Телескоп — оружие астронома

Реферат

по астрономии

на тему:

Телескоп -- оружие астронома

1. Небесные тела далеко

Прежде чем познакомиться с работой астрономов, совершим небольшую экскурсию в физическую лабораторию.

Мы в просторном помещении с многочисленными столами, уставленными разнообразными приборами и аппаратурой. Вот один из сотрудников занимается изучением свойств какого-то нового сплава. Он помещает образцы в различные измерительные приборы, нагревает их и охлаждает, пропускает через них электрический ток, воздействует магнитными нолями, подвергает удару и растяжению. Другими словами, физик вызывает всевозможные изменения изучаемого объекта и наблюдает их последствия. В результате постепенно вырисовывается картина физических свойств нового вещества.

Примерно то же самое мы увидели бы в химической и биологической лабораториях. И здесь объект исследования, как правило, находится в непосредственном распоряжении ученого.

Иное дело астрономия. Среди всех небесных тел одни только метеориты могут быть подвергнуты лабораторному исследованию. Все остальные объекты, интересующие астрономов, расположены па огромных расстояниях от Земли...

В обычной жизни мы видим все события в тот самый момент, когда они совершаются в действительности. И даже тогда, когда, находясь в Москве, мы смотрим телевизионную передачу из далекого Владивостока, которая транслируется через искусственный спутник Земли, события в дальневосточной студии и на экране происходят фактически одновременно. Никакого запаздывания в поступлении сигналов практически не наблюдается.

Это и понятно, если вспомнить, что электромагнитные волны, несущие телевизионное изображение, распространяются с колоссальной скоростью -- около 300 000 км/сек. Такая скорость позволяет им мгновенно преодолевать любые земные расстояния.

Иное дело расстояния космические. Для их преодоления даже такому стремительному гонцу, как световой луч, требуются весьма ощутимые промежутки времени. Уже от Луны, ближайшего небесного тела, свет идет к нам больше секунды, а от Солнца -- восемь минут восемнадцать секунд. Для того чтобы пробежать расстояние от Солнца до самой далекой планеты солнечной системы -- Плутона, световая волна затрачивает 5'/2 часов, а ближайшей звезды Проксимы Центавра она достигнет только через 4'Д года.

Но любой предмет мы видим только тогда, когда свет, излученный им или отраженный его поверхностью, попадает в наш глаз. Следовательно, Луну мы видим такой, какой она была секунду тому назад, Солнце -- каким оно было 8 минут 18 секунд, а Проксиму Центавра-- какой она была 4Д года тому назад. Таким образом, световой год -- это не только единица длины, но и своеобразная единица времени.

Направив свой взор на небо, мы заглядываем в прошлое Вселенной, и каждая звезда, которую мы наблюдаем,-- это как бы одна из страниц истории... Вот, например, хорошо знакомая всем путеводная Полярная звезда, расположенная над Северным полюсом нашей планеты. Она находится на расстоянии 460 световых лет. Это значит, что свет, который сегодня пришел на Землю от Полярной звезды, начал свой путь 460 лет назад. Если бы эта звезда по какой-то причине перестала существовать, то люди, живущие на Земле, продолжали бы видеть эту фактически уже несуществующую звезду еще на протяжении последующих 460 лет. И только по истечении этого времени они увидели бы то, что случилось с Полярной в наши дни. Точно так же наблюдатель, который находился бы в данную минуту в районе Полярной звезды, видел бы нашу Землю такой, какой она была в начале XVI столетия, т. е. еще до открытия Коперником гелиоцентрической системы мира, Итак, планеты, звезды, звездные миры мы видим в прошлом. Это, между прочим, единственный в нашей жизни случай, когда своими собственными глазами мы можем непосредственно наблюдать события давным-давно минувших времен.

Различные космические тела мы видим в разном прошлом. И Полярная звезда отнюдь не рекордсмен. Уже в пределах нашего звездного острова, нашей Галактики, существуют звезды, удаленные от Земли на десятки тысяч световых лет. Изучая другие звездные миры, другие галактики, мы проникаем в еще более отдаленное прошлое. Знаменитая «туманность Андромеды» -- одна из ближайших к нам галактик -- находится на расстоянии около двух миллионов световых лет. В последние годы обнаружены объекты, удаленные от солнечной системы па 7--8 миллиардов световых лет.

Итак, небесные тела расположены на огромных расстояниях от пашей планеты, вдалеке от земных лабораторий. И уже по одному этому (хотя р не только поэтому) для изучения космических объектов необходимы особые способы, особые методы исследования. Не располагая такими методами, мы мало что смогли бы узнать о небесных телах.

Поэтому наш рассказ о наиболее интересных вопросах современной астрономии мы начнем именно с методов.

Носители информации

У древнегреческого философа Платона есть любопытное рассуждение. Человечество приковано на цепь внутри глубокой пещеры. Люди ничего не знают о том, что происходит снаружи. Они могут судить о внешнем мире лишь по теням, которые отбрасывают его предметы в лучах Солнца на заднюю стену. А эти тени способны дать лишь самое смутное, поверхностное представление о реальных событиях.

Платону подобное рассуждение понадобилось для того, чтобы проиллюстрировать свою мысль о том, что человек будто бы не способен проникнуть в сущность явлений. Но оно невольно возникает в памяти, когда речь заходит об изучении звезд и других далеких небесных тел. Наблюдая небо, мы видим лишь неподвижные светящиеся точки -- «тени» далеких космических объектов. И на первый взгляд может показаться, что в лучшем случае человек способен выяснить лишь чисто внешнюю сторону тех или иных космических процессов и явлений. Недаром известный философ Огюст Конт, живший в XIX столетии, т. е. через много веков после Платона, утверждал, что человек никогда не сможет узнать, например, химического состава звезд.

И Платон, и Конт были идеалистами. Они считали, что окружающий нас мир непознаваем. Однако развитие естествознания показало, что научному исследованию доступны не только явления, происходящие непосредственно вокруг нас, но и то, что совершается в далеких уголках Вселенной. Оказалось, что большие расстояния отнюдь не могут служить непреодолимым препятствием для научного познания...

По вечерам многие из нас занимают привычное место у экранов телевизоров. Начинается очередная передача. Голубой экран способен перенести зрителей в различные города и страны, дать возможность непосредственно своими глазами увидеть события, происходящие в разных уголках планеты. В это время пас часто отделяют от передающих станции сотни, а то и тысячи километров. Но ваши телевизионные приемники связывают с этими станциями невидимые электромагнитные волны. В специально преобразованном, как говорят физики, закодированном виде, они несут с собой «видеосигналы» и звуковое сопровождение: голос диктора, музыку, пение. В приемнике этот условный код вновь превращается в звук р изображение па экране, и мы видим и слышим то, что происходит на значительном расстоянии.

Таким образом, электромагнитные волны могут быть носителями определенной информации: телеграфных сигналов азбуки Морзе, голоса человека, музыки, команд управления на расстоянии приборами и механизмами или сообщений о показаниях измерительной аппаратуры, как это, например, имеет место при передаче научных сведений с искусственных спутников Земли и автоматических межпланетных станций. Сообщения, предназначенные для передачи, зашифровываются с помощью специального условного кода и поступают на передающую станцию.

Но вложить информацию в электромагнитное излучение может не только человек -- это сплошь и рядом делает сама природа. Космические тела являются источниками всевозможных электромагнитных волн. Свойства этих волн тесно связаны с источниками излучения, с их природой и физическим состоянием, с протекающими на них процессами.

Однако для того, чтобы воспользоваться этой богатейшей информацией, необходимо, во-первых, уловить и зарегистрировать интересующее нас космическое излучение, а во-вторых, разгадать тот код, с помощью которого природа зашифровала своп тайны...

2. Телескоп -- оружие астронома

Итак, первая задача -- уловить излучение небесных тел и прежде всего световое.

В какой-то мере эту задачу способен выполнить наш глаз. Глаз человека -- великолепный оптический прибор, созданный природой. С помощью зрения человек воспринимает около 80--85% всей внешней информации. Академик С.И. Вавилов пришел к выводу, что глаз человека способен улавливать ничтожные порции света -- всего около десятка фотонов. С другой стороны, глаз может выдерживать воздействие мощных световых потоков, например, от Солнца, прожектора или электрической дуги. Кроме того, человеческий глаз представляет собой весьма совершенную широкоугольную оптическую систему с большим полем зрения. Тем не менее, у глаза с точки зрения требований астрономических наблюдений имеются и весьма существенные недостатки. Главный из них состоит в том, что он собирает слишком мало света. Поэтому, глядя па небо невооруженным глазом, мы видим далеко не все. Мы различаем, например, всего немногим более двух тысяч звезд, в то время как их там миллиарды миллиардов.

Поэтому в астрономии произошла настоящая революция, когда на помощь глазу пришел телескоп.

Первые зрительные трубы были созданы в самом начале XVII столетия. Уже в 1609 г. Галилео Галилей направил такую трубу на небо. Он сделал целый ряд выдающихся открытий и положил начало телескопическим наблюдениям Вселенной.

Телескоп -- это инструмент, собирающий свет далеких небесных тел. Чем больше площадь объектива, тем большее количество света он собирает. Даже, простейший телескоп Галилея собирал света в 144 раза больше, чем глаз человека, а крупнейший до настоящего времени телескоп современности -- пятиметровый рефлектор на горе Паламар в США -- собирает света в миллион раз больше, чем глаз.

Чувствительность современных мощных телескопов столь велика, что с их помощью можно увидеть пламя свечи, удаленной на несколько тысяч километров.

Поскольку телескопические наблюдения занимают чрезвычайно важное место в изучении Вселенной, современная конструкторская мысль непрерывно работает над созданием все более мощных оптических инструментов и всемерным расширением их возможностей.

В нашей стране создан самый крупный в Европе зеркальный телескоп с поперечником 260 см. С этим инструментом, которому присвоено имя академика Шайпа, уже в течение нескольких лет успешно работают на Крымской астрофизической обсерватории. Телескоп представляет собой внушительное сооружение высотой около 18 м и весом свыше 60 т. В настоящее время создан еще один инструмент такого же типа для Бюраканской обсерватории в Армении. Со временем подобными телескопами будут оснащены и другие советские обсерватории.

Кроме того, советскими учеными в Ленинграде ведутся работы по созданию гигантского телескопа с зеркалом, имеющим в поперечнике шесть метров. Это будет величайший астрономический инструмент в мире.

Наряду с инструментами, так сказать, «общего» назначения создаются и специальные телескопы, например телескопы, предназначенные для наблюдения Солнца. По своей конструкции такие солнечные инструменты даже нельзя назвать телескопами в обычном смысле слова. Привычная труба у них вовсе отсутствует. Изображение Солнца улавливается специальным зеркалом -- целостатом и с помощью системы промежуточных юркал направляется на экран или на фотопластинку, или во входное отверстие анализирующего прибора. Наиболее совершенный инструмент подобного рода -- пашенный солнечный телескоп -- построен на Крымской астрофизической обсерватории.

Телескопы наших дней, как небо от Земли, отличаются от своих, далеких предков времен Галилея, Ньютона и Гер шел я: Это -- сложнейшие высокоточные устройства,· управление которыми до предела автоматизировано. Так, например, большой крымский телескоп оборудован 160 электрическими машинами различного назначения, пультами управления, счетно-решающими устройствами, следящими системами и т. п.

Однако наблюдателю приходится самому наводить телескоп в определенную точку неба -- такое положение сегодня уже не удовлетворяет астрономов. Ведь иногда подобную кропотливую и требующую высокой точности операцию в течение ночи приходится производить много раз. На это уходит много драгоценного времени, которое можно было бы использовать для наблюдений.

Нельзя ли автоматизировать работу телескопов полностью? Над этим вопросом задумались ученые Пулковской обсерватории совместно с сотрудниками конструкторского бюро астроприборов Ленинградского оптико-механического объединения. В результате родился проект нового телескопа-автомата: автоматического зеркального телескопа -- инструмента, который с полным правом можно назвать «мечтой астронома». Это будет автоматизированный комплекс, состоящий из телескопа с зеркалом поперечником 1,25 м, электронно-вычислительного устройства и системы наведения и слежения.

Новый телескоп сможет работать сам, без всякого участия человека. Для этого надо только ввести в электронный мозг инструмента заранее составленную программу, записанную па магнитную пленку. После этого автоматические устройства в нужный момент направят телескоп в определенную точку неба и произведут все необходимые измерения, а затем обработают полученные данные. Окончательные результаты машина будет выдавать либо на магнитной пленке, либо печатать с помощью специального автоматического приспособления.

Конструкторы телескопа предусмотрели также возможность отключения автоматики и управления инструментом с пульта, расположенного в особом застекленном помещении.

Но и в этом случае ученый, работающий на новом телескопе, будет находиться в значительно лучших условиях, чем во время наблюдений на обычных инструментах. Он сможет производить все измерения, оставаясь у пульта и не приближаясь к телескопу, а управляя им с помощью специальных кнопок. Здесь же на пульте разместится контрольный телевизионный экран, на котором астроном сможет видеть тот самый участок неба, на который в данный момент направлен телескоп.

«Командный пункт» будет оборудован специальной установкой для кондиционирования воздуха, поддерживающей в помещении постоянную температуру. Это обеспечит необходимые условия для надежной работы сложных электронных устройств, а также избавит астрономов от ряда неудобств, связанных с тем, что в башне телескопа должна быть та же самая температура, что и снаружи.

Новый телескоп предполагается построить в двух экземплярах -- для Крымской и Абастуманской обсерваторий. С помощью этих инструментов будут проводиться наблюдения световых потоков звезд. Эти исследования имеют важное значение для науки -- они позволяют полнее выявить физические характеристики звезд и тем самым ближе подойти к ответу на волнующий вопрос о строении этих небесных тел.

В принципе современные крупные телескопы способны давать колоссальные увеличения в тысячи и даже в десятки тысяч раз. Но практически астрономы никогда такими увеличениями не пользуются. /Даже у самых мощных инструментов уже 800-кратные увеличения оказываются бесполезными.

Чем больше увеличение, тем меньше поле зрения и тем ниже яркость изображения. Астрономическим наблюдениям мешает и наличие атмосферы (об этом мы еще будем говорить дальше). Но одним из главных препятствий к достижению больших телескопических увеличений является так называемая дифракция света. Это явление связано с тем, что свет обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Когда световая электромагнитная волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то в результате взаимодействия с его краями направление ее распространения несколько отклоняется от прямой линии. Это и есть дифракция.

Дифракция -- неизбежный спутник телескопических наблюдений. Ведь любые, даже самые большие телескопы имеют ограниченные размеры. Поэтому на краях оправ объективов и в особенности окуляров всегда происходит дифракция. В результате телескопическое изображение звезды выглядит не точкой, как должно быть по законам геометрической оптики, а светлым кружком, опоясанным рядом чередующихся светлых р темных колец. Чем больше увеличение, тем сильнее дифракция. Л при слишком больших увеличениях изображение совершенно «размазывается» и на него накладываются причудливые дифракционные фигуры.

Качество телескопа в значительной степени зависит и от того, насколько велики в нем световые потери.

Любой предмет мы видим лишь потому, что он отражает некоторую часть падающих на него световых лучей. Если бы, например, кусок стекла полностью пропускал весь световой поток, он был бы невидим. Обычное стекло отражает около 4% падающего света. Это явление и приводит к потерям в телескопических системах.

Как это часто бывает в науке, способ борьбы с подобными потерями был найден благодаря счастливой случайности. Было замечено, что старый, потускневший от времени объектив пропускает значительно больше света, чем новый...

Ученым не только удалось выяснить причину этого, казалось бы, необъяснимого явления, но и применить его практически. Был разработан специальный способ искусственного увеличения светосилы оптических стекол, получивший название «просветления» оптики. Сущность его состоит в следующем. На поверхность объектива наносится особым способом тончайшая прозрачная пленка. Толщина ее подбирается с таким расчетом, чтобы отраженный свет определенной длины волны, взаимодействуя с падающим, полностью уничтожался. При этом энергия: отраженного света, разумеется, не исчезает, а добавляется к проходящему. Подобный прием почти полностью устраняет потери на отражение. Применяя различные пленки, можно добиться полной прозрачности объектива для определенных интервалов длин волн. С просветленной оптикой хорошо знакомы современные кино- и фотолюбители. Многие, вероятно, замечали, что поверхности объективов фотоаппаратов и кинокамер отливают голубым и даже фиолетовым цветом (голубая оптика). Этот оттенок как раз и придают оптическим стеклам просветляющие пленки.

Использованная литература

1. Комаров В.З. Увлекательная астрономия. М, «Наука». 1968, 432 с.