Почему астрономы стремятся располагать обсерватории на островах. Почему астрономы в большом количестве проводят наблюдения в чили

— В настоящее время вы живете и работаете в Чили. Сотрудником какой организации вы являетесь?

— Я работаю в обсерватории Cerro Tololo Inter-American Observatory. Это подразделение другой организации, которая находится не в Чили, а в США, — National Optical Astronomy Observatory (NOAO). Эта обсерватория была организована в конце 50-х годов и служит интересам публичной обсерватории Соединенных Штатов.

Во всех странах наука одна, а в Америке ее две: частная и публичная.

Публичная астрономия, в том числе и мы, NOAO, существует на деньги налогоплательщиков. Частная существует на свои собственные бюджеты и пожертвования, и она в целом является более разветвленной и богатой. Поэтому вся история нашей обсерватории — это в какой-то мере история борьбы личного и общественного. Хотя, конечно, мы являемся одним сообществом. Наша обсерватория возникла примерно в то же время, что и Европейская Южная обсерватория (ESO) в Чили. Стоял за этим один и тот же человек, Юрген Шток, который исследовал места в Чили на предмет лучшего астроклимата. Одно время мы были обладателями самого крупного телескопа в Южном полушарии, когда у нас был поставлен 4-метровый телескоп «Бланко». Это было в 1974 году, и до конца 1990-х наша обсерватория занимала одно из ведущих положений в мире. Кстати, также в середине 70-х годов был введен в строй и 6-метровый телескоп на Северном Кавказе.

Можно оглянуться назад и посмотреть, какой телескоп был продуктивнее по количеству открытий. Ответ, надеюсь, вы угадаете сами.

Вот такая обсерватория. У нас есть четырехметровый телескоп в Северном полушарии, в Аризоне. И есть вот этот «четырехметровик» на юге, в Чили.

— То есть получается обзор всего неба? Это своего рода прообраз проекта GEMINI - двух восьмиметровых телескопов, один из которых находится в Северном полушарии на Гавайях, а другой — в Южном полушарии, в Чили?

— Да, именно так. Собственно идея GEMINI возникла в конце 80-х годов в NOAO, когда группа талантливых астрономов решила сделать самый крупный телескоп с зеркалом диаметром 8 метров. Этот проект был остановлен, но потом из его пепла, как Феникс, возник GEMINI. Наша обсерватория играла очень большую роль в становлении GEMINI. Мы дали квалифицированные кадры. Многие сотрудники GEMINI в Чили — это наши люди, которые когда-то работали у нас. Мы поддерживали GEMINI, надеялись, что они станут продолжением NOAO. Хотя это международный проект, но его американская часть существует на деньги налогоплательщиков и точно так же, как и мы, дает доступ любым исследователям.

Кстати говоря, у нас политика открытого неба, и из России могут к нам подавать заявки. Были такие случаи.

— А кто из России приезжал к вам?

— Игорь Антохин здесь работал, Леонид Бердников не раз приезжал. Вообще к нам приезжают со всего мира. Корейцы часто приезжают, французы... У нас политика открытого неба, то есть если научный проект интересный, мы даем время. Денег мы не даем, то есть проезд и пребывание не оплачиваем. Но люди приезжают за свои деньги и наблюдают, получают данные.

— Где в Чили самый лучший астроклимат? На Паранале, на Серро-Тололо, в американской обсерватории Лас-Кампанас?

— Вопрос тонкий. «Каждый кулик свое болото хвалит», — это очень точная пословица в данном случае. Оптическая астрономия в Чили началась с Серро-Тололо, обсерватории ESO Ла-Силья и американской Лас-Кампанас. Потом ESO приняла смелое решение построить обсерваторию на Паранале из-за хорошего астроклимата. Решение было очень смелым, так как оно удорожило стоимость проекта. Там пришлось строить заново всю инфраструктуру. Но Паранал — это полюс ясной погоды во всей Латинской Америке, с отличным качеством изображений. Конечно, есть места, где ясной погоды больше, например, пустыня Сахара, но там астроклимат плохой. На Паранале астроклимат был замечательный, но в 1998 году он ухудшился, когда вступил в строй VLT. Теперь стало ясно, что тогда ухудшился не астроклимат, а ухудшились показания приборов, потому что они подверглись искажениям из-за конструкции телескопа. Телескоп же по-прежнему дает отличные изображения.

Рекорд Паранала — качество изображений 0,2 угловых секунды в видимом диапазоне.

Такого нигде, ни в одной обсерватории мира не получится, только если в виде исключения. В принципе, астроклимат на Паранале хороший. В Лас-Кампанасе тоже хороший, неслучайно там будет строиться 20-метровый телескоп GMT. А вот на соседней горе, Ла-Силья, климат не очень хороший. И это удивительно, потому что эти две горы находятся рядом, буквально в одном месте, в пределах прямой видимости — и при этом такая разница! Астроклимат в Серро-Тололо несколько хуже, но он, кстати, улучшается, потому что за последние 10 лет проходят глобальные процессы в атмосфере Земли.

Астрономы обосновались в Чили благодаря стабильному антициклону над пустыней Атакама, обеспечивающему нисходящие потоки воздуха и, как следствие, отличный астроклимат. В летний период антициклон смещается к югу, а с севера поджимает тропическая зона с облаками и осадками. Это явление называют «боливийской зимой», оно частично влияет и на Параналь. В последнее десятилетие антициклон постепенно мигрирует к югу. В нашей центральной зоне становится суше (астрономы радуются, сельское хозяйство плачет), а на севере летом идет дождь. В феврале этого года сильная «боливийская зима» вызвала наводнения на севере Чили.

Ну и вообще, нельзя сказать, что лучше, а что хуже, так как по одному параметру может быть лучше, а по другому — хуже. Вот американцы недавно искали место для 30-метрового телескопа. Они исследовали 4-5 площадок в Чили и несколько площадок в других частях света. В итоге выбрали Мауна-Кеа, хотя там качество изображений не лучше, чем у нас.

Но другие параметры атмосферы оказались лучше для адаптивной оптики. Поэтому их выбор я могу прекрасно понять.

— А можете сравнить астроклимат в Чили с астроклиматом в Специальной астрофизической обсерватории (САО ) на Северном Кавказе и, скажем, в Узбекистане?

— С САО сравнивать нечего. САО проигрывает и по количеству ясной погоды, и по качеству изображений. Об этом даже говорить несерьезно.

САО как астрономическое место рассматриваться не должно. То же самое можно сказать и о Шатджатмасе под Кисловодском, где ГАИШ МГУ строит учебную обсерватории с телескопом диаметром 2,5 метра.

Там место было исследовано очень хорошо, очень тщательно, такой же методикой, как и во всем мире. Астроклимат там довольно приличный, но не идет ни в какое сравнение с лучшими местами в мире. Это, может быть, лучшее место на территории России, но не в мире. Что касается Узбекистана, то там есть места с хорошим качеством изображений, например, гора Майданак. Там проводились многочисленные исследования, в том числе и аппаратурой ESO. Но по ясной погоде и по прозрачности атмосферы Узбекистан проигрывает. Майданак — место хорошее, может быть, раз в сто (если помножить все факторы и условно выразить в цене телескопа) лучше Северного Кавказа. Но если сравнить его с Чили, Канарскими островами или Мауна-Кеа, то Майданак проиграет.

— Почему вы решили уехать из России?

— А я не уезжал из России.

— Но вы же живете в Чили...

— Да, я живу в Чили и работаю здесь. Но я по-прежнему российский гражданин, и я работаю здесь просто потому, что в данный момент это интереснее. У меня всего-навсего один движущий стимул здесь находиться и работать. Потому что я здесь нахожусь в гуще событий. Я имею возможность строить новую аппаратуру и использовать ее. В России такой возможности у меня не было. Я всю жизнь занимался созданием приборов и хорошо знаю, как это делается в России и как это делается здесь. Здесь я могу больше и глубже себя выразить, больше пользы принести науке.

— Последний вопрос: как вы считаете, нужно ли России вступать в ESO?

— Мне трудно формулировать свое мнение, я уже десять лет работаю не в российской астрономии, поэтому с моей стороны было бы нетактично что-то советовать. Конечно, я в курсе этих разговоров, общаюсь с коллегами. Есть люди, которые сильно за и которые сильно против. В Бразилии, например, относительно вопроса вступления в ESO тоже есть партия за и партия против.

Вопрос, безусловно, неоднозначный. Я знаю аргументы и тех, кто кричит за, и позицию тех, кто против.

Но я бы был скорее с теми, кто за, — это мое личное мнение. И многие мои друзья, мнение которых я уважаю, тоже за.

Прошло более 400 лет, с тех пор, как великий итальянец Галилео Галилей собрал свою первую подзорную трубу. Телескоп тех дней представлял собой маленький рефрактор с диаметром объектива всего 4 сантиметра, что не помешало ему совершить множество крупных открытий.

Китайский 500-метровый телескоп FAST

Ещё полтора века назад большая часть обсерваторий строилась прямо в городах, в основном при крупных университетах. С появлением электрического освещения возникла проблема засветки ночного неба, в связи с чем пришлось искать безлюдные места.

Сегодня многое изменилось и теперь астрономические наблюдения требуют не только больших инструментов, но и солидного финансирования. Дело это не просто затратное, оно требует от разработчика применения высоких технологий доступных не каждой стране. Период от конструкторских работ до завершения строительства занимает свыше 10 лет, а полная стоимость затрат не редко превышает сотни миллионов долларов.

Но даже эта огромная сумма далеко не предел. Аппетит у астрономов растёт не по дням и практически не ведает границ! Космическая обсерватория Хаббл, запущенная в 1992 году, обошлась американским налогоплательщикам в 3 миллиарда долларов. Стоит признать, что она во многом превзошла все ожидания!

Космический телескоп James Webb

На очереди стоит запуск другого монстра. Если проект не заглохнет от дефицита бюджетного финансирования, то 6-метровый космический телескоп James Webb обещает внести солидную лепту в череду ярчайших открытий и достижений.

Помимо денег большую роль в работе обсерватории играет её расположение. Идеальный вариант – запуск в космос, где нет никаких атмосферных искажений. Но, так как это слишком дорого, то приемлемым выходом считается размещение в высокогорных местах. Чем выше поместить телескоп, тем меньше толщина мешающей атмосферы. В ней всегда присутствуют воздушные неоднородности и турбулентности.

При взятии тонких спектральных анализов просто невозможно получить надёжные результаты находясь на дне воздушного океана. Поэтому все крупные обсерватории строятся только высоко в горах. Например, 8-ми метровый телескоп Японской национальной обсерватории Субару расположился на вершине горы, на высоте 4200 метров от уровня моря. Благодаря отличным атмосферным кондициям удалось добиться отменного качества получаемых изображений.

В условиях современного города получить хорошие снимки совершенно невозможно. Связанно это с наличием пыли в окружающем воздухе и высоким уровнем засветки ночного неба. Стоит сказать, что огни большого города в состоянии вызвать светлый фон на дистанции свыше 50 км. Исходя из этого, для размещения крупных телескопов выбирают одиночные острова, или малонаселённые высокогорные территории.

Если вы когда-либо посещали оптическую обсерваторию, либо просто смотрели её фотографии, то могли заметить, что она всегда окрашена в ярко-белый цвет. Сделано это неспроста. В светлое время дня солнечные лучи заметно нагревают любые предметы и сооружения. В результате этого купол обсерватории так нагревается, что горячий воздух начинает активно струится с его поверхности.

Такой эффект легко заметить самому, понаблюдав в жаркий день за отдалёнными предметами. В знойный день горячий воздух устремляется вверх, и можно заметить, как изображение словно колышется. Это приводит к тому, что проводить астрономические наблюдения становится невозможно. Чтобы минимизировать вредный эффект, на здание обсерватории наносится светоотражающее покрытие, плюс ко всему устанавливаются мощные системы охлаждения и вентиляции.

В большинстве случаев астрономический купол выполняется сферической формы, вращающимся во все стороны горизонта. Делают это затем, чтобы можно было направить объектив телескопа в любую точку звёздного неба, всего лишь повернув башню в нужное направление. От вершины до основания купол прорезается продольным разрезом и оборудуется раздвижными створками. Таким образом, можно нацелить телескоп в любую точку небосвода – от плоскости горизонта до вертикальной линии зенита.

Обсерватория в Карачаево-Черкесии

В нашей стране самый крупный телескоп установлен в специальной астрофизической обсерватории в республике Карачаево-Черкессия на Северном Кавказе. Благодаря тому, что он смонтирован на высоте чуть более 2000 метров над уровнем моря достигается высокое качество получаемых изображений. Главное зеркало рефлектора составляет 6 метров в диаметре, в результате чего предельная звездная величина для этого инструмента составляет внушительную цифру в +25m! До 1993 года он оставался крупнейшим в мире, пока не была построена обсерватория Кека. На сегодня телескоп проходит глубокую модернизацию — основное зеркало демонтировано и отправлено на завод изготовитель для переполировки. Кроме этого, будет установлено новое электронное оборудование системы слежения и наведения.

Телескоп Галилея произвел революцию в астрономии. В те времена еще ничего не было известно о существовании галактик, а ученые вели споры о том, является ли Земля центром мироздания. И большинство считало, что является, а Солнце, планеты и даже звезды – все космические объекты обращаются вокруг нашей планеты.

Телескоп Галилео Галилея

Используя телескоп, Галилей сделал ряд открытий, расширивших горизонты познания. Во-первых, он убедился, что Млечный Путь является бесчисленным скоплением невероятно далеких звезд. И тогда астрономы поняли, что Вселенная устроена гораздо сложнее, чем им представлялось.

Во-вторых, Галилей открыл на поверхности Луны сложный рельеф: горы, котловины, цирки и другие неровности. Это говорило о великом сходстве Земли и других небесных тел. Земля не центр Вселенной, она по своему облику подобна прочим космическим объектам: на небесных телах тоже есть скалы, равнины и овраги.

В-третьих, Галилей обнаружил четыре гигантских спутника Юпитера, позже получивших названия Ио, Ганимед, Европа и Каллисто (см. главу 3). Ученый наблюдал за их орбитальным движением и пришел к выводу, что именно так выглядит со стороны Солнечная система. Семейство Юпитера служило уменьшенной моделью мироздания: "царь планет" играл роль Солнца, а его спутники – планет, включая и Землю.

После этого исторического открытия астрономия постепенно отказалась от учения о Земле как центре Вселенной. А спустя около полувека французский физик Блез Паскаль (1623–1662) заявил о бесконечности Вселенной и отсутствии у нее центра.

Люди, не занимающиеся астрономией, считают, будто телескоп "приближает" к наблюдателям далекие объекты. Что же он делает в действительности? Оказывается, оптический телескоп ничего не приближает и даже не увеличивает. Его главное назначение сводится к сбору как можно большего количества лучистой энергии – как и у человеческого глаза.

Возможности глаза ограничены его скромными размерами. Например, диаметр нашего зрачка составляет максимум 7 мм. Ясно, что при таких размерах глаз не способен вместить в себя много света. Далекие и тусклые светила становятся для нас невидимыми. Но что если увеличить глаз до метра в поперечнике и сделать его зрачок диаметром около 20 см? А ведь именно такие размеры имеют небольшие телескопы. Даже сравнительно примитивный телескоп Галилея собирал света в 144 раза больше, чем человеческий глаз.

Телескоп собирает гораздо больше света и поэтому повышает яркость (блеск) тусклых объектов. Правильно измеренная яркость помогает точно установить светимость и цвет небесных тел. Кроме того, сильный телескоп позволяет получить подробные спектры светил и провести другие важные замеры, по которым ученые судят о природе звезд, планет и малых объектов.

Другим преимуществом телескопа перед глазом является то, что он обладает высокой разрешающей способностью , которую неправильно называют "увеличением". На самом деле разрешающая способность состоит в умении различить два дальних объекта, расположенных близко друг к другу. Открытие двойных звезд – типичный пример превосходства телескопических наблюдений. В двойных системах компоненты неразличимы невооруженным глазом. Телескоп не "приближает" двойную звезду, зато позволяет четко рассмотреть каждый из ее компонентов по отдельности.

Современный оптический телескоп – это сложнейшее техническое сооружение огромных размеров и колоссальной массы. Скажем, вес Зеленчукского телескопа составляет 850 тонн. Огромная конструкция приводится в движение часовым механизмом, моторчики которого поворачивают зрительную трубу. Естественно, держать подобное сооружение под открытым небом на каких-нибудь подпорках нельзя. Вот почему для размещения телескопов строят специальные здания – астрономические обсерватории .

Слово обсерватория означает в переводе с латинского языка "место для наблюдений". Кроме астрономических, существуют и другие обсерватории, например геофизические, где ведется многолетнее слежение за "пульсом" планеты: ее силой тяжести, магнитным полем, подземными толчками и т. д.

Пулковская астрономическая обсерватория

В нашей стране насчитывается более 20 крупных астрономических обсерваторий. Главная из них – Пулковская, расположенная под Санкт-Петербургом.

Поскольку для наблюдений необходимо чистое, не запыленное небо, то довольно часто обсерватории стараются строить в гористых местностях, находящихся на высотах от 500 м над уровнем моря и выше. В нашей стране в горах возведены восемь обсерваторий. Большинство высокогорных наблюдательных пунктов сосредоточены на Кавказе, здесь же находятся две обсерватории, лежащие выше всех остальных в России. Во-первых, это Специальная Астрофизическая (или Зеленчукская) обсерватория, стоящая на горе Семиродники в Карачаево-Черкесии. Во-вторых, это Кавказская горная обсерватория на плато Шатджатмаз в той же Карачаево-Черкесии. Обе находятся на отметке 2100 м над уровнем моря.

Кроме Кавказа, высокогорные обсерватории имеются в горах Южной Сибири, причем выше всего из этих наблюдательных пунктов расположена Саянская обсерватория Академии наук в поселке Монды (отметка 2000 м).

Ранее речь велась о наземных обсерваториях, однако с началом космической эры человек не оставлял попыток вывести научное оборудование в космос, чтобы проводить исследования без помех земной атмосферы. За последние 40 лет за пределами Земли работали и работают немало орбитальных обсерваторий , снабженных космическими телескопами особой конструкции. Самая знаменитая орбитальная обсерватория – космический телескоп "Хаббл".

Орбитальный телескоп "Хаббл"

Несмотря на разнообразие наземных и космических телескопов, все они по своему устройству разделяются на два основных класса: рефракторы и рефлекторы – в зависимости от того, линзы или зеркала применяются для сбора света. Первый оптический телескоп Галилея представлял собой типичный рефрактор. Впоследствии Галилеево изобретение было усовершенствовано немецким астрономом Иоганном Кеплером, отчего все современные рефракторы (а заодно подзорные трубы и бинокли) представляют собой варианты "трубы Кеплера".

Рефрактором называется телескоп, в котором сбор излучения от космических источников осуществляется с помощью нескольких линз. Название телескопа означает "преломляющий", поскольку действие линз состоит в преломлении световых лучей. Сегодня рефракторы изготавливаются с использованием не двух, а гораздо большего числа стекол. И тем не менее у такого телескопа неизменно присутствуют две составные части – объектив и окуляр.

Объектив – это группа линз, предназначенная для приема света. То есть это часть телескопа, нацеленная на объект (отсюда и ее название).

Окуляр (от латинского oculus – "глаз") представляет собой систему линз, которые переносят изображение в глаз наблюдателя. Астроном во время работы смотрит в окуляр, а объектив наводит на заранее намеченный участок неба.

Объективы различаются на визуальные и фотографические. Визуальные состоят из линз, которые собирают в основном желтые и зеленые лучи. Эти лучи лучше всех остальных воспринимаются человеческим глазом, поэтому задача визуального телескопа состоит в том, чтобы создать хорошо видимое изображение. Линзы фотографического объектива рассчитаны на сбор преимущественно синих и фиолетовых лучей, к которым чувствительна фотопластинка. Такой объектив позволяет получать качественные фотографии космических тел.

Принцип работы рефрактора

Визуальные объективы в настоящее время почти не используются, они устанавливаются главным образом на школьные и любительские телескопы. Рефракторы для профессиональной научной работы снабжены фотографическими объективами, чтобы ученые могли осуществлять фотосъемку звездного неба.

Важнейшим параметром объектива является его диаметр . Чем больше поперечник крупнейшей линзы объектива, тем больше света сможет уловить инструмент. Самый большой в мире рефрактор, построенный в 1897 году в Йеркской обсерватории (США), обладает объективом с диаметром 102 см.

По степени блеска небесные тела характеризуются так называемой видимой звездной величиной . Видимая звездная величина (или просто звездная величина) – это различимая глазом разница в яркости точечных светил на небе. Первым начал измерять блеск звезд древнегреческий астроном Гиппарх, живший во II веке до н. э.

Рефрактор Йеркской обсерватории

Гиппарх выделил для своего каталога шесть звездных величин. При этом блеск звезды первой величины (самой яркой) примерно в 2,5 раза ярче блеска звезды второй величины. А блеск звезды второй величины в 2,5 раза ярче блеска звезды третьей величины и т. д. Сегодня астрономы улучшили способ измерения видимых звездных величин, причем за точку отсчета принимается нулевая звездная величина, которая соответствует блеску таких ярких звезд, как Вега и Арктур.

Таблица 5

Блеск некоторых звезд, обладающих экзопланетами

Людям, интересующимся астрономией, хорошо известно, что сегодня главными поставщиками космических фотографий являются телескопы NASA и наземные наблюдательные пункты ESO (Европейской Южной Обсерватории), расположенные в северной части Чили.

Однако мало кто знает, что и в российских обсерваториях ученые ежедневно получают не менее качественные снимки космоса. К сожалению, эти снимки редко публикуют в мировых научных изданиях, а если их там и размещают, то обыватель практически никогда не обращает внимания на авторство и считает, что полученные изображения — результат работы американских наблюдательных инструментов.

Предлагаем познакомиться с известными российскими обсерваториями (наземными и космической), узнать, как и на чем там работают и посмотреть на фотографии космоса, сделанные в крупнейших наблюдательных астрономических пунктах России.

Обсерватория в Карачаево-Черкесии

Начнем с самого крупного в СНГ астрономического центра наземных наблюдений за космосом, расположенного в Карачаево-Черкесии — Специальной астрофизической обсерватории РАН. Еще в советское время на ее территории были возведены радиотелескоп РАТАН-600 и телескоп-рефлектор БТА, долгое время не имевшие аналогов в мире.

Оптический телескоп БТА был построен в 1975 году и оставался самым большим наземным наблюдательным инструментом с монолитным зеркалом (диаметр 6 м) вплоть до 1998 года, когда на горе Серро-Тололо в Чили в эксплуатацию был введен телескоп VLT (диаметр 8,2 м).

Сегодня существует лишь пять инструментов, превосходящих БТА по размеру – американский LBT, европейский VLT, японский Subaru, MMT, Gemini.

Телескоп БТА установлен на горе Семиродники на высоте 2733 метра над уровнем моря, а его шестиметровое зеркало позволяет ученым получать высококачественные фотографии галактик и других космических объектов.

РАТАН-600 был построен годом ранее БТА и до сих пор остается одним из крупнейших радиотелескопов с рефлекторным зеркалом диаметром почти 600 метров.

Инструмент установлен на высоте 970 метров над уровнем моря и позволяет проводить исследование близких к Земле планет и их спутников, Солнца, солнечного ветра, а также удаленных объектов: квазаров, радиогалактик.

Основные преимущества этого телескопа — высокочастотность и высокая чувствительность яркостной температуры.

Помимо БТА и РАТАН-600, на территории САО РАН также установлено несколько других, менее крупных, телескопов европейского и российского производства, позволяющих вести наблюдения за светилами в нашей Галактике.

Российская космическая обсерватория «Радиоастрон»

В 2011 году российские ученые вместе со своими европейскими коллегами запустили проект «Радиоастрон» — это уникальная орбитальная обсерватория на солнечных батареях, состоящая из космического радиотелескопа «Спектр-Р» и электронного комплекса (синтезатора частот, малошумящих усилителей, блоков управления).

Космический радиотелескоп может работать с сетью наземных инструментов, образуя один гигантский наземно-космический телескоп (интерферометр). Это позволяет получать снимки далеких объектов в тысячу раз более детальные, чем это делает аппарат NASA «Хаббл».

Максимальное увеличение «Спектр-Р» зависит от двух самых удаленных точек его линзы. Одна из таких точек — наземные телескопы, вторая — сама обсерватория, вращающаяся по вытянутой орбите вокруг Земли. За счет того, что в апогее обсерватория удаляется от планеты на расстояние 350 000 километров, ее угловое разрешение может достигать миллионных долей угловой секунды, что более чем в 30 раз лучше любых наземных систем!

«Спектр-Р» предназначен для исследования структуры галактических и внегалактических радиоисточников, далеких галактик, их ядер, солнечного ветра, нейтронных звезд и черных дыр.

Данные, поступающие с космической обсерватории, принимают в Национальной радиоастрономической обсерватории в США и Пущинской радиоастрономической обсерватории в России.

Инструмент имеет 10-метровую антенну, благодаря которой он попал в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой космический радиотелескоп.

Пулковская обсерватория — главный астрономический центр РАН

В 19 километрах от Санкт-Петербурга на Пулковских высотах (75 метров над уровнем моря) располагается одна из старейших обсерваторий России — Пулковская, деятельность которой охватывает практически все направления современной астрономии: ученые изучают не только небесные тела в Солнечной системе (положение и их движение), но и объекты, находящиеся на задворках нашей Галактики.

Главный инструмент обсерватории — 26-дюймовый оптический телескоп-рефрактор с фокусным расстоянием более 10 метров. Это единственный в России телескоп такого класса. Аппарат изготовлен в 1956 году на немецком заводе «Карл Цейсс» и предназначен для определения особо точных координат звезд и тел Солнечной системы.

Пулковский рефрактор — один из самых продуктивных в мире по наблюдению за двойными звездами: к 2016 году работниками обсерватории проведено более 30 000 исследований!

Кроме рефрактора сейчас в Пулково работают еще три телескопа: зеркальный астрограф ЗА-320 — «ловец» опасных астероидов; нормальный астрограф — инструмент для фотографирования небесных тел, работает с 1893 года и до сих пор в строю, автоматизирован и оснащен цифровой камерой; зеркальный метровый телескоп САТУРН (с 2015 г.) — адаптирован для наземных наблюдений за планетами.

К большому сожалению, сегодня Пулковская обсерватория находится не в самом лучшем положении. В защитной зоне начались несогласованные строительные работы, которые могут вызвать проблемы с качеством наблюдений за небесными объектами.

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Изучив этот параграф, мы:

узнаем, как астрономы исследуют природу космических тел;
познакомимся с устройством современных телескопов, при помощи которых
можно путешествовать не только в пространстве, но и во времени;
увидим, как можно зарегистрировать невидимые для глаза лучи.

Что изучает астрофизика?

Между физикой и астрофизикой есть много общего - эти науки изучают законы мира, в котором мы живем. Но между ними есть и одна существенная разница - физики могут проверить свои теоретические расчеты при помощи соответствующих экспериментов, в то время как астрономы в большинстве случаев такой возможности не имеют, так как изучают природу далеких космических объектов по их излучениям.

В этом параграфе мы рассмотрим основные методы, при помощи которых астрономы собирают информацию о событиях в дальнем космосе. Оказывается, что основным источником такой информации являются электромагнитные волны и элементарные частицы, которые излучают космические тела, а также гравитационные и электромагнитные поля, при помощи которых эти тела между собой взаимодействуют.

Наблюдение за объектами Вселенной осуществляется в специальных астрономических обсерваториях. При этом астрономы имеют определенное преимущество перед физиками - они могут наблюдать за процессами, которые происходили миллионы или миллиарды лет назад.

Для любознательных

Астрофизические эксперименты в космосе все же Происходят - их осуществляет сама природа, а астрономы наблюдают за теми процессами, которые происходят в далеких мирах, и анализируют полученные результаты. Мы наблюдаем определенные явления во времени и видим такое далекое прошлое Вселенной, когда еще не только не существовала наша цивилизация, но даже не было Солнечной системы. То есть астрофизические методы изучения дальнего космоса фактически не отличаются от экспериментов, которые проводят физики на поверхности Земли. К тому же при помощи АМС астрономы проводят настоящие физические эксперименты как на поверхности других космических тел, так и в межпланетном пространстве.

Черное тело

Как известно из курса физики, атомы могут излучать или поглощать энергию электромагнитных волн различной частоты - от этого зависит яркость и цвет того или иного тела. Для расчетов интенсивности излучения вводится понятие черного тела, которое может идеально поглощать и излучать электромагнитные колебания в диапазоне всех длин волн (непрерывный спектр).

Рис. 6.1. Спектр излучения звезды с температурой T = 5800 К. Впадины на графике соответствуют темным линиям поглощения, которые образуют отдельные химические элементы

Звезды излучают электромагнитные волны разной длины, в зависимости от температуры поверхности больше энергии приходится на определенную часть спектра (рис. 6.1). Этим объясняются разнообразные цвета звезд от красного до голубого (см. § 13). Используя законы излучения черного тела, которые открыли физики на Земле, астрономы измеряют температуру далеких космических светил (рис. 6.2). При температуре T = 300 К черное тело излучает энергию преимущественно в инфракрасной части спектра, которая не воспринимается невооруженным глазом. При низких температурах такое тело в состоянии термодина мического равновесия имеет действительно черный цвет.

Рис. 6.2. Распределение энергии в спектре излучения звезд. Цвет звезд определяет температуру поверхности T: у голубых звезд температура 12000 К, у красных - 3000 К. При увеличении температуры на поверхности звезды уменьшается длина волны,соответствующая максимуму энергии излучения

Для любознательных

В природе абсолютно черных тел не существует, даже черная сажа поглощает не более 99% электромагнитных волн. С другой стороны, если бы абсолютно черное тело только поглощало электромагнитные волны, то со временем температура такого тела стала бы бесконечно большой. Поэтому черное тело излучает энергию, причем поглощение и излучение могут происходить в разных частотах. Однако при некоторой температуре устанавливается равновесие между излучаемой и поглощенной энергией. В зависимости от равновесной температуры цвет абсолютно черного тела не обязательно будет черным - например, сажа в печи при высокой температуре имеет красный или даже белый цвет.

Астрономические наблюдения невооруженным глазом

Глаз человека является уникальным органом чувств, при помощи которого мы получаем более 90% информации об окружающем мире. Оптические характеристики глаза определяются разрешением и чувствительностью.

Разрешающая способность глаза, или острота зрения,- это способность различать объекты определенных угловых размеров. Установлено, что разрешающая способность глаза человека не превышает 1" (одна минута дуги; рис. 6.3). Это означает, что мы можем видеть отдельно две звезды (или две буквы в тексте книги), если угол между ними α>1", а если α<1", то эти звезды сливаются в одно светило, поэтому различить их невозможно.

Рис. 6.3. Мы различаем диск Луны, потому что его угловой диаметр 30", в то время как кратеры невооруженным глазом не видны, потому что их угловой диаметр меньше 1". Острота зрения определяется углом α>1"

Мы различаем диски Луны и Солнца, потому что угол, под которым виден диаметр этих светил (угловой диаметр), около 30", в то время как угловые диаметры планет и звезд меньше 1", поэтому эти светила невооруженным глазом видны, как яркие точки. С планеты Нептун диск Солнца будет выглядеть для космонавтов яркой звездой.

Чувствительность глаза определяется порогом восприятия отдельных квантов света. Самую большую чувствительность глаз имеет в желто-зеленой части спектра, и мы можем реагировать на 7-10 квантов, которые попадают на сетчатку за 0,2-0,3 с. В астрономии чувствительность глаза можно определить при помощи видимых звездных величин, характеризующих яркость небесных светил (см. § 13).

Для любознательных

Чувствительность глаза зависит и от диаметра зрачка - в темноте зрачки расширяются, а днем сужаются. Перед астрономическими наблюдениями надо 5 мин посидеть в темноте, тогда чувствительность глаза увеличится.

Телескопы

К сожалению, большинство космических объектов мы не можем наблюдать невооруженным глазом, потому что его возможности ограничены. Телескопы (греч. tele - далеко, skopos - видеть) позволяют нам увидеть далекие небесные светила или зарегистрировать их с помощью других приемников электромагнитного излучения - фотоаппарата, видеокамеры. По конструкции телескопы можно разделить на три группы: рефракторы, или линзовые телескопы (рис. 6.4) (лат. refractus - преломление), рефлекторы, или зеркальные телескопы (рис. 6.5) (лат. reflectio - отбиваю), и зеркально-линзовые телескопы.

Рис. 6.4. Схема линзового телескопа (рефрактора)

Рис. 6.5. Схема зеркального телескопа (рефлектора)

Предположим, что на бесконечности находится небесное светило, которое невооруженным глазом видно под углом. Собирающая линза, которую называют объективом, строит изображение светила в фокальной плоскости на расстоянии от объектива (рис. 6.4). В фокальной плоскости устанавливают фотопластинку, видеокамеру или другой приемник изображения. Для визуальных наблюдений используют короткофокусную линзу - лупу, которую называют окуляром.

Увеличение телескопа определяется так:

(6.1)

где - α 2 угол зрения на выходе окуляра; α 1 - угол зрения, под которым светило видно невооруженным глазом; F,f - фокусные расстояния соответственно объектива и окуляра.

Разрешающая способность телескопа зависит от диаметра объектива, поэтому при одинаковом увеличении более четкое изображение дает телескоп с большим диаметром объектива.

Кроме того телескоп увеличивает видимую яркость светил, которая будет во столько раз больше той, что воспринимается невооруженным глазом, во сколько площадь объектива больше площади зрачка глаза. Запомните! В телескоп нельзя смотреть на Солнце, поскольку его яркость будет такой большой, что вы можете потерять зрение.

Для любознательных

Для определения различных физических характеристик космических тел (движения, температуры, химического состава и т. д.) необходимо проводить спектральные наблюдения, то есть надо измерять, как распределяется излучение энергии в различных участках спектра. Для этого создан ряд дополнительных устройств и приборов (спектрографы, телевизионные камеры и пр.), которые совокупно с телескопом дают возможность отдельно выделять и исследовать излучение участков спектра.

Школьные телескопы имеют объективы с фокусным расстоянием 80-100 см, и набор окуляров с фокусными расстояниями 1-6 см. То есть увеличение школьных телескопов по формуле (6.1) может быть разным (от 15 до 100 раз) в зависимости от фокусного расстояния окуляра, применяемого во время наблюдений. В современных астрономических обсерваториях установлены телескопы, имеющие объективы с фокусным расстоянием более 10 м, поэтому увеличение этих оптических приборов может превышать 1000. Но во время наблюдений такие большие увеличения не применяют, так как неоднородности земной атмосферы (ветры, загрязненность пылью) значительно ухудшают качество изображения.

Электронные приборы

Электронные приборы, использующиеся для регистрации излучения космических светил, существенно увеличивают разрешение и чувствительность телескопов. К таким приборам относятся фотоумножитель и электронно-оптические преобразователи, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта. В конце XX в. для получения изображения начали применять приборы зарядовой связи (ПЗС), в которых используется явление внутреннего фотоэффекта. Они состоят из очень маленьких кремниевых элементов (пикселей), расположенных на небольшой площади. Матрицы ПЗС используют не только в астрономии, но и в домашних телекамерах и фотоаппаратах - так называемые цифровые системы для получения изображения (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Матрица ПЗС

К тому же, ПЗС более эффективны, чем фотопленки, потому что регистрируют 75% фотонов, в то время как пленка - лишь 5%. Таким образом, ПЗС значительно увеличивают чувствительность приемников электромагнитного излучения и позволяют регистрировать космические объекты в десятки раз более слабые, чем при фотографировании.

Радиотелескопы

Для регистрации электромагнитного излучения в радиодиапазоне (длина волны от 1 мм и более - рис. 6.7) созданы радиотелескопы, которые принимают радиоволны с помощью специальных антенн и передают их в приемник. В радиоприемнике космические сигналы обрабатываются и регистрируются специальными приборами.

Рис 6.7. Шкала электромагнитных волн

Существуют два типа радиотелескопов - рефлекторные и радиорешетки. Принцип действия рефлекторного радиотелескопа такой же, как телескопа-рефлектора (рис. 6.5), только зеркало для сбора электромагнитных волн изготавливается из металла. Часто это зеркало имеет форму параболоида обращения. Чем больше диаметр такой параболической «тарелки», тем выше разрешение и чувствительность радиотелескопа. Самый большой в Украине радиотелескоп РТ-70 имеет диаметр 70 м (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Радиотелескоп РТ-70 находится в Крыму возле Евпатории

Радио-решетки состоят из большого количества отдельных антенн, расположенных на поверхности Земли в определенном порядке. Если смотреть сверху, то большое количество таких антенн напоминает букву «Т». Крупнейший в мире радиотелескоп такого типа УТР-2 находится в Харьковской области (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Крупнейший в мире радиотелескоп УТР-2 (украинский Т-образный радиотелескоп; размеры 1800 м х 900 м)

Для любознательных

Принцип интерференции электромагнитных волн позволяет объединить радиотелескопы, расположенные на расстоянии десятков тысяч километров, что увеличивает их разрешение до 0,0001" - это в сотни раз превосходит возможности оптических телескопов.

Изучение Вселенной с помощью космических аппаратов

С началом космической эры наступает новый этап изучения Вселенной с помощью ИСЗ и АМС. Космические методы имеют существенное преимущество перед наземными наблюдениями, так как значительная часть электромагнитного излучения звезд и планет задерживается в земной атмосфере. С одной стороны, это поглощение спасает живые организмы от смертельного излучения в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, но с другой - ограничивает поток информации от светил. В 1990 г. в США был создан уникальный космический телескоп Хаббла с диаметром зеркала 2,4 м (рис. 6.10). В наше время в космосе функционирует много обсерваторий, которые регистрируют и анализируют излучения всех диапазонов - от радиоволн до гамма-лучей (рис. 6.7).

Рис. 6.10. Космический телескоп Хаббла находится за пределами атмосферы, поэтому его разрешение в 10 раз, а чувствительность в 50 раз превосходят возможности наземных телескопов

Большой вклад в изучение Вселенной сделали советские ученые. При их участии были созданы первые КА, которые начали исследовать не только околоземное пространство, но и другие планеты. Автоматические межпланетные станции серии «Луна», «Марс», «Венера» передали на Землю изображения других планет с таким разрешением, которое в тысячи раз превосходит возможности наземных телескопов. Впервые человечество увидело панорамы чужих миров. На этих АМС была установлена аппаратура для проведения непосредственных физических, химических и биологических экспериментов.

Для любознательных

Во времена Киевской Руси астрономические наблюдения проводили монахи. В летописях они рассказывали о необычных небесных явлениях - затмениях Солнца и Луны, появлении комет или новых звезд. С изобретением телескопа для наблюдений за небесными светилами начали строить специальные астрономические обсерватории (рис. 6.11). Первыми астрономическими обсерваториями Европы считают Парижскую во Франции (1667 г.), и Гринвичскую в Англии (1675 г.). Сейчас астрономические обсерватории работают на всех материках, и их общее количество превосходит 400.

Рис. 6.11. Астрономическая обсерватория

Рис. 6.12. Первый украинский спутник «Січ-1»

Выводы

Астрономия с оптической науки превратилась во всеволновую, потому что основным источником информации о Вселенной являются электромагнитные волны и элементарные частицы, которые излучают космические тела, а также гравитационные и электромагнитные поля, при помощи которых эти тела между собой взаимодействуют. Современные телескопы позволяют получать информацию о далеких мирах, и мы можем наблюдать события, которые происходили миллиарды лет назад. То есть с помощью современных астрономических приборов мы можем путешествовать не только в пространстве, но и во времени.

Тесты

Телескоп - это такой оптический прибор, который:
Почему крупные астрономические обсерватории строят в горах?
Может ли черное тело быть белого цвета?
В какой из этих телескопов можно увидеть наибольшее количество звезд?
Какие из этих светил с такой температурой на поверхности не существуют во Вселенной?
Чем объясняются разнообразные цвета звезд?
Почему в телескоп мы видим больше звезд, чем невооруженным глазом?
Почему наблюдения в космосе дают больше информации, чем наземные телескопы?
Почему звезды в телескоп видны как яркие точки, а планеты в тот же телескоп - как диск?
На какое наименьшее расстояние надо улететь в космос для того, чтобы космонавты невооруженным глазом видели Солнце как яркую звезду в виде точки?
Говорят, что некоторые люди имеют такое острое зрение, что даже невооруженным глазом различают крупные кратеры на Луне. Вычислите достоверность этих фактов, если крупнейшие кратеры на Луне имеют диаметр 200 км, а среднее расстояние до Луны 380000 км.

Диспуты на предложенные темы

Сейчас в космосе строится международная космическая станция, на которой Украина будет иметь космический блок. Какие астрономические приборы вы могли бы предложить для проведения исследований Вселенной?

Задания для наблюдений

Телескоп-рефрактор можно изготовить при помощи линзы для очков. Для объектива можно использовать линзу из очков +1 диоптрии, а в качестве окуляра - объектив фотоаппарата или другую линзу для очков +10 диоптрий. Какие объекты вы сможете наблюдать в такой телескоп?

Ключевые понятия и термины:

Непрерывный спектр, радиотелескоп, рефлектор, рефрактор, разрешающая способность глаза, спектр, спектральные наблюдения, телескоп, черное тело.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью