Телескоп «Хаббл»
Приоритет изготовления телескопа оспаривается до сих пор. Согласно ряду документов, один из первых инструментов был сделан в Нидерландах Захарием Янсеном в 1604 году по итальянской модели 1590 года. Другие протоколы опросов свидетелей сообщают, что первые зрительные трубы были изобретены около 1605—1610 годов в Миддельбурге изготовителем очков Иоанном Лапреем. В любом случае уже в 1608 году телескопы делали многие мастера. В частности, Якоб Метциус.
В 1610 году Галилей создал телескоп с увеличением 32 раза! Астрономические исследования ученого принесли ему большую славу. Под впечатлением успехов Галилея Иоганн Кеплер вновь вернулся в 1610 году к прикладной оптике. Он предложил принципиально новую оптическую схему зрительной трубы. До этого в ней использовалась лишь одна комбинация линз – последовательное соединение рассеивающей (вогнутой) в качестве объектива и собирающей (выпуклой) в качестве окуляра.
Труба же Кеплера имела две выпуклые линзы, что помимо большего поля зрения впервые позволило получить прямое изображение наблюдаемого объекта. Такой телескоп мог служить визирным приспособлением, то есть из инструмента чисто наблюдательного становился еще и измерительным. А это значительно расширило область его применения.
Однако первые телескопы давали изображения заметно искаженные различными дефектами (аберрациями). Ученые – которые тогда и были главными телескопостроителями – пытались устранить их, увеличивая фокусное расстояние объектива.
Так было до 1668 года, когда Исаак Ньютон впервые построил инструмент совершенно нового типа – телескоп-рефлектор (зеркальный), лишенный хроматической аберрации, свойственной линзовым устройствам (рефракторам). Объективом в нем служило вогнутое металлическое зеркало. От качества изготовления последнего и зависело совершенство изображения.
Через двадцать один год после Ньютона английский астроном и оптик Вильям Гершель отшлифовал зеркало диаметром 122 сантиметра. В то время это был величайший в мире рефлектор.
Поняв, что увеличение размеров телескопов – прямой путь к новым открытиям, астрономы ведущих обсерваторий мира вступили в настоящее соревнование. В 1917 году американец Д. Ричи построил новый рефлектор для обсерватории Маунт-Вилсон, он много лет оставался самым большим в мире. Его 258-сантиметровое зеркало весило пять тонн при общей массе инструмента сто тонн.
В 1931 году немецкий оптик Б. Шмидт, а затем его советский коллега Д.Д. Максутов (1941) разработали два варианта конструкции комбинированных, зеркально-линзовых телескопов. Оба инструмента получили мировое признание и стали носить имена своих создателей.
В обычный зеркальный телескоп Максутов ввел корректирующую линзу, исправлявшую искажения, вносимые сферическим зеркалом. Уже первые подобные системы позволили получить уникальные по качеству фотографии звездного неба и выпустить фундаментальное астрономическое издание – атлас туманностей.
В истории телескопостроения рефракторы долго «боролись» с рефлекторами, пока, наконец, не победили последние. Самый большой из них, с шестиметровым главным зеркалом из стеклокристаллического материала – ситалла, был установлен в Специальной астрофизической обсерватории Российской АН на горе Семиродники возле станции Зеленчукской, на Северном Кавказе. Обработка семидесятитонного зеркала продолжалась до лета 1974-го, а регулярные наблюдения начались в феврале 1976 года – в общей сложности после шестнадцати лет подготовительных работ. Грандиозное 42-метровое сооружение в сборе весит 950 тонн. Этот телескоп «видит» небесные объекты до 26-й звездной величины, находящиеся на границе наблюдаемой Вселенной.
Еще в 1940-е годы астрономы осознали, что электромагнитное излучение космических объектов отнюдь не ограничивается видимым спектром, но распределяется практически по всем диапазонам – от радиоволн до гамма-лучей и что наблюдение в новых областях спектра может принести ценнейшую информацию, ранее совершенно недоступную.
Первыми в ряду «неоптических» приборов стали радиотелескопы, благодаря которым еще в те же 1940-е годы были открыты радиогалактики, невидимые даже для лучших тогдашних оптических инструментов. Исследователи сразу же оценили и то, что в отличие от последних новые приборы не зависят от капризов погоды. Что касается конструкции, то среди радиотелескопов, как и у оптических, царствуют рефлекторы. Зеркалом здесь служит металлический сетчатый параболоид, в фокусе которого установлена антенна. Наведенный в ней сигнал поступает на обработку в приемник, а из него – на регистрирующие приборы.
Крупнейший инфракрасный телескоп был построен на Мауна-Кеа (Гавайи, США) на высоте 4200 метров над уровнем моря с зеркалом диаметром 374 сантиметра. Он настолько совершенен, что может использоваться также и для визуальных наблюдений. Снабженный компьютерной системой управления, он может автоматически наводиться на заданный объект и отслеживать его. Слева – главное зеркало, справа – узел системы.
А в 1985 году в обсерватории Мауна-Кеа началась работа над десятиметровым составным рефлектором Кека, включающим 36 автономно управляемых шестиугольных зеркал поперечником 183 сантиметра каждое. Для более точной фиксации зеркал и общей фокусировки изображения разработано специальное разгрузочное устройство, ослабляющее напряжения в элементах конструкции.
Однако и возможности улучшения характеристик оптических телескопов не были исчерпаны. Стали использоваться электронные фотоумножители, позволяющие увеличить эффективность наблюдений почти на два порядка. Так, оснащенный ими 508-сантиметровый рефлектор Хейла в обсерватории Маунт-Паломар (Калифорния, США), построенный в 1948 году, обладает разрешающей способностью «простого» телескопа с зеркалом 25,4 метра. Сейчас это самый эффективный земной оптический инструмент.
За новой информацией телескопы отправились на околоземные орбиты. Так, космическая станция «Мир» была укомплектована модулем «Квант» с двумя специальными телескопами – ультрафиолетовым и инфракрасным. А приборы автоматической орбитальной обсерватории «Астрон» могли наблюдать космические объекты одновременно в рентгеновских и ультрафиолетовых лучах.
24 апреля 1990 года с запуском космического телескопа «Хаббл» начался поистине золотой век астрономии.
К разработке проекта космического телескопа НАСА совместно с Европейским космическим агентством приступило в конце 1970-х годов. Планировалось, что это будет космическая обсерватория, которую станут посещать каждые два-три года корабли с Земли для технического обслуживания и устранения поломок.
Свое имя телескоп получил в честь одного из выдающихся астрономов XX века Эдвина Хаббла, подлинного классика науки. Он оставил грандиозное наследие – эволюционирующий мир галактик, управляемый законом его имени. Хаббл сделал столь выдающиеся открытия, что они дают бесспорное право назвать Хаббла величайшим астрономом со времен Коперника.
Эдвин Хаббл родился 20 ноября 1889 года. Его детство прошло в крепкой дружной семье, где росли восемь детей. Астрономией Эдвин заинтересовался рано, вероятно, под влиянием своего деда по матери, построившего себе небольшой телескоп. В 1906 году Эдвин окончил школу, после чего поступил в Чикагский университет. Там работал астроном Ф.Р. Мультон, автор известной теории происхождения Солнечной системы. Он оказал большое влияние на дальнейший выбор Хаббла.
После окончания университета Хабблу удалось получить стипендию Родса и на три года уехать в Англию для продолжения образования. Однако вместо естественных наук ему пришлось изучать в Кембридже юриспруденцию.
Летом 1913 года Эдвин возвратился на родину, но юристом он не стал. Хаббл стремился к науке и вернулся в Чикагский университет, где в Йеркской обсерватории под руководством профессора Фроста подготовил диссертацию на степень доктора философии.
Весной 1917 года, когда он заканчивал свою диссертацию, США вступили в Первую мировую войну. Молодой ученый отклонил приглашение и записался добровольцем в армию. Летом 1919 года Хаббл демобилизовался и поспешил в Пасадену, чтобы работать в новой обсерватории Маунт-Вильсон. Хаббл работал здесь до своей смерти с четырехлетним перерывом во время Второй мировой войны.
В обсерватории он начал изучать туманности, сосредоточившись сначала на объектах, видимых в полосе Млечного Пути. Первое, что сделал Хаббл – это классифицировал их. Классификация эта продолжает служить науке, и все последующие модификации ее существа не затронули.
Уже одно установление истинной природы туманностей определило место Хаббла в истории астрономии. Но на его долю выпало и еще более выдающееся достижение – открытие закона красного смещения.
После войны в обсерватории, куда вернулся астроном, возобновилась разработка двухсотдюймового (508-сантиметрового) телескопа. Хаббл возглавил комитет по созданию перспективных планов исследований на новом инструменте, был членом комитета по управлению объединившихся обсерваторий Маунт-Вильсон и Маунт-Паломар. Главную задачу обсерватории Хаббл видел в решении космологической проблемы. «Можно с уверенностью предсказать, – убежденно говорил он, – что 200-дюймовик ответит нам, следует ли красное смещение считать свидетельством в пользу быстро расширяющейся Вселенной или оно обязано некоему новому принципу природы».
Хаббл умер от инсульта 28 сентября 1953 года. На Земле нет памятников Хабблу. Никому не известно даже, где он похоронен, такова была воля его жены. Его именем назван кратер на Луне, астероид № 2069 и космический телескоп – крупнейший в мире.
Телескоп весом в 11 тонн, при длине 13,1 метров и диаметре рефлектора 240 сантиметров, стоит 1,2 миллиардов долларов – больше ста миллионов долларов за тонну. По расчетам специалистов, «Хаббл» проработает на орбите до 2005 года.
На телескопе установлено несколько научных приборов. Широкоугольная камера предназначена для фотографирования поверхностей планет и их спутников. Камера для слабосветящихся объектов усиливает в сто тысяч раз попадающий на нее свет. Спектрограф для этого слабого света анализирует излучение и может выявить химический состав и температуру того, что его испустило. Так называемый спектрограф Годдарда определяет, как движется объект, испустивший свет.
«Хаббл» вывел на орбиту высотой 613 километров один из «Шаттлов» в апреле 1990 года. Началась работа телескопа с неудачи. Через два месяца после запуска стало ясно, что основное зеркало телескопа диаметром в два с половиной метра отклоняется у своих краев от расчетного размера на несколько микронов – пятидесятую часть толщины человеческого волоса. Но этого оказалось достаточным, чтобы практически перечеркнуть труд тысяч людей – изображение было неясным и расплывчатым.
Чтобы исправить последствия аберрации, были созданы сложные корректирующие программы, и изображение стали подправлять уже на Земле при помощи компьютеров. Но даже в таком виде телескоп «Хаббл» позволял сделать открытия: обнаружить черные дыры в центрах галактик, новый шторм на Сатурне, расходящиеся кольца вокруг сверхновой звезды. Тем не менее было очевидно, что без ремонта не обойтись. Менять зеркало в космических условиях невозможно, поэтому было решено на каждый из приборов телескопа «надеть очки»: добавить небольшие устройства для коррекции. По два маленьких зеркальца исправляли недостаток большого.
Ранним утром 2 декабря 1993 года семеро астронавтов отправились на космическом корабле многоразового использования ремонтировать телескоп. Они вернулись через одиннадцать дней, сделав все, что было запланировано, и установив рекорд по выходам в космос – их было пять.
Еще через четыре дня в комнате обработки данных Института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд, собрались ученые, с нетерпением ждавшие первых картинок с исправленной обсерватории. Они появились на экране терминала в час ночи, и комната сразу наполнилась радостными воплями – теперь телескоп работал на все сто процентов. А его возможности таковы, что из любого города Америки он смог бы различить двух светлячков, порхающих на расстоянии вплоть до Токио, будь они не ближе трех метров друг от друга.
За годы своего полета за облаками космическая обсерватория совершила несколько десятков тысяч оборотов вокруг Земли, «накрутив» при этом миллиарды километров.
Телескоп «Хаббл» позволил наблюдать уже более восьми тысяч небесных объектов. Для сравнения – примерно столько же звезд видно с Земли невооруженным глазом. В его памяти хранятся «адреса» пятнадцати миллионов звезд, которые он может исследовать. Два с половиной триллиона байтов информации, набранной телескопом, хранится на 375 оптических дисках. Ученым около сорока стран он позволил опубликовать более тысячи научных работ.
Благодаря «Хабблу» были сделаны открытия, вошедшие в историю астрономии и даже в институтские учебники. Удалось выяснить, к примеру, что черные дыры действительно существуют и обычно расположены в центрах галактик. Или то, что первичная стадия зарождения планет одинакова для всех звезд, а темное пятно на Нептуне не стоит на месте: оно исчезает в одной полусфере и появляется в другой. Другой вывод – у спутника Юпитера, Европы, есть тонкая кислородная атмосфера. Еще открытие – пояс из сотен миллионов комет окружает Солнечную систему.
Телескоп помог найти новые спутники за внешним кольцом Сатурна, сделать первую карту поверхности астероида, пролетающего неподалеку от Земли, позволил обнаружить в межгалактическом пространстве гелий, оставшийся со времени Большого взрыва. «Хаббл» дал возможность заглянуть в самые удаленные уголки космоса, изменить наши воззрения на самые ранние стадии возникновения Вселенной.
«Хаббл» обнаружил новый класс гравитационных линз, которые будут использоваться в качестве «телескопов» для исследования Вселенной. С их помощью астрономы могут рассмотреть, как шел тогда процесс образования звезд в голубой галактике.
Телескоп помог ученым измерить скорость вращения газового диска эллиптической галактики М87 в созвездии Девы, удаленной от Земли на пятьдесят миллионов световых лет. Оказалось, что вращается он вокруг «чего-то» с массой в три миллиарда солнечных масс. «Если это не черная дыра, тогда я вообще не представляю, что это такое, – считает профессор Форд из Института космического телескопа. – Мы абсолютно не ожидали увидеть вращающуюся спиральную структуру в центре эллиптической галактики».
Черные дыры – очень массивные и невероятно плотные объекты. Последние десятилетия о них много говорили, спорили, их искали, но лишь телескоп «Хаббл» подтвердил их существование. Давно было известно, что из центра галактики М87 выходит мощное оптическое и радиоизлучение. Только теперь, после обнаружения вращающегося диска, стало понятно, что это черная дыра, всасывая вещество, создает эффект «торнадо» – крутящегося вихря размером в сотни световых лет. Эту струю хорошо видно на снимке.
Удалось также установить, что пылевой диск разогрет до десяти тысяч градусов и внешние края его крутятся со скоростью более пятисот километров в секунду. Гигантские черные дыры могут выбрасывать в струи частицы, разогнанные практически до скорости света.
Из изображений же планет, полученных телескопом, впору составить небольшую выставку. Так, телескоп первым сфотографировал поверхность Плутона с таким разрешением, что можно стало говорить о карте планеты. До недавнего времени девятая планета Солнечной системы была скрыта от пристального взора исследователей космического пространства. Это уникальное небесное тело: оно не вписывается ни в какие классификации. Вращается Плутон вокруг Солнца, но его не относят ни к газовым гигантам, ни к твердым планетам. Он ведет себя как комета, периодически теряя свою атмосферу, но кометой не является. Он может быть последним оставшимся из ледяных карликов, населявших Солнечную систему на заре ее образования. Лишь Тритон – спутник Нептуна – годится ему в родственники.
«Результаты просто фантастические, – считает американский астроном Марк Буэ из Техаса. – «Хаббл» сделал Плутон из неясного пятнышка миром со своими горами, впадинами и временами года. Подобное ощущение я испытывал, глядя на Марс в телескоп». Эксперты различают на снимках полярные шапки, яркие перемещающиеся пятна и загадочные линии. По их мнению, все это либо просто снег, либо грязный снег, поскольку сейчас Плутон находится в ближнем к Солнцу положении и там теплый сезон, снег тает.
С Земли Плутон еле-еле можно разглядеть, и ни о какой его поверхности речи никогда не шло. Теперь ученые делают вывод, что по разнообразию поверхностных особенностей Плутон занимает в Солнечной системе второе место после Земли. Плутон – единственная планета, к которой не был пока послан космический корабль, но после таких открытий телескопа «Хаббл» уже планируется туда запуск зонда.
Во время второго «техосмотра» в феврале 1997 года на телескопе заменили спектрограф высокого разрешения, спектрограф слабых объектов, устройство наводки на звезды, магнитофон для записи информации и электронику солнечных батарей.
Предела развитию телескопостроения в обозримом будущем не видно. Судя по всему, еще очень далеко то время, когда астрономам удастся «выкачивать» из доходящего до нас излучения звезд и галактик всю содержащуюся в нем информацию…
