Антон Первушин - Космос. Прошлое, настоящее, будущее

Специализация телескопов сейчас настолько велика, что некоторые из них уже ничем не напоминают классический телескоп с его трубой, системой наведения (монтировкой), объективом и окуляром. Особенно это касается астрофизических инструментов. Ведь разные физические процессы проявляют себя разными видами излучений и частиц: одни испускают оптические кванты, другие – рентгеновское или гамма-излучение, третьи – радиоволны. В одних процессах рождаются протоны и нейтроны, в других – электроны и нейтрино, в третьих – гравитационные волны. Телескопы всех типов важны для астрофизики, но все же наибольший объем информации о Вселенной мы до сих пор получаем от оптических телескопов. О них и продолжим разговор.

Чтобы созданное объективом телескопа изображение зарегистрировать и запомнить, нужна камера с памятью. У человека эту роль исполняют сетчатка глаза и мозг. У современной электронной фотокамеры – светочувствительная пластинка (ПЗС-матрица из фотодиодов) и компьютер с его памятью (например, на флеш-карте), а в XIX и XX веках для этой цели служила фотографическая эмульсия, которая и регистрировала изображение, и хранила его.

В наших домашних альбомах еще сохранилось множество снимков, полученных на фотоэмульсии, а развитие астрофизики вообще было бы невозможно без ее использования. Люди давно мечтали научиться фиксировать моментальное изображение объектов в оптических лучах, и впервые это удалось сделать в первой половине XIX века с использованием фотографической эмульсии, нанесенной на твердую или эластичную поверхность. В середине XIX века этот метод быстро получил широкое распространение благодаря дешевизне и простоте применения.

Фотоэмульсия состоит из микроскопических (1 мкм) кристаллов бромистого серебра с небольшой примесью йодистого серебра, взвешенных в желатиновой основе. Фотон, поглощенный кристаллом, освобождает электрон, превращающий ион серебра в атом. Для получения отдельного стабильного кристалла необходимо образование от 10 до 20 атомов серебра, подобная группа атомов формирует отдельный центр чувствительности (зерно) в скрытом изображении. Чтобы изображение стало видимым, после экспонирования фотоэмульсию нужно проявить, то есть с помощью химического процесса из бромистого серебра выделить чистое серебро. Любопытно, что катализатором этого процесса служат атомы самого серебра. Таким образом, кристаллы, имеющие центры чувствительности, проявляются быстрее (полностью превращаясь в серебро), нежели неэкспонированные кристаллы бромистого серебра. Разумеется, весь процесс проявления организуется в полной темноте, на ощупь.

Поскольку в дальнейшем с фотоэмульсией работают на свету, необходимо после проявления сделать ее нечувствительной к свету. Поэтому, смыв остатки проявителя чистой водой, фотоэмульсию фиксируют при помощи другого химического процесса, во время которого происходит растворение и удаление из эмульсии непроявленного бромистого серебра. После этого эмульсию окончательно промывают дистиллированной водой и высушивают. Полученное фотографическое изображение воспроизводит объект съемки, причем большая плотность проявленных зерен серебра соответствует большей яркости объекта. Поэтому, поскольку металлическое серебро поглощает свет, фотографическое изображение оказывается негативным. Для получения нормального (позитивного) изображения необходимо перефотографировать негатив, то есть изготовить негатив негатива. Этот процесс называют фотопечатью. Обычно в быту позитивное изображение печатают на фотобумаге, то есть бумаге, покрытой слоем фотоэмульсии. Однако для большинства астрономических применений используются непосредственно негативы, полученные на фотопластинках.

Фотографическая пластинка – это тонкая стеклянная пластинка, на которую нанесен слой фотоэмульсии. В быту вместо дорогих фотопластинок чаще использовали фотопленку, нанося тонкий слой фотоэмульсии на прозрачную целлулоидную основу. Ее делали листовой (в виде прямоугольных пластин) и рулонной (лента, накрученная на катушку). Последняя была особенно популярна и использовалась в малоформатных камерах. Иногда ее использовали и в научных экспериментах. Но для астрономических работ жесткие фотопластинки были предпочтительнее фотографических пленок на целлулоидной основе. Это особенно важно для точных астрометрических измерений, поскольку стеклянные пластинки менее подвержены деформациям и лучше хранятся. Изображение, регистрируемое на фотоэмульсии, является черно-белым. Комбинация нескольких слоев из эмульсий с различной спектральной чувствительностью дает возможность получать цветные снимки. Но астрономы предпочитают делать монохромные снимки через различные светофильтры, а затем при желании синтезировать из них цветные, точно так же, как на экране цветного телевизора из трех монохромных изображений (RGB) получается цветное.

В каждой крупной обсерватории есть специальное хранилище – стеклянная библиотека, – где тщательно сохраняются все фотопластинки, отснятые астрономами на всех телескопах этой обсерватории. Ведь каждая пластинка содержит уникальные данные, потеряв которые, их уже не восстановишь. А совокупно на фотопластинках всех обсерваторий мира зафиксирована история Вселенной более чем за 100 лет. С этими стеклянными «страницами» обращаются крайне осторожно, как с бесценными документами. Когда в конце XX века появились высококачественные сканеры, все крупные обсерватории начали сканировать свои пластинки и через интернет делать их изображения доступными для всех астрономов – профессионалов и любителей. И эта огромная работа еще не закончена.

Фотографическая эмульсия имеет низкую квантовую эффективность (0,1–1 %), что частично объясняется значительным количеством фотонов, которые должны поглотиться в отдельном кристалле, прежде чем образуется устойчивый центр чувствительности. Скорость образования центров чувствительности в некоторой степени зависит от размеров кристаллов бромистого серебра; более чувствительные эмульсии имеют больший размер кристаллов. В то же время при большем размере кристаллов разрешающая способность эмульсии снижается, поэтому необходим разумный компромисс между скоростью образования зерен (чувствительностью) и разрешением (четкостью снимка). При длинных экспозициях чувствительность фотоэмульсии существенно снижается, поскольку происходит нарушение обратно пропорциональной зависимости между потоком света и временем, необходимым для его регистрации. Выпускается ряд специальных астрономических фотоэмульсий, для которых этот эффект снижен, но не исключен полностью.