Астрономы наблюдают - Феликс Зигель

Иные результаты получили такие великие наблюдатели XVII столетия, как Гюйгенс, Гевелий и Жан Кассини. Редкое терпение и большое искусство наблюдения с необычайно громоздкими телескопами были награждены очень важными открытиями. Галилей из-за аберрации не мог рассмотреть кольцо Сатурна — ему мерещились какие-то два придатка этой планеты. Гюйгенс был первым, кто ясно увидел, что (как он писал) Сатурн «кольцом окружен тонким, плоским, нигде не прикасающимся к эклиптике наклоненным». Он же открыл Титан — главный спутник Сатурна.

Гевелий положил начало селенографии — подробному описанию рельефа лунной поверхности. Его труд «Селенография», изданный впервые в 1647 году — плод личных многолетних наблюдений Луны. Хотя телескопы Гевелия были очень громоздки и несовершенны, ему удалось составить каталог 1564 звезд, гораздо более точный и подробный, чем каталог Тихо Браге.

Жан Доминик Кассини, родоначальник известной династии французских астрономов, с помощью воздушных телескопов (!) открыл четыре спутника Сатурна, названные им Япет, Рея, Диона и Тефия. Ему же удалось в кольце Сатурна увидеть тонкую щель, названную позже его именем. Жан Кассини составил одну из первых подробных карт Луны, а также открыл «моря» и полярные шапки Марса. Вместе с Гюйгенсом, впервые заметившим полосы в атмосфере Юпитера, Жан Кассини положил начало планетологии — отрасли астрономии, изучающей физическую природу планет и их эволюцию.

Галилей не имел какой-либо специально оборудованной обсерватории — его легкие и небольшие телескопы были, как мы теперь говорим, переносными инструментами. Ян Гевелий соорудил личную обсерваторию на крыше своего дома, где работал с небольшими инструментами. Воздушный же 50-метровый телескоп был установлен на обширном поле, откуда открывался широкий горизонт. Гевелий сам изготовлял свои телескопы — в те времена специальности оптика-механика и астронома сочетались в одном лице. Кстати сказать, во всех его трудах и наблюдениях Гевелию усердно помогала его жена, бывшая к тому же неплохой вычислительницей. Кажется, она была одной из первых в истории человечества женщин-астрономов.

В 1671 году в Париже была основана первая государственная обсерватория, директором которой стал Жан Кассини. Ее оборудовали лучшими астрономическими инструментами. Любопытно, что наряду с квадрантами и другими угломерными инструментами древней астрономии здесь использовались воздушные телескопы длиной 10, 30 и 40 метров.

Четыре года спустя в Англии начала свою деятельность Гринвичская обсерватория, первым директором (Королевским астрономом) которой стал Д. Флемстид. В отличие от Парижской обсерватории, где закладывались основы астрофизики, Гринвичская обсерватория с самого начала приобрела астрометрический уклон. Она предназначалась для практических целей, для нужд мореплавания и потому английские астрономы занимались главным образом измерениями точного положения звезд и планет. Благодаря использованию микрометра, точность в определении координат звезд возросла до 10''. В Гринвиче не было длиннофокусных, в частности, воздушных телескопов. Главными инструментами Гринвичской обсерватории служили секстант с радиусом 2,1 м, метровый квадрант и телескопы с фокусными расстояниями 2,1 и 4,6 м.

Вторым директором Гринвичской обсерватории (Королевским астрономом) стал Эдмунд Галлей, открывший собственное движение звезд и периодическое обращение комет вокруг Солнца. В начале XVIII века третьим королевским астрономом был назначен Д. Брадлей. В отличие от своих предшественников, он воспользовался длиннющим 65-метровым воздушным телескопом и с его помощью открыл годичную аберрацию — кажущееся смещение звезд, вызванное обращением Земли вокруг Солнца. Эта аберрация света не связана с расстоянием до звезды, а вызвана сложением скорости света со скоростью орбитального движения нашей планеты.

Первые успехи телескопической техники не могли, конечно, заслонить ее недостатки. Длиннофокусные, в частности, воздушные телескопы явно вели в тупик. Они ослабляли аберрации, но не устраняли их. По необходимости приходилось пользоваться небольшими объективами с диаметрами, не большими 10–20 см. И если бы в ту пору кому-нибудь посчастливилось изготовить объектив с поперечником в 1 м, то для мало-мальски приличных изображений соответствующий телескоп должен был бы иметь длину около двух километров!

Ясно, что решение проблемы находилось не на этом пути. Телескопы с однолинзовыми объективами и окулярами к середине XVIII столетия изжили себя. Выход был найден в использовании многолинзовых оптических систем.

Устранение аберраций

На школьных уроках физики иногда показывают нехитрый опыт. Небольшой диск, секторы которого раскрашены в «семь цветов радуги», приводят в быстрое вращение. И разноцветный диск неожиданно становится белым! Произошло, как говорят, смешение цветов, нечто обратное дисперсии света, то есть разложению белого луча света на составные разноцветные лучи. Важно заметить, что ощущение белого цвета создается не только от смешения всех цветов спектра, но и от соединения некоторых простых цветных лучей, как, например, красного и голубовато-зеленого, желтого и синего, зеленого и пурпурного. Все такие цвета называются дополнительными.

Отсюда ясен и принцип создания ахроматического объектива, то есть объектива, не дающего окрашенные изображения. Представим себе объектив, состоящий из двух линз — двояковыпуклой А и плоско-вогнутой В (рис. 16). Обе они обладают хроматическими аберрациями, но действия этих линз противоположны. Лучи света, пройдя двояковыпуклую линзу, затем преломляются в рассеивающей плоско-вогнутой линзе, которая, в отличие от первой, удлиняет фокусное расстояние для синих лучей и укорачивает его для красных. Степень преломления в линзах зависит не только от формы их поверхностей, но и от сорта стекла, то есть от показателя преломления этой прозрачной среды. Чем плотнее, или, как иногда говорят, «тяжелее стекло», тем сильнее преломляет оно лучи. Таким образом, две совершенно одинаковые двояковыпуклые линзы, изготовленные из разного стекла, имеют разные фокусы — у «тяжелой» линзы он короче, чем у более легкой.

Если в рассматриваемом нами сложном объективе подобрать соответствующую кривизну для поверхностей линз, а также разные сорта их стекол, то в принципе можно достичь желаемого — все разноцветные лучи практически соберутся в одной точке и изображение получится неокрашенным.

Теоретически возможность создания ахроматических объективов была доказана еще в 1695 году известным английским оптиком Д. Грегори.

В 1733 году Ч. Холл нашел, что двояковыпуклую линзу следует изготовить из «кронгласа» — «легкого» стекла, содержащего кремнекислоту с примесью калия. Это стекло, сравнительно слабо рассеивающее свет, используется и для оконных стекол. Вторая же рассеивающая линза, как доказал Холл, должна состоять из «тяжелого», сильно рассеивающего сорта стекла, так называемого «флинтгласа», содержащего в качестве примеси окись свинца. По заказу Холла были изготовлены несколько двухлинзовых объективов с диаметром 5 см и фокусным расстоянием 5 м, однако плохое качество стекол сильно ухудшало видимость небесных светил.

Труды Холла были продолжены Джоном Доллондом, достигшим в создании ахроматических объективов больших успехов. Объяснялось это не только высоким мастерством Доллонда, научившимся чисто опытным путем подбирать нужные кривизны линз и сорт их стекла, но и чистой случайностью: в мастерских Доллонда оказались крупные блоки очень однородного и чистого флинта. Когда кончились эти запасы, качество доллондовых труб заметно ухудшилось.

Пусть этот факт не удивляет читателя. Во второй половине XVIII столетия (с 1758 года), когда работал Доллонд, техника изготовления хорошего оптического стекла оставалась очень примитивной. Расплавленное стекло в течение нескольких дней вручную размешивали в глиняных тиглях, стремясь достичь полной однородности и прозрачности стеклянной массы. После остывания стеклянная масса из-за неравномерности охлаждения растрескивалась и распадалась на много кусков, как правило, не очень крупных. Эти осколки подвергались вторичной плавке, во время которой им придавалась форма круглых толстых стеклянных пластинок. Наконец эти остывшие блоки подвергались шлифовке, а иногда и новой переплавке в специальных тиглях, из которых блоки выходили в форме линз. Заметим, что охлаждение первичных блоков растягивалось на несколько месяцев. Тонкая же шлифовка линз требовала еще больших сроков.