В 1609 году итальянский ученый Галилео Галилей первым направил зрительную трубу в небо, превратив ее в телескоп. С этого момента началась история телескопа.
Усовершенствованная Галилео Галилеем зрительная труба имела увеличение в 32 крата. Уже при таком сравнительно небольшом увеличении зрительную трубу было невозможно удерживать на руках и сохранять при этом стабильность изображения. Галилей первым применил телескопический штатив. Все современные телескопы имеют штативы и монтировки. Монтировка в отличие от штатива способна выполнять ведение телескопа вслед за движением небесного объекта.
В 1611 году немецкий астроном Иоганн Кеплер внес небольшое изменение в конструкцию телескопа Галилея заменив вогнутую линзу окуляра на выпуклую. Телескоп стал давать перевернутое изображение, зато увеличилось поле зрения телескопа и возросла яркость изображения.
Классическая конструкция телескопа рефрактора представляется двумя выпуклыми линзами – линзой объектива и линзой окуляра разнесенными на длину суммы их фокусных расстояний. Увеличение телескопа задается отношением фокусного расстояния объективной линзы к фокусному расстоянию линзы окуляра. Казалось бы, все просто, чтобы добиться большого увеличения нужно сделать объективную линзу с большим фокусным расстоянием, а окулярную с как можно меньшим. Окулярная линза маленькая, сделать ее проще. Поэтому астрономы стали использовать по несколько окуляров для одного телескопа меняя их по ходу наблюдений и добиваясь сколь угодно больших увеличений на любых телескопах.
Во многих случаях при больших увеличениях космические объекты перестают быть видимыми по причине их низкой освещенности. Чем больше увеличение, тем ниже яркость наблюдаемого объекта при одинаковом размере объективной линзы. Поэтому важнейшей характеристикой телескопа является его светосила – способность собрать как можно больше света в фокальной плоскости. Светосила телескопа тем больше, чем больше диаметр его объектива.
Попытки создать светосильные рефракторы по классической схеме не увенчались успехом. Изображение, создаваемое большой линзой, не фокусируется, остается размазанным с цветным ореолом. Причина – хроматическая аберрация линзы. Толстая линза по-разному преломляет свет разных диапазонов длин волн. Лучи не хотят собираться в точке фокуса.
Исаак Ньютон был первым ученым кто исследовал дисперсию света – явление, лежащее в основе появления нежелательных хроматических аберраций телескопов рефракторов. Желая избавиться от хроматизма и увеличить четкость изображения телескопа Исаак Ньютон предложил заменить стеклянную линзу на вогнутое зеркало. Так появился зеркальный телескоп рефлектор.
Изготовление качественных металлических зеркал было трудоемким и дорогостоящим процессом вплоть до середины 19 столетия, когда зеркала стали изготавливать из шлифованного стекла с нанесением амальгамы. В настоящее время все самые большие телескопы мира исключительно зеркальные.
В 1758 году англичанин Джон Доланд предложил использовать двухлинзовые объективы, которые частично исправляют хроматическую аберрацию телескопов рефракторов. Такой объектив стал называться ахроматом. Ахромат состоит из двух линз – одной выпуклой линзы, называемой кронт и вогнутой линзы - флинт. Все современные рефракторы имеют объективы по меньшей мере ахроматы. Сын Джона Доллонда Питер пошел дальше своего отца и в 1763 году представил усовершенствованную версию ахромата – трехлинзовый апохромат. Телескоп апохромат рефрактор стал мечтой многих современных любителей астрономии. К сожалению, и сейчас стоимость изготовления апохроматов довольно велика и практически невозможно изготавливать светосильные апохроматические объективы больших диаметров.
Еще одним важным усовершенствованием телескопа рефрактора является использование просветления оптики – нанесение на оптические покрытия тонких пленок, уменьшающих отражение и рассеяние света на поверхностях линз. Просветляющие покрытия появились в 30-е годы 20 столетия и сегодня активно используются во всех оптических системах. Просветление оптики вместе с чернением внутренних поверхностей оптических труб и установкой отсекающих диафрагм внутри трубы телескопа делает изображение более контрастным. У телескопов рефракторов черный фон неба выглядит более черным по сравнению с рефлекторами, что делает изображение современных линзовых телескопов более контрастным.
Зеркальный телескоп Ньютона хоть и избавился от хроматической аберрации, но страдал другими видами аберраций, в частности сферической. В 1672 году француз Лоран Кассегрен предложил более совершенную двухзеркальную схему, где первое зеркало было параболическим, а в качестве второго рефлектора выступал выпуклый гиперболоид, располагающийся перед фокусом первого. Первый подобный телескоп был сделан в 1732 году. Позднее были предложены другие подобные схемы телескопов называемые катадиоптриками, в которых для формирования изображения используются зеркала и линзы особой формы. Обычно это делается для того, чтобы телескоп мог иметь в целом большую степень коррекции ошибок, чем его цельнолинзовые или полностью зеркальные аналоги, и, следовательно, более широкое поле зрения без аберраций.
В 1873 году немецким ученым Эрнстом Аббе был открыт дифракционный предел. Суть открытия в том, что волновая природа света не позволяет получить разрешение телескопа выше некого минимального значения дифракционного предела напрямую зависящего от диаметра объектива телескопа. Другой важной проблемой современного телескопостроения является земная атмосфера, искажающая проходящий через нее свет космических объектов. Атмосфера создает предел разрешения телескопа как правило превосходящий дифракционный предел.
Для решения этих проблем предлагаются многие варианты. Например, вывод телескопа за пределы атмосферы - создание космических телескопов. Создание телескопов с системами адаптивной оптики и, наконец, создание оптических интерферометров.
Современные телескопы представляют собой весьма сложные устройства. История телескопа – это далеко не законченная история. Совершенствование телескопов продолжается. Каждое новое поколение телескопов открывает новый шаг в познании Вселенной.
Алексей Киселев, старший преподаватель кафедры физики, математики и физико-математического образования Мининского университета.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки #научныйфорсайт