На старт выходят чемпионы

На старт выходят чемпионы

На Северном Кавказе в специальной астрофизической обсерватории (САО) Академии наук работают уникальные инструменты — самый большой в мире оптический телескоп БТА и гигантский радиотелескоп РАТАН-600.

Неуемная страсть познания записана, наверное, в наших генах, у человеческой пытливости, скорее всего, та же природа, что у голода или жажды, у механизмов сохранения и продления жизни. Бескорыстным «знать, чтобы знать» неслышно движет мудрое «знать, чтобы жить» и щедро платит человечеству за добытые знания.

Сегодня, как никогда, внимание добытчиков знания приковано к гигантской звездной арене, к феерическим спектаклям, которые прокручивает природа, с легкостью двигая целыми мирами. Всматриваясь в звездное небо, астрофизики надеются ответить на вопросы мировоззренческие, проверить свои модели мира. Всматриваясь в звездное небо, астрофизики надеются ответить и на вопросы практические — многие эксперименты с веществом, полями, энергией, которые сами собой идут в космических лабораториях, земным экспериментаторам пока недоступны.

Оправдаются ли надежды? В огромной мере это зависит от инструментов, которыми вооружены наблюдатели, в частности от размера оптических телескопов, от площади их главной линзы (телескоп-рефрактор) или светоприемного зеркала (телескоп-рефлектор). Арифметика здесь простая: чем больше площадь зеркала или линзы, тем больше они собирают световой энергии, создавая изображение звезды (чем больше площадь паруса, тем больше энергии отбирает он у ветра), и, следовательно, тем более слабые световые источники можно увидеть в телескоп. А за этим следует целая цепочка других замечательных «можно». Например, такое: увеличивая размеры зеркала (линзы), можно видеть более далекие объекты, отодвигая тем самым видимую границу Вселенной. Или такое: чем больше света собирает зеркало (линза), тем меньшая экспозиция нужна при фотографировании звезды, тем больше шансов выявить переменность ее свечения, за которой могут стоять чрезвычайно интересные детали, вплоть до планетных систем или «черных дыр».

Стремление астрофизиков иметь большие телескопы ограничивается реальными возможностями телескопостроителей, разумно обоснованному «хотелось бы…» противостоит холодное «сложно… дорого… технически невозможно…». О том, насколько велики трудности на пути создания больших телескопов, говорят, в частности, такие факты: в 1897 г. был построен телескоп-рефрактор с диаметром объектива 102 см, до сих пор он остается чемпионом в своем классе; во всем мире известно лишь около десятка телескопов-рефлекторов с диаметром зеркала более 2,5 м, многие технически развитые страны не перешагнули еще этот рубеж; телескоп-рефлектор Крымской астрофизической обсерватории АН СССР с зеркалом 2,6 м полтора десятилетия оставался крупнейшим в Европе; почти 28 лет держал мировое первенство рефлектор с пятиметровым зеркалом, установленный в обсерватории Маунт Паломар (США), недосягаемый, казалось, шедевр оптической техники.

Но вот несколько лет назад, а точнее, в канун 1976 г. в самые предпраздничные, предновогодние дни, в мировой науке произошло событие чрезвычайной важности — в Специальной астрофизической обсерватории (САО) Академии наук СССР вступил в строй телескоп-рефлектор БТА с диаметром зеркала 6 м. Завершился пятнадцатилетний труд многих научных и производственных коллективов. Государственная комиссия, возглавляемая академиком А. М. Прохоровым, подписала акт о приемке всего комплекса БТА с оценкой «отлично». Новый мировой чемпион вышел на старт исследования Вселенной. О некоторых возможностях этого уникального инструмента рассказывает директор Специальной астрофизической обсерватории АН СССР доктор физико-математических наук Иван Михеевич Копылов:

— Поразительные успехи космической техники последних лет сделали реальностью внеатмосферную астрономию, т. е. изучение звездного неба инструментами, вынесенными за пределы земной атмосферы. Для ряда участков спектра внеатмосферные наблюдения навсегда сохранят свою монополию. Так, например, рентгеновские и гамма-лучи, которые приходят от некоторых объектов, вообще не пробивают атмосферу, регистрировать эти излучения могут лишь приборы, поднятые на десятки километров над Землей. Немало достоинств имеют внеатмосферные наблюдения в оптическом диапазоне, т. е. наблюдения с помощью телескопов, установленных на космических кораблях или на Луне, — даже небольшой телескоп, если ему не мешает земная атмосфера, может увидеть больше, чем гигант, установленный на Земле. И какое-то время даже бытовало мнение, что поэтому нет смысла вкладывать средства в сложные и большие наземные телескопы. К счастью, мнение это продержалось недолго и не успело причинить заметного вреда. Сейчас же всем ясно, что оба направления — внеатмосферная астрономия и наземная — должны развиваться параллельно, взаимно дополняя друг друга. При этом решающими остаются традиционные достоинства наземного телескопа — его можно оснастить разнообразной исследовательской аппаратурой, оперативно менять программы наблюдений, предоставлять возможность работать на телескопе различным коллективам исследователей, изучающим самые разные астрофизические проблемы. На БТА сделано многое, чтобы реализовать эти достоинства в полной мере.

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.

Уникальный телескоп БТА создавали многие научные коллективы, многие предприятия страны, головной организацией было Ленинградское оптико-механическое объединение — ЛОМО.

Создателям БТА пришлось заново решать многие конструкторские, технологические, производственные, организационные задания, много раз приходилось переходить границу неизвестного. О некоторых деталях этой огромной работы рассказывает главный конструктор телескопа, лауреат Ленинской премии, доктор технических наук Баграт Константинович Иоаннисиани:

— Рассказывая о разработке и создании БТА, часто приходится произносить слово «впервые» — многие задачи конструкторам и технологам до этого вообще не приходилось решать, принятые решения не имеют аналогов, другие в мировой практике решались совсем по-иному. Ну и, наконец, размеры инструмента придавали любой проблеме новое качество.

Возьмем, к примеру, монтировку. До сих пор для крупных телескопов всегда выбиралась только экваториальная монтировка, при которой ось инструмента параллельна земной оси, т. е. во всех случаях, для всех мест установки телескопа, кроме полюсов Земли, его ось располагается наклонно. Достоинства такой монтировки — при отслеживании звезды труба телескопа совершает сравнительно несложное вращательное движение. Для БТА была выбрана азимутальная монтировка, точнее, одна из ее разновидностей — альтазимутальная. Этот выбор настолько важен, что система монтировки вошла в название самого телескопа — БТА означает «большой телескоп азимутальный».

При азимутальной монтировке резко упрощается конструкция телескопа, так как его ось перпендикулярна земной поверхности, иначе говоря, инструмент стоит вертикально, стоит на земле. При этом, правда, отслеживая звезду, приходится выполнять очень сложное перемещение трубы телескопа, одновременно поворачивая ее вокруг двух взаимно перпендикулярных осей — вертикальной и горизонтальной. Только современные электронные системы, включая быстродействующие ЭВМ, позволили решить эту задачу и тем самым сделали азимутальную монтировку реальностью. А она в свою очередь сделала простой и изящной кинематическую схему телескопа, его конструкция стала жесткой, симметричной, компактной, резко улучшились условия разгрузки главного зеркала.

Основную нагрузку шестисоттонной подвижной части (это добрых полтора десятка товарных вагонов) взяли на себя масляные подшипники. Подвижная часть инструмента — труба с главным зеркалом и другой оснасткой — как бы плавает на масляной пленке толщиной 0,15—0,18 мм. Систему подвеса трубы характеризуют такие цифры: чтобы повернуть всю эту махину, достаточно небольших усилий одного человека (при длине рычага 6 м). Для вращения трубы используются уникальные червячные пары (диаметр червячного колеса—5,6 м), которые и при чрезвычайно малых скоростях (1 оборот за 3 месяца) обеспечивают высокую плавность движения. В сочетании с совершенной электроникой все это позволяет автоматически навести телескоп в заданную точку с точностью до нескольких угловых секунд и отслеживать звезду с точностью до 0,1" (под таким углом видна копейка с расстояния 20 км).

Огромный комплекс сложных задач пришлось решить, добиваясь стабильности основных характеристик главного зеркала. В системе его разгрузки используется 60 механизмов, которые входят в отверстия, точно высверленные в тыльной стороне зеркала. Разгрузка рассчитана и выполнена так, что деформации, вызванные прогибами зеркала в любом его рабочем положении, не превышают 0,000 009 4 мм. Многое сделано, чтобы обеспечить постоянство температуры в башне телескопа: многослойные стены и купол, многослойные перекрытия со змеевиками, по которым идет хладоноситель, системы принудительного воздушного охлаждения телескопа и термостатирования — все это сводит к минимуму тепловые деформации главного зеркала.

То, что делается впервые, всегда сопряжено с риском, но его, конечно, стараются свести к минимуму, особенно когда речь идет о таком сложном и дорогом сооружении, как БТА. Поэтому основные технические решения тщательно взвешивались, просчитывались, прорабатывались теоретически, рассматривались все разумные их варианты. Все, что можно было предварительно проверить, проверялось. В частности, для этого был построен макет БТА — действующий телескоп с диаметром зеркала 60 см. На нем отрабатывалась система управления и подтвердилась жизненность смелой, если не сказать дерзкой, идеи азимутальной установки большого телескопа. Тщательные экспериментальные исследования предшествовали самому выбору места постройки БТА. Немало поработали имитаторы главного зеркала и при предварительной сборке телескопа на заводе, и при репетициях перевозки зеркала из Подмосковья на Кавказ. Несмотря на все это коллективы, создавшие БТА, сотни раз проходили через напряженное «как получится?», и самой высокой наградой для всех участников этой многолетней напряженной работы стал сам факт создания уникального астрофизического инструмента.

Примерно в то же время, когда вступил в строй БТА, крупнейший в мире оптический телескоп в Зеленчукской, в той же Специальной астрофизической обсерватории АН СССР начал работать и другой уникальный инструмент — РАТАН-600. Название это расшифровывается так: «Радиотелескоп Академии наук диаметром 600 м». Эти «600 м» относятся к кольцу, собранному из 895 подвижных алюминиевых отражателей, каждый размером 2x7,5 м. Та или иная часть огромного кольца («та или иная» в зависимости от участка неба, на который нужно «посмотреть») — это рефлектор радиоприемной антенны, выполняющий в принципе ту же работу, что и зеркало БТА. Рассчитан РАТАН на прием радиоволн (их, так же как и свет, излучают небесные тела) длиной от 8 мм до 30 см. По комплексу характеристик — чувствительности, диапазону волн, разрешающей способности, размерам рефлектора, управлению его диаграммой — этот инструмент не имеет равных в мире.