Оптичні телескопи та їх використання, Історія перших оптичних спостережень
Історія перших оптичних спостережень
Важко сказати, хто перший винайшов телескоп. Відомо, що ще древні використовували збільшувальне скло. Дійшла до нас і легенда про те, що Юлій Цезар нібито під час набігу на Британію з берегів Галлії розглядав у підзорну трубу туманну британську землю. Роджер Бекон, один із найбільш чудових вчених і мислителів XIII століття, він винайшов таку комбінацію лінз, за допомогою якої віддалені предмети при розгляді їх здаються близькими
Чи так це було насправді – невідомо. Безперечно, однак, що на початку XVII століття в Голландії майже одночасно про винахід підзорної труби заявили три оптики - Ліпперсгей, Меціус і Янсен. Розповідають, що ніби діти одного з оптиків, граючи з лінзами, випадково розташували дві з них так, що далека дзвіниця раптом здалася близькою. Як би там не було, до кінця 1608 року перші підзорні труби були виготовлені і чутки про ці нові оптичні інструменти швидко поширилися по Європі.
У Падуї в цей час вже користувався широкою популярністю Галілео Галілей, професор місцевого університету, промовистий оратор і пристрасний прихильник вчення Коперника. Почувши про новий оптичний інструмент, вирішив власноруч побудувати підзорну трубу. Сам він розповідає про це так: «Місяць десять тому стало відомо, що якийсь фламандець побудував перспективу, за допомогою якої видимі предмети, далеко розташовані від очей, стають чітко помітні, ніби вони знаходяться поблизу. Це і було причиною, через яку я звернувся до пошуку підстав і засобів для винаходу подібного інструменту. Незабаром після цього, спираючись на вчення про заломлення, я збагнув суть справи і спочатку виготовивсвинцеву трубу, на кінцях якої я помістив два оптичні стекла, обидва плоскі з одного боку, з іншого боку одне скло опукло-сферичне, інше увігнуте»
Цей первісток телескопічної техніки давав збільшення лише втричі. Пізніше Галілео вдалося побудувати досконаліший інструмент, який збільшує у 30 разів. І тоді, як пише Галілей «залишивши справи земні, я звернувся до небес»
У темні прозорі ночі в поле зору Галілеєвського телескопа було видно безліч зірок, недоступних неозброєним оку. Деякі туманні плями на нічному небі виявилися скупцями зірок, що слабо світяться. Великим зібранням скучено розташованих зірочок виявився і Чумацький шлях - білувата смуга, що слабо світиться, оперізувала все небо
Недосконалість першого телескопа завадила Галілею розглянути обручки Сатурна. Замість кілець він побачив по оді сторони Сатурна два якихось дивні придатки
Відкриття Галілея започаткували телескопічну астрономію. Але його телескопи, що затвердили остаточно новий коперницький світогляд, були дуже недосконалі
Вже за життя Галілея їм на зміну прийшли телескопи дещо іншого типу. Винахідником нового інструменту був знайомий нам Йоган Кеплер. У 1611 році в трактаті «Діоптрика» Кеплер дав опис телескопа, що складався з двох двоопуклих лінз. Сам Кеплер, типовий астроном - теоретик, обмежився лише описом схеми нового телескопа, а першим, хто побудував такий телескоп і вжив його для астрономічних цілей, був єзуїт Шейкер, опонент Галілея в їх гарячих суперечках про природу сонячних плям
Галілей виготовив трубу із збільшенням у 30 разів. Ця труба мала довжину 1245 мм; об'єктивом у неї була опукла лінза, діаметром 53,5 мм; плоскогнутий окуляр мав діаметр 25мм. Труба зі збільшенням у 30 разів була найкращою із труб Галілея; вона досі зберігається у музеї у Флоренції. За її допомогою Галілей зробив усі свої телескопічні відкриття
Галілей відкрив на Місяці гори та гірські ланцюги, а також кілька темних плям, що їх назвав морем. При першому ж знайомстві з поверхнею Місяця Галілео впала в очі обізнана обставина: поверхня Місяця здавалася схожою на поверхню Землі - на місячній поверхні (як і на земній) виявилися і великі гори, і гірські ланцюги, і моря, і долини. Галілей спочатку передбачав присутність на Місяці води (у морях) та атмосферної оболонки
Наприкінці 1609 і початку 1610 років Галілей досліджував з допомогою телескопа різні небесні об'єкти, зокрема чумацький Шлях. Аристотель вважав Чумацький Шлях атмосферним явищем. Але в телескоп Галілей відразу побачив, що сяйво Чумацького Шляху викликається незліченно скупченими зірочками. Отже, Чумацький шлях виявився скупченням зірок, тобто. явищем космічним, а зовсім не атмосферним
Відкриття Галілея порівнювали із відкриттям Америки; писали, що поточне століття по праву пишається відкриттям «нових небес». Ім'я Галілея прославлялося у численних листах, на честь нього складалися оди. Він зробив у короткий час найзнаменитішим вченим Європи. Галілей демонстрував у телескоп небесні об'єкти багатьом своїм співгромадянам та випадковим відвідувачам
Зауваження Галілея щодо природи Місяця та щодо місячних гір та гірських ланцюгів та зроблені ним виміри висот місячних гір показують, що він стояв на точці зору Коперника та Бруно. З читання «Зоряного вісника» читачі могли вивести лише такий висновок, що Галілей, на підставі своїх телескопічних спостережень, вважає Місяць подібним за своєю природою до Землі
Проти відкриттів, описаних у Зоряному віснику, посипалися друковані заперечення. Німецький астролог Мартін Хоркі написав брошуру під назвою: "Дуже короткий похід проти "Зоряного вісника"". Цей твір - куховарство астролога, пройнятого вірою у свою «науку» і не бажав «вірити галілеєвій трубі», оскільки «труби породжують ілюзії». Супутники Юпітера придумані Галілеєм, стверджував Хоркі, «для задоволення ненаситної його жадібності до золота»
Інший опонент - італієць Коломбе - послав Галілею цілий трактат, де між іншим заперечував проти місячних гір і взагалі проти всякого роду піднесень і заглиблень на місяць. На думку Коломбе, спостерігалися Галілеєм на місяці провалля і западини заповнені якоюсь абсолютно прозорою кристалічною речовиною. Таким чином, Місяць все-таки є точною сферою, як і передбачав «великий вчитель Аристотель»
Флорентинець Франческо Сіцці теж випустив памфлет проти «Зоряного вісника», де звів суперечки про нові несподівані відкриття Галілея до суто богословських тонкощів. Так, Сіцці заявляє, що в другій книзі Мойсея і в четвертому розділі книги пророка Захарії нібито міститься вказівки, що число планет на небі дорівнює семи. Число сім взагалі є символом досконалості, наприклад, у голові людини – сім «отворів» (два вуха, два очі, дві ніздрі та один рот). Аналогічно бог створив сім планет: дві «благодійні» - Юпітер і Венеру, дві «шкідливі» - Марс і Сатурн, дві «світили» - Сонце і Місяць, і одну «байдужу» - Меркурій. Звідси Сицци робить висновок: жодних нових планет (тобто супутників Юпітера) не може бути, а Галілей із його трубою грубо помилився
Розглянемо оптичні схеми та принцип дії галілеївського та кеплерівського телескопів. ЛінзаА, звернена дооб'єктиву спостереження називається об'єктивом, а та лінзаВ, до якої прикладає своє око спостерігач - окуляром. Якщо лінза товстіша посередині, ніж на краях, вона називається збірною або позитивною, в іншому випадку - розсіювальною або негативною. У телескопі самого Галілея об'єктивом служила плоскопукла лінза, а окуляром - плоскогнута. По суті, галілеївський телескоп був прообразом сучасного театрального бінокля, в якому використовуються двоопуклі і двояковогнуті лінзи в телескопі Кеплера і об'єктив і окуляр були позитивними двоопуклими лінзами
Уявімо найпростішу двоопуклу лінзу, сферичні поверхні якої мають однакову кривизну. Прямі, що з'єднують центри цих поверхонь, називають оптичною віссю лінзи. Якщо на таку лінзу падають промені, що йдуть паралельно до оптичної осі, вони, переломлюються в лінзі, збираються в точці оптичної осі, що називається фокусом лінзи. Відстань від центру лінзи до її фокусу називають фокусною відстанню
Чим більша фокусна кривизна поверхонь збірної лінзи, тим менша її фокусна відстань. У фокусі такої лінзи завжди виходить дійсне зображення предмета
Інакше поводяться розсіювальні, негативні лінзи. Пучок, що падає на них паралельно оптичній осі, вони розсіюють і у фокусі такої лінзи сходяться не самі промені, а їх продовження. Тому лінзи, що розсіюють, мають, як кажуть, уявний фокус і дають уявне зображення
Небесні світила, практично кажучи, знаходяться «в нескінченності», то зображення їх виходять у фокальній площині, тобто в площині, що проходить через фокусF і перпендикулярна до оптичної осі. Між фокусом і об'єктивом Галілей помістив лінзу, що розсіює, яка давала уявне, пряме збільшення.зображенняMN
Головним недоліком галілеївського телескопа було дуже мале поле зору - так називають кутовий поперечник гуртка піднебіння, видимого в телескоп. Через це наводити телескоп на небесне світило і спостерігати його за Галілеєю було дуже важко. З цієї ж причини галілеївські телескопи після смерті їх винахідника в астрономії не вживалися, і їх реліктом можна вважати сучасні театральні біноклі
У кеплерівському телескопі зображення виходить дійсне, збільшене та перевернуте. Остання обставина, незручна при спостереженнях земних предметів в астрономії несуттєва - адже в космосі немає якогось абсолютного верху чи низу, а тому небесні тіла не можуть бути повернені телескопом «нагору ногами»
Перша з двох головних переваг телескопа – це збільшення кута зору, під яким бачимо небесні об'єкти. Людське око здатне окремо розрізняти дві частини предмета, якщо кутова відстань між ними не менше однієї хвилини дуги. Тому, наприклад, на Місяці неозброєне око розрізняє лише великі деталі, діаметр яких перевищує 100 км. У сприятливих умовах, коли Сонце затягнуте хмарним серпанком, на його поверхні вдається розглянути найбільші із сонячних плям. Жодних інших подробиць неозброєним оком на небесних тілах не видно. Телескоп же збільшує кут зору в десятки та сотні разів
Друга перевага телескопа в порівнянні з оком полягає в тому, що телескоп збирає набагато більше світла, ніж зіниця людського ока, що має навіть у повній темряві діаметр не більше 8 мм. Очевидно, що кількість світла, що збирається телескопом, у стільки разів більша за ту кількість, яка збирає око, у скільки площа об'єктива більша за площу зіниці. Інакше кажучи, цевідношення дорівнює відношенню квадратів діаметрів об'єктива та зіниці
Зібране телескопом світло виходить із його окуляра концентрованим світловим пучком. Найменший його перетин називається вихідною зіницею. Галілеївська труба вихідної зіниці не має. По суті, вихідна зіниця - це зображення об'єктива, створюване окуляром. Можна довести, що збільшення телескопа (тобто збільшення кута зору проти неозброєним оком) дорівнює відношенню фокусної відстані об'єктива до фокусної відстані окуляра. Здавалося б, можна досягти будь-яких збільшень. Теоретично це так, але практично все виглядає інакше. По-перше, що більше вживане у телескопі збільшення, то менше його полі зору. По-друге, зі зростанням збільшення стають все помітнішими рухи повітря. Неоднорідні повітряні струмені розмазують, псують зображення і іноді те, що видно при малих збільшеннях, пропадає для великих. Нарешті, що більше збільшення, то блідіша, тьмяніше зображення небесного світила (наприклад, Місяця). Інакше кажучи, зі зростанням збільшення хоч і видно більше подробиць на Місяці, сонці та планетах, зате зменшується поверхнева яскравість їх зображень. Є й інші перешкоди, що заважають застосовувати дуже великі збільшення (наприклад, у тисячі та десятки тисяч разів). Доводиться шукати певний оптимум і тому навіть у сучасних телескопах, як правило, найбільші збільшення не перевищують кількох сотень разів
При створенні телескопів з часів Галілея дотримуються наступного правила: вихідна зіниця телескопа не повинна бути більшою за зіницю спостерігача. Легко збагнути, що інакше частина світла, зібраного об'єктивом, буде даремно втрачена. Дуже важливою величиною, що характеризує об'єктив телескопа, є відносний отвір, тобто відношеннядіаметра об'єктива телескопа до його фокусної відстані. Світлосилою об'єктива називається квадрат відносного отвору телескопа. Чим «світлосильніше» телескоп, тобто. що більше світлосила його об'єктива, то яскравіші зображення об'єктів він дає. Кількість світла, що збирається телескопом, залежить лише від діаметра його об'єктиву (але не від світлосили). Через явища, що називається в оптиці дифракцією, при спостереженнях у телескопи яскраві зірки здаються невеликими дисками, оточеними кількома концентричними райдужними кільцями. Зрозуміло, до справжніх дисків зірок дифракційні диски не мають жодного стосунку.
Таким був скромний початок «Чемпіонату» телескопів, що розвернувся пізніше, - тривалої боротьби за вдосконалення цих головних астрономічних інструментів.