имеет линзовый объектив. Поскольку лучи разного цвета преломляются в стекле по разному, линзовый объектив рассчитывают так, чтобы он давал в фокусе четкое изображение в лучах какого-то одного цвета. Старые рефракторы создавались для визуальных наблюдений и поэтому давали четкое изображение в желтых лучах. С появлением фотографии стали строить фотографические телескопы – астрографы, дающие четкое изображение в голубых лучах, к которым чувствительна фотоэмульсия. Позже появились эмульсии, чувствительные к желтому, красному и даже инфракрасному свету. Их можно использовать для фотографирования на визуальных рефракторах.
Размер изображения зависит от фокусного расстояния объектива. У 102-см Йеркского рефрактора фокусное расстояние составляет 19 м, поэтому диаметр лунного диска в его фокусе около 17 см. Размер фотопластинок у этого телескопа 20ґ25 см; полная Луна легко умещается на них. Астрономы используют стеклянные фотопластинки из-за их высокой жесткости: даже через 100 лет хранения они не деформируются и позволяют измерять относительное положение звездных изображений с точностью до 3 мкм, что для крупных рефракторов, подобных йеркскому, соответствует на небе дуге в 0,03"".
Телескоп-рефлектор
в качестве объектива имеет вогнутое зеркало. Его преимущество перед рефрактором состоит в том, что лучи любого цвета отражаются от зеркала одинаково, обеспечивая четкость изображения. К тому же зеркальный объектив можно сделать намного крупнее линзового, поскольку стеклянная заготовка для зеркала может не быть прозрачной внутри; от деформации под собственным весом ее можно уберечь, поместив в специальную оправу, поддерживающую зеркало снизу. Чем больше диаметр объектива, тем больше света собирает телескоп и более слабые и далекие объекты способен «увидеть». Долгие годы крупнейшими в мире были 6-м рефлектор БТА (Россия) и 5-м рефлектор Паломарской обсерватории (США). Но сейчас в обсерватории Мауна-Кеа на о.Гавайи работают два телескопа с 10-метровыми составными зеркалами и строится несколько телескопов с монолитными зеркалами диаметром 8–9 м.
Недостаток рефлекторов в том, что они дают четкое изображение лишь вблизи центра поля зрения. Это не мешает, если изучают один объект. Но патрульные работы, например, поиск новых астероидов или комет, требуют фотографирования сразу больших площадок неба. Обычный рефлектор для этого не годится. Немецкий оптик Б.Шмидт в 1932 создал комбинированный телескоп, у которого недостатки главного зеркала исправляются с помощью расположенной перед ним тонкой линзы сложной формы – коррекционной пластины. Камера Шмидта Паломарской обсерватории получает на фотопластинке 35ґ35 см изображение области неба 6ґ6°. Другая конструкция широкоугольной камеры была создана Д.Д.Максутовым в 1941 в России. Она проще камеры Шмидта, поскольку роль коррекционной пластины в ней играет простая толстая линза – мениск.
Работа оптических обсерваторий.
Сейчас более чем в 30 странах мира функционирует более 100 крупных обсерваторий. Обычно каждая из них самостоятельно или в кооперации с другими проводит несколько многолетних программ наблюдений.
Астрометрические измерения.
Крупные национальные обсерватории – Морская обсерватория США, Королевская Гринвичская в Великобритании (закрыта в 1998), Пулковская в России и др. – регулярно измеряют положения звезд и планет на небе. Это очень тонкая работа; именно в ней достигается высочайшая «астрономическая» точность измерений, на основе которых создают каталоги положения и движения светил, необходимые для наземной и космической навигации, для определения пространственного положения звезд, для уточнения законов движения планет. Например, измеряя координаты звезд с интервалом в полгода, можно заметить, что некоторые из них испытывают колебания, связанные с перемещением Земли по орбите (эффект параллакса). По величине этого смещения определяют расстояние до звезд: чем меньше смещение, тем больше расстояние. С Земли астрономы могут измерять смещение в 0,01""(толщина спички, удаленной на 40 км!), что соответствует расстоянию в 100 парсеков.
Метеорный патруль.
С помощью нескольких широкоугольных камер, разнесенных на большое расстояние, непрерывно фотографируют ночное небо для определения траекторий метеоров и возможного места падения метеоритов. Впервые эти наблюдения с двух станций начали в Гарвардской обсерватории (США) в 1936 и под руководством Ф.Уиппла регулярно проводили до 1951. В 1951–1977 такая же работа выполнялась в Ондржейовской обсерватории (Чехия). С 1938 в СССР фотографические наблюдения метеоров проводились в Душанбе и Одессе. Наблюдения метеоров позволяют изучать не только состав космических пылинок, но и строение земной атмосферы на высотах 50–100 км, труднодоступных для прямого зондирования.
Наибольшее развитие метеорный патруль получил в виде трех «болидных сетей» – в США, Канаде и Европе. Например, Прерийная сеть Смитсоновской обсерватории (США) для фотографирования ярких метеоров – болидов – использовала 2,5-см автоматические камеры на 16 станциях, размещенных на расстоянии 260 км вокруг Линкольна (шт. Небраска). С 1963 развивалась Чешская болидная сеть, превратившаяся позже в Европейскую сеть из 43 станций на территориях Чехии, Словакии, Германии, Бельгии, Нидерландов, Австрии и Швейцарии. Ныне это единственная действующая болидная сеть. Ее станции оснащены камерами типа «рыбий глаз», позволяющими фотографировать сразу всю полусферу неба. С помощью болидных сетей несколько раз удалось найти выпавшие на землю метеориты и восстановить их орбиту до столкновения с Землей.
Наблюдения Солнца.
Многие обсерватории регулярно фотографируют Солнце. Количество темных пятен на его поверхности служит индикатором активности, которая периодически увеличивается в среднем каждые 11 лет, приводя к нарушению радиосвязи, усилению полярных сияний и другим изменениям в атмосфере Земли. Важнейший прибор для изучения Солнца – спектрограф. Пропуская солнечный свет через узкую щель в фокусе телескопа и затем разлагая его в спектр при помощи призмы или дифракционной решетки, можно узнать химический состав солнечной атмосферы, скорость движения в ней газа, его температуру и магнитное поле. С помощью спектрогелиографа можно получить фотографии Солнца в линии излучения одного элемента, например, водорода или кальция. На них отчетливо видны протуберанцы – огромные облака газа, взлетающие над поверхностью Солнца.
Большой интерес представляет горячая разреженная область солнечной атмосферы – корона, которая обычно видна лишь в моменты полных солнечных затмений. Однако на некоторых высокогорных обсерваториях созданы специальные телескопы – внезатменные коронографы, в которых маленькая заслонка («искусственная Луна») закрывает яркий диск Солнца, позволяя наблюдать его корону в любое время. Такие наблюдения проводят на о.Капри (Италия), в обсерватория Сакраменто-Пик (шт. Нью Мексико, США), Пик-дю-Миди (французские Пиренеи) и других.
Наблюдения Луны и планет.
Поверхность планет, спутников, астероидов и комет изучают с помощью спектрографов и поляриметров, определяя химический состав атмосферы и особенности твердой поверхности. Весьма активны в этих наблюдениях обсерватория Ловелла (шт. Аризона), Медонская и Пик-дю-Миди (Франция), Крымская (Украина). Хотя в последние годы много замечательных результатов получено с помощью космических аппаратов, наземные наблюдения не потеряли своей актуальности и ежегодно приносят новые открытия.
Наблюдения звезд.
Измеряя интенсивность линий в спектре звезды, астрономы определяют содержание химических элементов и температуру газа в ее атмосфере. По положению линий на основе эффекта Доплера определяют скорость движения звезды как целого, а по форме профиля линий – скорость газовых потоков в атмосфере звезды и скорость ее вращения вокруг оси. Часто в спектрах звезд видны линии разреженного межзвездного вещества, находящегося между звездой и земным наблюдателем. Систематически наблюдая спектр одной звезды, можно изучить колебания ее поверхности, установить наличие у нее спутников и потоков вещества, иногда перетекающих с одной звезды на другую.
С помощью спектрографа, помещенного в фокусе телескопа, за десятки минут экспозиции можно получить детальный спектр лишь одной звезды. Для массового изучения спектров звезд перед объективом широкоугольной (шмидтовской или максутовской) камеры помещают большую призму. При этом на фотопластинке получается участок неба, где каждое изображение звезды представлено ее спектром, качество которого невысоко, но достаточно для массового изучения звезд. Такие наблюдения многие годы проводятся в обсерватории Мичиганского университета (США) и в Абастуманской обсерватории (Грузия). Недавно созданы оптоволоконные спектрографы: в фокусе телескопа размещают световоды; каждый из них одним концом устанавливают на изображение звезды, а другим – на щель спектрографа. Так за одну экспозицию можно получить детальные спектры сотен звезд.
Пропуская свет звезды через различные светофильтры и измеряя его яркость, можно определить цвет звезды, который указывает на температуру ее поверхности (чем голубее, тем горячее) и количество межзвездной пыли, лежащей между звездой и наблюдателем (чем больше пыли, тем краснее звезда).
Многие звезды периодически или хаотически меняют свою яркость – их называют переменными. Изменения яркости, связанные с колебаниями поверхности звезды или с взаимными затмениями компонентов двойных систем, многое говорят о внутреннем строении звезд. Исследуя переменные звезды, важно иметь длительные и плотные ряды наблюдений. Поэтому астрономы часто привлекают к этой работе любителей: даже глазомерные оценки яркости звезд в бинокль или небольшой телескоп имеют научную ценность. Любители астрономии часто объединяются в клубы для совместных наблюдений. Кроме изучения переменных звезд, они нередко открывают кометы и вспышки новых звезд, чем также вносят заметный вклад в астрономию.
Слабые звезды изучают только с помощью крупных телескопов с фотометрами. Например, телескоп диаметром 1 м собирает света в 25 000 раз больше, чем зрачок человеческого глаза. Использование фотопластинки при длительной экспозиции повышает чувствительность системы еще в тысячи раз. Современные фотометры с электронными приемниками света, такими, как фотоэлектронный умножитель, электронно-оптический преобразователь или полупроводниковая ПЗС-матрица, в десятки раз чувствительнее фотопластинок и позволяют непосредственно записывать результаты измерения в память компьютера.
Наблюдения слабых объектов.
Наблюдения далеких звезд и галактик проводят с помощью крупнейших телескопов диаметром от 4 до 10 м. Ведущая роль в этом принадлежит обсерваториям Мауна-Кеа (Гавайи), Паломарская (Калифорния), Ла-Силья и Сьерра-Тололо (Чили), Специальная астрофизическая (Россия). Для массового изучения слабых объектов используются крупные камеры Шмидта на обсерваториях Тонантцинтла (Мексика), Маунт-Стромло (Австралия), Блумфонтейн (Ю.Африка), Бюракан (Армения). Эти наблюдения позволяют наиболее глубоко проникать во Вселенную и изучать ее структуру и происхождение.
Программы совместных наблюдений.
Многие программы наблюдений осуществляются совместно несколькими обсерваториями, взаимодействие которых поддерживается Международным астрономическим союзом (МАС). Он объединяет около 8 тыс. астрономов всего мира, имеет 50 комиссий по различным направлениям науки, 1 раз в три года собирает крупные Ассамблеи и ежегодно организует несколько больших симпозиумов и коллоквиумов. Каждая комиссия МАС координирует наблюдения объектов определенного класса: планет, комет, переменных звезд, и т.п. МАС координирует работу многих обсерваторий по составлению звездных карт, атласов и каталогов. В Смитсоновской астрофизической обсерватории (США) действуют Центральное бюро астрономических телеграмм, которое быстро оповещает всех астрономов о неожиданных событиях – вспышках новых и сверхновых звезд, открытии новых комет и др.
РАДИООБСЕРВАТОРИИ
Развитие техники радиосвязи в 1930–1940-е годы позволило начать радионаблюдения космических тел. Это новое «окно» во Вселенную принесло множество удивительных открытий. Из всего спектра электромагнитного излучения только оптические и радиоволны проходят сквозь атмосферу к поверхности Земли. При этом «радиоокно» намного шире оптического: оно простирается от волн миллиметровой длины до десятков метров. Кроме известных в оптической астрономии объектов – Солнца, планет и горячих туманностей, – источниками радиоволн оказались неизвестные ранее объекты: холодные облака межзвездного газа, ядра галактик и взрывающиеся звезды.
Типы радиотелескопов.
Радиоизлучение космических объектов является очень слабым. Чтобы заметить его на фоне естественных и искусственных помех, необходимы узконаправленные антенны, принимающие сигнал только из одной точки на небе. Такие антенны бывают двух типов. Для коротковолнового излучения их делают из металла в виде вогнутого параболического зеркала (как у оптического телескопа), которое концентрирует в фокусе падающее на него излучение. Такие рефлекторы диаметром до 100 м – полноповоротные – способны смотреть в любую часть неба (как оптический телескоп). Более крупные антенны выполняют в виде параболического цилиндра, способного поворачиваться только в плоскости меридиана (как оптический меридианный круг). Поворот вокруг второй оси обеспечивает вращение Земли. Самые крупные параболоиды делают неподвижными, используя естественные котловины в грунте. Они могут наблюдать лишь ограниченную область неба.
Антенны для длинноволнового излучения монтируют из большого числа простых металлических диполей, размещаемых на площади в несколько квадратных километров и соединяемых между собой так, что принятые ими сигналы усиливают друг друга только в том случае, если приходят с определенного направления. Чем больше размер антенны, тем более узкую область на небе она осматривает, давая при этом более четкую картину объекта. Примером такого инструмента может служить УТР-2 (Украинский Т-образный радиотелескоп) харьковского Института радиофизики и электроники АН Украины. Длина двух его плеч 1860 и 900 м; он является самым совершенным в мире инструментом для исследования декаметрового излучения в диапазоне 12–30 м.
Принцип объединения нескольких антенн в систему используется и для параболических радиотелескопов: объединив сигналы, принятые от одного объекта несколькими антеннами, получают как бы один сигнал от эквивалентной по размеру одной гигантской антенны. Это существенно улучшает качество полученных радиоизображений. Такие системы называют радиоинтерферометрами, поскольку сигналы от разных антенн, складываясь, интерферируют между собой. Изображения от радиоинтерферометров по качеству не хуже оптических: наименьшие детали имеют размер около 1", а если объединить сигналы от антенн, находящихся на разных континентах, то размер наименьших деталей на изображении объекта может быть уменьшен еще в тысячи раз.
Собранный антенной сигнал детектируется и усиливается специальным приемником – радиометром, который обычно настроен на одну фиксированную частоту или меняет настройку в узкой полосе частот. Для уменьшения собственных шумов радиометры часто охлаждают до очень низкой температуры. Усиленный сигнал записывают на магнитофон или в компьютер. Мощность принятого сигнала обычно выражается в терминах «антенной температуры», как если бы на месте антенны находилось абсолютно черное тело данной температуры, выделяющее такую же мощность. Измерив мощность сигнала на разных частотах, строят радиоспектр, форма которого позволяет судить о механизме излучения и физической природе объекта.
Радиоастрономические наблюдения можно проводить ночью и днем, если не мешают помехи от промышленных объектов: искрящие электромоторы, широковещательные радиостанции, радары. По этой причине радиообсерватории обычно устраивают вдали от городов. Особых требований к качеству атмосферы у радиоастрономов нет, но при наблюдении на волнах короче 3 см атмосфера становится помехой, поэтому коротковолновые антенны предпочитают ставить высоко в горах.
Некоторые радиотелескопы используют как радары, посылая мощный сигнал и принимая отраженный от объекта импульс. Это позволяет точно определять расстояние до планет и астероидов, измерять их скорость и даже строить карту поверхности. Именно так были получены карты поверхности Венеры, которая не видна в оптике сквозь ее плотную атмосферу.См. такжеРАДИОАСТРОНОМИЯ; РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ.
Радиоастрономические наблюдения.
В зависимости от параметров антенны и имеющейся аппаратуры каждая радиообсерватория специализируется на определенном классе объектов наблюдения. Солнце благодаря своей близости к Земле является мощным источником радиоволн. Приходящее из его атмосферы радиоизлучение постоянно регистрируют – это позволяет прогнозировать солнечную активность. В магнитосфере Юпитера и Сатурна происходят активные процессы, радиоимпульсы от которых регулярно наблюдаются в обсерваториях Флориды, Сантьяго и Йельского университета. Крупнейшие антенны Англии, США и России используются для радиолокации планет.
Замечательным открытием было обнаруженное в Лейденской обсерватории (Нидерланды) излучение межзвездного водорода на волне 21 см. Затем по радиолиниям в межзвездной среде были найдены десятки других атомов и сложных молекул, включая органические. Особенно интенсивно молекулы излучают на миллиметровых волнах, для приема которых создаются специальные параболические антенны с высокоточной поверхностью.
Сначала в Кембриджской радиообсерватории (Англия), а затем и в других с начала 1950-х годов проводятся систематические обзоры всего неба для выявления радиоисточников. Некоторые из них совпадают с известными оптическими объектами, но многие не имеют аналогов в других диапазонах излучения и, по-видимому, являются очень далекими объектами. В начале 1960-х годов, обнаружив совпадающие с радиоисточниками слабые звездообразные объекты, астрономы открыли квазары – очень далекие галактики с невероятно активными ядрами.
Время от времени на некоторых радиотелескопах предпринимаются попытки поиска сигналов от внеземных цивилизаций. Первым проектом такого рода был проект Национальной радиоастрономической обсерватории США в 1960 по поиску сигналов от планет ближайших звезд. Как и все последующие поиски, он принес отрицательный результат.
ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ
Поскольку атмосфера Земли не пропускает к поверхности планеты рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и некоторые виды радиоизлучения, приборы для их исследования устанавливают на искусственных спутниках Земли, космических станциях или межпланетных аппаратах. От этих приборов требуются малая масса и высокая надежность. Обычно запускают специализированные астрономические спутники для наблюдения в определенном диапазоне спектра. Даже оптические наблюдения предпочтительно проводить за пределами атмосферы, которая существенно искажает изображения объектов. К сожалению, космическая техника стоит очень дорого, поэтому внеатмосферные обсерватории создают либо самые богатые страны, либо несколько стран в кооперации друг с другом.
Вначале разработкой приборов для астрономических спутников и анализом полученных данных занимались определенные группы ученых. Но по мере роста продуктивности космических телескопов сложилась система сотрудничества, аналогичная принятой в национальных обсерваториях. Например, Космический телескоп «Хаббл» (США) доступен любому астроному мира: заявки на наблюдения принимают и оценивают, наиболее достойные из них осуществляют и результаты передают ученому для анализа. Эту деятельность организует Институт космического телескопа (Space Telescope Science Institute).См. такжеВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ.
