Чудеса астрономии: передовой оптический телескоп… из 1939 года

В февральском номере журнала «Популярная Механика» от 1939-го года рассказывалось о наиболее совершенном телескопе той эпохи, который находился на горе Паломар, к юго-востоку от Пасадены. В те времена этот телескоп мог собирать в четыре раза больше света и мог «видеть» в два раза дальше любого другого телескопа из когда-лидо построенных. Паломарская обсерватория остаётся действующим исследовательским центром вот уже более 80 лет.

Статья из журнала:

Уже через год самый могучий телескоп о котором мы только могли мечтать – гигант, стоимостью 6 миллионов долларов, который было «невозможно построить» – будет прочёсывать небеса, внося новый вклад в человеческие знания. Огромный 500-сантиметровый рефлектор, принадлежащий Калифорнийскому технологическому институту, начнёт работу в конце 1939-го, или в начале 1940-го года, значительно опережая график.

Сейчас производятся заключительные работы над огромным стальным куполом высотой с 14-этажный дом, который накроет астрономическое оборудование на самой вершине горы Паломар в 140 километрах на юго-восток от Пасадены. Сам телескоп, за исключением хрупких оптических элементов, будет готов этой зимой.

Благодаря тому, что телескоп будет собирать в четыре раза больше света, чем любые существующие аналоги, Паломарская обсерватория сможет «видеть» в два раза дальше, нежели любой телескоп на планете. Фокусное расстояние у него будет в два раза больше, чем у следующего по величине телескопа. Обсерватория будет использоваться для изучения небесных объектов слишком тусклых для существующих инструментов.

Астрономы надеются, что смогут обнаружить системы, состоящие из десятков миллиардов звёзд, каждая из которых будет размером с наш Млечный Путь, и тем самым расширят границы изведанной Вселенной ещё как минимум на один миллиард световых лет. Один световой год равняется расстоянию в 9,4 триллионов километров, то есть тому расстоянию, которое преодолевает свет за один год.

Сердцем нового телескопа станет пятиметровое сферическое зеркало, которое сейчас находится на заключительном этапе полировки и придания ему необходимой формы. Около двух тонн стекла были сошлифованы для придания поверхности вогнутой формы. Ещё немного стекла будет удалено на протяжении последующих двенадцати месяцев окончательной полировки. Поверхность зеркала будет отполирована с точностью до одной миллионной доли сантиметра, а в специальной вакуумной камере на зеркало будет нанесён алюминиевый отражающий слой, всего несколько молекул толщиной.

Этот телескоп не будет похож ни на что ранее существующее, и будет более универсальным, чем большинство инструментов. Новый вид монтировки позволить ему охватить всё видимое небо: от северного полюса до южного горизонта. Его оптические элементы могут сочленяться разными способами чтобы способствовать конкретному виду исследования.

Прямые наблюдения будут проводиться в центре основного фокуса, точке, в которой пересекаются отражённые от сферического зеркала лучи. Исследователь будет размещаться в небольшой пулевидной постройке внутри каркаса телескопа. Разумеется, постройка будет уменьшать количество попадающего на зеркало света, но астрономы считают, что этот метод будет более эффективен, нежели диагональное зеркало, которое обычно размещается в центре основного фокуса и отражает лучи из оптической трубы телескопа в точку наблюдения.

Заменив клетку наблюдателя на зеркало в центре основного фокуса, и отражая собранный свет вниз через отверстие в центре пятиметрового зеркала до точки наблюдения ниже, достигается совершенно иной оптический эффект. Даная схема Кассегрена будет использоваться для спектрографических и фотографических исследований. Однако при иной схеме размещения зеркал, известной как схема Куде, свет отражается от зеркала в центре основного фокуса к диагональному зеркалу, размещённому над гигантским «глазом» пятиметрового зеркала, и передаётся через систему других зеркал в помещение с постоянной температурой, где будет работать специальное спектрографическое оборудование. В данной схеме свет будет передаваться по системе из пяти зеркал. Для перемещения оптических элементов над телескопом будет размещён стреловой кран, который будет приводиться в движение электромоторами.

Астрономы считают, что этот телескоп по части многих наблюдений будет в два раза мощнее, чем было изначально запланировано. Всё благодаря значительным улучшениям, которым подверглись вспомогательные инструменты, с тех пор как телескоп был впервые спроектирован. Фотоэлектрическое оборудование, корректирующие линзы и чувствительность фотографической эмульсии были значительно улучшены, тем самым расширяя границы наблюдений и для всех остальных астрономических телескопов.

Большим шагом вперёд стало внедрение нового супертермометра, изобретённого доктором Джоном Стронгом ­­­– астрофизиком Калифорнийского технологического института. Этот инструмент, называемый радиационным пирометром, напоминает небольшой телескоп и оснащен линзами из каменной соли и кварца, которые экранируют все, кроме инфракрасного излучения. Эти лучи падают на два тонких золотых листочка, прикрепленных к проводам крошечного гальванометра. Помимо его важности в астрономических исследованиях, инструмент может измерить температуру человека на расстоянии нескольких миль, а также измерять поверхностное тепло облаков или воздушных шаров.

Новые идеи, новые материалы и новые методы – всё это было необходимо в постройке такого «гиганта» в мире телескопов. Точность и скрупулёзность, которые раньше никогда не применялась на таких масштабах, здесь были крайне необходимы. Направить огромный телескоп на звезду, и удерживать изображение неподвижным во время медленного движения звезды по ночному небу, сравнимо только с удержанием в прицеле оружия цели, находящейся в десяти километров и двигающейся со скоростью метр в минуту. Чтобы постоянно следовать за звездой, телескоп должен двигаться одновременно по двум осям. Большой купол над ним также должен вращаться, чтобы инструмент всегда смотрел сквозь открытые створки в крыше. Различные движущиеся элементы весят по сотни тонн каждая, и даже малейшие вибрации могут полностью перечеркнуть все достоинства телескопа.

Для некоторых научных задач, улавливаемое огромным собирающим свет «оком» изображение звезды должно проходить через щель шириной в одну тысячную сантиметра. И любая вибрация может испортить это изображение. Однажды, во время наблюдений на другом телескопе, вибрации от бетономешалки в полторы лошадиные силы мощности, которая находилась в нескольких зданиях от обсерватории, было достаточно, чтобы повлиять на корректную работу оборудования.

Одним из самых сложных вызовов стала разработка механизма плавного движения огромного купола весом более 900 тонн. Даже небольшая вибрация, которая бы заставила слегка дребезжать стакан воды, стала бы слишком ощутимой при работе телескопа. Проблема была решена с помощью нового типа приводов, разработанного младшим инженером проекта – Эдмундом Грантом. Купол поддерживается тридцатью двумя четырёхколёсными тележками железнодорожного типа, которые двигаются по рельсам вокруг округлой стены. Вместо того, чтобы использовать для поворота купола обычную зубчатую рейку, Грант создал новый вид фрикционного привода, который состоит из четырёх электродвигателей мощностью семь с половиной лошадиных сил каждый, соединённых вертикально с огромными обрезиненными колёсами-катками, как у грузовика, которые с силой прижимаются к куполу.

Двигательная установка в тридцать лошадиных сил неспешно вращает резиновые катки, которые прижимаются ко внутренней стене купола. Огромные пружины давят на катки с силой более 38 тонн. Каждый двигатель и каток установлены на резиновых вибропоглотителях. Система работает настолько тихо, что иногда трудно понять, когда двигатели работают, а когда нет. Также при строительстве телескопа и купола вместо клепки использовалась дуговая сварка.

Изоляция большого зеркала от перепада температуры чрезвычайно важна, поскольку малейшее изменение формы вогнутой поверхности зеркала может снизить его эффективность. На самом деле, сам купол состоит из двух куполов, один из которых поддерживается внутри внешней оболочки. Для изоляции, они разделены между сбой более чем метровым слоем воздуха. Внешний купол покрашен под алюминий (для отражения солнечных лучей). Внутренний купол также покрыт защитным алюминиевым покрытием. По оценке, даже в самые жаркие дни температура внутри купола не должна подниматься больше, чем на пять градусов. Когда пятиметровое зеркало в основании телескопа не будет использоваться, оно будет защищено теплоизолирующими металлическими листами, которые складываются над зеркалом, как лепестки цветов. Для их открытия используется специальный привод.

Для того чтобы заранее убедиться в том, как этот небесный гигант будет работать, и исправить любые возможные просчёты в конструкции, учёные построили на крыше кампуса астрофизического института в Пасадене масштабную модель всего строения, включая электроприводы и купол. Модель, в масштабе 1 к 10 от реального размера, оборудована 50-сантиметровым зеркалом, и также оказалась очень полезным и эффективным инструментом.

До запуска «большого» телескопа остаётся ещё год, но Паломарская обсерватория уже вошла в историю, так как там установлен самый большой в мире телескоп Шмидта, с зеркалом диаметром 61 и апертурой 45 сантиметров. В сотрудничестве с обсерваторией Маунт-Вилсон института Карнеги, в Паломарской обсерватории изучается один из самых загадочных феноменом во Вселенной.

Тут учёные изучают сверхновые – звёзды обычной или незначительной яркости, которые внезапно вспыхивают невероятным свечением без явных на то причин. Такие звёзды могут увеличивать свою яркость практически от нуля до яркости ста миллионов Солнц. Конечно, такие сверхновые находятся от нас так далеко, что увидеть мы их можем только в телескоп. Может потребоваться целый месяц, чтобы вспышка достигла пика своей яркости, после чего «одичавшая» звезда снова начинает тускнеть.

В изучении сверхновых учёные находятся на самой границе неизведанного. Спектр излучения этих звёзд не похож ни на один из спектров других известных объектов. Вероятно, химические элементы в этих звёздах находятся в таком физическом состоянии, что они не могут быть распознаны или сравнены с известными нам элементами. Вместо тонких спектральных линий, по которым определяются элементы входящие в состав звёзд, линии от сверхновых занимают очень широкий диапазон.

Изучение удивительного характера спектра, внезапных вспышек яркости и огромного высвобождения энергии, обнаруженных в сверхновых, может привести к огромному количеству новых открытий. Однако сегодня, практически всё что мы о них знаем ­– это большая загадка.

В любой системе, такой как галактика, где находится наше Солнце, сверхновая звезда может возникнуть только один раз в 600 или 1000 лет. Важность телескопа Шмидта заключается в его способности обнаруживать такие сверхновые звезды по мере их появления. После чего другие научные инструменты могут быть направлены на них для тщательного изучения. Нынешний телескоп Шмидта перерождается в ещё более крупном инструменте с 180-сантиметровым зеркалом, на самой вершине горы Паломар.