1.5. Наблюдаем Луну с Земли

Луна – царица неба. Это знает каждый любитель астрономии. Какой бы оптический инструмент ни появился у желающего полюбоваться ночным небом, в первую очередь он направит его на Луну. Половина нашей книги посвящена «путешествиям к Луне» с телескопом. Прочитав главы 2–5, вы узнаете, кто и когда составил первые карты Луны, кто первым навел на нее телескоп. Обычно первенство в этом приписывают Галилею, хотя исторические изыскания говорят, что он мог и не быть самым-самым первым. Тем не менее именно Галилей был в числе первых двух-трех «астрономов с телескопом», и как никто другой он продемонстрировал возможности этого простого, но удивительно полезного прибора.

1.5.1. Телескоп Галилея

Отмечая 400-летие создания телескопа, мы должны вспомнить о тех временах. Как известно, Галилео Галилей занялся экспериментами с линзами в середине 1609 г., после того как узнал, что в Голландии для потребностей мореплавания была изобретена зрительная труба. Ее создали в 1608 г., возможно, независимо друг от друга голландские оптики Ганс Липперсгей, Яков Мециус и Захария Янсен. Всего за полгода Галилею удалось создать мощный астрономический инструмент и сделать ряд изумительных открытий.

Рис. 1.21. Очки появились за несколько столетий до телескопа.

Успех Галилея в совершенствовании телескопа нельзя считать случайным. Итальянские мастера стекла уже основательно прославились к тому времени: еще в XIII в. они изобрели очки. И именно в Италии была на высоте теоретическая оптика. Трудами Леонардо да Винчи она из раздела геометрии превратилась в практическую науку. «Сделай очковые стекла для глаз, чтобы видеть Луну большой», – писал он в конце XV в. Возможно, хотя этому и нет прямых подтверждений, Леонардо удалось изготовить телескопическую систему.

Оригинальное исследование по оптике линз, зеркал и призм провел в середине XVI в. итальянец Франческо Мавролик (1494–1575). Его соотечественник Джованни Батиста де ла Порта (1535–1615) посвятил оптике два великолепных произведения: «Натуральная магия» и «О преломлении». В последнем он даже приводит оптическую схему телескопа и утверждает, что ему удавалось видеть на большом расстоянии мелкие предметы. В 1609 г. он пытается отстаивать приоритет в изобретении зрительной трубы, но фактических подтверждений этому оказалось недостаточно. Как бы то ни было, работы Галилея в этой области начались на хорошо подготовленной почве. Но, отдавая должное предшественникам Галилея, будем помнить, что именно он сделал из забавной игрушки работоспособный астрономический инструмент.

Рис. 1.22. Схема зрительной трубы (рисунок Леонардо да Винчи): cd – линза объектива, АВ – тубус-бленда объектива, EF – тубус окуляра, тп – хрусталик глаза наблюдателя, расположенный за линзой окуляра.

Свои опыты Галилей начал с простой комбинации положительной линзы в качестве объектива и отрицательной линзы, дающей трехкратное увеличение, в качестве окуляра. Сейчас такая конструкция называется театральным биноклем. Это самый массовый оптический прибор после очков. Разумеется, в современных театральных биноклях в качестве объектива и окуляра применяются высококачественные просветленные линзы, иногда даже сложные, составленные из нескольких стекол. Они дают широкое поле зрения и отличное изображение. Галилей же использовал простые линзы как для объектива, так и для окуляра. Его телескопы страдали сильнейшей хроматической и сферической аберрацией, т. е. давали размытое на краях и не сфокусированное в различных цветах изображение.

Рис. 1.23. Галилео Галилей

Однако Галилей не остановился, подобно голландским мастерам, на «театральном бинокле», а продолжил эксперименты с линзами и к январю 1610 г. создал несколько инструментов с увеличением от 20 до 33 раз. Именно с их помощью он совершил свои замечательные открытия: обнаружил спутники Юпитера, горы и кратеры на Луне, мириады звезд в Млечном Пути, и др. Уже в середине марта 1610 г. в Венеции на латинском языке вышел труд Галилея «Звездный вестник», где были описаны эти первые открытия телескопической астрономии. В сентябре 1610 г. ученый открывает фазы Венеры, а в ноябре обнаруживает признаки кольца у Сатурна, хотя и не догадывается об истинном смысле своего открытия («Высочайшую планету тройною наблюдал», – пишет он в анаграмме, пытаясь закрепить за собой приоритет открытия). Пожалуй, ни один телескоп последующих столетий не дал такого вклада в науку, как первый телескоп Галилея.

Рис. 1.24. Телескоп Галилея – один из величайших научных инструментов всех времен. Сегодня каждый из нас может за вечер сделать такой же оптический инструмент и, взглянув на небо, ощутить себя Галилеем.

Однако те любители астрономии, кто пытался собирать телескопы из очковых стекол, нередко удивляются малым возможностям своих конструкций, явно уступающих по «наблюдательным возможностям» кустарному телескопу Галилея. Порой современные наблюдатели не могут обнаружить даже спутники Юпитера, не говоря уже о фазах Венеры.

Во Флоренции, в Музее истории науки (рядом со знаменитой картинной галереей Уффици) хранятся два телескопа из числа первых построенных Галилеем. Там же находится и разбитый объектив третьего телескопа: его видно на фотографии (рис. 1.25) в нижней части подставки, в центре дорогой виньетки. В начале XX в. эти телескопы были изучены (см. табл.). С ними были даже проведены астрономические наблюдения.

Оптические характеристики первых объективов и окуляров телескопов Галилея (размеры в мм)

Оказалось, что первая труба имела разрешающую способность 20″ и поле зрения 15′, а вторая – соответственно 10″ и 15′. Увеличение первой трубы было 14-кратным, а второй – 20-кратным. Разбитый объектив третьей трубы с окулярами от первых двух труб давал бы увеличение в 18 и 35 раз. Итак, мог ли Галилей сделать свои изумительные открытия, используя столь несовершенные инструменты?

Именно таким вопросом задался англичанин Стивен Рингвуд и, чтобы выяснить ответ, создал точную копию лучшего телескопа Галилея (Ringwood, 1994). В октябре 1992 г. Стив Рингвуд воссоздал конструкцию третьего телескопа Галилея и в течение года проводил с ним всевозможные наблюдения. Объектив его телескопа имел диаметр 58 мм и фокусное расстояние 1650 мм. Как и Галилей, Рингвуд диафрагмировал свой объектив до диаметра апертуры D = 38 мм, чтобы получить лучшее качество изображения при сравнительно небольшой потере проницающей способности. Окуляром служила отрицательная линза с фокусным расстоянием -50 мм, дающая увеличение в 33 раза. Поскольку в такой конструкции телескопа окуляр размещается перед фокальной плоскостью объектива, полная длина трубы составила 1440 мм.

Самым большим недостатком телескопа Галилея Рингвуд считает его малое поле зрения – всего 10′, или ¹/₃ лунного диска. Причем на краю поля зрения качество изображения очень низкое. При использовании простого критерия Рэлея, описывающего дифракционный предел разрешающей способности объектива, можно было бы ожидать качества изображения в 3,5–4,0″. Однако хроматическая абберация снизила его до 10–20″. Проницающая сила телескопа, оцененная по простой формуле (2 + 5 lg D) ожидалась около +9,9^m. Однако в действительность не удалось обнаружить звезд слабее +8^m.

Рис. 1.25. Телескопы Галилея, хранящиеся в Музее истории науки (Флоренция).

При наблюдении Луны телескоп показал себя неплохо. В него удалось разглядеть даже больше деталей, чем было зарисовано Галилеем на его первых лунных картах. «Возможно, Галилей был неважный рисовальщик или его не очень интересовали детали лунной поверхности?» – удивляется Рингвуд. А может быть, опыт изготовления телескопов и наблюдения с ними был у Галилея еще недостаточно велик? Мне кажется, что причина именно в этом. Качество стекол, отполированных Галилеем собственноручно, не может соперничать с качеством современных линз. Ну и, конечно, Галилей не сразу научился смотреть в телескоп. Имея 40-летний опыт визуальных наблюдений, я могу это утверждать.

Кстати, а почему создатели первых зрительных труб – голландцы – не совершили астрономических открытий? Предприняв наблюдения с театральным биноклем (увеличение 2,5–3,5 раза) и с полевым биноклем (увеличение 7–8 раз), вы заметите, что между их возможностями пролегает пропасть. Современный высококачественный 3-кратный бинокль позволяет (при наблюдении одним глазом!) с трудом заметить крупнейшие лунные кратеры; очевидно, что голландская труба с таким же увеличением, но более низким качеством не могла и этого. Полевой бинокль, дающий приблизительно те же возможности, что и первые трубы Галилея, показывает нам Луну во всей красе, со множеством кратеров. Усовершенствовав голландскую трубу, добившись в несколько раз более высокого увеличения, Галилей перешагнул через «порог открытий». С тех пор в экспериментальной науке этот принцип не подводит: если вам удастся улучшить ведущий параметр прибора в несколько раз, вы сделаете открытие.

Безусловно, самым замечательным открытием Галилея явилось обнаружение четырех спутников Юпитера и диска самой планеты. Вопреки ожиданиям, низкое качество телескопа не сильно помешало наблюдениям системы юпитеровых спутников. Рингвуд ясно видел все четыре спутника и смог, как и Галилей, каждую ночь отмечать их перемещение относительно планеты. Правда, не всегда удавалось одновременно хорошо сфокусировать изображение планеты и спутника: очень мешала хроматическая аберрация объектива. А вот что касается самого Юпитера, то Рингвуд, как и Галилей, не смог обнаружить никаких деталей на диске планеты. Слабоконтрастные широтные полосы, пересекающие Юпитер вдоль экватора, оказались полностью замыты в результате аберрации.

Рис. 1.26. Цейссовский театральный бинокль, оформленный в виде очков, – прямой потомок телескопа Галилея.

Очень интересный результат получил Рингвуд при наблюдении Сатурна. Как и Галилей, при увеличении в 33 раза он увидел лишь слабые вздутия («загадочные придатки», как писал Галилей) по бокам планеты, которые великий итальянец, конечно же, не мог интерпретировать как кольцо. Однако дальнейшие эксперименты Рингвуда показали, что при использовании других окуляров с большим увеличением все же можно различить более ясные признаки кольца. Сделай это в свое время Галилей, и открытие колец Сатурна состоялось бы почти на полстолетия раньше и не принадлежало бы Гюйгенсу (1656 г.).

Рис. 1.27. Полевой бинокль – потомок телескопа Кеплера.

Впрочем, наблюдения Венеры доказали, что Галилей быстро стал искусным астрономом. Оказалось, что в наибольшей элонгации фазы Венеры не видны, ибо слишком мал ее угловой размер. И только когда Венера приблизилась к Земле и в фазе 0,25 ее угловой диаметр достиг 45″, стала заметна ее серпообразная форма. В это время ее угловое удаление от Солнца уже было не так велико, и наблюдения оказались затруднены.

Самым же любопытным в исторических изысканиях Рингвуда, пожалуй, явилось разоблачение одного старого заблуждения по поводу наблюдений Галилеем Солнца. До сих пор считалось общепринятым, что в телескоп системы Галилея невозможно наблюдать Солнце, спроецировав его изображение на экран, ибо отрицательная линза окуляра не может построить действительного изображения объекта. Только изобретенный немного позже телескоп системы Кеплера из двух положительных линз дал такую возможность. Считалось, что впервые наблюдал Солнце на экране, помещенном за окуляром, немецкий астроном Кристоф Шейнер (1575–1650). Он одновременно и независимо от Кеплера создал в 1613 г. телескоп аналогичной конструкции.

А как наблюдал Солнце Галилей? Ведь именно он открыл солнечные пятна. Долгое время существовало убеждение, что Галилей наблюдал дневное светило глазом в окуляр, пользуясь облаками как светофильтрами или подкарауливая Солнце в тумане низко над горизонтом. Считалось, что потеря Галилеем зрения в старости частично была спровоцирована именно его наблюдениями Солнца. Однако Рингвуд обнаружил, что и телескоп Галилея может давать вполне приличную проекцию солнечного изображения на экран, причем солнечные пятна видны очень отчетливо. Позже в одном из писем Галилея Рингвуд обнаружил подробное описание наблюдений Солнца путем проекции его изображения на экран. Странно, что этого обстоятельства не отмечали раньше.

Думаю, что каждый любитель астрономии не откажет себе в удовольствии на несколько вечеров «стать Галилеем». Для этого нужно всего лишь сделать галилеев телескоп и попытаться повторить открытия великого итальянца. В детстве я делал из очковых стекол кеплеровы трубы, а лет 15 назад не удержался и соорудил инструмент, похожий на телескоп Галилея. В качестве объектива я использовал насадочную линзу диаметром 43 мм силой в +2 диоптрии, а окуляр с фокусным расстоянием около -45 мм взял от старинного театрального бинокля. Телескоп получился не очень мощный, с увеличением всего в 11 раз, но и у него поле зрения оказалось маленькое, диаметром около 50′, а качество изображения неровное, значительно ухудшающееся к краю. Однако изображения стали значительно лучше при диафрагмировании объектива до диаметра 22 мм, а еще лучше – до 11 мм. Яркость изображений, разумеется, понизилась, но наблюдения Луны от этого даже выиграли.

Как и ожидалось, при наблюдении Солнца в проекции на белый экран мой телескоп действительно давал изображение солнечного диска. Отрицательный окуляр увеличил эквивалентное фокусное расстояние объектива в несколько раз (принцип телеобъектива). Поскольку не сохранилось сведений о том, на каком штативе Галилей устанавливал свой телескоп, я наблюдал, удерживая трубу в руках, а в качестве опоры для рук использовал ствол дерева, забор или раму открытого окна. При 11-кратном увеличении этого было достаточно, но при 30-кратном, мне кажется, у Галилея могли быть проблемы.

Можно считать, что исторический эксперимент по воссозданию первого телескопа удался. Теперь мы знаем, что телескоп Галилея был довольно неудобным и скверным прибором с точки зрения современной астрономии. По всем характеристикам он уступал даже нынешним любительским инструментам. У него было лишь одно преимущество – он был первым, а его создатель Галилей «выжал» из своего инструмента все, что возможно. За это мы чтим Галилея и его первый телескоп.