Книга: Извечные тайны неба

Виды на будущее

Виды на будущее

Руководитель авторского коллектива по созданию телескопа-рекордсмена, Б. К. Иоаннисиани в беседах с астрономами всегда подчеркивал, что конструкторская мысль не топчется на месте. Существующие телескопы в обозримом будущем, конечно, не устареют. Они будут продолжать нести вахту. Но в дополнение к ним войдут в строй более крупные инструменты следующих поколений с принципиально новыми конструктивными решениями.

Известно, что трудности создания больших объективов нарастают лавинообразно – несоизмеримо быстрее, чем растут их размеры. А что если вместо одного большого объектива использовать совместно несколько небольших? Зеркало с поперечником, скажем, 3 м собирает свет с площади 7 м². По своей рабочей площади один объектив с зеркалом в 3 м заменяют 3 зеркала с поперечниками всего в 1,7 м или 10 совсем небольших зеркал, поперечниками менее метра каждый. По трудовым затратам построить 10 метровых зеркал или даже 3 зеркала по 1,7 м гораздо легче и дешевле, нежели создать один-единственный объектив в 3 м. Весь вопрос заключается в том, как без потерь свести воедино изображения, построенные несколькими объективами.

История предложений по созданию телескопов с несколькими объективами насчитывает более полутора столетий. В связи с появлением множества технических новшеств эта проблема особенно активно разрабатывалась после второй мировой войны. И вот, наконец, в 1979 г. в США на горе Хопкинс близ города Тусона, штат Аризона, где расположена знаменитая Лунно-планетная лаборатория, на высоте 2600 м над уровнем моря был введен в действие многозеркальный телескоп (МЗТ) достаточно крупных размеров. Его объектив состоит из шести зеркал поперечниками 1,8 м, так что общая площадь шести объективов эквивалентна одному зеркалу диаметром в 4,4 м. Интересно обратить внимание, что в конструкции механической части МЗТ использован тот же принцип азимутальной монтировки, который был впервые успешно внедрен при создании гиганта БТА.

МЗТ – первый в астрономии пример крупного телескопа новой конструкции. Среди крупнейших астрономических инструментов мира он вышел на третье место, уступая по размерам рефлекторам классического типа: 6-метровому БТА и 5-метровому телескопу обсерватории Маунт Паломар (США). Опыт создания МЗТ показал жизнеспособность идеи, и сегодня открыта дорога для проектирования многозеркальных телескопов с зеркалами, суммарная эффективность которых эквивалентна одному зеркалу поперечником 15 и более метров, причем стоимость их относительно невысока. Телескоп с 36 зеркалами, эквивалентный 10-метровому телескопу, вступит вскоре в строй на Гавайских островах. Затраты на проектируемый в США «Национальный телескоп новой технологии» с четырьмя объективами, эквивалентными одному 16-метровому, оцениваются в 100 млн долларов. Внешне он будет напоминать ракетную установку для залпового огня; четыре 8-метровых телескопа как стволы связываются друг с другом в единую конструкцию. Раньше него, вероятно, вступит в строй «двустволка» – два 8-метровых телескопа, связанных вместе наподобие бинокля. Зеркала «двустволки» (официальное название этого проекта «Колумб») эквивалентны одному зеркалу с диаметром 11,3 м. «Сверхбольшой телескоп» сконструировала группа европейских стран для своей Южной обсерватории в Чили. Он включит четыре 8-метровых телескопа, расположенных в четырех независимых башнях вдоль единой оси.

Интересные технологические новинки применяются для отливки огромных стеклянных заготовок. Масса стекла плавится и охлаждается во вращающейся печи. Скорость вращения специально рассчитывается так, что благодаря действию инерции стеклянная заготовка сразу же принимает требуемую форму.

Эффективность астрономических наблюдений, конечно, зависит от размеров и качества применяемого телескопа, только даже прекрасный телескоп сам по себе не гарантирует успеха. Он должен быть снабжен чувствительным светоприемником.

На рубеже XIX и XX вв. основным приемником излучения в астрономии стала фотопластинка. Она практически не имеет ограничений по размерам, высокоинформативна, удобна в обращении, ее легко хранить. Помимо этих общеизвестных достоинств, фотопластинка обладает рядом серьезных недостатков. Во-первых, число фотонов, приводящих к образованию изображения, невелико по сравнению с общим числом упавших на фотоэмульсию фотонов: их соотношение составляет, как правило, не более чем 1:100. Во-вторых, диапазон яркости объектов, для которых почернение фотопластинки прямо пропорционально падающему на нее потоку излучения, тоже невелик.

В середине нашего века конкуренцию фотопластинке составили гораздо более чувствительные приемники телевизионного типа и электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Падающие на ЭОП фотоны приводят к возникновению облака вторичных фотоэлектронов, благодаря чему коэффициент усиления ЭОП может быть очень велик. Если к ЭОП присоединить телевизионную трубку, то появится возможность получать изображение, учитывающее все пришедшие от объекта фотоны. Приборы подобного типа называют «системами счета фотонов в изображении». Обладая феноменальной чувствительностью, они, вместе с тем, громоздки и сложны в эксплуатации.

С начала 70-х годов в астрономию властно ворвались твердотельные светоприемники с зарядовой связью, – так называемые ПЗС. В них используется трехслойная структура металл-диэлектрик-полупроводник. Принцип действия ПЗС основан на внутреннем фотоэффекте: при поглощении фотона в слое полупроводника возникают электрон и «дырка». Накапливая электроны в местах падения фотонов можно, в конечном счете, определить их количество и восстановить изображение. ПЗС обладают высокой точностью, стабильностью, малым энергопотреблением. При охлаждении жидким азотом (77 К) высококачественные ПЗС по своей чувствительности приближаются к системам счета фотонов в изображении. Сдерживает применение ПЗС их небольшая рабочая площадь и сложности в эксплуатации: необходимость глубокого охлаждения и нужда в ЭВМ для управления, считывания изображения и накопления информации. Типичный ПЗС представляет собой квадратик со стороной около сантиметра, разделенный примерно на 250 тыс. элементов изображения.

Отдельным направлением перспективного телескопостроения является создание космических телескопов для работы за пределами атмосферы Земли. Отсутствие атмосферных помех делает орбитальные телескопы гораздо более «дальнобойными», чем такие же по размерам телескопы на поверхности Земли. Нет у космических телескопов и ограничений по работе в различных участках спектра электромагнитных волн.

23 марта 1983 г. в СССР была запущена автоматическая астрофизическая станция «Астрон» с телескопом, предназначенным для исследований в ультрафиолетовой области спектра. Установленный на «Астроне» телескоп – крупнейший из запускавшихся до тех пор на орбиту: поперечник его объектива 0,8 м. Телескоп сконструирован и построен в результате совместной работы Крымской астрофизической обсерватории АН СССР, Бюраканской астрофизической обсерватории АН Армянской ССР и ряда промышленных предприятий. Спектрометр для этого телескопа создан при участии Лаборатории космической астрономии из Марселя (Франция). Кроме того, на «Астроне» установлены рентгеновские спектрометры Института космических исследований АН СССР.

Помимо продолжительной основной программы наблюдений звезд и галактик, на протяжении 8 месяцев с декабря 1985 г. по июль 1986 г. с помощью «Астрона» велись наблюдения кометы Галлея.

В конце февраля 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке вспыхнула Сверхновая звезда. Безропотно проработавший к тому времени на орбите 4 года, «Астрон» оказался инструментом, полностью подходящим для детального изучения этого очень редкого явления.

Катастрофа «Челленджера» отодвинула на несколько лет вывод на орбиту американского космического телескопа имени Хаббла, в подготовке которого, помимо США, участвовало Европейское космическое агентство; дорогостоящий телескоп с зеркалом поперечником 2,4 м остался лежать в испытательном цехе фирмы «Локхид». Стоимость этого престижного инструмента умопомрачительно высока: к моменту предполагавшегося запуска летом 1986 г. фактические затраты на его создание превзошли 1,2 млрд долларов. Расчетный срок рабочей жизни телескопа 20 лет, но даже при таком большом сроке эксплуатации каждая его «наблюдательная минута» обойдется в 150 долларов. Немудрено, что для составления подходящей программы наблюдений в США пришлось организовать специальный научный институт.

Телескоп имени Хаббла должен дать возможность наблюдать предельно слабые небесные объекты, которые «не по зубам» ни одному наземному телескопу. Он должен отодвинуть край наблюдаемой Вселенной. Но это осуществится только при условии, если оправдает надежды система ориентации телескопа. Требования к ней суровы: удерживать телескоп наведенным на наблюдаемые объекты с погрешностью 0,007''. Если такого не произойдет, то преимущества космического телескопа по сравнению с наземными пойдут насмарку. Требования по точности ориентации исключают, кстати, возможность эксплуатации телескопа в присутствии космонавта. Малейшее движение человека вызовет отклонение оптической оси телескопа намного больше, чем критические 0,007''.

Серьезные меры предосторожности пришлось продумать на случай, если в условиях невесомости зеркало космического телескопа слегка изменит форму. За «спиной» зеркала установлены специальные толкатели, которые по командам с Земли способны внести в форму зеркала необходимые коррективы.

Крупным шагом к развертыванию в околоземном космическом пространстве долговременных астрономических обсерваторий явился запуск 31 марта 1987 г. в СССР с помощью ракеты-носителя «Протон» специализированного астрофизического модуля «Квант». Модуль был вскоре состыкован с орбитальной станцией «Мир». В состав научной аппаратуры модуля входят рентгеновская обсерватория «Рентген», созданная в порядке международного сотрудничества, а также разработанный в СССР при участии специалистов из Швейцарии ультрафиолетовый телескоп «Глазар» и многие другие приборы.

Астрономы полны решимости вступить в XXI век во всеоружии новых наземных и космических инструментов.