Как работают телескопы и что они помогают увидеть во Вселенной

Главная задача телескопа — собрать больше света. Человеческий глаз делает это через зрачок диаметром всего несколько миллиметров. У телескопа роль зрачка выполняет объектив или главное зеркало, и его площадь может быть в тысячи раз больше.

Поэтому с большим телескопом можно увидеть более тусклые объекты.

Увеличение тоже важно, но само по себе оно не сделает изображение лучше. Если сильно увеличить картинку, полученную маленьким телескопом, вместо новых деталей получится просто большое размытое изображение.

Есть и другая проблема: телескоп смотрит на Вселенную через атмосферу. Воздух искажает свет, из-за чего звёзды мерцают, а изображение становится менее чётким. Кроме того, атмосфера блокирует значительную часть ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Поэтому некоторые телескопы отправляют на орбиту. Там между прибором и космическими объектами уже нет атмосферы Земли.

Первые подзорные трубы появились в Европе в начале XVII века. Они были довольно примитивными и использовались, в частности, для наблюдений на расстоянии.

В 1609 году Галилео Галилей направил такой прибор на небо и обнаружил то, чего невозможно было увидеть невооружённым глазом: горы и кратеры на Луне, спутники Юпитера и фазы Венеры.

Первые телескопы имели серьёзный недостаток: линзы давали хроматические аберрации. По краям объектов появлялись цветные ореолы, а изображение становилось менее чётким.

Со временем астрономы начали использовать зеркала вместо линз. Так появились рефлекторы. Они позволили создавать телескопы с гораздо большей апертурой и не страдали от хроматической аберрации, характерной для простых линзовых систем. Одна проблема всё-таки оставалась: каким бы большим ни был телескоп, он всё равно находился под атмосферой.

Идея вывести телескоп за пределы атмосферы появилась задолго до того, как это стало технически возможным. В 1923 году немецкий инженер Герман Оберт написал о космической обсерватории в книге «Ракета к межпланетным пространствам». В 1946 году американский астрофизик Лайман Спитцер подробно описал научные преимущества такого прибора.

Но между идеей и настоящим космическим телескопом лежали десятилетия инженерных задач, которые раз за разом приходилось решать. Прибор нужно было вывести на орбиту, защитить от перепадов температуры и радиации и обеспечить его работу без возможности обычного ремонта.

Первые космические телескопы появились ещё до «Хаббла», но именно его запуск в 1990 году сделал орбитальную астрономию известной широкой публике.

Линзы, зеркала и комбинации того и другого

По конструкции оптические телескопы делятся на три основные группы:

• Рефракторы используют линзы. Свет проходит через объектив, преломляется и собирается в фокусе.
• Рефлекторы используют зеркала. Главное зеркало собирает свет и направляет его к фокусу. Такая конструкция особенно удобна для создания больших телескопов.
• Катадиоптрики объединяют линзы и зеркала. За счёт этого можно сделать относительно компактный прибор с большой апертурой.

Космический телескоп «Хаббл» относится к рефлекторам. Он построен по схеме Ричи — Кретьена: свет собирает главное зеркало диаметром 2,4 метра.

Радиотелескопы — это тоже телескопы

Некоторые объекты во Вселенной почти или совсем не видны в обычном свете, зато активно излучают радиоволны. Их изучают с помощью радиотелескопов. В зависимости от конструкции радиотелескоп может выглядеть как большая параболическая антенна или система из множества антенн. Они собирают радиоволны и направляют их к приёмнику.

Можно ещё взять несколько радиотелескопов и объединить в интерферометр. Тогда они работают как единая система, а расстояние между антеннами становится частью «размера» инструмента. Так можно получать очень высокое угловое разрешение.

Наземные обсерватории строят в местах с сухим и разреженным воздухом — обычно высоко в горах. Чем меньше атмосферы находится над телескопом, тем меньше её влияние на наблюдения. Но даже на вершине горы воздух никуда не исчезает. Турбулентность продолжает искажать изображение.

Для борьбы с ней используют адаптивную оптику. Специальная система постоянно измеряет искажения и с помощью управляемых деформируемых элементов меняет форму зеркала, компенсируя влияние атмосферы. Благодаря этому современные наземные телескопы могут получать изображения исключительно высокого качества. В некоторых диапазонах они даже превосходят космические телескопы по угловому разрешению — прежде всего благодаря значительно большей апертуре.

Зато у космических телескопов есть другое преимущество: между прибором и наблюдаемыми объектами нет земной атмосферы.

Когда в 1990 году NASA запустило «Хаббл», от него ждали революции в астрономии. Но вскоре выяснилось, что главное зеркало телескопа изготовили с дефектом: его форма немного отличалась от расчётной. Для человеческого глаза разница была бы совершенно незаметной. Для космического телескопа она оказалась огромной.

Изображения получались размытыми. Казалось, что многолетняя работа и огромные расходы оказались напрасными. Но конструкция «Хаббла» изначально предусматривала обслуживание на орбите. Инженеры разработали корректирующую оптику, которая компенсировала дефект зеркала, а астронавты установили необходимое оборудование во время первой сервисной миссии в 1993 году. После этого «Хаббл» смог работать так, как от него и ожидали.

Что умеет «Хаббл»

Главное зеркало телескопа имеет диаметр 2,4 метра. Сам «Хаббл» весит около 11 тонн. Он наблюдает Вселенную в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. За десятилетия работы телескоп сделал миллионы наблюдений и получил изображения туманностей, галактик, звёздных скоплений и других объектов.

Но ценность «Хаббла» не только в красивых фотографиях. Его наблюдения помогли уточнить скорость расширения Вселенной, изучать рождение и эволюцию галактик и исследовать сверхмассивные чёрные дыры.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» наблюдает преимущественно инфракрасное излучение. Вселенная расширяется, поэтому свет от далёких галактик по дороге к нам растягивается и смещается в сторону более длинных волн. Это называется космологическим красным смещением.

Инфракрасное излучение также лучше проходит сквозь некоторые облака космической пыли. Поэтому «Уэбб» может изучать области, где рождаются звёзды и планеты.

У телескопа четыре основных научных инструмента: камеры и спектрографы NIRCam, NIRSpec, MIRI и NIRISS. Они позволяют получать изображения и одновременно изучать спектры объектов.

Свет от далёких галактик идёт к нам миллиарды лет. Поэтому, когда телескоп смотрит на очень далёкую галактику, он видит то, какой она была в далёком прошлом.

Не так давно астрономы зафиксировали галактику MoM-z14 с красным смещением 14,44. Мы видим её такой, какой она была примерно через 280 миллионов лет после Большого взрыва.

Годом ранее рекорд принадлежал галактике JADES-GS-z14-0: её красное смещение составляет около 14,3, а свет показывает Вселенную примерно через 290 миллионов лет после Большого взрыва.

Есть граница наблюдаемой Вселенной: область, откуда свет успел добраться до нас за время существования Вселенной. Чем дальше объект, тем более ранний этап космической истории мы видим.

Некоторые результаты уже заставляют учёных пересматривать модели ранней Вселенной: отдельные галактики оказались более яркими и массивными, чем ожидалось.

Для знакомства с астрономией необязательно иметь прибор стоимостью в миллионы долларов.

На Луне можно рассматривать кратеры и горные хребты. У Юпитера видны четыре крупнейших спутника — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. При хорошем телескопе заметны и полосы в его атмосфере. Кольца Сатурна можно увидеть даже в относительно небольшой любительский телескоп.

А вот галактики и туманности требуют других условий. Здесь важны и размер телескопа, и место наблюдения. В городе фонари и подсветка зданий создают световое загрязнение, из-за которого слабые объекты буквально теряются на фоне неба. Поэтому для наблюдений туманностей и галактик лучше уехать подальше от города.

Для сравнения: диаметр Луны примерно 3500 километров, а флаг — около полутора метров. На расстоянии 384 000 километров это слишком маленький объект для такого телескопа.

Но места посадок «Аполлонов» фотографировали. Например, это делал аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter, находящийся на орбите Луны. Он способен различать посадочные модули, оборудование и следы деятельности астронавтов. Но с Земли флаг в телескоп не увидеть.

Один из самых распространённых вариантов сборки домашнего телескопа — рефлектор Ньютона. Тебе понадобятся главное зеркало, вторичное зеркало, труба, монтировка и окуляр. Самая сложная часть — главное зеркало. От его качества во многом зависит, насколько хорошо телескоп будет показывать мелкие детали.

Такой проект позволяет разобраться, как работает телескоп. А после первой самостоятельной настройки становится гораздо понятнее, почему астрономы так много говорят о миллиметрах апертуры, качестве оптики и устойчивости монтировки.

В России работает несколько крупных астрономических обсерваторий. Одна из самых известных — Специальная астрофизическая обсерватория РАН на Северном Кавказе. Там находится Большой телескоп азимутальный, или БТА, с главным зеркалом диаметром 6 метров. Когда его построили, он был крупнейшим оптическим телескопом в мире.

Там же расположен РАТАН-600 — радиотелескоп с кольцевой системой отражателей диаметром около 600 метров. Он используется для наблюдений радиоизлучения различных космических объектов. Российские учёные также участвуют в международных астрономических проектах.

За четыре века телескоп превратился из простой оптической трубы в сложнейший научный прибор. Галилей смотрел на Луну и планеты и обнаруживал, что небесный мир устроен совсем не так, как казалось раньше. «Хаббл» позволил увидеть далёкие галактики и точнее изучить историю Вселенной. «Джеймс Уэбб» теперь заглядывает ещё глубже в прошлое — туда, где существовали первые галактики.

И каждый новый прибор отодвигает эту границу. Мы пока не знаем, насколько близко сможем подойти к первым звёздам и галактикам и какие сюрпризы найдём по дороге. Но история телескопов показывает: как только появляется более чувствительный способ смотреть на Вселенную, привычная картина почти всегда становится сложнее.