Александр Гурштейн - Извечные тайны неба

Создание больших линзовых телескопов сопряжено с непреодолимыми техническими трудностями. Но сравнительно быстро астрономы осознали, что есть иной подход к проблеме. В качестве объективов могут использоваться вогнутые зеркала. А изготовление больших вогнутых зеркал – дело значительно более простое, чем изготовление таких же линз. Телескопы с зеркальными объективами носят название отражательных телескопов, или телескопов-рефлекторов.

Небольшие телескопы-рефлекторы мастерил в своей домашней лаборатории уже Ньютон. Первые крупные инструменты были изготовлены в конце XVIII в. Пионером в этом деле стал известный английский музыкант, композитор и педагог Вильям Гершель. Музыкантом Гершель оставался до 36 лет, когда понял, что его призвание – астрономия. Он задумал собственными глазами осмотреть все то, о чем писалось в астрономических книгах. Не имея денег для покупки телескопа, Гершель начал строить его сам. Потом построил второй, третий. С каждым разом они становились все больше и лучше. Но Гершель не прекращал совершенствовать их. Бывали случаи, когда он не отрывался от работы по суткам. Его сестра, боясь, как бы он не умер с голоду, кормила его, как ребенка.

Трубы Гершеля не имели такой потрясающей длины, как трубы Гевелия. Но зато у них были огромные объективы, которые позволяли Гершелю наблюдать очень слабые объекты. Самый крупный из зеркальных телескопов Гершеля имел зеркало поперечником 120 см при сравнительно короткой трубе – 12 м. Вверх-вниз он двигался с помощью блоков, а вправо-влево поворачивался на специальной платформе.

До середины XVIII в. астрономам было известно, включая Землю, шесть планет. Открытие, впервые прославившее Гершеля, – седьмая планета, которая не видна простым глазом. Ее назвали Ураном.

Благодаря работам Гершеля из астрономии была выделена еще одна область исследований – звездная астрономия. Этот отдел астрономии занимается изучением строения и развития нашей Галактики и других звездных систем, которое ведется преимущественно статистическими методами.

Другой важный раздел астрономии получил бурное развитие в XIX в. на стыке астрономии и физики. Сегодня этот раздел называют астрофизикой.

Как и всякая другая область науки, астрофизика имеет долгую предысторию. Если говорить всерьез, то невозможно указать на одного-единственного «отца астрофизики». В сущности астрофизикой занимался уже Гиппарх, который разделил звезды по их блеску на 6 звездных величин. В начале XIX в. исследованиями по поляризации света большой вклад в будущую астрофизику внес француз Франсуа Араго.

Астрофизика взросла на анализе особенностей поступающего от небесных светил электромагнитного излучения. Основой астрофизики стал спектральный анализ.

Свечение тел, или, в более общем виде, излучение энергии в форме электромагнитных колебаний, – явление чрезвычайно сложное, тесно связанное с внутренним строением излучающего тела. Электромагнитные колебания, излучаемые твердыми и жидкими телами, не имеют строго определенной, единой длины волны, а являются «смесью» – набором колебаний всевозможных длин волн.

Так как изменение направления распространения волновых колебаний при переходе в среду с иной плотностью (преломление) связано с их длиной, то лучок разноволновых колебаний может быть «расщеплен» и разложен в спектр. Пропустив луч солнечного света через стеклянную призму, мы получим на экране цветную полоску – сплошной (или, иначе, непрерывный) спектр. Беспорядочная «смесь» колебаний с разнообразными длинами волн оказывается рассортированной. Впервые такой опыт с солнечным светом проделал Ньютон.

Газ, находящийся под высоким давлением, также дает непрерывный спектр, от которого резко отличается спектр светящегося газа и паров нормальной или пониженной плотности. Спектр светящегося газа состоит из отдельных линий излучения – некоторого числа узких ярких линий, разделенных темными промежутками. Число и положение линий излучения строго определенно и неизменно для каждого газа. Такой спектр носит название линейчатого.

В 1802 г. англичанин Волластон обнаружил на фоне непрерывного солнечного спектра семь узких темных линий. Эти линии привлекли внимание немецкого оптика, строителя телескопов Йозефа Фраунгофера.

Крупным недостатком линзовых телескопов-рефракторов долгое время оставалось окрашивание изображения, которое получалось из-за разложения света в спектр при прохождении через стеклянный объектив. Значительно ослабить этот недостаток можно, собирая объектив из двух или нескольких линз, сделанных из стекол с различными коэффициентами преломления.

С целью лучшего подбора оптических стекол для объективов Фраунгофер углубился в точные определения их коэффициентов преломления. Но ему постоянно мешала неопределенность, к какому именно виду света – красному, желтому или синему – отнести результат измерений.

Йозеф Фраунгофер, оптик и физик, прожил недолгую жизнь, но успел оставить яркий след в истории науки. Имея богатый практический опыт, он в тридцать лет становится совладельцем оптико-механической фирмы, которая снабжала совершеннейшими в то время астрономическими инструментами всех ведущих астрономов мира. Нам предстоит рассказать о Фридрихе Бесселе и В. Я. Струве: оба этих выдающихся астронома XIX века широко оснащали свои обсерватории астрономическими инструментами работы Фраунгофера.

Во время экспериментов в 1814 г. Фраунгофер вслед за Волластоном убедился, что солнечный спектр испещрен множеством темных линий, положение которых в спектре, так же как и линий излучения в линейчатом спектре, остается строго определенным и неизменным. Это открытие очень помогло Фраунгоферу, который стал свои измерения коэффициентов преломления всегда относить к каким-либо определенным темным линиям.

Значение темных линий в солнечном спектре, получивших название фраунгоферовых, было выяснено впоследствии совместными усилиями немецкого физика Кирхгофа и химика Бунзена. Раскладывая в спектр луч света, прошедший через холодный газ, они обнаружили на фоне непрерывного спектра темные линии поглощения точно в тех же местах, где находятся линии излучения, характерные для этого же газа в нагретом состоянии.

В результате открытия спектра поглощения существование фраунгоферовых линий в солнечном спектре сразу же получило исчерпывающее объяснение. Эти линии являются линиями поглощения паров различных химических элементов и соединений, расположенных между источником непрерывного спектра – яркой поверхностью Солнца – и спектральным прибором.