее покрытие тускнеют и требуют обновления;

- температурные деформации могут изменить форму зеркала и исказить изображение;

- часть света теряется на пути через вторичное зеркало;

- рефлектор хрупкий и капризный прибор, и плохо переносит транспортировку;

Самый большой телескоп-рефлектор в мире – SALT, или Southern African Large Telescope, Большой южноафриканский телескоп. Размер главного шестиугольного зеркала – 11х9,8 м, оно составлено из шестиугольников со стороной один метр общим числом 91.

Шестиугольники изготовлены из материала, минимально деформирующегося при перемене температур. Прибор имеет 4 зеркала-корректора сферической аберрации. Телескоп расположен в ЮАР, в полупустыне Кару на высоте 1783 метра над уровнем моря.

Современные телескопы

Радиотелескоп

не может сформировать картинку, которую можно рассмотреть глазами. Он только измеряет энергию излучения, исходящего даже не от какого-то отдельного объекта, а с направления, в которое он развернут. Впрочем, эти характеристики часто говорят ученым больше, чем видимый образ.

Радиотелескоп состоит из двух важнейших элементов: антенны и радиометра. Антенна устанавливается на обычную альт-азимутальную монтировку и принимает широчайший диапазон волн – от 0,01 мм до 1000 м. Она имеет форму, напоминающую параболическое зеркало телескопа-рефлектора, или «тарелку», в середине которой находится облучатель – на нем фокусируются собранные сигналы и передаются радиометру. Радиометр преобразует полученные сигналы и фиксирует их. Раньше это делалось механическим способом, регистрировался полученный сигнал при помощи самописца на бумажной ленте. Теперь он оцифровывается и записывается на диск компьютера.

Первый радиотелескоп сконструировал инженер из Bell Telephone Labs Карл Янски – впрочем, случайно. Он исследовал грозовые помехи, но в ходе работ понял, что основных источником радиошумов оказался центр нашей галактики. А вот именно радиотелескоп для исследования космических сигналов в 1937 году построил инженер Гроут Ребер. Антенну диаметром в 9,5 м он собрал и установил… на заднем дворе дома своих родителей. Сейчас в Австралии строится самый крупный в мире радиотелескоп

Инфракрасный телескоп

использует в качестве носителя информации о небесных объектах инфракрасный свет (это электромагнитное излучение в частотном диапазоне между видимым светом и микроволнами, да-да, теми самыми, что в микроволновке. Исследованиями теплового излучения в космосе занимается самая большая орбитальная инфракрасная обсерватория «Джеймс Уэбб».

Ультрафиолетовый телескоп

работает с ультрафиолетовым излучением (от 10 до 320 нанометров). Поскольку ультрафиолетовое излучение поглощается земной атмосферой, такие телескопы нужно поднимать в верхние слои атмосферы или в космос. Классические образцы УФ-телескопов – SDO, SOHO и, разумеется, телескоп Хаббл.

Этот вид телескопов интересен тем, что спектральный анализ в ультрафиолетовом диапазоне дает весьма подробные представления о химическом составе удаленных объектов.

Гамма-телескопы

позволяют, исследуя космическое гамма-излучение, познавать этапы и принципы развития вселенной, происхождение космического излучения – и даже тайны материи. Поскольку гамма-излучение также в основном поглощается земной атмосферой, будущее этих телескопов в космосе, но и на Земле Самым мощным гамма-телескопом считается телескоп HESS (The High Energy Stereoscopic System), расположенный в Намибии.

Самый большой телескоп в мире

Удивительно, но при всей точности оптических и прочих расчетных параметров, сказать, какой телескоп будет самым мощным в мире достаточно трудно. На данный момент самая большая апертура - 10, 4 м у испанского Gran Telescopio Canarias (GranTeCan). Однако ответственные авторы пишут о нем «возможно самый большой» - потому что и он сначала был в три раза меньше, его первичное зеркало нарастили с 12 до 36 сегментов.

Сейчас идет строительство Гигантского Магелланова Телескопа в Чили, Тридцатиметрового Телескопа (ТМТ) на Гавайях, и Европейского Чрезвычайно Большого Телескопа (European Extremely Large Telescope) с апертурой 39,3 метра. Все эти проекты даже по начальной смете стоят дороже миллиарда долларов или евро – а цены растут.

Мощность и кратность, безусловно, имеют значение, но в настоящее время гораздо важнее эффективная обработка полученной информации, разнообразие ее качественного состава и обмен полученными данными. Поиск планет вне солнечной системы, ранних галактик, черных дыр и других загадочных объектов – лишь малая часть задач. Дальнейший успех астрономии – в объединении усилий и интеграции научных программ.

Попробуем определить, где окажется самый крупный телескоп через сто лет? Чтобы снизить атмосферные оптические искажения, возможные виды аберрации, поднять повыше, на горы пятитысячеметровой высоты, туда, где нет загрязнения и помех… Вам не кажется, что это – Луна?! А что – вполне может быть.

Читайте также про телескоп «Джеймс Уэбб»: