«Perspicillum» Галілео – перший у світі телескоп

Людина завжди хотіла знати більше. Хотів заглянути за обрій, пізнати таємниці всесвіту. Тому люди з давніх-давен дивилися в небо, розмірковуючи, що означають ці маленькі вогники там, у недосяжній височі. Сьогодні наблизитися до розуміння їхніх загадок може кожен: до послуг професійних астрономів потужні наземні та космічні телескопи, а звичайна людина може скористатися біноклем або аматорським телескопом. Але яким був самий перший телескоп? Хто вперше відкрив завісу таємниці недосяжних небесних світил? Про це сьогоднішня історія.

Картина Джузеппе Бертіні "Галілео Галілей показує венеціанському дожу, як користуватися телескопом" Джерело: Wikimedia Commons (Public Domain)

Ідея створення збільшувального приладу для спостереження за небом займала найкращі уми людства з давніх-давен. Перші креслення лінзового телескопа з п'ятдесятикратним збільшенням було знайдено у записах Леонардо да Вінчі. Вони датовані 1509 роком і збереглася замітка геніального вченого, з якої випливає, що він планував спостерігати в нього за повним Місяцем.

Першу підзорну трубу – попередницю телескопа, як вважається, винайшов і побудував у 1607 році майстер з виробництва окулярів, що жив у Голландії, німець, Йоганн Ліпперсгей. За легендою, здатність лінз збільшувати зображення далеких предметів, виявили діти, що грали з ними. Втім, патент на винахід йому не видали, оскільки на той час кілька інших винахідників (Янсен, Метціус) також змогли продемонструвати свої версії зорових труб.

Але це були підзорні труби для спостереження за земними об'єктами.Вперше ж звернув їх погляд у небо знаменитий італійський філософ, механік та вчений Галілео Галілей (1564-1642). І хоч це не він винайшов підзорну трубу, саме він додумався і зміг повноцінно використовувати її як телескоп.

Перший екземпляр, виготовлений Галілеєм у 1609 році, був дуже скромним – трубка з парою лінз та триразовим збільшенням. Але трохи згодом, цього ж року, він зміг підняти збільшення до 8-9 разів. Нарешті, Галілео побудував рефрактор (лінзовий телескоп), що давав 32-кратне збільшення. Це була труба метрової довжини, з діаметром 4,5 см.

Враховуючи, що в той час лінзи виготовлялися вручну, без використання сучасного високоточного обладнання, його телескоп мав цілий букет різноманітних спотворень.

Цікаво, що Галілео Галілей називав свій астрономічний інструмент латинським словом Perspicillum, що означає окуляри. Назвати його «телескопом» запропонував 1611 року грецький вчений Джованні Демізіані.

Отже, Галілео Галілея мав на руках примітивний і недосконалий за сьогоднішніми мірками телескоп. Для порівняння, його збільшення було як у сучасного великого астрономічного бінокля. А аматорські телескопи в наші дні забезпечують збільшення мінімум у 100-140 крат. Які ж відкриття міг зробити Галілей зі своїм саморобним рефрактором? Насправді дуже значні:

• виявив, що Місяць далеко не плоский, а вкритий грандіозними горами (висоту яких він зміг обчислити) і величезними кратерами, відкрив явище місячної лібрації («похитування» супутника нашої планети);
• відкрив чотири найбільші супутники Юпітера, які так і називаютьгалілеєвими»: Іо, Європа, Ганімед та Каллісто;
• описав фази Венери, подібні до місячних;
• спостерігав невідомий на той час Нептун;
• зазначив наявність у Сатурна «дивних ручок», але зрозуміти, що це кільця не зміг через слабке збільшення свого телескопа;
• відкрив безліч невидимих ​​неозброєним оком зірок;
• побачив, що Чумацький шлях, видимий із Землі як суцільна сяюча стрічка, у телескоп розпадається на величезну кількість сяючих зоряних іскор.

Замальовки Місяця, виконані Галілео за підсумками спостереження в телескоп Джерело: Wikimedia Commons (Public Domain)

І, звичайно, всі ці та багато інших зроблених ним відкриття підтверджували теорію про те, що Земля та інші планети звертаються навколо Сонця, а не навпаки.

Таким чином, навіть простий телескоп, побудований понад чотири століття тому Галілео Галілеєм, дозволив значно розширити межі людству Всесвіту.

1. Вікіпедія / Статті «Телескоп», «Астрономічний бінокль», «Галілео Галілей»
2. Всесвіт за 60 секунд / Кочетова Анна. М: АСТ, 2016.
3. Природа описується формулами. Галілей. Науковий метод / Орріт Роджер Чорче. М: Де Агостіні, 2015.

Збільшувальні прилади потрібні морякам, щоб вчасно помітити судно вороже або довгоочікуваний берег; військовим, щоб розглянути віддалені ворожі позиції та скласти план битви; астрономам, щоб краще побачити зірки та планети. Перші такі прилади — зорові труби та телескопи — з'явилися на початку XVII ст.

Народження зорової труби

Перший креслення зорової труби виявлено у записах Леонардо да Вінчі від 1509 р. У 1604 р. німецький астроном І. Кеплер науково пояснив, як проходять промені через подібну оптичну систему з двох лінз. А через 4 роки в Голландії, що славилася своїм склодувним виробництвом та найкращими очковими майстрами, вже з'явилися зорові труби з двох лінз.Троє голландських майстрів І. Ліпперсгей, З. Янсен та Я. Меціуспрацюючи з лінзами, помітили, що опукла (збирає) і увігнута (розсіююча) лінзи, встановлені на певній відстані один від одного, здатні створити точне наближене зображення віддаленого предмета. Першим свій винахід продемонстрував Ліпперсгей у 1608 р. – цей рік і вважається датою народження зорової труби.

Труба спрямована в небо

У 1609 р. італійський астроном, математик, фізик і мислитель Галілео Галілей сконструював зорову трубу з трикратним збільшенням і направив її в небо, розглядати зірки, – так зорова труба перетворилася на телескоп. Для астрономічних спостережень Галілей створив телескоп, який збільшує зображення у 8 разів. Найкращий телескоп Галілея збільшував у 32 рази. З його допомогою Галілей розглянув складний рельєф поверхні Місяця, відкрив 4 супутники (місяця) планети Юпітер, виявив плями на Сонці, а збільшений Чумацький Шлях у телескопі став скупченням окремих зірок.

У Росії зорові труби називалися "підзорними" – "збільшують пильність". Галілей називав свій винахід – "perspicillum" ("ясно бачу"). Назва «телескоп» (від грецьк. tele – далечінь і skopeo – дивлюся) запропонував у 1611 р. грецький математик Дж. Демізіані.

Кут зору

Віддалені предмети чи предмети близькі, але надто дрібні ми бачимо погано чи зовсім не бачимо, тому що кут зору від них дуже малий. Кут зору – це кут заломлення кришталиком очі світлових променів від предмета. Промені, відбиті від предмета, проходять через кришталик нашого ока і проектуються на сітківці у перевернутому вигляді. Але мозок знову перевертає зображення, і ми бачимо світ правильно.

Орбітальний (космічний) телескоп Хаббл – один з найбільших сучасних телескопів, який дозволяє побачити навіть малий спалах світла з відстані 400 000 км. Цей прилад може побачити із Землі ввімкнену на Місяці лампочку.

Як працює телескоп

Система лінз у зоровій трубі або оптичний телескоп змінює напрямок світлових променів, показуючи нам предмет під великим кутом зору. Зображення на сітківці збільшується, і бачимо подробиці будови предмета. Коли кажуть, що телескоп збільшує в 10 разів, це означає, що він показує предмети під кутом зору в 10 разів більшим, ніж очей, що не озброєне.

Телескоп Галілея – це труба, в яку з обох боків вставлені лінзи. Звернена до ока лінза – це окуляр, а лінза, звернена до об'єкта спостереження, об'єктив. Об'єктив — лінза, що збирає, збільшує кут зору. Окуляр телескопа – розсіююча лінза, що перетворює промені, що сходяться, що йдуть від об'єктиву, знову в паралельні, але на меншій площі. Лінза, що розсіює, не дає перевернути зображення, і в телескопі Галілея світ видно правильно.

Телескоп збирає широкий паралельний світловий пучок у вузький паралельний пучок, посилюючи «щільність» світлового потоку і роблячи видимим, наприклад, світло далеких зірок, нерозрізнене неозброєним оком.

Розвиток ідеї

Телескоп Галілея – це рефрактор – тип оптичних телескопів, що працюють за рахунок рефракції – заломлення світлових променів у системі лінз. У 1611 р. Кеплер запропонував замінити лінзу, що розсіює, в окулярі телескопа збираючої – вона перетворювала розбіжний пучок променів (після їх фокусування об'єктивом (F) на паралельний. Така схема розширила поле зору телескопа, тобто.дозволила охопити поглядом більший шматок неба, але давала перевернуте зображення. Астрономи, які користуються рефракторами Кеплера, звикли спостерігати за «перевернутим світом».

Рефрактори, по-різному заломлюючи промені різних кольорів, дають спотворення кольорів — хроматичну аберацію. У 1668 р. І. Ньютон зробив телескоп нового типу — рефлектор, у якому пучок світла збирає система дзеркал і немає хроматичної аберації.

Часто винахід першого телескопа приписують Гансу Ліппершлею з Голландії, 1570-1619 роки, проте майже напевно він не був першовідкривачем. Швидше за все, його заслуга в тому, що він перший зробив новий пристрій телескоп популярним і затребуваним. А також саме він подав у 1608 заявку на патент на пару лінз, розміщений у трубці. Він назвав пристрій підзорною трубою. Однак його патент був відхилений, оскільки його пристрій здався надто простим.

Задовго до нього Томас Діггес, астроном, в 1450 спробував збільшити зірки за допомогою опуклої лінзи і увігнутого дзеркала. Однак у нього не вистачило терпіння доопрацювати пристрій, і напів-винахід незабаром був забутий. Сьогодні Діггеса пам'ятають за опис геліоцентричної системи.

До кінця 1609 невеликі підзорні труби, завдяки Ліппершлею, стали поширені по всій Франції та Італії. У серпні 1609 року Томас Харріот доопрацював і вдосконалив винахід, що дозволило астрономам розглянути кратери та гори на Місяці.

Галілео Галілей та телескоп

Великий прорив стався коли італійський математик Галілео Галілей дізнався про спробу голландця запатентувати лінзову трубу. Натхненний відкриттям, Галлей вирішив зробити такий прилад для себе.Торішнього серпня 1609 року саме Галілео виготовив перший світі повноцінний телескоп. Спочатку, це була лише зорова труба – комбінація очкових лінз, сьогодні б її назвали рефрактор. До Галілео, швидше за все, мало хто здогадався використати на користь астрономії цю розважальну слухавку. Завдяки приладу, сам Галілей відкрив гори та кратери на Місяці, довів сферичність Місяця, відкрив чотири супутники Юпітера, кільця Сатурна та зробив багато інших корисних відкриттів.

Сьогоднішній людині телескоп Галілео не здасться особливим, будь-яка десятирічна дитина може легко зібрати кращий прилад з використанням сучасних лінз. Але телескоп Галілео був єдиним реальним працездатним телескопом того дня з 20-кратним збільшенням, але з маленьким полем зору, трохи розмитим зображенням та іншими недоліками. Саме Галілео відкрив вік рефрактора в астрономії – 17 століття.

XVII століття в історії спостережень за зірками

Час та розвиток науки дозволяло створювати потужніші телескопи, які давали бачити набагато більше. Астрономи почали використовувати об'єктиви з великою фокусною відстанню. Самі телескопи перетворилися на великі непідйомні труби за розміром і, звісно, ​​були зручні у використанні. Тоді їм винайшли штативи. Телескопи поступово покращували, доопрацьовували. Однак його максимальний діаметр не перевищував кількох сантиметрів – не вдавалося виготовляти лінзи великого розміру.

До 1656 року Християн Гюйєнс зробив телескоп, що збільшує в 100 разів об'єкти, що спостерігаються, розмір його був більше 7 метрів, апертура близько 150 мм. Цей телескоп вже відносять до рівня сучасних аматорських телескопів для початківців.До 1670-х років було збудовано вже 45-метровий телескоп, який ще більше збільшував об'єкти і давав більший кут зору.

Ісаак Ньютон та винахід рефлектора

Але навіть звичайний вітер міг бути перешкодою для отримання чіткого та якісного зображення. Телескоп став зростати у довжину. Першовідкривачі, намагаючись вичавити максимум із цього приладу, спиралися на відкритий ними оптичний закон – зменшення хроматичної аберації лінзи відбувається зі збільшенням її фокусної відстані. Щоб усунути хроматичні перешкоди, дослідники робили телескопи неймовірної довжини. Ці труби, які назвали тоді телескопами, досягали 70 метрів у довжину і завдавали безліч незручностей у роботі з ними та налаштуванні їх. Недоліки рефракторів змусили великі уми шукати рішення поліпшення телескопів. Відповідь і новий спосіб було знайдено: збирання та фокусування променів почала здійснюватися за допомогою увігнутого дзеркала. Рефрактор переродився на рефлектор, що повністю звільнився від хроматизму.

Ця заслуга цілком і повністю належить Ісааку НьютонуСаме він зумів дати нове життя телескопам за допомогою дзеркала. Його перший рефлектор мав діаметр лише чотири сантиметри. А перше дзеркало для телескопа діаметром 30 мм він зробив зі сплаву міді, олова та миш'яку у 1704 році. Зображення стало чітким. До речі, його перший телескоп бережно зберігається в астрономічному музеї Лондона.

Але ще довгий час оптикам не вдавалося робити повноцінні дзеркала для рефлекторів. Роком народження нового типу телескопа прийнято вважати 1720, коли англійці побудували перший функціональний рефлектор діаметром в 15 сантиметрів. То був прорив. У Європі з'явився попит на зручні, майже компактні телескопи в два метри завдовжки.Про 40-метрові труби рефракторів почали забувати.

18 століття цілком могло вважатися століттям рефлектора, якби не відкриття англійських оптиків: чарівна комбінація двох лінз із крона та флінту.

До кінця 18 століття компактні зручні телескопи прийшли на заміну громіздким рефлекторам. Металеві дзеркала теж виявилися не надто практичні – дорогі у виробництві, а також тьмяніють від часу. До 1758 з винаходом двох нових сортів скла: легкого – крон і важкого – флінта, з'явилася можливість створення дволінзових об'єктивів. Чим благополучно і скористався вчений Дж. Долонд, який виготовив дволінзовий об'єктив, згодом названий долондовим

Телескопи Гершеля та Росса

Після винаходу ахроматичних об'єктивів перемога рефрактора була абсолютна, залишалося лише покращувати лінзові телескопи. Про увігнуті дзеркала забули. Відродити їх до життя вдалося руками астрономів-аматорів. Вільям Гершель, англійський музикант, який у 1781 році відкрив планету Уран. Його відкриття був рівним в астрономії з давнину. Причому Уран було відкрито за допомогою невеликого саморобного рефлектора. Успіх спонукав Гершеля розпочати виготовлення рефлекторів більшого розміру. Гершель власноруч у майстерні сплавляв дзеркала з міді та олова. Головна праця його життя – великий телескоп із дзеркалом діаметром 122 см. Це діаметр його найбільшого телескопа. Відкриття не змусили на себе чекати, завдяки цьому телескопу, Гершель відкрив шостий і сьомий супутники планети Сатурн. Інший, що став не менш відомим, астроном-аматор англійський землевласник лорд Рос винайшов рефлектор із дзеркалом з діаметром 182 сантиметри. Завдяки телескопу він відкрив низку невідомих спіральних туманностей.Телескопи Гершеля і Росса мали безліч недоліків. Об'єктиви з дзеркального металу виявилися надто важкими, відбивали лише малу частину світла, що падає на них, і тьмяніли. Був потрібен новий досконалий матеріал для дзеркал. Цим матеріалом виявилося скло. Французький фізик Леон Фуко в 1856 спробував вставити в рефлектор дзеркалом зі срібного скла. І досвід удався. Вже в 90-х роках астроном-аматор з Англії побудував рефлектор для фотографічних спостережень зі скляним дзеркалом 152 сантиметри в діаметрі. Черговий прорив у телескопобудуванні був очевидним.

Цей прорив не обійшовся без участі російських вчених. Я.В. Брюс уславився розробкою спеціальних металевих дзеркал для телескопів. Ломоносов і Гершель, незалежно друг від друга, винайшли зовсім нову конструкцію телескопа, у якій головне дзеркало нахиляється без вторинного, зменшуючи втрати світла.

Німецький оптик Фраунгофер поставив на конвеєр виробництво та якість лінз. І сьогодні в Тартуській обсерваторії стоїть телескоп із цілою лінзою Фраунгофера. Але рефрактори німецького оптика також були не без вади – хроматизму.

Розквіт рефракторної астрономії

Дводзеркальна система у телескопі запропонована французом Кассегреном. Реалізувати свою ідею повною мірою Кассегрен не зміг через відсутність технічної можливості винаходу потрібних дзеркал, але його креслення реалізовані. Саме телескопи Ньютона та Кассегрена вважаються першими «сучасними» телескопами, винайденими наприкінці 19 століття. До речі, космічний телескоп Хаббл працює саме за принципом телескопа Кассегрена.А фундаментальний принцип Ньютона із застосуванням одного увігнутого дзеркала використовувався у Спеціальній астрофізичній обсерваторії у Росії з 1974 року. Розквіт рефракторної астрономії стався у 19 столітті, тоді діаметр ахроматичних об'єктивів поступово зростав. Якщо в 1824 діаметр був ще 24 сантиметри, то в 1866 його розмір зріс вдвічі, в 1885 діаметр став становити 76 сантиметрів (Пулковська обсерваторія в Росії), в 1897 винайдений ієркський рефрактор. Можна вважати, що за 75 років лінзовий об'єктив збільшувався зі швидкістю одного сантиметра на рік.

До кінця 19 століття винайшли новий спосіб виробництва лінз. Скляні поверхні почали обробляти срібною плівкою, яку наносили на скляне дзеркало шляхом дії виноградного цукру на солі азотнокислого срібла. Ці принципово нові лінзи відбивали до 95% світла, на відміну старовинних бронзових лінз, що відбивали всього 60% світла. Л. Фуко створив рефлектори з параболічним дзеркалом, змінюючи форму поверхні дзеркал. Наприкінці 19 століття Кросслей, астроном-аматор, звернув увагу на алюмінієві дзеркала. Куплене ним увігнуте скляне параболічне дзеркало діаметром 91 см одразу було вставлене у телескоп. Сьогодні телескопи з подібними величезними дзеркалами встановлюються у сучасних обсерваторіях. Коли зростання рефрактора сповільнилося, розробка дзеркального телескопа набирала обертів. З 1908 по 1935 роки різні обсерваторії світу спорудили понад півтора десятка рефлекторів з об'єктивом, що перевищує ієркську. Найбільший телескоп встановлений в обсерваторії Моунт-Внльсон, діаметр 256 сантиметрів. І навіть ця межа сучасно скоро перевищена вдвічі.У Каліфорнії змонтовано американський рефлектор-гігант, на сьогодні його вік понад двадцять років.

Новітня історія телескопів

Понад 40 років тому 1976 року вчені СРСР побудували 6-метровий телескоп БТА – Великий Телескоп Азімутальний. До кінця 20 століття БРА вважався найбільшим у світі телескопом. Винахідники БТА були новаторами в оригінальних технічних рішеннях, таких як альт-азимутальна установка з комп'ютерним веденням. Сьогодні це нововведення застосовуються практично у всіх телескопах-гігантах. На початку 21 століття БТА відтіснили до другого десятка великих телескопів світу. А поступова деградація дзеркала від часу – на сьогодні його якість впала на 30% від первісного – перетворює його лише на історичну пам'ятку науці.

До нового покоління Телескопів відносяться два великі телескопи 10-метрових близнюків KECK I та KECK II для оптичних інфрачервоних спостережень. Вони були встановлені в 1994 та 1996 році в США. Їх зібрали завдяки допомозі фонду У. Кека, на честь якого вони названі. Він надав понад 140 000 доларів на їхнє будівництво. Ці телескопи розміром з восьмиповерховий будинок та вагою понад 300 тонн кожен, але працюють вони з найвищою точністю. Принцип роботи – головне дзеркало діаметром 10 метрів, що складається з 36 шестикутних сегментів, що працюють як одне дзеркало. Встановлено ці телескопи в одному з оптимальних на Землі місць для астрономічних спостережень – на Гаваях, на схилі згаслого вулкана Мануа Кеа заввишки 4 200 м. До 2002 ці два телескопи, розташованих на відстані 85 м один від одного, почали працювати в режимі інтерферометра, даючи такий самий кутовий дозвіл, як 85-метровий телескоп.

А в червні 2019 року NASA планує вивести на орбіту унікальний інфрачервоний телескоп Джеймс Вебб (JWST) з 6,5-метровим дзеркалом.

Історія телескопа пройшла довгий шлях – від італійських склярів до сучасних гігантських телескопів-супутників. Сучасні великі обсерваторії давно комп'ютеризовано. Проте аматорські телескопи та багато апаратів, типу Хаббл, все ще базуються на принципах роботи, винайдених Галілеєм.

Ірина Каліна, 15.04.2014
Оновлення: Тетяна Сидорова, 02.11.2018
Передрук без активного посилання заборонено!

М'яка обкладинка, 2004

Коротко та ємно викладено навчальний курс астрономії для вузів. Безперечною перевагою є наявність великої кількості завдань з прикладами рішення та відповідями.

Тверда обкладинка, 2011

Автор запрошує нас у чергову дивовижну подорож углиб світобудови, яка допоможе нам поглянути в зовсім іншому ракурсі на навколишню дійсність.

Читайте також інші статті про телескопи:

• Історія телескопів
• Навіщо будують телескопи
• Найбільші телескопи
• Астрофотографія
• Фотографії телескопів

• Боротьба з росою
• Здібності телескопів з бездоганною оптикою
• Телескоп Хаббл
• Телескоп Чандра