Images345tf.jpgОбсерватория, учреждение, где ученые наблюдают, изучают и анализируют природные явления. Наиболее известны астрономические обсерватории для исследования звезд, галактик, планет и других небесных объектов. Существуют также метеорологические обсерватории для наблюдения погоды; геофизические обсерватории для изучения атмосферных явлений, в частности, – полярных сияний; сейсмические станции для регистрации колебаний, возбужденных в Земле землетрясениями и вулканами; обсерватории для наблюдения космических лучей и нейтрино. Многие обсерватории оснащены не только серийными приборами для регистрации природных явлений, но и уникальными инструментами, обеспечивающими в конкретных условиях наблюдения максимально высокие чувствительность и точность.


В прежние времена обсерватории, как правило, сооружали вблизи университетов, но затем стали размещать в местах с наилучшими условиями для наблюдения изучаемых явлений: сейсмические обсерватории – на склонах вулканов, метеорологические – равномерно по всему земному шару, авроральные (для наблюдения за полярными сияниями) – на расстоянии около 2000 км от магнитного полюса северного полушария, где проходит полоса интенсивных сияний.

Астрономическим обсерваториям, в которых используются оптические телескопы для анализа света космических источников, требуется чистая и сухая атмосфера, свободная от искусственного освещения, поэтому их стараются строить высоко в горах. Радиообсерватории часто размещают в глубоких долинах, со всех сторон закрытых горами от радиопомех искусственного происхождения. Тем не менее, поскольку в обсерваториях трудится квалифицированный персонал и регулярно приезжают ученые, по возможности стараются размещать обсерватории не очень далеко от научных и культурных центров и транспортных узлов. Впрочем, развитие средств связи делает эту проблему все менее актуальной.

История астрономических обсерваторий

Древний мир

ПтолемейНаиболее старые дошедшие до нас факты астрономических наблюдений связаны с древними цивилизациями Среднего Востока. Наблюдая, записывая и анализируя движение по небу Солнца и Луны, жрецы вели счет времени и календарь, предсказывали важные для сельского хозяйства сезоны, а также занимались астрологическими прогнозами. Измеряя с помощью простейших приборов перемещения небесных светил, они обнаружили, что взаимное расположение звезд на небе остается неизменным, а Солнце, Луна и планеты движутся относительно звезд и притом весьма сложно. Жрецы отмечали редкие небесные явления: лунные и солнечные затмения, появление комет и новых звезд.

Астрономические наблюдения, приносящие практическую пользу и помогающие формировать мировоззрение, находили определенную поддержку как у религиозных авторитетов, так и у гражданских правителей разных народов. На многих сохранившихся глиняных табличках из древних Вавилона и Шумера записаны астрономические наблюдения и вычисления. В те времена, как и сейчас, обсерватория служила одновременно мастерской, хранилищем приборов и центром сбора данных. См. также Календарь Армелина, Дариский календарь, Римский календарь, Лунный календарь, Время.

Об астрономических инструментах, применявшихся до эпохи Птолемея (ок. 100 – ок. 170 н.э.), известно мало. Птолемей вместе с другими учеными собрал в огромной библиотеке Александрии (Египет) множество разрозненных астрономических записей, сделанных в различных странах за предшествующие века. Используя наблюдения Гиппарха и свои собственные, Птолемей составил каталог положений и блеска 1022 звезд. Вслед за Аристотелем он поместил Землю в центр мира и считал, что все светила обращаются вокруг нее. Вместе с коллегами Птолемей провел систематические наблюдения движущихся светил (Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн) и разработал детальную математическую теорию для предсказания их будущего положения по отношению к «неподвижным» звездам. С ее помощью Птолемей рассчитал таблицы движения светил, которые затем использовались более тысячи лет.

Для измерения мало меняющихся размеров Солнца и Луны астрономы пользовались прямой планкой со скользящим визиром в виде темного диска или пластины с круглым отверстием. Наблюдатель направлял планку на цель и двигал визир вдоль нее, добиваясь точного совпадения отверстия с размером светила.

Птолемей и его коллеги усовершенствовали многие из астрономических приборов. Проводя с ними тщательные наблюдения и при помощи тригонометрии переводя инструментальные показания в позиционные углы.

Средние века

В связи с политическими и социальными потрясениями поздней античности и раннего средневековья развитие астрономии в Средиземноморье приостановилось. Каталоги и таблицы Птолемея сохранились, но все меньше людей умели ими пользоваться, и все реже проводились наблюдения и регистрация астрономических событий.

Однако на Среднем Востоке и в Центральной Азии астрономия расцветала и строились обсерватории. Крупнейшие обсерватории востока: в VIII в. Абдалла аль-Мамун основал в Багдаде Дом мудрости, подобный Александрийской библиотеке, и организовал связанные с ним обсерватории в Багдаде и Сирии. Там несколько поколений астрономов изучали и развивали работы Птолемея. Подобные учреждения процветали в 10 и 11 вв. в Каире.

Кульминацией той эпохи стала гигантская обсерватория в Самарканде (ныне Узбекистан). Там Улукбек (1394–1449), внук азиатского завоевателя Тамерлана (Тимура), построив огромный секстант радиусом 40 м в виде ориентированной на юг траншеи шириной 51 см с отделанными мрамором стенками, проводил наблюдения Солнца с небывалой точностью. Несколько инструментов меньшего размера он использовал для наблюдений звезд, Луны и планет.

Возрождение

Когда в исламской культуре 15 в. астрономия достигла расцвета, Западная Европа вновь открыла для себя это великое творение античного мира.

Коперник

Николай Коперник (1473–1543), вдохновленный простотой принципов Платона и других греческих философов, с недоверием и тревогой взирал на геоцентрическую систему Птолемея, которая требовала громоздких математических расчетов для объяснения видимых движений светил. Коперник предложил, сохранив подход Птолемея, поместить Солнце в центр системы, а Землю считать планетой. Это значительно упростило дело, но вызвало глубокий переворот в сознании людей.

Тихо БрагеТ.Браге (1546–1601)

Датский астроном Т.Браге (1546–1601) был обескуражен тем, что теория Коперника точнее предсказывала положение светил, чем теория Птолемея, но все же не вполне верно. Он счел, что проблему решат более точные наблюдательные данные, и убедил короля Фридриха II отдать ему для строительства обсерватории о. Вен близ Копенгагена. В этой обсерватории, названной Ураниборг (Небесный замок) было множество стационарных инструментов, мастерские, библиотека, химическая лаборатория, спальни, столовая и кухня. Тихо имел даже свои бумажную мельницу и печатный станок.

В 1584 он построил новое здание для наблюдений – Стьернеборг (Звездный замок), где собрал самые крупные и совершенные инструменты. Правда, это были приборы того же типа, что и во времена Птолемея, но Тихо значительно повысил их точность, заменив дерево металлами. Он ввел особо точные визиры и шкалы, придумал математические методы для калибровки наблюдений. Тихо и его помощники, наблюдая за небесными телами невооруженным глазом, достигли со своими приборами точности измерений в 1'. Они систематически перемеряли положения звезд и наблюдали за движением Солнца, Луны и планет, собирая наблюдательные данные с небывалым упорством и аккуратностью.

Кеплер

Изучая данные Тихо, И.Кеплер (1571–1630) обнаружил, что наблюдаемое обращение планет вокруг Солнца не удается представить как движение по окружностям. Кеплер с большим почтением относился к результатам, полученным в Ураниборге, и поэтому отбросил мысль о том, что небольшие расхождения вычисленных и наблюдаемых положений планет могли быть вызваны ошибками в наблюдениях Тихо. Продолжая поиски, Кеплер установил, что планеты движутся по эллипсам, заложив этим фундамент для новой астрономии и физики.

Работы Тихо и Кеплера предвосхитили многие особенности современной астрономии, такие, как организация специализированных обсерваторий при государственной поддержке; доведение до совершенства приборов, хотя бы и традиционных; деление ученых на наблюдателей и теоретиков. Новые принципы работы утверждались вместе с новой техникой: на помощь глазу в астрономии шёл телескоп.

Появление телескопов

Первые телескопы-рефракторытелескоп Галилея

В 1609 Галилей начал использовать свой первый самодельный телескоп. Наблюдения Галилея открыли эру визуальных исследований небесных светил. Вскоре телескопы распространились по Европе. Любознательные люди делали их сами или заказывали мастерам и устраивали небольшие личные обсерватории, обычно в собственных домах.

Телескоп Галилея назвали рефрактором, поскольку лучи света в нем преломляются (лат. refractus – преломленный), проходя сквозь несколько стеклянных линз. В простейшей конструкции передняя линза-объектив собирает лучи в фокусе, создавая там изображение объекта, а расположенную у глаза линзу-окуляр используют как лупу для рассматривания этого изображения. В телескопе Галилея окуляром служила отрицательная линза, дающая прямое изображение довольно низкого качества с малым полем зрения.

Кеплер и Декарт развили теорию оптики, и Кеплер предложил схему телескопа с перевернутым изображением, но значительно большими полем зрения и увеличением, чем у Галилея. Эта конструкция быстро вытеснила прежнюю и стала стандартом для астрономических телескопов. Например, в 1647 польский астроном Ян Гевелий (1611–1687) использовал для наблюдения Луны кеплеровы телескопы длиной 2,5–3,5 метра. Вначале он устанавливал их в небольшой башенке на крыше своего дома в Гданьске (Польша), а позже – на площадке с двумя наблюдательными пунктами, один из которых был вращающимся.

В Голландии Христиан Гюйгенс (1629–1695) и его брат Константин строили очень длинные телескопы, имевшие объективы диаметром лишь несколько дюймов, но обладавшие огромным фокусным расстоянием. Это улучшало качество изображения, хотя и затрудняло работу с инструментом. В 1680-х годах Гюйгенс экспериментировал с 37-метровым и 64-метровым «воздушными телескопами», объективы которых располагали на вершине мачты и поворачивали с помощью длинной палки или веревок, а окуляр просто держали в руках.

Используя линзы, изготовленные Д.Кампани, Ж.Д.Кассини (1625–1712) в Болонье и позже в Париже проводил наблюдения с воздушными телескопами длиной 30 и 41 м, продемонстрировав их несомненные достоинства, несмотря на сложность работы с ними. Наблюдениям очень мешала вибрация мачты с объективом, трудности его наведения с помощью веревок и тросов, а также неоднородность и турбулентность воздуха между объективом и окуляром, особенно сильная в отсутствие трубы.

Ньютон, телескоп-рефлектор и теория тяготения

В конце 1660-х годов И.Ньютон (1643–1727) пытался разгадать природу света в связи с проблемами рефракторов. Он ошибочно решил, что хроматическая аберрация, т.е. неспособность линзы собрать лучи всех цветов в один фокус, принципиально неустранима.

Поэтому Ньютон построил первый работоспособный телескоп-рефлектор, у которого роль объектива вместо линзы играло вогнутое зеркало, собирающее свет в фокусе, где изображение можно рассматривать через окуляр.

Однако важнейшим вкладом Ньютона в астрономию стали его теоретические работы, показавшие, что кеплеровы законы движения планет являются частным случаем всеобщего закона тяготения. Ньютон сформулировал этот закон и развил математические приемы для точного вычисления движения планет.

Это стимулировало рождение новых обсерваторий, где с высочайшей точностью измеряли положения Луны, планет и их спутников, уточняя с помощью теории Ньютона элементы их орбит и прогнозируя движение.

Часы, микрометр и телескопический визир

Не менее важным, чем улучшение оптической части телескопа, было усовершенствование его монтировки и оснащения. Для астрономических измерений стали необходимы маятниковые часы, способные идти по местному времени, которое определяется из одних наблюдений и используется в других. См. также История часов.

С помощью нитяного микрометра удалось при наблюдении в окуляр телескопа измерять очень малые углы. Для увеличения точности астрометрии важную роль сыграло совмещение телескопа с армиллярной сферой, секстантом и прочими угломерными инструментами. Как только визиры для невооруженного глаза были вытеснены маленькими телескопами, возникла потребность в значительно более точном изготовлении и делении угловых шкал. В значительной мере в связи с потребностями европейских обсерваторий развилось производство небольших высокоточных станков.

Государственные обсерватории

Улучшение астрономических таблиц

Со второй половины 17 в. для целей мореплавания и картографии правительства разных стран начали учреждать государственные обсерватории. В Королевской академии наук, основанной Людовиком XIV в Париже в 1666, академики взялись за пересмотр астрономических констант и таблиц «с нуля», приняв за основу работы Кеплера.

В 1669 по инициативе министра Ж.-Б.Кольбера была основана Королевская обсерватория в Париже. Ей руководило четыре замечательных поколения Кассини, начиная с Жана Доминика. В 1675 была основана Королевская Гринвичская обсерватория, возглавил которую первый Королевский астроном Д.Флемстид (1646–1719). Вместе с Королевским обществом, начавшим свою деятельность в 1647, она стала в Англии центром астрономических и геодезических исследований. В те же годы были основаны обсерватории в Копенгагене (Дания), Лунде (Швеция) и Гданьске (Польша).

Важнейшим результатом деятельности первых обсерваторий стали эфемериды – таблицы предвычисленных положений Солнца, Луны и планет, необходимые для картографии, навигации и фундаментальных астрономических исследований.

Введение стандартного времени

Государственные обсерватории стали хранителями эталонного времени, которое сначала распространяли с помощью оптических сигналов (флаги, сигнальные шары), а позже – по телеграфу и радио. Сигнальные шары падали по высокой мачте на крыше обсерватории в точно назначенное время, давая возможность капитанам стоящих в гавани судов проверять перед отплытием свои хронометры.

Определение долгот

Исключительно важной задачей государственных обсерваторий той эпохи было определение координат морских судов. Географическую широту легко найти по углу Полярной звезды над горизонтом. Но долготу определить гораздо сложнее. Одни методы основывались на моментах затмений спутников Юпитера; другие – на положении Луны относительно звезд. Но самые надежные методы требовали высокоточных хронометров, способных в течение плавания сохранять время обсерватории вблизи порта выхода.

Развитие Гринвичской и Парижской обсерваторий

В 19 в. важнейшими астрономическими центрами оставались государственные и некоторые частные обсерватории Европы. В списке обсерваторий 1886 года мы обнаруживаем 150 в Европе, 42 в Северной Америке и 29 в других местах. Гринвичская обсерватория к концу века имела 76-см рефлектор, 71-, 66- и 33-см рефракторы и множество вспомогательных инструментов. Она активно занималась астрометрией, службой времени, физикой Солнца и астрофизикой, а также геодезией, метеорологией, магнитными и другими наблюдениями. Парижская обсерватория тоже располагала точными современными инструментами и проводила программы, подобные гринвичским.

Новые обсерватории

Пулковская астрономическая обсерватория Императорской академии наук в С.-Петербурге, построенная в 1839, быстро добилась уважения и почета. Ее растущий коллектив занимался астрометрией, определением фундаментальных постоянных, спектроскопией, службой времени и множеством геофизических программ. Потсдамская обсерватория в Германии, открытая в 1874, вскоре стала авторитетной организацией, известной работами по физике Солнца, астрофизике и фотографическим обзорам неба.

Создание больших телескопов

Рефлектор или рефрактор?

Хотя телескоп-рефлектор Ньютона был важным изобретением, в течение нескольких десятилетий он воспринимался астрономами лишь как инструмент, дополняющий рефракторы. Вначале рефлекторы делали сами наблюдатели для собственных небольших обсерваторий. Но к концу 18 в. за это взялась молодая оптическая промышленность, оценив потребность растущего числа астрономов и геодезистов.

Наблюдатели получили возможность выбора из множества типов рефлекторов и рефракторов, каждый из которых имел достоинства и недостатки. Телескопы-рефракторы с линзами из высококачественного стекла давали изображение лучшее, чем у рефлекторов, да и труба у них была компактнее и жестче. Но рефлекторы могли быть изготовлены значительно большего диаметра, а изображения в них не были искажены цветными каемками, как у рефракторов. В рефлектор лучше видны слабые объекты, поскольку отсутствуют потери света в стеклах. Однако сплав спекулум, из которого делали зеркала, быстро тускнел и требовал частой переполировки (покрывать поверхность тонким зеркальным слоем тогда еще не умели).

ГершельВ.Гершель

В 1770-х годах дотошный и упорный астроном-самоучка В.Гершель построил несколько ньютоновых телескопов, доведя диаметр до 46 см и фокусное расстояние до 6 м. Высокое качество его зеркал позволило применить очень сильное увеличение. С помощью одного из своих телескопов Гершель открыл планету Уран, а также тысячи двойных звезд и туманностей. В те годы было построено много телескопов, но обычно их создавали и использовали энтузиасты-одиночки, без организации обсерватории в современном смысле.

Гершель и другие астрономы пытались построить более крупные рефлекторы. Но массивные зеркала гнулись и теряли свою форму, когда телескоп менял положение. Предела для металлических зеркал достиг в Ирландии У.Парсонс (лорд Росс), создавший рефлектор диаметром 1,8 м для своей домашней обсерватории.

Строительство крупных телескопов

Обсерватория Маунт-Вилсон в горах Сан-ГабриельПромышленные магнаты и нувориши США скопили в конце 19 в. гигантские богатства, и некоторые из них занялись филантропией. Так, наживший состояние на золотой лихорадке Дж.Лик (1796–1876) завещал основать обсерваторию на горе Гамильтон, в 65 км от Санта-Крус (Калифорния). Ее главным инструментом стал 91-см (36-дюймовый) рефрактор, тогда крупнейший в мире, изготовленный известной фирмой «Алван Кларк и сыновья» и установленный в 1888.

А в 1896 там же, на Ликской обсерватории, начал работать 91-см рефлектор Кроссли, тогда крупнейший в США. Астроном Дж.Хейл (1868–1938) убедил чикагского трамвайного магната Ч.Йеркса финансировать строительство еще более крупной обсерватории для Чикагского университета. Ее основали в 1895 в Уильямс-Бэй (шт. Висконсин), оснастив 102-см (40-дюймовым) рефрактором, до сих пор и, вероятно, навсегда крупнейшим в мире.

Организовав Йеркскую обсерваторию, Хейл развил бурную деятельность по привлечению средств из различных источников, включая стального магната А.Карнеги, для строительства обсерватории в наилучшем для наблюдений месте Калифорнии. Оснащенная несколькими солнечными телескопами конструкции Хейла и 152-см рефлектором, обсерватория Маунт-Вилсон в горах Сан-Габриель к северу от Пасадины (шт. Калифорния) вскоре стала астрономической меккой.

Приобретя необходимый опыт, Хейл организовал создание рефлектора невиданного размера. Названный в честь основного спонсора, 254-см (100-дюймовый) телескоп им. Хукера вступил в строй в 1917; но прежде пришлось преодолеть множество инженерных проблем, поначалу казавшихся неразрешимыми.

Первой из них была отливка стеклянного диска нужного размера и его медленное охлаждение для получения высокого качества стекла. Шлифовка и полировка зеркала для придания ему необходимой формы заняла более шести лет и потребовала создания уникальных станков. Заключительный этап полировки и проверки зеркала проводили в специальном помещении с идеальной чистотой и контролем температуры. Механизмы телескопа, здание и купол его башни, сооруженной на вершине горы Вилсона (Маунт-Вилсон) высотой 1700 м, считались инженерным чудом того времени.

Вдохновленный прекрасной работой 254-см прибора, Хейл посвятил остаток жизни созданию гигантского 508-см (200-дюймового) телескопа. Спустя 10 лет после его смерти и из-за задержки, вызванной Второй мировой войной, телескоп им. Хейла вступил в строй в 1948 на вершине 1700-метровой горы Паломар (Маунт-Паломар), в 64 км к северо-востоку от Сан-Диего (шт. Калифорния). Это было научно-техническое чудо тех дней. Почти 30 лет этот телескоп оставался крупнейшим в мире, и многие астрономы и инженеры считали, что он никогда не будет превзойден.

Но появление компьютеров способствовало дальнейшему расширению строительства телескопов. В 1976 на 2100-метровой горе Семиродники у станицы Зеленчукская (Сев. Кавказ, Россия) начал работать 6-метровый телескоп БТА (Большой телескоп азимутальный), демонстрируя практический предел технологии «толстого и прочного» зеркала.

Путь строительства крупных зеркал, способных собирать больше света, а значит, видеть дальше и лучше, лежит через новые технологии: в последние годы развиваются методы изготовления тонких и сборных зеркал. Тонкие зеркала диаметром 8,2 м (при толщине ок. 20 см) уже работают на телескопах Южной обсерватории в Чили. Их форму контролирует сложная система механических «пальцев», управляемых компьютером. Успех этой технологии привел к разработке нескольких подобных проектов в разных странах.

Для проверки идеи составного зеркала в Смитсоновской астрофизической обсерватории в 1979 построили телескоп с объективом из шести 183-см зеркал, по площади эквивалентных одному 4,5-метровому зеркалу. Этот многозеркальный телескоп, установленный на горе Хопкинс в 50 км к югу от Тусона (шт. Аризона), оказался весьма эффективен, и данный подход использовали при строительстве двух 10-метровых телескопов им. У.Кека на обсерватории Мауна-Кеа (о. Гавайи). Каждое гигантское зеркало составлено из 36 шестиугольных сегментов по 183 см в поперечнике, управляемых компьютером для получения единого изображения. Хотя качество изображений пока невысокое, но удается получать спектры очень далеких и слабых объектов, недоступных другим телескопам. Поэтому в начале 2000-х годов планируется ввести в строй еще несколько многозеркальных телескопов с эффективными апертурами 9–25 м.

Разработка аппаратуры

Фотография

В середине 19 в. несколько энтузиастов начали использовать фотографию для регистрации изображений, наблюдаемых в телескоп. С повышением чувствительности эмульсий стеклянные фотопластинки стали главным средством регистрации астрофизических данных. Помимо традиционных рукописных журналов наблюдений в обсерваториях появились драгоценные «стеклянные библиотеки». Фотопластинка способна накапливать слабый свет далеких объектов и фиксировать недоступные глазу детали. С применением фотографии в астрономии потребовались телескопы нового типа, например, камеры широкого обзора, способные регистрировать сразу большие области неба для создания фотоатласов вместо рисованных карт.

В сочетании в рефлекторами большого диаметра фотография и спектрограф позволили заняться изучением слабых объектов. В 1920-х годов с помощью 254-см телескопа обсерватории Маунт-Вилсон Э.Хаббл (1889–1953) классифицировал слабые туманности и доказал, что многие из них являются гигантскими галактиками, подобными Млечному Пути. Кроме того, Хаббл открыл, что галактики стремительно разлетаются друг от друга. Это полностью изменило представления астрономов о строении и эволюции Вселенной, но лишь несколько обсерваторий, имевших мощные телескопы для наблюдения слабых далеких галактик, были в состоянии заниматься такими исследованиями.

Спектроскопия

Возникшая почти одновременно с фотографией, спектроскопия позволила астрономам из анализа света звезд определять их химический состав, а по доплеровскому смещению линий в спектрах изучать движение звезд и галактик. Развитие физики в начале 20 в. помогло расшифровать спектрограммы. Впервые появилась возможность изучить состав недоступных небесных тел. Эта задача оказалась по силам скромным университетским обсерваториям, поскольку для получения спектров ярких объектов не нужен крупный телескоп.

Так, обсерватория Гарвардского колледжа одной из первых занялась спектроскопией и собрала огромную коллекцию спектров звезд. Ее сотрудники классифицировали тысячи звездных спектров и создали базу для изучения звездной эволюции. Объединив эти данные с квантовой физикой, теоретики поняли природу источника звездной энергии.

В 20 в. были созданы детекторы инфракрасного излучения, приходящего от холодных звезд, из атмосфер и с поверхности планет. Визуальные наблюдения как недостаточно чувствительный и объективный измеритель блеска звезд были вытеснены вначале фотопластинкой, а затем электронными приборами.

 

Литература

Димитров Г., Бэкер Д. Телескопы и принадлежности к ним. М. – Л., 1947

King C. The History of the Telescope. Dover, 1979

Пономарев Д.Н. Астрономические обсерватории Советского Союза. М., 1987

Krusciunas K. Astronomical Centers of the World. Cambridge, 1987