ОБСЕРВАТОРИЯ
ОБСЕРВАТОРИЯ, учреждение, где ученые наблюдают, изучают и анализируют природные явления. Наиболее известны астрономические обсерватории для исследования звезд, галактик, планет и других небесных объектов. Существуют также метеорологические обсерватории для наблюдения погоды; геофизические обсерватории для изучения атмосферных явлений, в частности, – полярных сияний; сейсмические станции для регистрации колебаний, возбужденных в Земле землетрясениями и вулканами; обсерватории для наблюдения космических лучей и нейтрино. Многие обсерватории оснащены не только серийными приборами для регистрации природных явлений, но и уникальными инструментами, обеспечивающими в конкретных условиях наблюдения максимально высокие чувствительность и точность.
В прежние времена обсерватории, как правило, сооружали вблизи университетов, но затем стали размещать в местах с наилучшими условиями для наблюдения изучаемых явлений: сейсмические обсерватории – на склонах вулканов, метеорологические – равномерно по всему земному шару, авроральные (для наблюдения за полярными сияниями) – на расстоянии около 2000 км от магнитного полюса северного полушария, где проходит полоса интенсивных сияний. Астрономическим обсерваториям, в которых используются оптические телескопы для анализа света космических источников, требуется чистая и сухая атмосфера, свободная от искусственного освещения, поэтому их стараются строить высоко в горах. Радиообсерватории часто размещают в глубоких долинах, со всех сторон закрытых горами от радиопомех искусственного происхождения. Тем не менее, поскольку в обсерваториях трудится квалифицированный персонал и регулярно приезжают ученые, по возможности стараются размещать обсерватории не очень далеко от научных и культурных центров и транспортных узлов. Впрочем, развитие средств связи делает эту проблему все менее актуальной.
В этой статье речь идет об астрономических обсерваториях. Дополнительно про обсерватории и научные станции других типов рассказано в статьях: ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ; ВУЛКАНЫ; ГЕОЛОГИЯ; ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ; КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ; МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ; НЕЙТРИННАЯ АСТРОНОМИЯ; РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ; РАДИОАСТРОНОМИЯ; СЕЙСМОЛОГИЯ.
ИСТОРИЯ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБСЕРВАТОРИЙИ ТЕЛЕСКОПОВ
Древний мир.
Наиболее старые дошедшие до нас факты астрономических наблюдений связаны с древними цивилизациями Среднего Востока. Наблюдая, записывая и анализируя движение по небу Солнца и Луны, жрецы вели счет времени и календарь, предсказывали важные для сельского хозяйства сезоны, а также занимались астрологическими прогнозами. Измеряя с помощью простейших приборов перемещения небесных светил, они обнаружили, что взаимное расположение звезд на небе остается неизменным, а Солнце, Луна и планеты движутся относительно звезд и притом весьма сложно. Жрецы отмечали редкие небесные явления: лунные и солнечные затмения, появление комет и новых звезд. Астрономические наблюдения, приносящие практическую пользу и помогающие формировать мировоззрение, находили определенную поддержку как у религиозных авторитетов, так и у гражданских правителей разных народов. На многих сохранившихся глиняных табличках из древних Вавилона и Шумера записаны астрономические наблюдения и вычисления. В те времена, как и сейчас, обсерватория служила одновременно мастерской, хранилищем приборов и центром сбора данных. См. также АСТРОЛОГИЯ; ВРЕМЕНА ГОДА; ВРЕМЯ; КАЛЕНДАРЬ.
Об астрономических инструментах, применявшихся до эпохи Птолемея (ок. 100 – ок. 170 н.э.), известно мало. Птолемей вместе с другими учеными собрал в огромной библиотеке Александрии (Египет) множество разрозненных астрономических записей, сделанных в различных странах за предшествующие века. Используя наблюдения Гиппарха и свои собственные, Птолемей составил каталог положений и блеска 1022 звезд. Вслед за Аристотелем он поместил Землю в центр мира и считал, что все светила обращаются вокруг нее. Вместе с коллегами Птолемей провел систематические наблюдения движущихся светил (Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн) и разработал детальную математическую теорию для предсказания их будущего положения по отношению к «неподвижным» звездам. С ее помощью Птолемей рассчитал таблицы движения светил, которые затем использовались более тысячи лет. См. также ГИППАРХ.
Для измерения мало меняющихся размеров Солнца и Луны астрономы пользовались прямой планкой со скользящим визиром в виде темного диска или пластины с круглым отверстием. Наблюдатель направлял планку на цель и двигал визир вдоль нее, добиваясь точного совпадения отверстия с размером светила.
Птолемей и его коллеги усовершенствовали многие из астрономических приборов. Проводя с ними тщательные наблюдения и при помощи тригонометрии переводя инструментальные показания в позиционные углы, они довели точность измерений примерно до 10ў (см. также ПТОЛЕМЕЙ, КЛАВДИЙ).
Средние века.
В связи с политическими и социальными потрясениями поздней античности и раннего средневековья развитие астрономии в Средиземноморье приостановилось. Каталоги и таблицы Птолемея сохранились, но все меньше людей умели ими пользоваться, и все реже проводились наблюдения и регистрация астрономических событий.
Однако на Среднем Востоке и в Центральной Азии астрономия расцветала и строились обсерватории. В 8 в. Абдалла аль-Мамун основал в Багдаде Дом мудрости, подобный Александрийской библиотеке, и организовал связанные с ним обсерватории в Багдаде и Сирии. Там несколько поколений астрономов изучали и развивали работы Птолемея. Подобные учреждения процветали в 10 и 11 вв. в Каире.
Кульминацией той эпохи стала гигантская обсерватория в Самарканде (ныне Узбекистан). Там Улукбек (1394–1449), внук азиатского завоевателя Тамерлана (Тимура), построив огромный секстант радиусом 40 м в виде ориентированной на юг траншеи шириной 51 см с отделанными мрамором стенками, проводил наблюдения Солнца с небывалой точностью. Несколько инструментов меньшего размера он использовал для наблюдений звезд, Луны и планет.
Возрождение.
Когда в исламской культуре 15 в. астрономия достигла расцвета, Западная Европа вновь открыла для себя это великое творение античного мира.
Коперник.
Николай Коперник (1473–1543), вдохновленный простотой принципов Платона и других греческих философов, с недоверием и тревогой взирал на геоцентрическую систему Птолемея, которая требовала громоздких математических расчетов для объяснения видимых движений светил. Коперник предложил, сохранив подход Птолемея, поместить Солнце в центр системы, а Землю считать планетой. Это значительно упростило дело, но вызвало глубокий переворот в сознании людей (см. также КОПЕРНИК, НИКОЛАЙ).
Тихо Браге.
Датский астроном Т.Браге (1546–1601) был обескуражен тем, что теория Коперника точнее предсказывала положение светил, чем теория Птолемея, но все же не вполне верно. Он счел, что проблему решат более точные наблюдательные данные, и убедил короля Фридриха II отдать ему для строительства обсерватории о. Вен близ Копенгагена. В этой обсерватории, названной Ураниборг (Небесный замок) было множество стационарных инструментов, мастерские, библиотека, химическая лаборатория, спальни, столовая и кухня. Тихо имел даже свои бумажную мельницу и печатный станок. В 1584 он построил новое здание для наблюдений – Стьернеборг (Звездный замок), где собрал самые крупные и совершенные инструменты. Правда, это были приборы того же типа, что и во времена Птолемея, но Тихо значительно повысил их точность, заменив дерево металлами. Он ввел особо точные визиры и шкалы, придумал математические методы для калибровки наблюдений. Тихо и его помощники, наблюдая за небесными телами невооруженным глазом, достигли со своими приборами точности измерений в 1'. Они систематически перемеряли положения звезд и наблюдали за движением Солнца, Луны и планет, собирая наблюдательные данные с небывалым упорством и аккуратностью (см. также БРАГЕ, ТИХО).
Кеплер.
Изучая данные Тихо, И.Кеплер (1571–1630) обнаружил, что наблюдаемое обращение планет вокруг Солнца не удается представить как движение по окружностям. Кеплер с большим почтением относился к результатам, полученным в Ураниборге, и поэтому отбросил мысль о том, что небольшие расхождения вычисленных и наблюдаемых положений планет могли быть вызваны ошибками в наблюдениях Тихо. Продолжая поиски, Кеплер установил, что планеты движутся по эллипсам, заложив этим фундамент для новой астрономии и физики (см. также КЕПЛЕР, ИОГАНН; КЕПЛЕРА ЗАКОНЫ).
Работы Тихо и Кеплера предвосхитили многие особенности современной астрономии, такие, как организация специализированных обсерваторий при государственной поддержке; доведение до совершенства приборов, хотя бы и традиционных; деление ученых на наблюдателей и теоретиков. Новые принципы работы утверждались вместе с новой техникой: на помощь глазу в астрономии шел телескоп.
Появление телескопов.
Первые телескопы-рефракторы.
В 1609 Галилей начал использовать свой первый самодельный телескоп. Наблюдения Галилея открыли эру визуальных исследований небесных светил. Вскоре телескопы распространились по Европе. Любознательные люди делали их сами или заказывали мастерам и устраивали небольшие личные обсерватории, обычно в собственных домах (см. также ГАЛИЛЕЙ, ГАЛИЛЕО).
Телескоп Галилея назвали рефрактором, поскольку лучи света в нем преломляются (лат. refractus – преломленный), проходя сквозь несколько стеклянных линз. В простейшей конструкции передняя линза-объектив собирает лучи в фокусе, создавая там изображение объекта, а расположенную у глаза линзу-окуляр используют как лупу для рассматривания этого изображения. В телескопе Галилея окуляром служила отрицательная линза, дающая прямое изображение довольно низкого качества с малым полем зрения.
Кеплер и Декарт развили теорию оптики, и Кеплер предложил схему телескопа с перевернутым изображением, но значительно большими полем зрения и увеличением, чем у Галилея. Эта конструкция быстро вытеснила прежнюю и стала стандартом для астрономических телескопов. Например, в 1647 польский астроном Ян Гевелий (1611–1687) использовал для наблюдения Луны кеплеровы телескопы длиной 2,5–3,5 метра. Вначале он устанавливал их в небольшой башенке на крыше своего дома в Гданьске (Польша), а позже – на площадке с двумя наблюдательными пунктами, один из которых был вращающимся (см. также ГЕВЕЛИЙ, ЯН).
В Голландии Христиан Гюйгенс (1629–1695) и его брат Константин строили очень длинные телескопы, имевшие объективы диаметром лишь несколько дюймов, но обладавшие огромным фокусным расстоянием. Это улучшало качество изображения, хотя и затрудняло работу с инструментом. В 1680-х годах Гюйгенс экспериментировал с 37-метровым и 64-метровым «воздушными телескопами», объективы которых располагали на вершине мачты и поворачивали с помощью длинной палки или веревок, а окуляр просто держали в руках (см. также ГЮЙГЕНС, ХРИСТИАН).
Используя линзы, изготовленные Д.Кампани, Ж.Д.Кассини (1625–1712) в Болонье и позже в Париже проводил наблюдения с воздушными телескопами длиной 30 и 41 м, продемонстрировав их несомненные достоинства, несмотря на сложность работы с ними. Наблюдениям очень мешала вибрация мачты с объективом, трудности его наведения с помощью веревок и тросов, а также неоднородность и турбулентность воздуха между объективом и окуляром, особенно сильная в отсутствие трубы.
Ньютон, телескоп-рефлектор и теория тяготения.
В конце 1660-х годов И.Ньютон (1643–1727) пытался разгадать природу света в связи с проблемами рефракторов. Он ошибочно решил, что хроматическая аберрация, т.е. неспособность линзы собрать лучи всех цветов в один фокус, принципиально неустранима. Поэтому Ньютон построил первый работоспособный телескоп-рефлектор, у которого роль объектива вместо линзы играло вогнутое зеркало, собирающее свет в фокусе, где изображение можно рассматривать через окуляр.
Однако важнейшим вкладом Ньютона в астрономию стали его теоретические работы, показавшие, что кеплеровы законы движения планет являются частным случаем всеобщего закона тяготения. Ньютон сформулировал этот закон и развил математические приемы для точного вычисления движения планет. Это стимулировало рождение новых обсерваторий, где с высочайшей точностью измеряли положения Луны, планет и их спутников, уточняя с помощью теории Ньютона элементы их орбит и прогнозируя движение (см. также НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА; ТЯГОТЕНИЕ; НЬЮТОН, ИСААК).
Часы, микрометр и телескопический визир.
Не менее важным, чем улучшение оптической части телескопа, было усовершенствование его монтировки и оснащения. Для астрономических измерений стали необходимы маятниковые часы, способные идти по местному времени, которое определяется из одних наблюдений и используется в других (см. также ЧАСЫ).
С помощью нитяного микрометра удалось при наблюдении в окуляр телескопа измерять очень малые углы. Для увеличения точности астрометрии важную роль сыграло совмещение телескопа с армиллярной сферой, секстантом и прочими угломерными инструментами. Как только визиры для невооруженного глаза были вытеснены маленькими телескопами, возникла потребность в значительно более точном изготовлении и делении угловых шкал. В значительной мере в связи с потребностями европейских обсерваторий развилось производство небольших высокоточных станков (см. также ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ).
Государственные обсерватории.
Улучшение астрономических таблиц.
Со второй половины 17 в. для целей мореплавания и картографии правительства разных стран начали учреждать государственные обсерватории. В Королевской академии наук, основанной Людовиком XIV в Париже в 1666, академики взялись за пересмотр астрономических констант и таблиц «с нуля», приняв за основу работы Кеплера. В 1669 по инициативе министра Ж.-Б.Кольбера была основана Королевская обсерватория в Париже. Ей руководило четыре замечательных поколения Кассини, начиная с Жана Доминика. В 1675 была основана Королевская Гринвичская обсерватория, возглавил которую первый Королевский астроном Д.Флемстид (1646–1719). Вместе с Королевским обществом, начавшим свою деятельность в 1647, она стала в Англии центром астрономических и геодезических исследований. В те же годы были основаны обсерватории в Копенгагене (Дания), Лунде (Швеция) и Гданьске (Польша) (см. также ФЛЕМСТИД, ДЖОН;. Важнейшим результатом деятельности первых обсерваторий стали эфемериды – таблицы предвычисленных положений Солнца, Луны и планет, необходимые для картографии, навигации и фундаментальных астрономических исследований.
Введение стандартного времени.
Государственные обсерватории стали хранителями эталонного времени, которое сначала распространяли с помощью оптических сигналов (флаги, сигнальные шары), а позже – по телеграфу и радио. Нынешняя традиция падающих в полночь Сочельника шаров восходит к тем временам, когда сигнальные шары падали по высокой мачте на крыше обсерватории в точно назначенное время, давая возможность капитанам стоящих в гавани судов проверять перед отплытием свои хронометры.
Определение долгот.
Исключительно важной задачей государственных обсерваторий той эпохи было определение координат морских судов. Географическую широту легко найти по углу Полярной звезды над горизонтом. Но долготу определить гораздо сложнее. Одни методы основывались на моментах затмений спутников Юпитера; другие – на положении Луны относительно звезд. Но самые надежные методы требовали высокоточных хронометров, способных в течение плавания сохранять время обсерватории вблизи порта выхода.
Развитие Гринвичской и Парижской обсерваторий.
В 19 в. важнейшими астрономическими центрами оставались государственные и некоторые частные обсерватории Европы. В списке обсерваторий 1886 года мы обнаруживаем 150 в Европе, 42 в Северной Америке и 29 в других местах. Гринвичская обсерватория к концу века имела 76-см рефлектор, 71-, 66- и 33-см рефракторы и множество вспомогательных инструментов. Она активно занималась астрометрией, службой времени, физикой Солнца и астрофизикой, а также геодезией, метеорологией, магнитными и другими наблюдениями. Парижская обсерватория тоже располагала точными современными инструментами и проводила программы, подобные гринвичским.
Новые обсерватории.
Пулковская астрономическая обсерватория Императорской академии наук в С.-Петербурге, построенная в 1839, быстро добилась уважения и почета. Ее растущий коллектив занимался астрометрией, определением фундаментальных постоянных, спектроскопией, службой времени и множеством геофизических программ. Потсдамская обсерватория в Германии, открытая в 1874, вскоре стала авторитетной организацией, известной работами по физике Солнца, астрофизике и фотографическим обзорам неба.
Создание больших телескопов.
Рефлектор или рефрактор?
Хотя телескоп-рефлектор Ньютона был важным изобретением, в течение нескольких десятилетий он воспринимался астрономами лишь как инструмент, дополняющий рефракторы. Вначале рефлекторы делали сами наблюдатели для собственных небольших обсерваторий. Но к концу 18 в. за это взялась молодая оптическая промышленность, оценив потребность растущего числа астрономов и геодезистов.
Наблюдатели получили возможность выбора из множества типов рефлекторов и рефракторов, каждый из которых имел достоинства и недостатки. Телескопы-рефракторы с линзами из высококачественного стекла давали изображение лучшее, чем у рефлекторов, да и труба у них была компактнее и жестче. Но рефлекторы могли быть изготовлены значительно большего диаметра, а изображения в них не были искажены цветными каемками, как у рефракторов. В рефлектор лучше видны слабые объекты, поскольку отсутствуют потери света в стеклах. Однако сплав спекулум, из которого делали зеркала, быстро тускнел и требовал частой переполировки (покрывать поверхность тонким зеркальным слоем тогда еще не умели).
Гершель.
В 1770-х годах дотошный и упорный астроном-самоучка В.Гершель построил несколько ньютоновых телескопов, доведя диаметр до 46 см и фокусное расстояние до 6 м. Высокое качество его зеркал позволило применить очень сильное увеличение. С помощью одного из своих телескопов Гершель открыл планету Уран, а также тысячи двойных звезд и туманностей. В те годы было построено много телескопов, но обычно их создавали и использовали энтузиасты-одиночки, без организации обсерватории в современном смысле (см. также ГЕРШЕЛЬ, ВИЛЬЯМ).
Гершель и другие астрономы пытались построить более крупные рефлекторы. Но массивные зеркала гнулись и теряли свою форму, когда телескоп менял положение. Предела для металлических зеркал достиг в Ирландии У.Парсонс (лорд Росс), создавший рефлектор диаметром 1,8 м для своей домашней обсерватории.
Строительство крупных телескопов.
Промышленные магнаты и нувориши США скопили в конце 19 в. гигантские богатства, и некоторые из них занялись филантропией. Так, наживший состояние на золотой лихорадке Дж.Лик (1796–1876) завещал основать обсерваторию на горе Гамильтон, в 65 км от Санта-Крус (Калифорния). Ее главным инструментом стал 91-см (36-дюймовый) рефрактор, тогда крупнейший в мире, изготовленный известной фирмой «Алван Кларк и сыновья» и установленный в 1888. А в 1896 там же, на Ликской обсерватории, начал работать 91-см рефлектор Кроссли, тогда крупнейший в США. Астроном Дж.Хейл (1868–1938) убедил чикагского трамвайного магната Ч.Йеркса финансировать строительство еще более крупной обсерватории для Чикагского университета. Ее основали в 1895 в Уильямс-Бэй (шт. Висконсин), оснастив 102-см (40-дюймовым) рефрактором, до сих пор и, вероятно, навсегда крупнейшим в мире (см. также ХЕЙЛ, ДЖОРДЖ ЭЛЛЕРИ).
Организовав Йеркскую обсерваторию, Хейл развил бурную деятельность по привлечению средств из различных источников, включая стального магната А.Карнеги, для строительства обсерватории в наилучшем для наблюдений месте Калифорнии. Оснащенная несколькими солнечными телескопами конструкции Хейла и 152-см рефлектором, обсерватория Маунт-Вилсон в горах Сан-Габриель к северу от Пасадины (шт. Калифорния) вскоре стала астрономической меккой.
Приобретя необходимый опыт, Хейл организовал создание рефлектора невиданного размера. Названный в честь основного спонсора, 254-см (100-дюймовый) телескоп им. Хукера вступил в строй в 1917; но прежде пришлось преодолеть множество инженерных проблем, поначалу казавшихся неразрешимыми. Первой из них была отливка стеклянного диска нужного размера и его медленное охлаждение для получения высокого качества стекла. Шлифовка и полировка зеркала для придания ему необходимой формы заняла более шести лет и потребовала создания уникальных станков. Заключительный этап полировки и проверки зеркала проводили в специальном помещении с идеальной чистотой и контролем температуры. Механизмы телескопа, здание и купол его башни, сооруженной на вершине горы Вилсона (Маунт-Вилсон) высотой 1700 м, считались инженерным чудом того времени.
Вдохновленный прекрасной работой 254-см прибора, Хейл посвятил остаток жизни созданию гигантского 508-см (200-дюймового) телескопа. Спустя 10 лет после его смерти и из-за задержки, вызванной Второй мировой войной, телескоп им. Хейла вступил в строй в 1948 на вершине 1700-метровой горы Паломар (Маунт-Паломар), в 64 км к северо-востоку от Сан-Диего (шт. Калифорния). Это было научно-техническое чудо тех дней. Почти 30 лет этот телескоп оставался крупнейшим в мире, и многие астрономы и инженеры считали, что он никогда не будет превзойден.
Но появление компьютеров способствовало дальнейшему расширению строительства телескопов. В 1976 на 2100-метровой горе Семиродники у станицы Зеленчукская (Сев. Кавказ, Россия) начал работать 6-метровый телескоп БТА (Большой телескоп азимутальный), демонстрируя практический предел технологии «толстого и прочного» зеркала.
Путь строительства крупных зеркал, способных собирать больше света, а значит, видеть дальше и лучше, лежит через новые технологии: в последние годы развиваются методы изготовления тонких и сборных зеркал. Тонкие зеркала диаметром 8,2 м (при толщине ок. 20 см) уже работают на телескопах Южной обсерватории в Чили. Их форму контролирует сложная система механических «пальцев», управляемых компьютером. Успех этой технологии привел к разработке нескольких подобных проектов в разных странах.
Для проверки идеи составного зеркала в Смитсоновской астрофизической обсерватории в 1979 построили телескоп с объективом из шести 183-см зеркал, по площади эквивалентных одному 4,5-метровому зеркалу. Этот многозеркальный телескоп, установленный на горе Хопкинс в 50 км к югу от Тусона (шт. Аризона), оказался весьма эффективен, и данный подход использовали при строительстве двух 10-метровых телескопов им. У.Кека на обсерватории Мауна-Кеа (о. Гавайи). Каждое гигантское зеркало составлено из 36 шестиугольных сегментов по 183 см в поперечнике, управляемых компьютером для получения единого изображения. Хотя качество изображений пока невысокое, но удается получать спектры очень далеких и слабых объектов, недоступных другим телескопам. Поэтому в начале 2000-х годов планируется ввести в строй еще несколько многозеркальных телескопов с эффективными апертурами 9–25 м.
РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ
Фотография.
В середине 19 в. несколько энтузиастов начали использовать фотографию для регистрации изображений, наблюдаемых в телескоп. С повышением чувствительности эмульсий стеклянные фотопластинки стали главным средством регистрации астрофизических данных. Помимо традиционных рукописных журналов наблюдений в обсерваториях появились драгоценные «стеклянные библиотеки». Фотопластинка способна накапливать слабый свет далеких объектов и фиксировать недоступные глазу детали. С применением фотографии в астрономии потребовались телескопы нового типа, например, камеры широкого обзора, способные регистрировать сразу большие области неба для создания фотоатласов вместо рисованных карт.
В сочетании в рефлекторами большого диаметра фотография и спектрограф позволили заняться изучением слабых объектов. В 1920-х годов с помощью 254-см телескопа обсерватории Маунт-Вилсон Э.Хаббл (1889–1953) классифицировал слабые туманности и доказал, что многие из них являются гигантскими галактиками, подобными Млечному Пути. Кроме того, Хаббл открыл, что галактики стремительно разлетаются друг от друга. Это полностью изменило представления астрономов о строении и эволюции Вселенной, но лишь несколько обсерваторий, имевших мощные телескопы для наблюдения слабых далеких галактик, были в состоянии заниматься такими исследованиями (см. также КОСМОЛОГИЯ В АСТРОНОМИИ; ГАЛАКТИКИ; ХАББЛ, ЭДВИН ПАУЭЛЛ; ТУМАННОСТИ;.
Спектроскопия.
Возникшая почти одновременно с фотографией, спектроскопия позволила астрономам из анализа света звезд определять их химический состав, а по доплеровскому смещению линий в спектрах изучать движение звезд и галактик. Развитие физики в начале 20 в. помогло расшифровать спектрограммы. Впервые появилась возможность изучить состав недоступных небесных тел. Эта задача оказалась по силам скромным университетским обсерваториям, поскольку для получения спектров ярких объектов не нужен крупный телескоп. Так, обсерватория Гарвардского колледжа одной из первых занялась спектроскопией и собрала огромную коллекцию спектров звезд. Ее сотрудники классифицировали тысячи звездных спектров и создали базу для изучения звездной эволюции. Объединив эти данные с квантовой физикой, теоретики поняли природу источника звездной энергии.
В 20 в. были созданы детекторы инфракрасного излучения, приходящего от холодных звезд, из атмосфер и с поверхности планет. Визуальные наблюдения как недостаточно чувствительный и объективный измеритель блеска звезд были вытеснены вначале фотопластинкой, а затем электронными приборами (см. также СПЕКТРОСКОПИЯ).
АСТРОНОМИЯ ПОСЛЕ ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ
Усиление государственной поддержки.
После войны ученым стали доступны новые технологии, родившиеся в армейских лабораториях: радио- и радиолокационная техника, чувствительные электронные приемники света, вычислительные машины. Правительства промышленно развитых стран осознали важность научных исследований для национальной безопасности и стали выделять немалые средства на научную работу и образование.
Национальные обсерватории США.
В начале 1950-х годов Национальный научный фонд США обратился к астрономам дать предложения относительно общенациональной обсерватории, которая располагалась бы в наилучшем месте и была бы доступна всем квалифицированным ученым. К 1960-м годам возникло две группы организаций: Ассоциация университетов для исследований по астрономии (AURA), создавшая концепцию Национальных оптикоастрономических обсерваторий (NOAO) на 2100-метровой вершине Китт-Пик близ Тусона (шт. Аризона), и Объединение университетов, разработавшее проект Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) в долине Дир-Крик, недалеко от Грин-Бэнк (шт. Зап. Виргиния).
К 1990 NOAO имела на Китт-Пик 15 телескопов диаметром до 4 м. AURA также создала Межамериканскую обсерваторию в Сьерра-Тололо (Чилийские Анды) на высоте 2200 м, где с 1967 изучают южное небо. Кроме Грин-Бэнк, где установлен крупнейший радиотелескоп (диаметр 43 м) на экваториальной монтировке, NRAO имеет также 12-метровый телескоп миллиметрового диапазона на Китт-Пик и систему VLA (Very Large Array) из 27 радиотелескопов диаметрам по 25 м на пустынной равнине Сан-Огастин близ Сокорро (шт. Нью-Мексико). Крупной американской обсерваторией стал Национальный радио- и ионосферный центр на о.Пуэрто-Рико. Его радиотелескоп с крупнейшим в мире сферическим зеркалом диаметром 305 м неподвижно лежит в естественном углублении среди гор и используется для радио- и радиолокационной астрономии.
Постоянные сотрудники национальных обсерваторий следят за исправностью оборудования, разрабатывают новые приборы и проводят собственные исследовательские программы. Однако любой ученый может подать заявку на наблюдения и, если она одобрена комитетом координации научных исследований, получить время для работы на телескопе. Это позволяет ученым из небогатых учреждений использовать самое совершенное оборудование.
Наблюдения южного неба.
Значительная часть южного неба не видна из большинства обсерваторий Европы и США, хотя именно южное небо считают особо ценным для астрономии, поскольку оно содержит центр Млечного Пути и много важных галактик, включая Магеллановы Облака – две небольшие соседние с нами галактики.
Первые карты южного неба составили английский астроном Э.Галлей, работавший с 1676 по 1678 на острове Св. Елены, и французский астроном Н.Лакайль, работавший с 1751 по 1753 на юге Африки. В 1820 Британское бюро долгот основало на мысе Доброй Надежды Королевскую обсерваторию, вначале оснастив ее лишь телескопом для астрометрических измерений, а затем – полным набором инструментов для разнообразных программ. В 1869 в Мельбурне (Австралия) был установлен 122-см рефлектор; позже его перевезли в Маунт-Стромло, где после 1905 стала расти астрофизическая обсерватория. В конце 20 в., когда условия для наблюдений на старых обсерваториях Северного полушария стали ухудшаться из-за сильной урбанизации, европейские страны начали активно строить обсерватории с крупными телескопами в Чили, Австралии, Центральной Азии, на Канарских и Гавайских островах.
Обсерватории над Землей.
Астрономы приступили к использованию высотных аэростатов в качестве наблюдательных платформ еще в 1930-е годы и продолжают такие исследования до сих пор. В 1950-х годах приборы устанавливались на высотных самолетах, ставших летающими обсерваториями. Внеатмосферные наблюдения начались в 1946, когда ученые США на трофейных немецких ракетах «Фау-2» подняли в стратосферу детекторы для наблюдения ультрафиолетового излучения Солнца. Первый искусственный спутник был запущен в СССР 4 октября 1957, а уже в 1958 советская станция «Луна-3» сфотографировала обратную сторону Луны. Затем стали осуществляться полеты к планетам и появились специализированные астрономические спутники для наблюдения Солнца и звезд. В последние годы на околоземных и других орбитах постоянно работает несколько астрономических спутников, изучающих небо во всех диапазонах спектра.
Работа на обсерватории.
В прежние времена жизнь и деятельность астронома всецело зависели от возможностей его обсерватории, поскольку связь и переезды были медленными и сложными. В начале 20 в. Хейл создавал обсерваторию Маунт-Вилсон как центр солнечной и звездной астрофизики, способный вести не только телескопические и спектральные наблюдения, но и необходимые лабораторные исследования. Он стремился, чтобы на горе Вилсон было все, что необходимо для жизни и работы, точно так, как Тихо делал это на острове Вен. До сих пор некоторые крупные обсерватории на горных вершинах представляют собой замкнутые сообщества ученых и инженеров, живущих в общежитии и работающих по ночам по своим программам.
Но постепенно этот стиль меняется. В поисках наиболее благоприятных мест для наблюдения обсерватории располагают в удаленных районах, где трудно жить постоянно. Приезжающие ученые остаются на обсерватории от нескольких дней до нескольких месяцев, чтобы провести конкретные наблюдения. Возможности современно электроники позволяют вести дистанционные наблюдения, вообще не посещая обсерваторию, или строить в труднодоступных местах полностью автоматические телескопы, самостоятельно работающие по намеченной программе.
Определенную специфику имеют наблюдения с помощью космических телескопов. Вначале многие астрономы, привыкшие самостоятельно работать с инструментом, чувствовали себя неуютно в рамках космической астрономии, отделенные от телескопа не только пространством, но и множеством инженеров и сложных инструкций. Однако в 1980-х годах на многих наземных обсерваториях управление телескопом перенесли с простых пультов, расположенных непосредственно у телескопа, в специальное помещение, начиненное компьютерами и порой находящееся в отдельном здании. Вместо того чтобы наводить на объект главный телескоп, глядя в укрепленный на нем небольшой телескоп-искатель и нажимая кнопки на небольшом ручном пульте, астроном теперь сидит перед экраном телегида и манипулирует джойстиком. Часто астроном просто отправляет через Интернет в обсерваторию подробную программу наблюдений и, когда они проведены, получает результаты прямо в свой компьютер. Поэтому стиль работы с наземными и космическими телескопами становится все более схожим.
СОВРЕМЕННЫЕ НАЗЕМНЫЕ ОБСЕРВАТОРИИ
Оптические обсерватории.
Место
для строительства оптической обсерватории обычно выбирают вдали от городов с их ярким ночным освещением и смогом. Обычно это вершина горы, где тоньше слой атмосферы, сквозь который приходится вести наблюдения. Желательно, чтобы воздух был сухим и чистым, а ветер не особенно сильным. В идеале обсерватории должны быть равномерно распределены по поверхности Земли, чтобы в любой момент можно было наблюдать объекты северного и южного неба. Однако исторически сложилось так, что большинство обсерваторий расположено в Европе и Северной Америке, поэтому небо Северного полушария изучено лучше. В последние десятилетия начали сооружать крупные обсерватории в Южном полушарии и вблизи экватора, откуда можно наблюдать как северное, так и южное небо. Древний вулкан Мауна-Кеа на о. Гавайи высотой более 4 км считается лучшим местом в мире для астрономических наблюдений. В 1990-х годах там обосновались десятки телескопов разных стран.
Башня.
Телескопы – очень чувствительные приборы. Для защиты от непогоды и перепадов температуры их помещают в специальные здания – астрономические башни. Небольшие башни имеют прямоугольную форму с плоской раздвигающейся крышей. Башни крупных телескопов обычно делают круглыми с полусферическим вращающимся куполом, в котором для наблюдений открывается узкая щель. Такой купол хорошо защищает телескоп от ветра во время работы. Это важно, поскольку ветер раскачивает телескоп и вызывает дрожание изображения. Вибрация почвы и здания башни также отрицательно влияет на качество изображений. Поэтому телескоп монтируют на отдельном фундаменте, не связанном с фундаментом башни. Внутри башни или вблизи нее монтируют систему вентиляции подкупольного пространства и установку для вакуумного напыления на зеркало телескопа отражающего алюминиевого слоя, тускнеющего со временем.
Монтировка.
Для наведения на светило телескоп должен вращаться вокруг одной или двух осей. К первому типу относятся меридианный круг и пассажный инструмент – небольшие телескопы, поворачивающиеся вокруг горизонтальной оси в плоскости небесного меридиана. Двигаясь с востока на запад, каждое светило дважды в сутки пересекает эту плоскость. С помощью пассажного инструмента определяют моменты прохождения звезд через меридиан и таким образом уточняют скорость вращения Земли; это необходимо для службы точного времени. Меридианный круг позволяет измерять не только моменты, но и место пересечения звездой меридиана; это нужно для создания точных карт звездного неба.
В современных телескопах непосредственное визуальное наблюдение практически не применяется. В основном их используют для фотографирования небесных объектов или для регистрации их света электронными детекторами; при этом экспозиция иногда достигает нескольких часов. Все это время телескоп должен быть точно нацелен на объект. Поэтому с помощью часового механизма он с постоянной скоростью поворачивается вокруг часовой оси (параллельной оси вращения Земли) с востока на запад вслед за светилом, компенсируя этим вращение Земли с запада на восток. Вторая ось, перпендикулярная часовой, называется осью склонений; она служит для наведения телескопа в направлении север–юг. Такую конструкцию называют экваториальной монтировкой и используют почти для всех телескопов, за исключением самых крупных, для которых более компактной и дешевой оказалась альт-азимутальная монтировка. На ней телескоп следит за светилом, поворачиваясь одновременно с переменной скоростью вокруг двух осей – вертикальной и горизонтальной. Это значительно усложняет работу часового механизма, требуя компьютерного контроля.
Телескоп-рефрактор
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.
| Таблица 1. КРУПНЕЙШИЕ ТЕЛЕСКОПЫ МИРА | |||
| Диаметр объекти-ва (м) | Обсерватория | Место и год сооружения/демонтажа | |
| РЕФЛЕКТОРЫ | |||
| 10,0 | Мауна-Кеа | Гавайи (США) | 1996 |
| 10,0 | Мауна-Кеа | Гавайи (США) | 1993 |
| 9,2 | Мак-Дональд | Техас (США) | 1997 |
| 8,3 | Национальная Японии | Гавайи (США) | 1999 |
| 8,2 | Европейская южная | гора Сьерра-Паранал (Чили) | 1998 |
| 6,5 | Аризонского университета | гора Хопкинс (шт. Аризона) | 1999 |
| 6,0 | Специальная астрофизи-ческая АН России | стан. Зеленчукская (Россия) | 1976 |
| 5,0 | Паломарская | гора Паломар (Калифорния) | 1949 |
| 1,8ґ6=4,5 | Аризонского университета | гора Хопкинс (шт. Аризона) | 1979/1998 |
| 4,2 | Рока де лос Мучачос | Канарские о-ва (Испания) | 1986 |
| 4,0 | Межамериканская | Сьерра-Тололо (Чили) | 1975 |
| 3,9 | Англо-австралийская | Сайдинг-Спринг (Австралия) | 1975 |
| 3,8 | Китт-Пик Национальная | Тусон (шт. Аризона) | 1974 |
| 3,8 | Мауна-Кеа (ИК) | Гавайи (США) | 1979 |
| 3,6 | Европейская южная | Ла-Силья (Чили) | 1976 |
| 3,6 | Мауна-Кеа | Гавайи (США) | 1979 |
| 3,5 | Рока де лос Мучачос | Канарские о-ва (Испания) | 1989 |
| 3,5 | Межуниверситетская | Сакраменто-Пик (шт. Нью Мексико) | 1991 |
| 3,5 | Германо-испанская | Калар-Альто (Испания) | 1983 |
| РЕФРАКТОРЫ | |||
| 1,02 | Йеркская | Уильямс-Бэй (шт. Висконсин) | 1897 |
| 0,91 | Ликская | гора Гамильтон (шт. Калифорния) | 1888 |
| 0,83 | Парижская | Медон (Франция) | 1893 |
| 0,81 | Потсдамская | Потсдам (Германия) | 1899 |
| 0,76 | Французская южная | Ницца (Франция) | 1880 |
| 0,76 | Аллегейнская | Питтсбург (шт. Пенсильвания) | 1917 |
| 0,76 | Пулковская | Санкт-Петербург | 1885/1941 |
| КАМЕРЫ ШМИДТА* | |||
| 1,3–2,0 | К.Шварцшильда | Таутенбург (Германия) | 1960 |
| 1,2–1,8 | Паломарская | гора Паломар (шт. Калифорния) | 1948 |
| 1,2–1,8 | Англо-австралийская | Сайдинг-Спринг (Австралия) | 1973 |
| 1,1–1,5 | Астрономическая | Токио (Япония) | 1975 |
| 1,0–1,6 | Европейская южная | Чили | 1972 |
| СОЛНЕЧНЫЕ | |||
| 1,50 | Китт-Пик Национальная | Тусон (шт. Аризона) | 1960 |
| 1,50 | Сакраменто-Пик (В)* | Санспот (шт. Нью-Мексико) | 1969 |
| 1,00 | Астрофизическая | Крым (Украина) | 1975 |
| 0,90 | Китт-Пик (2 доп.)* | Тусон (шт. Аризона) | 1962 |
| 0,70 | Китт-Пик (В)* | Тусон (шт. Аризона) | 1975 |
| 0,70 | Институт физики Солнца ФРГ | о. Тенерифе (Испания) | 1988 |
| 0,66 | Митака | Токио (Япония) | 1920 |
| 0,64 | Кембриджская | Кембридж (Англия) | 1820 |
| Примечание: Для камер Шмидта указаны диаметр коррекционной пластинки и зеркала; для солнечных телескопов: (В) – вакуумный; 2 доп. – два дополнительных телескопа в общем корпусе с 1,6-м телескопом. | |||
Зеркально-линзовые камеры.
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.
| Таблица 2. КРУПНЕЙШИЕ РАДИОТЕЛЕСКОПЫ | |||
| Наибольший размер антенны (м) | Обсерватория | Место и год сооружения/демонтажа | |
| 10001 | Физического института им.Лебедева | Серпухов (Россия) | 1963 |
| 6001 | Специальная астрофизическая АН России | Сев.Кавказ (Россия) | 1975 |
| 3052 | Ионосферная Аресибо | Аресибо (Пуэрто-Рико) | 1963 |
| 3051 | Медонская | Медон (Франция) | 1964 |
| 183 | Иллинойсского университета | Дэнвиль (шт. Иллинойс) | 1962 |
| 122 | Калифорнийского университета | Хэт-Крик (шт. Калифорния) | 1960 |
| 1101 | Огайоского университета | Делавэр (шт. Огайо) | 1962 |
| 107 | Стэнфордской радиолаборатории | Стэнфорд (шт. Калифорния) | 1959 |
| 100 | Института им. Макса Планка | Бонн (Германия) | 1971 |
| 76 | Джодрелл-Бэнк | Маклсфилд (Англия) | 1957 |
| Примечания: 1 антенна с незаполненной апертурой; 2 неподвижная антенна. | |||
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. также РАДИОАСТРОНОМИЯ; 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. также ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ.
Димитров Г., Бэкер Д. Телескопы и принадлежности к ним. М. – Л., 1947
King C. The History of the Telescope. Dover, 1979
Пономарев Д.Н. Астрономические обсерватории Советского Союза. М., 1987
Krusciunas K. Astronomical Centers of the World. Cambridge, 1987
Ответь на вопросы викторины «Астрономия»