Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Оптическая схема БТА позволяет использовать инструмент в нескольких режимах, в частности иметь пять «ступенек» фокусного расстояния — от 24 м до примерно 350 м; поле зрения при этом меняется от 1 до 10 угловых минут, а относительное отверстие — от 1:4 до 1:58 Телескоп оснащен целой гаммой спектрографов, каждый из которых сам по себе представляет сложный исследовательский прибор с совершенной оптикой и электроникой. Для иллюстрации отмечу, что одно из зеркал основного звездного спектрографа ОЗСП имеет диаметр 2,05 м; подобное зеркало само могло бы послужить основой большого телескопа.
Основные возможности БТА, конечно, определяет его главное шестиметровое зеркало. Оно должно позволить наблюдательной астрономии заметно продвинуться вперед по сравнению с достижениями недавнего мирового чемпиона — пятиметрового паломарского рефлектора. Вот некоторые цифры, показывающие, что должно дать увеличение диаметра зеркала на 1 м. Площадь зеркала возрастает примерно в 1,45 раза, и во столько же раз увеличивается улавливаемая им световая энергия. Это значит, что примерно на 30–40 % увеличится расстояние, на котором можно наблюдать слабые звездные объекты. Вместо расстояний в 5–6 млрд. св. лет, которые до сих пор были доступны оптической астрономии, мы сможем, по видимому, заглянуть на расстояния 8–9 млрд. св. лет. Доступный наблюдениям объем звездного мира зависит от куба этого расстояния, и можно предположить, что число видимых слабых объектов Вселенной увеличится в 1,6–1,7 раза, а может быть, даже в 2 раза, потому что условия наблюдений, само небо, как говорят астрономы, в Зеленчукской, по-видимому, лучше, чем в районе горы Паломар.
Приведенные цифры лишь в некоторой степени характеризуют те новые возможности, которые БТА открывает перед астрофизиками, возможности и количественные, и качественные. Инструмент позволит значительно более тщательно изучить особенности двойных звезд и иных звездных систем, в частности систем, в которых подозревают существование такого экзотического объекта, как «черная дыра». Новые возможности появятся для изучения тонких механизмов звездной энергетики, процессов рождения и умирания звезд, развития галактик. Может быть, удастся продвинуться и в понимании природы наиболее далеких жителей Вселенной — квазаров. Новую информацию, по-видимому, удастся получить и о самых близких к нам космических телах — планетах Солнечной системы. Даже в космических экспериментах сможет принять участие БТА, например, контролируя полет межпланетных станций, помогая определить их звездные координаты.
Уже на первых снимках, полученных на БТА, удалось увидеть объекты 23,5 звездной величины, а вскоре и 25 величины.
Не хотелось бы, чтобы о БТА сложилось представление просто как о большом телескопе. БТА — это огромный, сложный комплекс, комплекс оптический, механический, теплотехнический, электрический, электронный. Молодой коллектив САО делает все возможное, чтобы созданный всей страной уникальный астрофизический инструмент во всю свою силу работал на науку.
Вряд ли найдется человек, которому удалось бы уйти от наивных «почему?» касательно размеров телескопа. Действительно, почему 5 м, почему 6? Почему не 10, не 15, не 50? Почему нельзя построить гигантское зеркало размером со стадион? Например, сварить его из полированных металлических листов, подобно тому как мы свариваем корпуса супертанкеров?
Ответ на эти «почему?» во всех случаях должен начинаться с напоминания: телескоп — прибор оптический, его линзы или зеркала должны сфокусировать, собрать в точку не что иное, как свет, т. е. электромагнитные колебания с длиной волны меньше стотысячной доли миллиметра. Значит, еще меньше должны быть неровности на поверхности зеркала — морская волна легко перекатывается через небольшие камешки, не замечая их, но разбивается в брызги, наткнувшись на скалу, соизмеримую с длиной волны. Не должны выходить за пределы ничтожных долей миллиметра и изменения формы зеркала, например, из-за перераспределения механической нагрузки при повороте трубы телескопа или из-за перепадов температуры.
Заманчивая идея большого металлического зеркала проваливается с треском после того, как прикинешь, что при изменении температуры всего на 1 °C размеры пятиметрового металлического зеркала изменятся на совершенно недопустимую величину — на доли миллиметра. Температурная стабильность — одно из решающих «за» в пользу больших зеркал из особых сортов стекла. А необходимость с высочайшей точностью сохранять геометрию зеркала — одно из основных препятствий на пути создания крупных телескопов. Современный телескоп — это не просто подзорная труба, это высокоточный измерительный инструмент, ему прежде всего нужно верить.
Многие проблемы, которые приходится решать телескопостроителям, скрыты за спокойными терминами их профессионального словаря. Вот некоторые из них.
«Разгрузка зеркала» — нужно создать такие механизмы крепления зеркала, чтобы при его повороте точно перераспределяло огромный вес и не возникло заметных механических деформаций.
«Монтировка телескопа» — Земля движется по своей орбите и вращается вокруг своей оси, а поэтому движется и звездное небо над головой наблюдателя. И нужно найти способ установки трубы телескопа, найти такую его монтировку (основание с системой осей), чтобы можно было неотступно следовать за звездой, — ее изображение должно оставаться неподвижным на фотопластинке, на входе спектрографа или в поле зрения телевизионной камеры.
«Система управления» — когда-то наблюдатель вручную поворачивал свой сравнительно небольшой телескоп, следуя за звездой; в таком гиганте, как БТА, только электроника может справиться с этой задачей; система гидирования (ведения) БТА — это вспомогательный телескоп, в который всматривается передающая телевизионная камера; она направляет информацию в электронную вычислительную машину, и та уже управляет системой электропривода. Возможен и такой режим: ЭВМ сама управляет телескопом, без гида, вычисляя координаты точки, куда нужно навести трубу.
«Отлив заготовки» — технология отлива главного зеркала БТА была выбрана из 11 предложенных вариантов; был построен специальный цех со сложной печью, платиновыми трубопроводами, мостовыми кранами; технологический процесс отрабатывался на экспериментальной отливке.
«Отжиг заготовки» — этот процесс длился 2 года и 6 дней, все это время автоматика с высокой точностью выдерживала заданные режимы нагрева и охлаждения стекла; в некоторые периоды охлаждение шло со скоростью 0,03 °C в час.
«Обработка заготовки» — она велась алмазным инструментом на специально построенном карусельном станке КУ-158; в общей сложности был удален припуск массой около 28 т; наиболее сложными были операции полирования и шлифовки, связанные с получением нужной параболической поверхности, обработка зеркала длилась несколько лет, она прерывалась для тщательного контроля форм поверхности, совершенствования оборудования; огромный труд коллектива оптиков завершился в середине 1974 г.
«Имитатор зеркала» — это железобетонный диск с размерами и массой главного зеркала; имитатор использовался при предварительной сборке телескопов и для генеральной репетиции перевозки главного зеркала с Лыткаринского завода оптического стекла (Московская область) к месту установки в САО.
«Алюминирование» — огромное шестиметровое стекло стало зеркалом БТА только после того, как его покрыли тончайшим слоем алюминия. Толщина покрытия 0,0001 мм, разница в толщине слоя не более 0,000 008 мм. Вакуумная камера для напыления металла находится под куполом самой башни телескопа — алюминиевое покрытие приходится периодически обновлять. Любопытная подробность, которая, возможно, осталась незамеченной: алюминируется верхняя, параболическая поверхность зеркала и, таким образом, основное, казалось бы, свойство стекла— прозрачность — вообще не используется. Стекло как материал для зеркала в данном случае выбрано совсем за другие его качества, прежде всего за сравнительно малый температурный коэффициент расширения.
«Аттестация» — в течение нескольких месяцев комиссия из компетентных специалистов, назначенных Академией наук, заводами-изготовителями и разработчиками телескопа, тщательно исследовала все характеристики главного зеркала; для аттестации зеркала БТА был разработан комплекс методов, взаимно дополняющих друг друга, и комплекс высокоточных приборов, таких, как неравноплечный лазерный интерферометр, специальные фотометры, корректоры, теневые приборы; были проведены теоретические исследования методов контроля, разработан математический аппарат для оценки результатов.
