Астрономия по праву считается одной из древнейших научных дисциплин и своими корнями уходит в далекие века, принятые писать с приставкой "до н.э". Лишь в 17 веке было сделано изобретение, давшее мощнейший толчок к развитию астрономии как науки. Как вы понимаете, речь идёт об изобретении телескопа Галилеем в 1609 году. В этом посте, а возможно и серии постов, я хочу рассказать о том пути, который прошли телескопы с момента изобретения до наших дней, о том как они выросли с простенькой трубки со стеклами до сложнейших инженерных сооружений.
Первые упоминания о телескопе встречаются у английского средневекового ученого Роджера Бэкона (1214— 1292). Он был хорошо знаком с достижениями арабской оптики и, в частности, с работами Альхазена. Бэкон был также ученым, провозгласившим совершенно новые принципы научного знания. Он гениально предвидит будущие успехи экспериментальной науки. С восторгом говорит он о будущей технике: «Расскажу о дивных делах природы и искусства, в которых нет ничего магического... Прозрачные тела могут быть так обделаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными, и наоборот, так, что на невероятном расстоянии будем читать малейшие буквы и различать мельчайшие вещи, а также будем в состоянии усматривать звезды, как пожелаем». Однако для своего времени такие мысли оказались настолько прогрессивными, что не вызвали отклика в окружающей научной среде. Да и перед лицом святой инквизиции обсуждать подобные вещи было просто опасно для здоровья.
Первые чертежи уже чего-то похожего на телескоп относятся к 1509 году, т.е. за целый век до изобретения Галилея, а принадлежали они небезызвестному Да Винчи. Существует много свидетельств, что Леонардо работал над созданием зрительной трубы, однако до сих пор неизвестно, достиг он в своих начинаниях какого-то вещественного результата или нет.
И вот мы уже плавно подбираемся к официальной дате изобретения телескопа, однако фигурировать пока будут 3 других фамилии - Мециус, Янсен и Липперсгей. Согласно сохранившимся документам известно, что Иоганн Липперсгей 2 октября 1608 г. представил в Гааге Генеральным Штатам Соединённой Бельгии «Инструмент для видения на расстоянии». Из других документов следует, что одновременно с Липперсгеем и независимо от него, не позднее 1608 г. Якоб Метциус изобрел зрительную трубу. Что же касается Захария Янсена, то здесь с уверенностью можно сказать только то, что он был, по-видимому, одним из многочисленных изготовителей зрительных труб после 1608—1609 гг. Так или иначе, в истории создания зрительной трубы важно то обстоятельство, что она была впервые создана чисто эмпирически практиками, а не учеными-теоретиками, обладавшими к этому времени достаточным количеством знаний. Следов взаимосвязи между наукой и практикой снова не существовало, каждая из них развивалась самостоятельно. Причём есть определенные основания полагать, что самый первый прототип был построен неизвестным итальянцем ещё в 1590 году, и эта труба ходила по рукам как секрет, который прежде всего хотели продать за хорошие деньги для военных надобностей. История так называемого «изобретения» телескопа является поэтому путаным клубком различных темных махинаций не столько оптиков, сколько дельцов и жуликов (известно, например, что 3. Янсен обвинялся как фальшивомонетчик).
В это самое время слух о существовании зрительной трубы доходит до Галилея и он, не жалея сил и средств, приступает к повторению устройства. Причём работает он, опираясь на те знания, которые были накоплены в оптике к этому времени, т.е. связывая воедино теорию и практику, чего до него не делал ни один из предшественников. Скорее всего, именно такой подход и позволил ему качественно повысить результат и вместо увеличения в 2-3 раза, какое было у трубы Липерсгея, он создал трубу с 32-кратным увеличением!!
Создание Галилеем реальной конструкции телескопа ознаменовало собой подлинную революцию в оптике. Характерной особенностью этой революции явилось то, что первостепенное значение в ней играла техника. Оптика Галилея имеет принципиальное отличие от оптики, существовавшей до него. Именно он понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб совершенно различно, а использование очковых линз в зрительных трубах совершенно неприемлемо. Начиная с 1609 г. кустарная техника изготовления очков и техника точного изготовления линз обособляются. Точная оптика входит в науку как новое средство познания мира и становится предметом изучения для самых выдающихся деятелей XVII в.
И вот затем Галилей закрепляет успех своего изобретения, впервые направив собранную им трубу в небо и сделав с её помощью первые открытия. Первые телескопические наблюдения небесных тел Галилей провёл 7 января 1610 года. В течение короткого промежутка времени он смог сделать выводы о сложном рельефе Луны, открыл 4 спутника Юпитера, которые и поныне принято называть галилеевы спутники (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), зафиксировал пятна на солнце и смену фаз Венеры. Галилей отметил также странные «придатки» у Сатурна, но открытию кольца помешали слабость телескопа и поворот кольца, скрывший его от земного наблюдателя. Историки науки обнаружили, что 28 декабря 1612 года Галилей наблюдал ещё не открытую тогда планету Нептун и зарисовал её положение среди звёзд, а 29 января 1613 года наблюдал её же в соединении с Юпитером. Однако Галилей не опознал Нептун как планету.
Таким образом, нельзя однозначно сказать, что Галилей изобрёл телескоп как таковой. Однако его заслуги в улучшении характеристик зрительной трубы почти на порядок, а также применение телескопа в качестве научного инструмента неоспоримо.
Юпитер вместе с 4-мя крупнейшими "галилеевыми" спутниками
Первые зарисовки Луны Галилеем
В том же 1610 году Иоганн Кепплер немного дорабатывает схему Галилея, в результате чего изготовления телескопа становится проще (выпуклые линзы проще в изготовлении, чем вогнутые) и обладает некоторыми другими преимуществами, хотя и даёт перевёрнутое изображение. Впервые телескоп системы Кеплера изготовил иезуит Христоф Шейнер в 1613 г. Вскоре среди астрономов кеплерова труба полностью вытеснила «голландскую» (галилееву), поскольку перевернутое изображение не доставляло им хлопот. Но для морских подзорных труб и биноклей голландская схема использовалась еще долго, вплоть до изобретения призменного бинокля, а в театральных биноклях используется и по сей день.
За счёт того, что вся система построена на преломлении света линзами, телескопы данного типа получили название Рефракторов, от латинского refractio-, означающего "преломлять"
При всей своей значимости для научных целей, первые линзовые телескопы обладали всеми известными на данный момент аберрациями - искажениями изображения. Самыми сильными оказались сферическая и хроматическая аберрации.
Слева: хроматическая аберрация. Стекло преломляет коротковолновый свет сильнее, чем длинноволновый, и фокус фиолетовых лучей (Оф) лежит ближе к линзе, чем красных (Ок). При любом расположении экрана изображение звезды получается расплывчатым, в окружении цветного ореола.
Справа: сферическая аберрация. Краевая зона сферической линзы фокусирует свет на меньшем расстоянии (точка C), чем центральная зона (точка D), и даже в области наилучшей фокусировки (плоскость fe) точечный источник проецируется как пятно.
Исследуя данные аберрации, Кеплер теоретически обосновал, что сферичку можно устранить, придав линзе форму гиперболоида. На тот момент это была технически непосильная задача. Более успешной оказалась борьба с хроматизмом, которая заключалась в увеличении фокусного расстояния объектива. В самом деле, чем дальше точка фокуса от "входной" линзы, тем меньше угол, на который приходится преломлять луч света по краям и тем меньшее разделение света происходит в итоге. Уже к середине 17 века Ян Гевелий из Гданьска и братья Христиан и Константин Гюйгенсы одними из первых стали строить длинные телескопы. Крупнейший телескоп Гевелия имел объектив диаметром 12 см с фокусным расстоянием 45 м (!!!) и на сложной системе тросов и блоков подвешивался на 27-метровой мачте. Христиан Гюйгенс укреплял объектив на небольшой платформе, скользящей вверх и вниз по мачте, а окуляр — отдельно на небольшой подставке, которую можно было переносить в поисках фокуса. Такой телескоп называли «воздушным», поскольку он не имел трубы.
Телескоп Гевелия
Добрую сотню лет борьба с аберрациями сводилась лишь к танцам с бубнами вокруг длины телескопа, пока наконец в 1729 году адвокат Честер Мур Холл не заметил, что объектив, собранный из 2-х сортов стекла с разным показателем преломления перестал "окрашивать" изображения в окуляре.
Такой «дублет» имел значительно меньшую хроматическую аберрацию, чем длиннофокусные одиночные линзы. Холл никак не закрепил за собой это изобретение. Знавший об открытии Холла Джон Доллонд в 1760 г. взял патент и стал выпускать ахроматические объективы. Но они были небольшого размера, не более 10—13 см, и качество стекла, особенно флинта, было невысоким.
В конце 18 века усилиями швейцарца Пьера Гинана получилось изготавливать линзы из флинта выдающегося по тем временам качества. Это позволило увеличить диаметр объектива телескопа и уже к 1820-м годам он достиг размера 30-45см. Однако в течение 19 века темпы развития рефракторов неуклонно снижались и в 1897 был введён в эксплуатацию Йеркский телескоп с апертурой 102 см, который и по сей день остаётся крупнейшим телескопом данного типа.
Тут стоило бы упомянуть телескоп Всемирной выставки в Париже, изготовленный в 1900 году, но за время своей жизни так и не получивший собственного имени. При диаметре линзы в 126см он оказался настолько громоздким, что не предполагал каких-либо перемещений ни по высоте, ни по азимуту, а наведение на объекты небесной сферы предполагалось путем изменения угла расположения специального зеркала - сидеростата. После проведенной выставки и демонстрации публике, на нем были проведены немногочисленные попытки ведения научной работы, однако они оказались малозначимыми для науки и уже через несколько лет телескоп был разобран.
В настоящее время проблема хроматизма решена ещё лучше путём добавления к ахроматической системе ещё одной линзы и получением так называемого апохромата, или триплета. Таким образом удалось свести аберрацию к минимуму, но качественного толчка к развитию телескопов-рефракторов так и не дало.
Так почему же значение в 102 см оказалось практическим потолком в развитии рефракторов? Дело в том, что входная линза телескопа крепится в оправе по своей окружности, при этом центральная её часть может испытывать деформации под собственным весом стекла. Это нарушает соосность оптических элементов телескопа и совершенно недопустимо в плане сохранения качественного изображения. По мере увеличения диаметра линзы приходится увеличивать и её толщину, что в свою очередь начинает приводить ко всё возрастающим потерям света внутри линзы и её весу. Таким образом, даже незначительное увеличение апертуры телескопа приводит к несопоставимому усложнению конструкции. И пока не найдена альтернатива оптическому стеклу, которая имела бы меньший вес при равных оптических свойствах, расти рефракторам уже некуда.
История развития телескопов так бы и осталась тупиковой, если бы в далеком 1663 году Исаак Ньютон не начал свои опыты по преломлению и отражению света. В то время, когда Гевелий и Гюйгенс в борьбе с аберрациями строили свои многометровые линзовые телескопы, Ньютон вообще отказался от линз и уже в 1668 году построил телескоп совершенно другого типа, где в качестве фокусирующего элемента заменил линзы на зеркала. Соперничество между линзовыми и зеркальными телескопами длилось веками и шло с переменным успехом, однако именно зеркальные телескопы системы Ньютона вышли из данного противостояния победителями,...
