Если вогнутое Эллипсоидальное зеркало заменить выпуклым гиперболическим, получаем систему Кассегрена (рис. 20, б). Так как гиперболическое зеркало встречает лучи, отраженные главным зеркалом до фокуса, кассегреновские рефлекторы короткие, компактные, что удобно для некоторых астрофизических наблюдений.
Позже были предложены и другие оптические системы рефлекторов, но наиболее популярными оказались три описанные системы. Любопытно, что в современных крупных рефлекторах есть устройства, позволяющие от ньютоновской комбинации переходить к кассегреновской и обратно.
Первые рефлекторы Ньютона были настолько примитивными, что явно не выдерживали конкуренции даже с «воздушными» рефракторами. Однако вскоре выявились некоторые неоспоримые достоинства рефлекторов, которые в конечном счете позволили им одержать решительную и окончательную победу в чемпионате телескопов.
Главное преимущество рефлекторов — отсутствие у зеркал хроматической аберрации. Если же главному зеркалу придать форму параболоида вращения, то можно теоретически свести к нулю и сферическую аберрацию (во всяком случае для лучей, падающих на главное зеркало параллельно его оптической оси). Изготовление зеркал — дело более легкое, чем шлифовка огромных линзовых объективов, и это также предрешило успех рефлекторов. Из-за отсутствия хроматической аберрации рефлекторы можно делать очень светосильными (до 1:3), что совершенно немыслимо для рефракторов. При изготовлении рефлекторы обходятся гораздо дешевле, чем равные им по диаметру рефракторы.
Есть, конечно, недостатки и у зеркальных телескопов. Их трубы открыты и токи воздуха внутри трубы создают неоднородности, портящие изображения. Отражающие поверхности зеркал сравнительно быстро тускнеют и нуждаются в восстановлении. Для отличных изображений требуется почти идеальная форма зеркал, что трудно исполнить, так как в процессе работы форма зеркала слегка меняется от механических нагрузок и колебаний температуры. И все-таки рефлекторы оказались наиболее перспективным типом телескопов.
Уже в 1721 году Джон Гадлей построил ньютоновский рефлектор с диаметром бронзового зеркала 15 см при фокусном расстоянии 158 см. В него легко наблюдались не только спутники Юпитера, но и такие объекты, как щель Кассини в кольце Сатурна, которую с трудом различал Гюйгенс в свой 37-метровый «воздушный» рефрактор.
В-1732 — 1768 гг. сначала в Эдинбурге·, а затем в Лондоне Джемс Шорт организовал фабричный выпуск высококачественных рефлекторов. Большинство из них было построено по системе Грегори, причем самый большой имел поперечник главного зеркала, равный 55 см. Даже спустя 200 лет при, проверке шортовских рефлекторов советские ученые могли еще раз убедиться в их очень высоких качествах.
На Петербургской академической обсерватории употреблялись для наблюдения небольшие рефлекторы системы Грегори. Большого успеха в изготовлении рефлекторов достиг Яков Брюс — крупнейшее из зеркал, им изготовленных, имело поперечник полметра. Строил рефлекторы и знаменитый русский изобретатель И. П. Кулибин.
М. В. Ломоносов применил в рефлекторах новую систему, получившую позже его имя. Главное зеркало он слегка наклонял так, что фокальное изображение получалось вблизи входного отверстия телескопа. Здесь Ломоносов укреплял окуляр, в который и вел наблюдения. Система Ломоносова имела то преимущество, что в ней не требовались промежуточные зеркала или призмы, в которых терялась часть света. Но, с другой стороны, давали себя знать различные аберрации (кома, астигматизм, дисторсия), менее заметные в других системах рефлекторов. Тем не менее система Ломоносова использовалась впоследствии и другими астрономами при наблюдениях в очень крупные рефлекторы. Среди них был и основоположник звездной астрономии Вильям Гершель.
Вильям Гершель и его последователи
Гершели были выходцами из Моравии. В XVII веке, вероятно, по религиозным убеждениям, семейство Гершелей покинуло родину и переселилось в Саксонию, где в 1738 году у полкового музыканта Исаака Гершеля родился сын Вильям. Это был четвертый сын в многодетной семье, которому предстояло стать одним из величайших астрономов мира.
Уже в детские и юношеские годы Вильям Гершель проявил любовь к точным наукам. Однако долгое время ему приходилось идти по стопам своего отца, что, впрочем, он делал с большим успехом. Вильям Гершель прекрасно играл на гобое, скрипке и уже в 17-летнем возрасте вместе с отцом ездил в Англию на гастроли. Два года спустя он окончательно переехал из Ганновера в Англию, которая и стала его второй родиной. Здесь в городе Бате Вильям Гершель стал органистом местной капеллы и учителем музыки. Хотя обе должности приносили немалый доход, Гершель все же не считал занятия музыкой своим основным призванием. Все свободное время он уделял чтению книг по астрономии, оптике, математике. В конце концов у него возникло сильнейшее желание самому увидеть те небесные объекты, о которых он читал в книгах.
В 1773 году в руки Гершеля на короткое время попал небольшой телескоп. Качество этого инструмента было невысокое и первый опыт астрономических наблюдений побудил Гершеля самому заняться изготовлением рефлекторов. Здесь проявились замечательные качества великого астронома — необыкновенное трудолюбие, соединенное с высоким мастерством. За два последующих десятилетия Гершель собственноручно изготовил 430 параболических зеркал! Заметим, что первые 15 лет он шлифовал зеркала вручную и лишь после этого изобрел специальные машины для шлифовки и полирования.
Шлифовать металлические зеркала очень трудно. Это нудная работа, которую нельзя прерывать ни на минуту и которая длится иногда подряд около шестнадцати часов. В такие тяжелые дни сестра Вильяма Каролина Гершель кормила своего брата — шлифовальщика из собственных рук. Женщина эта оставила заметный след в истории астрономии. Кроме постоянной помощи брату в наблюдениях и вычислениях, Каролина Гершель за свою долгую 98-летнюю жизнь самостоятельно открыла несколько комет.
Первый рефлектор Гершель построил по системе Грегори. Его зеркало имело диаметр 16 см и фокусное расстояние около двух метров. Первое наблюдение с этим инструментом (туманности Ориона) в дневнике Гершеля помечено 4 марта 1774 года. Среди последующих многочисленных телескопов Гершеля особо следует отметить 20-футовые и 40-футовые[7] рефлекторы.
Первый из этих инструментов обладал зеркалом с поперечником в 47 см и был в ту пору крупнейшим телескопом мира. Его штативом служила громоздкая и примитивная установка из лестниц, канатов и блоков. Нижняя рама этой установки имела ролики, катившиеся по кольцевому желобу. Таким образом 20-футовый рефлектор Гершеля мог перемещаться и по высоте и по азимуту.
Свои главные астрономические открытия Гершель сделал именно с этим телескопом. За долгие годы наблюдений он открыл около 2500 туманностей, 806 двойных звезд, совершил четыре полных обзора доступной ему части звездного неба. Его подсчет количества звезд в разных направлениях (знаменитый «метод черпков») позволил впервые, разумеется, в самых общих чертах, представить себе строение нашей звездной системы — Галактики. Гершель не щадил себя — иногда за ночь он успевал внимательно пронаблюдать до 400 различных небесных объектов!
13 марта 1781 года, наблюдая окрестности звезды Эта Близнецов, Гершель неожиданно заметил странное тело с заметным диском. Это была новая, неизвестная дотоле крупная планета Солнечной системы, обращающаяся вокруг Солнца далеко за орбитой Сатурна. Поначалу Гершель в честь английского короля Георга назвал новую планету Георгией. Но традиция в конце концов восторжествовала и новая планета окончательно получила наименование Уран (по имени мифического бога неба).
Это первое крупное открытие Гершеля сразу принесло ему всемирную известность. Из скромного музыканта, любителя астрономии, Гершель стал Королевским астрономом Англии — должность, тотчас предоставленная ему королем. Гершель вместе с сестрой переехал в Слоу (близ Виндзора) и ему правительством были отпущены средства на строительство исполинского по тем временам 40-футового рефлектора.
В 1789 году новый телескоп был готов. Еще до того как телескоп укрепили в рабочем положении, его тубус, лежащий на Земле, осмотрели король, архиепископ Кентерберийский и прочая английская знать. Размеры и качества инструмента вызвали всеобщее восхищение. Король сам залез внутрь трубы и пригласил последовать за собою главу английской церкви, шутливо сказав при этом, что он «покажет ему путь на небо».
Крупнейший из гершелевских телескопов и впрямь даже на рисунке (рис. 21) производит внушительное впечатление. Его установка почти копировала ту, которую Гершель использовал для 20-футового рефлектора. Наблюдения с ним велись по системе Ломоносова — малого отражающего плоского зеркала не было, а окуляр укреплялся около входного отверстия трубы. Иногда Гершель обходился и вовсе без окуляра — его роль выполнял хрусталик глаза наблюдателя.
