§ 119. Телескопы

Исключительное значение имеют зрительные трубы (телескопы) в астрономии. Уже Галилей, первый применивший зрительную трубу для наблюдения небесных тел, сделал ряд важных открытий, хотя его телескоп обладал увеличением всего в 30 раз и, с нашей точки зрения, давал весьма плохое качество изображения. Современные телескопы имеют огромные размеры и представляют собой весьма сложные сооружения.

Наряду с телескопами, построенными по типу зрительной трубы — рефракторами, весьма важное значение в астрономии имеют зеркальные (отражательные) телескопы или рефлекторы.

На рис. 257 приведена схема зеркального телескопа. На сферическое зеркало 1 падает свет от какого-нибудь отдаленного светила. Так как свет от небесных источников идет практически параллельным пучком, то изображение светила получается в фокальной плоскости зеркала. Это будет действительное, обратное и уменьшенное изображение небесного тела. Для того чтобы было удобно рассматривать это изображение, вблизи фокуса установлено небольшое плоское зеркало 2, которое поворачивает световые лучи в сторону. Изображение, даваемое сферическим зеркалом, рассматривают в окуляр 3,  как в лупу.

Труба телескопа служит для защиты зеркала от постороннего света.

Посмотрим прежде всего, что дает телескоп при наблюдении в него сравнительно близких небесных тел, например планет. Угол зрения, под которым видны планеты невооруженным глазом, очень мал. Например, планету Марс, имеющую диаметр  и находящуюся от Земли в наиболее благоприятном случае на расстоянии , мы видим под углом всего . При столь малом угле зрения она представляется нам светящейся точкой. При наблюдении в телескоп угол зрения, под которым мы видим эту планету, значительно увеличивается, и она представляется нам уже диском, на котором можно различить некоторые детали. Например, при 75-кратном увеличении телескопа Марс будет виден под углом ; это тот угол, под которым мы видим Солнце невооруженным глазом.

Рис. 257. Схема зеркального телескопа (рефлектора)

Звезды находятся от нас так далеко, что при наблюдении их даже в самые большие телескопы не удается различить на них детали; звезды продолжают казаться точками, несмотря на то, что некоторые из них во много раз превышают по своим размерам Солнце. Польза от применения телескопа в этом случае заключается в том, что огромное по сравнению со зрачком глаза поперечное сечение зеркала перехватывает гораздо больше света от каждой звезды, чем это может сделать невооруженный глаз. Поэтому в телескоп можно вести наблюдения над такими слабыми звездами, которые не могут быть даже замечены невооруженным глазом. (Этот вопрос будет разъяснен подробнее в следующем параграфе.)

Далее, хотя телескоп и дает изображения звезд в виде точек, но он «раздвигает» эти точки, а это позволяет вести разнообразные наблюдения и над такими звездами, которые кажутся слитными человеческому глазу. Другими словами, разрешающая способность телескопа во много раз превышает разрешающую способность глаза. Об этом также будет идти речь ниже, в главе о дифракции.

Возможности наблюдения, которые делает каждый телескоп, определяются диаметром его отверстия. Поэтому с давних времен научно-техническая мысль направлена на отыскание способов изготовления больших зеркал и объективов. Сейчас уже изготовляют пятиметровые зеркала. Отливка и особенно полировка стекла, а также серебрение такого зеркала представляют серьезную технологическую задачу.

С постройкой каждого нового телескопа расширяется радиус наблюдаемой нами части Вселенной и возрастают возможности изучения небесных тел. Например, телескоп, диаметр которого равен , дает возможность обнаружить на Луне трещины шириной около  и «каналы» на Марсе шириной ; телескоп диаметром  позволяет обнаружить «канавы» на Лупе шириной менее  и «каналы» на Марсе шириной около . (Практически разрешающая способность телескопов несколько меньше вследствие искажений, вносимых воздушными потоками и несовершенством оптики телескопа.) Поэтому все трудности усовершенствования и постройки телескопов настойчиво преодолеваются астрономами и инженерами.

При анализе работы телескопа необходимо поставить вопрос не только о размерах даваемых им изображений и о его светосиле, но надо также рассмотреть вопрос и о качестве изображения. Телескопы должны давать высокое качество изображения, т. е. оптическая система телескопа не должна обладать сферической и хроматической аберрацией и другими недостатками (см. §§ 104—106). Для этого все преломляющие и отражающие поверхности телескопа должны иметь строго определенную форму, согласованную одна с другой, быть тщательно отшлифованы, отполированы и т. п. При крупных размерах оптических деталей телескопа «исправление» его системы представляет большие трудности. Для устранения аберраций в оптическую систему телескопа вводятся дополнительные линзы и зеркала, что значительно усложняет конструкцию и лишь частично улучшает изображение.

Другой путь улучшения телескопов состоит в том, что поверхности зеркала придают не сферическую форму, а форму параболоида вращения. При применении параболического зеркала значительно уменьшается влияние сферической аберрации, но изготовлять параболические зеркала гораздо труднее, чем сферические.

Рис. 258. 2,6-метровый рефлектор Крымской астрофизической обсерватории АН СССР

Зеркальный телескоп, рефлектор (рис. 258), обладает по сравнению с рефрактором тем преимуществом, что он не имеет хроматической аберрации. Изготовить зеркало также легче, чем объектив: требования к однородности стекла, идущего для изготовления зеркала, предъявляются менее строгие, так как свет через него не проходит — оно является всего лишь основанием, на которое наносится отражающий слой. По этим причинам самый большой из существующих сейчас телескопов является зеркальным, его диаметр равен . Диаметр самого большого в настоящее время рефрактора равен  (при длине трубы в ). Зеркальный телескоп при том же диаметре  должен иметь длину всего . Благодаря этому конструкция зеркального телескопа более проста. Однако требования к точности изготовления поверхности зеркала предъявляются более высокие, чем при изготовлении поверхности объектива. Вместе с тем зеркала более чувствительны к прогибам, чем линзы. Такие прогибы появляются из-за действия собственного веса зеркала или вследствие изменения температуры и приводят к значительному понижению качества изображения. Таким образом, и рефлекторы и рефракторы имеют свои достоинства и недостатки.

Рис. 259. Схема телескопа Максутова

Очень удачная и остроумная конструкция телескопа предложена в 1941г. советским ученым Д. Д. Максутовым. В телескопе Максутова объектив представляет собой сочетание положительного мениска (см. § 90) и зеркала. Положительный мениск может быть очень хорошо исправлен в отношении хроматической аберрации, но обладает при этом сферической аберрацией. Последняя компенсируется благодаря тому, что в систему входит сферическое зеркало, дающее равную по величине и противоположную по знаку сферическую аберрацию. Так как зеркало не обладает хроматической аберрацией, то получается система, не имеющая практически ни сферической, ни хроматической аберрации.

На рис. 259 изображена простейшая схема телескопа Максутова. Параллельный пучок лучей в этом телескопе, пройдя через мениск 1 и отразившись в вогнутом зеркале 2, дает в фокусе  изображение, не искаженное ни хроматической, ни сферической аберрациями. Для удобства наблюдения пучок лучей поворачивается плоским зеркалом 3. Изображение в  рассматривается с помощью окуляра 4.