CC BY
12УДК 521
1 2 Гульназ Фанисовна Ахтарьянова , Рамиль Наильевич Измаилов
12Международный центр астрофизики им. Я.Б. Зельдовича, Башкирский
государственный педагогический университет им. М.Акмуллы, Уфа, Россия
1akht_gul@mail. ru
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-2225-7232
Автор, ответственный за переписку: Ахтарьянова Гульназ Фанисовна,
akht_gul@mail. ru
ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ АСТРОНОМАМИ 17 - 18 ВЕКОВ С ПОМОЩЬЮ ДЛИННОФОКУСНЫХ ТЕЛЕСКОПОВ
Аннотация. В статье рассматривается краткая история исследования солнечной системы с применением длиннофокусных телескопов. Длиннофокусные телескопы 17-18 веков сыграли большую роль в становлении астрономической оптической промышленности в мире. Также с помощью этих телескопов были сделаны выдающиеся открытия, обогатившие астрономическую науку новыми данными.
Ключевые слова: история изучения солнечной системы, длиннофокусные телескопы, история астрономии
1 2 Gulnaz Fanisovna Akhtaryanova , Ramil Nailevich Izmailov
12 Ya. B. Zel'dovich International Centre for Astrophysics, Bashkir State Pedagogical
University n.a. M. Akmulla, Ufa, Russia
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-2225-7232
Corresponding author: Akhtaryanova Gulnaz Fanisovna, [email protected]
STUDY OF THE SOLAR SYSTEM BY ASTRONOMERS OF THE 17TH - 18TH CENTURIES USING LONG-FOCUS TELESCOPES
Abstract. The article discusses a brief history of the study of the Solar System using long-focus telescopes. Long-focus telescopes of the 17th and 18th centuries played a big role in the development of the astronomical optical industry in the world. Also, with the help of these telescopes, outstanding discoveries were made that enriched astronomical science with new data.
Keywords: history of the study of the Solar System, long-focus telescopes, history of astronomy
Первые телескопы, которые применял Галилео Галилей (1610 г.) и его современники, были небольшими, они состояли из двух линз. Передняя линза, направляемая к объекту (далее - объективная), была большего диаметра (4-5 см) и плоско-выпуклой, а другая -окулярная, меньшего диаметра (2-3 см) и плоско-вогнутой. Фокусное расстояние было порядка одного метра.
Вскоре было замечено, что хроматическая аберрация сильно ослабляется при увеличении фокусного расстояния объективной линзы. Оптиками 20 века (Д.Д. Максутов и др. [1-2]) было показано, что для получения хорошего качества изображения для одиночной линзы необходимо выполнение условия F > 7 D2,
где F (фокусное расстояние) и D (диаметр линзы) в мм. Например, при диаметре линзы D=50мм (5 см) необходимо фокусное расстояние более 17 500 мм или 17,5 м.
Наименьшей же сферической аберрацией, при прочих равных условиях, обладает двояковыпуклая линза.
Так началась гонка среди астрономов 17 века, стремившихся строить все более совершенные телескопы, увеличивая их длину (фокусное расстояние объективной линзы). Надо заметить, что качество изображения, даваемое телескопом, сильно зависит от качества изготовления линз и качества использованного стекла. Таким образом, мастера-оптики 17 века соревновались по нескольким направлениям: по улучшению технологии варки стекла и его обработки, с целью получения правильной сферической или плоской поверхности. Стекла для линз должны были быть совершенно прозрачными, без микровключений в виде маленьких пузырьков, вуалей и т.д.
Вскоре наметилась некоторая группа астрономов, которая добилась значительных успехов в этом направлении. Телескопы с длиннофокусными объективами строили Ян Гевелий (Польша), Христиан Гюйгенс (Англия), Джиовани Доминико Кассини и Джузеппе Кампани (Италия) и другие.
Ян Гевелий изучал Луну сначала в сравнительно небольшой телескоп (диаметр объектива 5 см, длина фокуса 2 метра), а затем строил и более длиннофокусные. Длину телескопов он довел до 65 метров. Такие телескопы уже не имели трубу. Объектив и окуляр были соединены с помощью тонкой бечевки. Вся система управлялась несколькими помощниками наблюдателя. Кроме своего научного труда «Селенография», в котором подробно описана и приведена карта поверхности Луны с кратерами, морями, горными системами, Гевелий известен как автор оригинального атласа звездного неба.
Рис. 1 Воздушный телескоп 17 века [3].
Множество открытий с помощью своих длиннофокусных телескопов сделал Христиан Гюйгенс. В постройке телескопов ему помогал брат Кристиан. В один из первых своих телескопов (диаметр 5,7 см, фокусное расстояние 3,3 метра) Гюйгенс открыл спутник Сатурна (самый крупный - Титан) и установил, что Сатурн окружен тонким кольцом (1655 г.). Вскоре он построил телескоп с диаметром объектива 6 см и фокусным расстоянием 6,9 метра. В этот телескоп он впервые смог рассмотреть поверхность Марса во время Великого противостояния.
Ж.Д. Кассини в телескоп с объективом, изготовленным Д. Кампани (фокусное расстояние 5,1 метра), смог рассмотреть узкую щель (щель Кассини) в кольце Сатурна. Было впервые показано, то кольцо Сатурна имеет сложное строение. Щель Кассини можно рассмотреть только в хорошие телескопы, с качественной оптикой. Объективы Кампани и в наше время отлично сохранились и признаются оптиками наиболее совершенными по обработке оптических поверхностей. Кассини, как и Гюйгенс применял длиннофокусные, воздушные телескопы (37, 54, 64 м), но наилучшие результаты наблюдений были получены в телескопы с фокусным расстоянием 5,1 метра.
Рис. 2: Телескоп с объективом Кампани (1714 г.). Восьмигранная труба. Объектив диаметром 93 мм и фокусным расстоянием 8,2 м [3]
При наблюдении в длиннофокусные рефракторы с применением больших увеличений яркость изображения сильно ослабляется. Особенно сильно ослаблено будет изображение протяженных объектов. Этим объясняется тот факт, что в длиннофокусные телескопы астрономы 17 века наблюдали в основном планеты, попутно открывая их спутники. Объекты дальнего космоса (туманности, звездные скопления, галактики) оставались на всем протяжении 17 века неисследованными, вплоть до начала применения крупных рефлекторов англичанином Вильямом Гершелем.
Длиннофокусные телескопы с однолинзовым объективом производились вплоть до середины 18 века, пока не были заменены на ахроматические телескопы Доллонда. Ахроматический дуплет состоял из двух линз: положительной (собирающей) и отрицательной (рассеивающей). Оптическая сила собирающей линзы несколько больше абсолютной величины оптической силы рассеивающей и система обладает положительной оптической силой, т.е. является собирающей. Исаак Ньютон полагал, что избавиться от хроматической аберрации (приводящая к окрашиванию изображения) можно только при одинаковом абсолютном значении оптических сил этих линз. Но в этом случае оптическая сила системы была бы нулевой, то есть эта система не могла собрать параллельный пучок света в одну точку. На этом основании Ньютон сделал вывод о невозможности устранения хроматической аберрации в оптических системах, содержащих линзы. Иногда этот вывод называют ошибочным, но если все элементы оптической системы были бы из одного сорта стекла, то Ньютон был абсолютно прав. Оптиками 18 века, а также величайшим математиком 18 века Леонардом Эйлером было показано, что если оптическая система будет состоять из линз, изготовленных из разного сорта стела, то хроматическую аберрацию можно значительно ослабить. Заметим, что уничтожить полностью не удастся. Хроматизм в системах из двух линз (дуплет) полностью уничтожить нельзя и он будет тем меньше, чем меньше относительный фокус.
Официально Дж. Доллонд получил патент на ахроматический объектив в 1758 году, но ахроматы начали строить уже с середины 30-х годов 18 века. В 1761 году М.В. Ломоносов уже применял доллондову трубу для наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца. Этот факт свидетельствует о том, что ахроматы Доллонда уже в начале 60-х годов 18 века широко продавались в Европе. Доллондова труба Ломоносова была длиной 1,5 метра. Это типичный размер небольших ахроматов того времени.
Рис. 3: Доллондова труба 18 века [3].
Более крупные достигали 3-4 метров при диаметре объектива 4-5 дюйма (10-13 см). По сравнению с воздушными телескопами 17 века с однолинзовым объективом, длины доллондовых труб были значительно меньше при одинаковом входном отверстии. Для сравнения телескопов можно использовать такую характеристику, как относительный фокус. Относительным фокусом называется отношение действующего диаметра объектива к его фокусному расстоянию D/F, где D - действующий диаметр объектива (входное отверстие), F - фокусное расстояние объектива. Если у воздушных телескопов эта величина достигала 1/300, то у доллондовых труб она была порядка 1/30 - 1/20. В таблице 1 приведены для сравнения значения относительных фокусов некоторых рефракторов, используемых в школах и других учебных заведения России в настоящее время.
Таблица 1.
Сведения о рефракторах, используемых в учебных заведениях России и российскими любителями астрономии [7]
Марка телескопа Диаметр объектива, мм Фокусное расстояние объектива, мм Относительный фокус
БШР (Большой школьный рефрактор) 80 80 1/10
МШР (малый школьный рефрактор) 60 600 1/10
Телескоп Sky-Watcher BK 120 1000 1/8,3
1201
Телескоп Sky-Watcher BK 120 600 1/5
1206
Celestron AstroMaster 90AZ 90 1000 1/11
Телескоп Sky-Watcher BK 102 500 1/4,9
1025AZ3
Телескоп Sky-Watcher BK 707AZ2 70 700 1/10
Veber NewStar LT60090 AZII 90 600 1/6,7
Телескоп Bresser Classic 60 900 1/15
60/900
В эти телескопы доступно большинство объектов, которые наблюдали астрономы 17 века в свои длиннофокусные рефракторы с однолинзовым объективом. Некоторые объекты (щель Кассини в кольце Сатурна, Большой Сирт и полярные шапки на диске Марса) можно увидеть не в любой из этих современных ахроматов.
Длиннофокусные телескопы 17-18 веков сыграли большую роль в становлении астрономической оптической промышленности в мире. Наблюдения и открытия, сделанные с этими телескопами, подтолкнули оптиков к поискам путей преодоления ошибок, даваемых линзами (аберраций), улучшения качества варки различных сортов стекла. Кроме того, параллельно шла разработка теории оптических систем (Леонард Эйлер, Жд. Амичи и другие). Неоценимый вклад несли они и в астрономическую науку. С помощью этих телескопов были сделаны выдающиеся открытия, обогатившие астрономическую науку новыми данными.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. Москва: Наука, 1979. 395 с.
2. Максутов Д. Д. Изготовление и исследование астрономической оптики. Москва: Наука, 1984. 272 с.
3. Universal History Archive Premium High Res Photos [Электронный ресурс]. URL: https://www.gettyimages.com/photos/universal-history-archive (дата обращения: 03.02.23).
4. Современный телескоп / О. А. Мельников, Г. Г. Слюсарев, А. В. Марков, Н. Ф. Купревич. Москва: Наука, 1968. 370 с.
5. Михельсон Н. И. Оптические телескопы: Теория и конструкция. Москва: Наука, 1976.
6. Телескопы. / И. С. Боуэн [и др.]; под ред. Дж. Койпера и Б. Миддлхёрст; пер. с англ. под ред. В. А. Крата и Н. Л. Кайдановского. Москва: Издательство иностранной литературы, 1963. 316 с.
7. Список астрономических инструментов России [Электронный ресурс] // Википедия: Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_астрономических_инструментов_России (дата обращения: 03.02.23).
REFERENCES
1. Maksutov D. D. Astronomicheskaya optika. Moskva: Nauka, 1979. 395 s.
2. Maksutov D. D. Izgotovlenie i issledovanie astronomicheskoj optiki. Moskva: Nauka, 1984.
272 s.
3. Universal History Archive Premium High Res Photos. [E'lektronny'j resurs] URL: https://www.gettyimages.com/photos/universal-history-archive (data obrashheniya: 03.02.23).
4. Sovremenny'j teleskop / O. A. Mel'nikov, G. G. Slyusarev, A. V. Markov, N. F. Kuprevich. Moskva: Nauka, 1968. 370 s.
5. Mikhel'son N. I. Opticheskie teleskopy': Teoriya i konstrukcziya. Moskva: Nauka, 1976.
6. Teleskopy'. / I. S. Boue'n [i dr.]; pod red. Dzh. Kojpera i B. Middlkhyorst; per. s angl. pod red. V. A. Krata i N. L. Kajdanovskogo. Moskva: Izdatel'stvo inostrannoj literatury', 1963. 316 s.
7. Spisok astronomicheskikh instrumentov Rossii [E'lektronny'j resurs] // Vikipediya: Svobodnaya e'ncziklopediya. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_астрономических_инструментов_России (data obrashheniya: 03.02.23).
Информация об авторах
Г.Ф. Ахтарьянова - младший научный сотрудник;
Р.Н. Измаилов - кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный
сотрудник.
Information about the authors
G.F. Akhtaryanova - junior researcher;
R.N. Izmailov - candidate of science (physics and mathematics), docent, senior researcher.
