Телескоп – главный помощник астронома

Как вы думаете, сколько звёзд можно увидеть на небе невооружённым глазом? Сто? Двести? Тысячу? На самом деле, человек в ясную безлунную ночь может рассмотреть около 4000 звёзд. А много это?

Древние астрономы считали, что много. Ведь на протяжении тысяч лет в их распоряжении, кроме глаз, не было никаких других приборов. Тогда не удивительно, что древние люди считали Землю плоской. А находилась она в центре Вселенной. И всё вокруг (звёзды, Луна и Солнце) вращалось вокруг Земли. И в основном благодаря лишь своей железной логике, силе мысли и математическому расчёту Николай Коперник сделал своё гениальное открытие о гелиоцентрическом мироустройстве.

В 1608 году произошёл настоящий переворот в астрономии. В том году голландский очковый мастер Иоанн Липперсгей обнаружил, что если расположить на одной прямой два увеличительных стекла – линзы, то они могут увеличивать далёкие предметы. Так была изобретена зрительная труба.

В августе 1609 года великий итальянский учёный Галилео Галилей, вдохновлённый работами Липперсгея сконструировал свою первую зрительную трубу с трёхкратным увеличением. В том же году он построил ещё две трубы: с 8-кратным увеличением длиной около полуметра, и 32-кратным увеличением длиной около метра.

В ночь на 7 января 1610 года впервые зрительная труба была направлена на небо. В течение нескольких ночей великий Галилей открыл недоступные невооружённому глазу кратеры, горные вершины и цепи на Луне, четыре спутника Юпитера и мириады звёзд, составляющих Млечный Путь. С помощью своего телескопа Галилей также смог доказать гелиоцентрическое учение Коперника – что именно Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца, а не наоборот.

Интересно, что ещё за сто лет до Галилея известный итальянский учёный и живописец Леонардо да Винчи в своём «Атлантическом кодексе» писал: «Сделай стекла, чтобы смотреть на полную Луну». И даже приложил к записи чертежи.

Свои наблюдения Галилей описал в книге «Звёздный вестник», которая произвела фурор в научной среде. Этот момент считается одним из поворотных в становлении астрономии как науки о Вселенной.

В то время Галилея могли казнить за такое изобретение и его использование. Ведь в то время все считали, что человеческий глаз посылает в пространство особые лучи, которые ощупывают предметы и посредством этого человек может видеть. Получается, что, если человек видит с помощью прибора, значит это происки дьявола или игра воображения человека. Тем не менее, Галилей смог доказать, что его зрительная труба совершенно «безвредна». Для этого он собрал учёных мужей того времени и предложил им посмотреть в телескоп на морской горизонт. Учёные увидели паруса кораблей, которые находились за много миль от берега.

В 1611 году греческий математик Иоаннис Димисианос предложил называть зрительные трубы Галилея телескопом (от двух греческих слов: «теле» – далеко, и «ско́пео» – смотреть). Сейчас мы такие телескопы с линзами называем рефракторами.

Таким образом, телескопы применяют для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от изучаемого объекта, и чтобы получить возможность изучать его мелкие детали, которые недоступны невооружённому глазу.

Конечно же первые телескопы были размером с небольшую подзорную трубу, увеличивали в несколько десятков раз и не отличались высоким качеством изображения. Однако вскоре было обнаружено, что количество света, собираемого объективом телескопа, возрастает пропорционально его площади. Но в то время не удавалось изготовить линзы больших размеров. Из-за этого приборы были длинными, неподъёмными и с узким полем зрения. Кроме того, управлять такими телескопами было практически невозможно.

И тут на помощь приходит гений Ньютона. Именно этот великий английский учёный сумел дать новую жизнь телескопам с помощью зеркала. Его первый зеркальный телескоп – рефлектор, собранный в 1704 году, – имел диаметр всего 4 сантиметра. При этом телескоп выдавал чёткое 40-кратное увеличение. Телескоп так понравился королю, что Ньютон сразу стал членом Королевского общества.

В 1781 году Вильям Гершель собрал собственный зеркальный телескоп и совершил невероятное открытие: в космическом пространстве он нашёл новую планету – Уран, чем удивил всех.

А в 1845 году британский астроном Уильям Парсонс построил в своём графском замке телескоп «Левиафан». Масса этого гиганта составляла более 150 тонн, длина трубы – 17 метров, а зеркало имело диаметр 183 сантиметра. Благодаря телескопу, он открыл ряд неизвестных спиральных, как тогда думали, туманностей.

В 1917 году на горе Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии вошёл в строй телескоп Хокера. Диаметр его главного зеркала был 2,58 метра. Именно на этом телескопе Эдвин Хаббл определил расстояние до туманности Андромеды и показал, что это не просто туманность, а ещё одна галактика, подобная нашему Млечному Пути. Были обнаружены и другие галактики, а также и то, что наша Вселенная расширяется.

А какой сейчас самый большой телескоп? На начало 2024 года крупнейшим наземным телескопом является Большой Канарский телескоп, построенный в 2007 году на пике потухшего вулкана Мучачос на Канарском острове Пальма. Диаметр его главного зеркала равен 10,4 м.

Но и это не всё. Сейчас в чилийской пустыне Атакама Европейской южной обсерваторией строится Чрезвычайно большой телескоп. Диаметр его главного зеркала, состоящего из 798 шестиугольных сегментов, будет достигать 39 метров.

А что в России? В России крупнейшим оптическим телескопом является рефлектор БТА (Большой телескоп азимутальный). Располагается он в научно-исследовательском институте Российской академии наук. Его главное монолитное зеркало имеет диаметр более 6 метров. Этот телескоп считался крупнейшим в мире почти 18 лет.

Ещё одним видом телескопов являются зеркально-линзовые оптические системы. Они содержат как отражающие, так и преломляющие элементы. Родоначальником этих систем является эстонско-германский оптик Бернхард Шмидт. Телескоп Шмидта очень активно используется в астрометрии для создания обзоров неба. Основное его преимущество – очень большое поле зрения.

Однако как бы не были хороши современные наземные телескопы, у всех них есть один недостаток – невозможность заглянуть в те части спектра, которые полностью или частично поглощаются земной атмосферой. Поэтому ещё в 1946 году Лайман Спитцер описывает преимущества построения «внеземной обсерватории».

Реализовать первые идеи астрономической обсерватории удалось лишь в декабре 1968 года, когда на орбиту Земли был успешно выведен спутник ОАО-2.

Миссии OAO послужили наглядной демонстрацией роли, которую могут играть орбитальные телескопы. Поэтому в том же году НАСА утвердило план строительства телескопа с зеркалом диаметром 3 метра. Проект получил условное название LST – большой космический телескоп. Запуск планировался на 1972 год. Но пройдёт 32 года, прежде чем этот телескоп окажется на орбите Земли – космический телескоп Хаббл.

Переоценить вклад «Хаббла» невозможно. Только за первые 15 лет работы на околоземной орбите телескоп сделал более миллиона изображений небесных объектов – звёзд, туманностей, галактик, планет. С его помощью были получены первые снимки далёких галактик вплоть до эпохи образования первых звёзд.

Но несмотря на огромные достижения телескопа «Хаббл», в нём есть один недостаток: он не может заглянуть за огромные массы межгалактического газа и пыли. Поэтому ещё на заключительных этапах проектирования «Хаббла» начали разработку концепции новой орбитальной обсерватории, способной делать снимки в более низком диапазоне частот.

25 декабря 2021 года в космос был выведен самый крупный телескоп из когда-либо запущенных человечеством – космический телескоп «Джеймс Уэбб». Общий диаметр его сегментированного зеркала составляет 6,5 метров.

Уже в первый официальный день работы (12 июля) телескоп сделал сенсационные открытия. Так на экзопланете WASP-96b, обращающейся вокруг жёлтого карлика, было обнаружено наличие паров воды в верхних слоях атмосферы, а также существование там облаков и скоплений тумана. Также в июле была обнаружена галактика GLASS-z13, самая древняя галактика из обнаруженных на момент наблюдения. Сейчас ей около 13,5 миллиардов лет.

А 1 сентября стало известно, что телескоп смог впервые сфотографировать планету за пределами Солнечной системы.

Кроме оптических телескопов на поверхности Земли работают ещё и радиотелескопы. А изучением космических радиоисточников занимается радиоастрономия. Она зародилась в 1931 году, когда случайно было обнаружено радиоизлучение центра Млечного Пути. А спустя 15 лет в созвездии Лебедя нашли первый точечный источник радиоволн – слабую галактику, которую впоследствии удалось разглядеть в оптическом диапазоне.

Радиотелескопы состоят из антенного устройства и чувствительной приёмной системы. Приёмная система, или радиометр, усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в удобную для дальнейшей обработки форму.

В качестве антенны используется сплошное металлическое или сетчатое зеркало, имеющее форму параболоида. В фокусе параболоида помещается облучатель – устройство, собирающее радиоизлучение, направленное на него зеркалом. Облучатель передаёт принятую энергию на приёмное устройство, где сигнал усиливается, детектируется и регистрируется.

Радиотелескопы очень большого размера могут быть построены из отдельных зеркал, каждое из которых фокусирует принимаемое излучение на один облучатель. Примером является российский радиотелескоп РАТАН-600. Антенна этого телескопа представляет собой замкнутое кольцо диаметром 576 м, состоящее из 895 плоских зеркал.

А в 2016 году в горах китайской провинции Гуйчжоу был построен самый большой в мире радиотелескоп FAST. Его гигантская чаша имеет диаметр 500 метров. Радиотелескоп позволил учёным изучать формирование и эволюцию галактик, тёмную материю и решать другие научные задачи.

Как видите, история телескопа прошла долгий путь – от итальянских стекольщиков до современных гигантских телескопов-спутников.