Мы привыкли, что в жизни, наблюдение за какими-либо красотами всегда требует удобного места.
Именно поэтому, так ценятся квартиры с хорошим видом, гостиницы в первой линии у океана, рестораны с романтическим видом.
Однако, многие даже не догадываются, что, где бы они ни находились, они всегда находятся в самом лучшем месте для наблюдений — если хотят смотреть на небо, чтобы наблюдать за вселенной...
Древний Мир
С давних времён, человеческий взгляд был обращен на небо — учёные силились понять, что они видят, мореплаватели использовали небесные тела в практических целях для ориентации в пространстве, романтики загадывали желания...
Но, неизменным оставалось одно: наблюдение за Вселенной всегда занимало существенную часть в жизни человечества.
С появлением технических средств наблюдения, у человечества появилось больше возможностей понимать, «что же оно видит».
Средства наблюдения за небом, появились не вчера, например, учёные предполагают, что ещё в начальные этапы существования разрозненных очагов человеческой цивилизации, уже использовались определённые инструменты, в качестве которых выступали обычные палки, с насечками, которые могли применяться для осуществление самых простых угловых измерений, с применением ориентира на небесные тела, а если такую палку скомбинировать с отвесом, то можно было определить высоту светила относительно горизонта.
Пришедшие «новые» времена принесли и новые инструменты, скажем, уже по периоду Древнего Египта известны каменные комплексы, с определёнными окнами, ориентированными на звёзды (например, на Сириус), где появление в окне символизировало период начала разлива Нила и, соответственно, начало нового года.
А Древняя Греция, известна тем, что в ней было разработано так называемое «астрономическое кольцо», — которое представляло собой вертикально установленное кольцо, где, следя за пятнышком солнечного света, проходящим сквозь отверстие в кольце, можно было определять с высокой точностью, когда будет равноденствие, узнать даты солнцестояний; также, кольцо могло использоваться для определения времени, то есть, в качестве солнечных часов:
Самым сложным наблюдательным инструментом, использовавшимся для астрономии, известным нам из античности, является «армиллярная сфера», представленная сборкой из вращающихся колец, которые символизируют три измерения небесной сферы: меридианы, экватор, эклиптику:
Но не только это устройство было изобретено в Древней Греции, например, предположительно, оттуда же берёт своё начало и такое устройство как диоптр — для точного наведения на объект (многие сразу узнают в нём прообраз современного открытого прицела для оружия):
Астролябия (для измерения горизонтальных углов, а также широты и долготы небесных тел):
Времена Древнего Рима, сменившие времена Древней Греции, привели к тому, что римляне приняли доставшиеся им знания от Древней Греции и развили их, например, был разработан такой инструмент, как «гномон», позволяющий определять высоту расположения солнца в полдень, по наименьшей длине тени, от вертикально установленного стержня, где направление тени, также указывает и направление меридиана:
Также, «гномоном", со временем, стали называть и сам вертикальный предмет, отбрасывающий тень, например, в солнечных часах.
Новое время
Широко известный нам способ наблюдения за небесными телами, в оптическом диапазоне, с помощью телескопов, появился существенно позже — предположительно, только лишь 1604 году, когда первый прообраз* был разработан мастером по производству очков, Захарием Янсеном, а несколько позднее, в 1607 году, подобное же устройство было разработано и Иоанном Липперсгеем.
*В те годы, собственно, о телескопе речь ещё не шла, и это была, скорее, подзорная труба.
Считается, что Галилео Галилей был первым человеком из учёных, кто получил подзорную трубу и направил её в небо, превратив в телескоп, который, несмотря на своё несовершенство, позволил ему совершить ряд открытий:
При этом, в качестве первого телескопа пользовалась подзорная труба, длиной порядка полуметра, с восьмикратным увеличением, которая, в дальнейшем, была усовершенствована, до 32-кратного увеличения, её длина возросла до метра, а диаметр объектива увеличился до 4,5 см.
Работы Галилео Галилея нанесли удар по ранее существовавшим установкам, показав рельеф Луны и солнечные пятна, а также предоставив практические доказательства, склоняющие чашу научных представлений в пользу теории Коперника, и отхода в сторону от геоцентрических представлений.
Тем не менее, дальнейшие попытки усовершенствования оптических систем, основанных на линзах, столкнулись с объективными трудностями — подобные наблюдательные инструменты постоянно страдали от различных искажений, в частности, от хроматической и сферической аберраций, когда наблюдаемые объекты были окружены разноцветными ореолами, а вместо фокусировки получалось нечто размытое.
Проблема заключается в том, что для разных длин волн, одна и та же линза, имеет разный показатель преломления: например, область длин волн, спектра, относящегося к красному диапазону, отклоняется слабее, зелёный спектр — чуть сильнее, фиолетовый спектр — отклоняется сильнее всего.
Таким образом, если наблюдать сквозь линзу на звёзды, то они будут окружены цветными ореолами. Внизу этот момент проиллюстрирован более понятно:
А ниже наглядно показано, что такое сферическая аберрация — из-за большего преломления лучей на краях, чем у центра, лучи с краёв линзы, фокусируются на более близком расстоянии, чем лучи, проходящие через центр (на картинке ниже показано много лишнего, однако, суть, я думаю, понятна):
С этой проблемой старались бороться увеличением фокусного расстояния — суть здесь заключается в том, что для более большого фокусного расстояния требуются более плоские линзы, таким образом, их кривизна становится меньше, и это положительно сказывается на уменьшении хроматических и сферических аберраций.
Однако, это приводило к весьма странным вещам, например, гигантизму, весьма неуместному в то время (моторов то не было, чтобы всё это двигать), когда длина телескопа составляла десятки метров!
И, в истории они остались известны, как «бестубусные» (т.е. у которых нет трубы, а линзы закреплены просто на системе крепежей, например, деревянных рейках) телескопы.
Одним из таких телескопов являлся телескоп польского учёного Яна Гевелия: фокусное расстояние которого составляло 50 м, объектив соединялся с окуляром деревянными рейками, на которых были установлены диафрагмы, защищающие от проникновения света снаружи, сам телескоп подвешивался на столбе с помощью канатов, а наведение телескопа на нужную точку неба производилось усилиями нескольких человек.*
*Исторические данные об этом учёном свидетельствуют, что он являлся сыном богатого горожанина и, видимо, мог позволить себе подобные «развлечения». :-)
Тем не менее, корень проблемы всё равно оставался...
Кардинальное решение проблемы пришло примерно через 60 лет, в 1668 году, с помощью трудов Исаака Ньютона (и не только, если быть честными, об этом ещё будет ниже), который разработал первый в мире зеркальный телескоп, в котором он отказался от использования линз для сбора света, а, вместо этого, стал использовать вогнутое зеркало — такое решение полностью устранило хроматические аберрации и, по сути, с этого момента вся история телескопов разделилась на два периода: рефрактивный (с помощью линз), и рефлективный (с помощью вогнутых зеркал):
Таким образом, Ньютон полностью реформировал* эту область, а сама схема, с постоянным усовершенствованием, дожила до наших дней и является ведущей в построении телескопов, для изучения небесных тел.
Тут надо ещё отметить такой интересный момент, что сферические аберрации, в зеркальных телескопах также могут быть убраны, с помощью шлифовки зеркала в виде параболической формы, а не сферической.
*Если посмотреть по датам появления аналогичных систем, то легко можно убедиться, что Ньютон не был единственным, в своей идее использовать зеркала, — как раньше так и позже него, предлагались и иные идеи оптических схем телескопов, которые, с описанием вы можете найти здесь.
Однако, Ньютон является первым в мире учёным, кто построил действительно действующий рефлективный телескоп (впрочем, это было давно, и, возможно, здесь скорее сыграла роль его известность, поэтому, он и вошёл в историю как первый, наверняка, были и другие, реальные реализации).
Но, нужно отметить, что в данный момент, несмотря на доминирование рефлективного принципа, схема Ньютона не является единственно возможной, и, применяются и другие оптические схемы (их можно найти чуть выше по ссылке).
Тем не менее, схема Ньютона является весьма популярной среди любителей, благодаря отличным результатам, которых можно добиться с её помощью.
Зарождение радиоастрономии
Совершенно случайно, в тридцатых годах, во время экспериментов с нахождением причины радиопомех, инженером компании Bell был открыт источник, меняющийся с периодом почти в 24 часа, причём, наибольшее значение помехи имели, если антенну наводить на центр галактики, а если не наводить, то сигнал перемещался по небу, в течение суток.
Это открытие и стало тем моментом, от которого берёт своё начало радиоастрономия.
Принцип действия любого радиотелескопа заключается в том, что он, по сути, не может создавать* изображения, он всего лишь регистрирует силу излучения, приходящего с определённого направления.
*Здесь подразумевается, что он напрямую этим не занимается, однако, никто не мешает результаты наблюдения радиотелескопа интерпретировать с помощью компьютера и синтезировать искусственную картинку, более наглядную для человеческого восприятия, которая будет выглядеть как «псевдо-фото, снятое с оптического телескопа».
Средний радиотелескоп выглядит как параболическая антенна, которая принимает излучение и фокусирует его на приёмнике, который вынесен вперёд на штангах:
Для увеличения разрешающей способности, телескопы нужно делать как можно большего размера, например, знаменитый радиотелескоп в Аресибо, до того, как обрушился, имел диаметр в 300 м:
Однако, зачастую используют другой подход, так как для того, чтобы добиться действительно значимых разрешений, требуются уже телескопы, с диаметром в километры (весьма проблемно построить такой объект, даже чисто из соображений механической прочности), поэтому, используют альтернативный вариант, когда объединяют массив пространственно-разнесённых, относительно небольших радиотелескопов, которые работают как единое целое, под централизованным управлением компьютера.
Примером такого устройства может являться, например, массив Atacama Large Millimeter Array (ALMA), расположенный в Чили, и состоящий из 66 отдельных антенн:
Ниже можно увидеть компьютерное синтезированное изображение, полученное с помощью компьютерной интерпретации результатов работы этого радиотелескопа. На нём изображена молодая звезда HL Tauri, расположенная в 450 световых годах от Земли:
После ознакомления со всей этой информацией, может сложиться представление, что телескопы, а, особенно, последний его тип, радиотелескопы, — это «космически далеко от обычных людей».
Но это далеко не так! В мире существует как минимум два широко известных проекта любительских радиотелескопов — Chart и Pictor.
При этом, первый интересен тем, что на сайте проекта заявляется его миссия — дать возможность каждому, кто интересуется радиоастрономией, построить свой собственный недорогой радиотелескоп, по цене, в пределах 200 долларов, из доступных компонентов.
Второй проект, интересен тем, что представляет собой полностью построенный радиотелескоп, с диаметром антенны в 1,5 м, и физически расположенный в Афинах, Греция, сайт которого, является, по сути, web-интерфейсом, для непосредственного управления этим радиотелескопом прямо с сайта и осуществления наблюдений, абсолютно любым желающим!
Таким образом, мы видим, что радиоастрономия не так далека от каждого, как могло бы показаться. ;-)
Что же касается оптических телескопов и, зеркал в них, то, в последнее время, учёные ведут работу над уменьшением трудоёмкости их изготовления и удешевления и в этом может помочь направление разработок, называемое «мета-поверхностями» — которые представляют собой специально сконструированные объекты, с микроархитектурой наноразмера на своей поверхности, которая может манипулировать широким диапазоном длин волн, в том числе оптических.
Проще говоря: в перспективе, зеркала могут быть заменены тонкой и дешёвой плёночкой! И уже есть некоторые успехи.
Однако, это направление находится на самом острие современной науки, и пока, работы ещё идут, поэтому, на настоящий момент, профессионалы и любители вынуждены использовать промышленного изготовления, стеклянные зеркала, которые являются наиболее проверенным вариантом для использования в телескопах. Впрочем, кто его знает, что принесёт нам завтрашний день? ;-)
Подытоживая, можно сказать, что над нами (в буквальном смысле) находится целый мир, полный загадок, которые кое кто пытается решать — кто в рамках своей профессии, а кто и ведомый детской мечтой о неведомых далях.
В любом случае, наверху есть ещё много удивительного и необычного, что требует своего исследователя и первооткрывателя. Поэтому: не смотрите вниз. Смотрите вверх! Там вас ждут... ;-)