Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2009 год
Возрождение рефракторов началось после того, как математик Леонард Эйлер рассчитал в 1747 году конструкцию двухлинзового объектива из стекла разных сортов. Вопреки Ньютону такие объективы почти лишены хроматизма и до сих пор широко применяются в биноклях и подзорных трубах. С ними рефракторы становились гораздо привлекательнее. Во-первых, резко сокращалась длина трубы. Во-вторых, линзы были дешевле металлических зеркал — и по стоимости материала, и по сложности обработки. В-третьих, рефрактор был практически вечным инструментом, поскольку линзы не портились со временем, тогда как зеркало мутнело, и его приходилось полировать, а значит, заново придавать ему точную форму. Наконец, рефракторы были менее чувствительны к погрешностям в юстировке оптики, что было особенно важно в XIX веке, когда основные исследования велись в области астрометрии и небесной механики и требовали точных угломерных работ. Например, именно с помощью ахроматического Дерптского рефрактора диаметром 24 сантиметра Василий Яковлевич Струве , будущий директор Пулковской обсерватории , впервые измерил расстояние до звезд методом геометрического параллакса.
Диаметры рефракторов росли на протяжении всего XIX века, пока в 1897 году в Йоркской обсерватории не вступил в строй телескоп диаметром 102 сантиметра, и поныне крупнейший в своем классе. Попытка построить рефрактор диаметром 125 сантиметров для Парижской выставки 1900 года потерпела полное фиаско. Пригибание линз под собственной тяжестью положило предел росту рефракторов. Но и металлические рефлекторы со времен Гершеля не показывали прогресса: большие зеркала оказывались дорогими, тяжелыми и ненадежными. Так, например, не принес серьезных научных результатов построенный в 1845 году в Ирландии огромный рефлектор «Левиафан» с металлическим зеркалом диаметром 183 сантиметра. Для развития телескопостроения требовались новые технологии.
Подслеповатый царь-телескоп
Почву для нового рывка заложили в середине XIX века немецкий химик Юстус Либих и французский физик Жан Бернар Леон Фуко. Либих открыл метод серебрения стекла, позволяющий многократно обновлять отражающее покрытие без трудоемкой полировки, а Фуко разработал эффективный метод контроля поверхности зеркала в процессе его изготовления.
Первые крупные телескопы со стеклянными зеркалами появляются уже в 80-х годах XIX века, но все свои возможности они раскрывают в XX веке, когда американские обсерватории перехватывают лидерство у европейских. В 1908 году в обсерватории Маунт-Вилсон начинает работать 60-дюймовый (1,5 метра) рефлектор. Не проходит и 10 лет, как рядом с ним возводится 100-дюймовый (2,54 метра) телескоп Хукера — тот самый, на котором Эдвин Хаббл впоследствии измерил расстояния до соседних галактик и, сопоставив их со спектрами, вывел свой знаменитый космологический закон. А когда в 1948 году в обсерватории Маунт-Паломар вводится в строй огромный инструмент с 5-метровым параболическим зеркалом, многие специалисты считают его размер предельно возможным. Более крупное зеркало станет гнуться под собственной тяжестью при поворотах инструмента или попросту окажется слишком тяжелым, чтобы смонтировать его на подвижном инструменте. И все же Советский Союз решает перегнать Америку и в 1975 году строит рекордный Большой телескоп альтазимутальный (БТА) с 6-метровым сферическим зеркалом толщиной 65 сантиметров. Это было весьма авантюрное предприятие, если учесть, что крупнейший советский телескоп того времени имел диаметр лишь 2,6 метра. Проект едва не закончился полным провалом. Качество изображения у нового гиганта оказалось не выше, чем у 2-метрового инструмента. Поэтому три года спустя главное зеркало пришлось заменить новым, после чего качество изображения заметно выросло, но все равно уступало паломарскому телескопу. Американские астрономы посмеивались над этой гигантоманией: у русских есть царь-колокол, который не звонит, царь-пушка, которая не стреляет, и царь-телескоп, который не видит.
78 подвижных актуаторов 3,5-метрового итальянского Национального телескопа «Галилео» (Telescopio Nazionale Galileo, TNG, 1998). Фото: SPL/EAST NEWS
Фасеточные глаза Земли
Опыт БТА довольно характерен для истории телескопостроения. Всякий раз, когда инструменты подходили к пределу возможностей определенной технологии, кто-то безуспешно пытался пойти чуть дальше, ничего принципиально не меняя. Вспомните парижский рефрактор и рефлектор «Левиафан». Для преодоления 5-метрового рубежа требовались новые подходы, но, располагая формально крупнейшим телескопом в мире, в СССР уже не стали их развивать.
Первая из революционно новых технологий была опробована в 1979 году, когда в Аризоне заработал многозеркальный телескоп Уиппла (Fred Lawrence Whipple Multiple Mirror Telescope, MMT). На общей монтировке было установлено сразу шесть относительно небольших телескопов диаметром 1,8 метра каждый. Компьютер контролировал их взаимное расположение и сводил все шесть пучков собранного света в общий фокус. В результате получался инструмент, эквивалентный 4,5-метровому телескопу по светособирающей площади и 6,5-метровому по разрешающей способности.
Давно замечено, что стоимость телескопа с монолитным зеркалом растет примерно как куб его диаметра. Значит, собрав большой инструмент из шести маленьких, можно сэкономить от половины до трех четвертей стоимости и одновременно избежать колоссальных технических трудностей и рисков, связанных с изготовлением одного огромного объектива. Работа первого многозеркального телескопа не была беспроблемной, точность сведения пучков периодически оказывалась недостаточной, но отработанная на нем технология стала впоследствии широко применяться. Достаточно сказать, что она использована в нынешнем мировом рекордсмене — Большом бинокулярном телескопе (Large Binocular Telescope, LBT) , состоящем из двух 8,4-метровых инструментов, установленных на одной монтировке.
Есть и другая многозеркальная технология, в которой одно большое зеркало составляется из множества пригнанных друг к другу сегментов, обычно шестиугольной формы. Она хороша для телескопов со сферическими зеркалами, поскольку в этом случае все сегменты оказываются совершенно одинаковыми и их можно изготавливать буквально на конвейере. Например, в телескопе Хобби-Эберли, а также в его копии — Большом Южно-Африканском телескопе (SALT) сферические зеркала размером 11х9,8 метра составлены из 91 сегмента — на сегодня это рекордная величина. Зеркала 10-метровых телескопов Кека на Гавайях, возглавлявших рейтинг крупнейших телескопов мира с 1993 по 2007 год, тоже многосегментные: каждое составлено из 36 шести угольных фрагментов. Так что сегодня Земля вглядывается в космос фасеточными глазами.
От жесткости к управляемости
Как стало ясно из упоминания о Большом бинокулярном телескопе, перешагнуть 6-метровый барьер удалось и цельным зеркалам. Для этого надо было просто перестать полагаться на жесткость материала и поручить поддержание формы зеркала компьютеру. Тонкое (10—15 сантиметров) зеркало укладывается тыльной стороной на десятки или даже сотни подвижных опор — актуаторов. Их положение регулируется с нанометровой точностью так, чтобы при всех тепловых и упругих напряжениях, возникающих в зеркале, его форма не отклонялась от расчетной. Впервые такая активная оптика был опробована в 1988 году на небольшом Северном оптическом телескопе (Nordic Optical Telescope, 2,56 метра), а еще через год — в Чили на Телескопе новых технологий (New Technology Telescope, NTT, 3,6 метра). Оба инструмента принадлежат Европейскому Союзу, который, обкатав на них активную оптику, применил ее для создания своего главного наблюдательного ресурса — системы VLT (Very Large Telescope, Очень большой телескоп), четверки 8-метровых телескопов, установленных в Чили .
Согласно проекту, так будет выглядеть башня 30-метрового телескопа TMT в 2018 году. Фото: TMT OBSERVATORY CORP.
Консорциум американских университетов, объединенных в проекте «Магеллан», также использовал активную оптику при создании двух телескопов, носящих имена астронома Вальтера Бааде и филантропа Ландона Клея. Особенность этих инструментов — рекордно короткое фокусное расстояние главного зеркала: всего на четверть больше диаметра, составляющего 6,5 метра. Зеркало толщиной около 10 сантиметров отливали во вращающейся печи, чтобы, застывая, оно под действием центробежных сил само приняло форму параболоида. Внутри заготовка была армирована специальной решеткой, контролирующей тепловые деформации, а тыльной стороной зеркало опирается на систему из 104 актуаторов, поддерживающих правильность его формы при любых поворотах телескопа.
А в рамках проекта «Магеллан» уже началось создание гигантского многозеркального телескопа, в котором будет семь зеркал, каждое диаметром 8,4 метра. Собирая свет в общий фокус, они будут эквивалентны по площади зеркалу диаметром 22 метра, а по разрешению — 25-метровому телескопу. Интересно, что шесть зеркал, располагаемых, по проекту, вокруг центрального, будут иметь асимметричную параболическую форму, чтобы собирать свет на оптической оси, проходящей заметно в стороне от самих зеркал. По планам этот Гигантский телескоп (Giant Magellan Telescope, GMT) должен войти в строй к 2018 году. Но весьма вероятно, что к тому времени он уже не будет рекордным.
