Мельников О. А.: Астрофизические исследования М. В. Ломоносова.
3. Работы по созданию зеркального телескопа

3. Работы по созданию зеркального телескопа

Эти работы неоднократно и широко обсуждались. До Ломоносова в России металлические зеркала для телескопов изготовлялись в размере до 50 см сподвижником Петра I Я. В. Брюсом.³⁰ Однако эти зеркала были недостаточного оптического качества и для телескопов почти не употреблялись. Между тем важность создания достаточно хороших телескопов была очевидной. Общую характеристику их дает Ломоносов в подготовительной работе для произнесения 29 июля 1762 г. речи «Об усовершенствовании зрительных труб». Случайно уцелел лишь один типографский оттиск этой замечательной речи, которая не была произнесена по независящим от Ломоносова обстоятельствам.

Приведем выдержку из этой работы: «А так как астрономия, занимаясь изучением природы светил, составляет большую и притом важнейшую часть физики и для своего усовершенствования нуждается в помощи оптики, а именно в астрономических трубах, то я всегда лелеял желание, чтобы эти превосходные небесные орудия, коих изобретение составляет славу Ньютона и Грегори,³¹ не по размерам только, как это обычно происходило, возрастали, но получили и иные, почерпнутые из сокровищ оптики усовершенствования, которые позволили бы применять их с большей пользой.

Рассматривая конструкцию труб, содержащих металлические зеркала и стеклянные линзы, я пришел к мысли, что они нуждаются в устранении скорее некоторого избытка, чем недостатка; а именно, что надо удалить малое отражающее³² зеркало».³³Здесь же было сказано, что подобный телескоп Ломоносов построил и проверил на опыте 15 мая 1762 г. В «Записках» уже указано, что он закончил телескоп 15 апреля того же года: «Апреля 15 дня сего 1762 года учинена проба трубы катадиоптрической об одном большом зеркале и мое изобретение произошло в действие с желаемым успехом».³⁴

При этом на первом этапе Ломоносов использовал металлическое зеркало (как обычно, размещенное на дне трубы), изготовленное проф. И. -Г. Лейтманом в его мастерской в Петербурге для ньютоновского телескопа в первой половине XVIII в.

Он пишет, что системы Ньютона и Грегори невыгодны, ибо для них трудно изготовить малые вторичные зеркала, особенно вогнутое эллиптическое; кроме того, в них при отражении света (для одного зеркала около 60%) теряется много света — 66%, т. е. используется только 34% (при двух отражениях от главного и вторичного зеркал). Кроме того, Ломоносов указывает: 1) растяжки, поддерживающие вторичные зеркала, ухудшают изображение (вводят дополнительную дифракцию), особенно в случае разъюстировки, которая затруднительна; 2) при движении телескопа происходит дрожание вторичного зеркала на растяжках, что также ухудшает изображение (поэтому, как правило, телескопы системы Ньютона и Грегори делались небольшими); 3) малые вторичные зеркала экранируют свет и т. д.³⁵

Чтобы избежать всего этого и многого другого, Ломоносов наклонил свое зеркало телескопа так, что лучи, собранные в точку фокуса, выходили бы из параллельного пучка лучей от светила (по побочной оси), падающего на главное зеркало. В этом случае надобность во вторичном зеркале отпадает и наблюдения производятся сквозь окуляр без всякой экранировки основного пучка (рис. 1, 5).

В «Химических и оптических записках» Ломоносов пишет: «Новоизобретенная мною катадиоптрическая³⁶ зрительная труба тем должна быть превосходнее невтонианской и григорианской, что: 1) работы меньше, для того что малого зеркала не надобно, а потом 2) и дешевле, 3) не загораживает большого зеркала и свету не умаляет, 4) не так легко может испортиться, как вышеописанные, а особливо в дороге (т. е. в экспедиции, — О. М.), 5) не тупеют и не путаются в малом зеркале (коего нет и не надобно) лучи солнечные, и тем ясность и чистота умножается, 6) новая белая композиция в зеркале к приумножению света способна».³⁷ (Это заключение сделано не позднее 31 марта 1762 г.).

Наклон на значительный угол главного сферического зеркала приводит к заметному влиянию аберраций — комы и астигматизма (сферическая аберрация незаметна, если относительное отверстие зеркала D/F невелико). Ломоносов это понимал и в речи «Об усовершенствовании зрительных труб» писал: «... угол, насколько возможно малый, чтобы изменение очертаний изображаемого предмета оказалось едва чувствительным или вовсе нечувствительным».³⁸ И далее относительно вытянутости изображения светила от кругового к эллиптическому: «Такое различие между кругом и эллиптической фигурой в наблюдениях этого рода может быть сочтено ничтожным; если же кто не захочет им пренебречь, то может легким приведением придать наблюдаемому предмету истинную фигуру».³⁹ Согласно примечаниям Ченакала (написаны в 1955 г.) к изданию указанной речи, подобное «легкое приведение» употреблялось позднее, в частности минским оптиком и астрономом-любителем О. И. Малафеевым в 1828 г. с помощью предокулярной цилиндрической линзы.⁴⁰

Зеркальные системы Ломоносова (одну из которых он демонстрировал на собрании в Академии наук 13 мая 1762 г.) давали при их испытании лучшие изображения, чем существовавшие до того. Он убедился в этом при сравнении их по литературным данным с 19 рефлекторами, построенными по системам Ньютона и Грегори, и с 38 рефракторами.

Кроме того, положение головы наблюдателя при работе с этими системами было менее утомительным. Об изобретении этих систем мы узнаем также и из «Записок», и из сохранившегося отрывка с расчетом однозеркального телескопа (в переводе с латинского Я. М. Боровского).

После изготовления опытного образца Ломоносов приступил к созданию большого телескопа с диаметром зеркала 30.5 см и относительным отверстием ¹/_3.5. Для этого он организовал у себя мастерскую и просил помощи оптиков-механиков, слесарей, кузнецов, столяров и др. Его частично обслуживали русские самородки, талантливые мастера «инструментального художества» — оптики И. И. Беляев и М. Панков (его ученик), «инструментальщики» Ф. Н. Тирютин, И. И. Калмыков, Н. Г. Чижов, А. И. Колотошин, П. О. Голыпин, а также К. Матвеев, И. Петров, Г. Ефимов, А. Никитин, М. Филиппов, Д. Иванов и др. Телескоп с фокусом более 1 м изготовлялся в современном виде на штативе, имеющем разделенные круги, «искатель» (наводную трубку), микрометр с набором «оглазов» (окуляров), подъемным стулом для наблюдателя и пр.

Указанный выше новый телескоп имел металлическое зеркало с составом 50% Cu+25% Sn+25% Zn (зеркало в блоке весило с учетом «угара» 21.88 кг). Это зеркало обрабатывалось на ломоносовском токарном станке с качающимся суппортом, схема которого воспроизведена на рисунке в «Химических и оптических записках».⁴¹ При обработке, шлифовке и полировке, как и для других зеркал, употреблялись абразивы (порошки и мастика) того времени, а именно отмученный пепел, «вывариваный и промывной»⁴² (освобожденный от щелочей кислот), и жженая кость.

В «Записках» под № 169 есть схемы приспособлений для обдирки и шлифовки зеркал. Этот вопрос изучен в литературе по материалам Ломоносова очень широко.⁴³

К сожалению, чертежи и схемы обоих указанных выше телескопов Ломоносова до нас не дошли. Они, по-видимому, утеряны, и мы имеем только черновые наброски. Но математический расчет сохранился в указанном выше отрывке, правда, без рисунков.⁴⁴

Ломоносов указывал, что для телескопа достаточно наклонить зеркало на 4°, и тогда точка фокуса будет выступать из тела трубы. В этом случае средняя ось отклоненного пучка лучей будет составлять с осью телескопа (и также с образующей трубы) угол в 8°. Здесь мы имеем во всяком случае два пути для расчета.

1. Точка фокуса «лежит» на образующей трубы телескопа. При этом относительное отверстие D/F ≈ 2tg8°=0.28=¹/_3.6 Вряд ли Ломоносов использовал столь светосильное зеркало Лейтмана в своем первом телескопе. Кроме того, в этом случае не остается места для головы наблюдателя, полуширину которой мы обозначим d.

2. Точка фокуса отстоит от образующей трубы (ее стенки) на расстояние d. В этом случае ≈ 2tg8° ≈ 0.28 Если мы примем разумные порядки чисел, а именно F≈100 см, d≈9 см, то получим D/F=0.10=¹/₁₀, что весьма вероятно и места для головы шириной 2·9=18 см достаточно.

Однако легко показать, что взаимный угол наклона пучков 8° чересчур высок. Не был ли он в действительности в два раза меньше? Так, в «Химических и оптических записках» сказано: «Радиус 57 градусов⁴⁵ Фокус рефлектора 28¹/₂ ».⁴⁶

(Например, дуга зеркального объектива приблизительно 4°).

Правда, остается неизвестным, к какому телескопу это замечание относится и измеряется ли дуга зеркального объектива из центра кривизны зеркала или же с половинного расстояния=«точки фокуса».

Если все же зеркало наклонено на 4°, то и аберрации (оптические ошибки) следует рассчитывать на это поле. Поперечные аберрации сферического зеркала следующие: а) сферическая A³·F₀/64 (на оси), б) аберрации наклонных пучков те же, что и у зеркала с поверхностью параболоида.⁴⁷

Для зеркала, использованного Ломоносовым в первой модели его телескопа, можно принять относительные отверстия ¹/₁₀, фокусное расстояние F₀=R/2 = 1000 мм, диаметр отверстия D=100 мм и половина угла поля зрения ω=4°=1/14.3 радиана. Тогда для поперечных аберраций этого телескопа характерны: а) сферическая (на оси) ρ_I=0.016 мм=16.0 мкм, б) кома, ее длина 3ρ_II=0.13 мм=130 мкм, астигматизм ρ_III=2а=0.49 мм=490 мкм (радиальная линия или фокаль с шириной 2b=0) и кривизна поля 0.12 мм=120 мкм. При этом для сравнения необходимо указать, что величина радиуса дифракционного кружка (ложный диск звезды, диск Эри) для лучей с длиной волны света 0.555 мкм (т. е. видимых, визуальных) составляла для того же телескопа α_r=139.6/D (мм) = 1″. 4=6.8.10^—6 радиана, или в пересчете в линейную меру 0.0068 мм=6.8 мкм. Соответственно диаметр дифракционного кружка составит в фокальной плоскости 13.6 мкм. Следовательно, эта величина хотя и небольшая, но при рассматривании в сильной окуляр будет существенно мешать наблюдениям, ибо представится кружком и концентрическими кольцами. При наличии точной фокусировки окуляра телескопа на геометрическое изображение звезды и, следовательно, на центральную часть волновой поверхности, имеющей вид, близкий к сфере, картина дифракционного кружка будет именно такой.⁴⁸ Однако при нарушении фокусировки ΔF дифракционная картина нарушается, ибо промежутки между кольцами «заливаются» светом, а яркость в кольцах и центре кружка падает. При дефокусировке ΔF₁=8λ/A² ΔF_k=k8λ/A² (появляется «к» размытых колец вокруг темной точки) этому значению (для зеркала Ломоносова A=¹/₁₀ и, следовательно, при λ=5.55·10^—4 мм дефокусировка ΔF₁=0.444 мм независимо от фокусного расстояния), центральная часть кружка Эри вообще исчезает, вокруг нее видно одно широкое кольцо света. При промежуточных же значениях дефокусировок кружок Эри изображается большим пятном с концентрическими изменениями интенсивностей. Но в данном случае мы берем наиболее выгодный для наблюдения случай, при ΔF = 0, т. е. идеальный кружок Эри.

В современной астрофизике считается, что наблюдения возможны и будут успешными, если наибольшая возможная поперечная аберрация не превышает радиуса или по крайней мере диаметра дифракционного кружка. Такой телескоп принято называть первоклассным. Из приведенных чисел мы видим, что в телескопе Ломоносова по сферической аберрации это условие нарушено в ¹⁶/_6.8=2.4 раза. Но с этим вполне можно мириться. Это тем более справедливо, если напомнить, что сферические зеркала с отверстиями D=100, 500 и 1000 мм, имеющие относительные отверстия соответственно не более A=¹/₇, ¹/₁₂ и ¹/₁₅, фактически не отличимы — при наблюдении в них изображений светил глазом — от параболических зеркал, которые вообще не имеют оптической ошибки в виде сферической аберрации.

В смысле же ошибок наклонных пучков лучей нарушения более серьезные. По коме нарушение равно 130/6.8=19.1 раза, и соответственно допустимый угол наклона зеркала не 4°, а 4°/19.1=0°21=12′. 6. По астигматизму оно равно 490/6.8=72 раза (!). Поэтому допустимый для визуального телескопа угол наклона зеркала будет не 4°, а меньше в 72=8.5 раза (ибо кома пропорциональна углу, а астигматизм — квадрату угла) и составит 4/8.5=0°. 472=28′. 3.

Таким образом, мы видим, что однозеркальный телескоп типа Ломоносова при A=¹/₁₀ и F=1000 мм будет практически идеальным для визуальных наблюдений только на краю поля зрения, соответствующего угловому расстоянию в 12′. 6=0°. 21, а это соответствует тому, что зеркало можно наклонить тоже только на этот угол и при этом угол ограничивается аберрацией кома, а не астигматизмом. Это объясняется тем, что кома пропорциональна углу и квадрату относительного отверстия, а астигматизм— квадрату угла и относительному отверстию. При A=¹/₁₀ и F=1000 мм мы имеем поперечные аберрации в миллиметрах и их отношения, которые приведены в табл. 3.

Таблица 3 

Из этой таблицы мы видим, что действие поперечных аберраций, астигматизм и кома уравниваются только близ половины угла поля зрения (а следовательно, и угла наклона зеркала), близ 1°, а точнее около угла 64′. Однако и при этом поперечные аберрации комы и астигматизма составят около 0.035 мм, что будет больше радиуса дифракционного кружка (0.0068 мм) в 0.035/0.0068=5.15 раза, что также еще много.

Из сказанного следует, что допустимый угол поля зрения и, следовательно, наклон зеркала не более того, который допускает кома, т. е. 12′. 6=0°21. Поскольку расчеты относительные, то роль окуляра (данные которого неизвестны из работ Ломоносова) не существенна.

Все сказанное убеждает в том, что работать с наклоном зеркала в 4° невозможно. Изображения светил будут плохими, и применение предокулярной цилиндрической линзы (как это делал упоминавшийся Малафеев в 1828 г.) не внесет существенного улучшения. Вместе с тем Ломоносов очень высоко отзывается о качестве своей однозеркальной трубы, которую сравнил с имеющейся грегорианской и вообще исследовал подробно. В своем сочинении «Об усовершенствовании зрительных труб» он говорит, как уже цитировалось выше, по поводу деформаций круглого изображения в эллиптическое при наклоне зеркала: «Такое различие между кругом и эллиптической фигурой в наблюдениях этого рода может быть сочтено ничтожным; если же кто не захочет им пренебречь, то может легким приведением (курсив мой, — О. М.) придать наблюдаемому предмету истинную фигуру».⁴⁹

Мы снова процитировали это место, чтобы обратить внимание на два слова Ломоносова: «легкое приведение». Не есть ли это указание на то, что в этом случае следует несколько снять материал сплава с одного края рабочей поверхности зеркала со стороны трубы, где размещается точка фокуса (окуляр)? Такое зеркало было бы, как мы сейчас называем, «внеосевым» параболическим зеркалом, или «зеркалом с вынесенной осью». Поскольку методов рабочего контроля таких зеркал, да и вообще обычных параболических, не было, то указанное «легкое приведение» под силу было сделать только хорошему мастеру и знающему оптику просто как сложную художественную работу. В современном понимании схема телескопа Ломоносова будет именно такой.

Испытание упомянутых выше зеркал Гершеля из телескопов по фактической схеме Ломоносова, хранившихся в Пулковском музее, выполненное в свое время Максутовым, показало, что в своих небольших телескопах с умеренным относительным отверстием ¹/₁₂—¹/₁₃ и имеющих слегка неправильную торическую поверхность (с радиальным астигматизмом на оси, т. е. ошибкой, не связанной с аберрациями, а лишь с дефектами изготовления поверхности), он умело использовал дефекты поверхности (эмпирически вращая зеркало в оправе трубы), с тем чтобы сделать вышеуказанное «легкое приведение». Но, к сожалению, точно ответить на этот вопрос нельзя, ибо бронозовые, может быть в свое время и высококачественные, зеркала Гершеля за столь длительное время могли деформироваться под влиянием освобождения внутренних напряжений и натяжений.

зеркала для телескопа, а сбоку от его края, то такая центрированная система будет идеальной. В ней оптическая ось окуляра будет направлена параллельно падающему от светила пучку лучей, а его система будет рассчитана на большую светосилу фиктивной параболы, из которой как бы вырезано зеркало меньшей светосилы. В соответствии с этим окуляр будет иметь смещенный от центра эксцентрический зрачок выхода.

Максутов, сделавший соответствующий расчет и выполнивший по нашему заказу в 1940 г. 320-миллиметровое внеосевое зеркало ¹/₁₀ (с вершиной фиктивной параболы 1/3.5 вне зеркала), отмечает, что подобная система даст в точке фокуса первоклассное изображение на оси.⁵⁰ С отходом же от оси изображение светила будет сразу заметно ухудшаться. Изготовлять и контролировать качество таких систем очень трудно, и оптики принимают такие заказы неохотно.

Однако в принципе даже легкие изменения одного из секторов края рабочей поверхности сферического зеркала Ломоносова могло существенно улучшить качество изображений светил в точке его фокуса. Делал ли это Ломоносов, точно неизвестно, так же как и относительно зеркал Гершеля. Однако подобное предположение с учетом замечания Ломоносова о «легком приведении» весьма правдоподобно.

Гершель начал строить свои однозеркальные телескопы с положительными окулярами (в этом у него было отличие от схемы Цукки) с 1774 г. и закончил эти работы в 1789 г. большим (1.2 м) телескопом. Следовательно, Гершель делал эти работы позднее Ломоносова на 12—27 лет.

Кроме однозеркальной трубы, Ломоносов распространил свою идею и на уже существовавшие схемы телескопов. Для изобретателей это обычный путь, вплоть до настоящего времени. Так, например, Максутов после изобретения своих менисковых систем вскоре же предложил усовершенствование существующих. Так появился «менисковый Мерсен», «менисковый Грегори», «менисковый Кассегрен», «менисковый Гершель» или, точнее, «менисковый Цукки—Ломоносов—Гершель».

Ломоносов тоже выполнил подобную работу. Так появились «ломоносовский Ньютон», «ломоносовский Ньютон—Грегори». В этих случаях в существовавшие схемы он ввел наклонное главное зеркало, что либо сохраняло свет, терявшийся ранее при отражении от вторичного зеркала, а также из-за экранирования им света, либо делало систему практически более легко выполнимой.

«Ломоносовский Ньютон» описан Ломоносовым в «Химических и оптических записках» под № 33 под таким названием: «Новое изобретение. Поправление невтонианской трубки по-моему».⁵¹ В этой системе главное зеркало наклонено так, что плоское диагональное ставится на краю трубы и изображение от него отбрасывается под 90° к оптической оси телескопа на другую сторону трубы, где и размещается окуляр, как и в схеме Ньютона. Однако в новой схеме нет экранирования лучей от светила плоским диагональным зеркальцем. Указано под схемой: «Зеркальцо малое можно сделать из стекла, как слюда тонкого, и подвести ртутью. Невтонианскую по-моему трубку можно сделать тонее и легче, для того что середка служит с краев; можно убавить».⁵²

«Ломоносовский Ньютон—Грегори» также имеет наклонное главное зеркало, и пучок от него также выводится на сторону трубы, и вторичное зеркало не экранирует лучей от светила. Под тем же номером 33 [7] под названием: «Зеркальный телескоп, составленный из ньютонова, грегорианского и моего»,⁵³ под схемой перечислены элементы схемы, а именно: объективное зеркало, плоское отражательное зеркало (на рисунке оно изображено вогнутым), линза (воспринимающая и посылающая лучи в фокус и направляющая их до самого основания зеркала), линза (делающая лучи параллельными) и глаз. Эта схема требует некоторого уточнения в связи с ее неточным толкованием при описании работ Ломоносова.

В основном при сферическом или параболическом главном зеркале в астрофизике употребляются: 1) схемы простых зеркальных телескопов (прямого фокуса, ньютоновская, Цукки—Ломоносова—Гершеля и кольцевая); 2) схемы сложных зеркальных телескопов из двух и более зеркал со сферическими (или же асферическими) поверхностями, полученными вращением конических сечений (последние в большинстве случаев при низких относительных отверстиях практически не отличаются от сферических), а именно: а) зафокальная грегорианская, удлиняющая или укорачивающая (не представляет интереса) фокусное расстояние главного зеркала, и б) предфокальная кассегреновская, удлиняющая и укорачивающая (не представляет интереса) фокусное расстояние главного зеркала. Отказ от сферического или параболического главного зеркала и переход к эллиптическому и гиперболическому дает новые системы, на которых мы здесь не останавливаемся (рис. 1, 2).

Система Ньютона с плоским зеркалом была разработана им в 1668 г. Система Цукки (1616 г.),⁵⁴ Ломоносова (1762 г.),⁵⁵ Гершеля (1789)⁵⁶ была разработана независимо тремя учеными, но главная заслуга остается за Ломоносовым, ибо он, как и Галилей в отношении рефракторов, первый реально и независимо построил свою однозеркальную систему и главное — первый навел ее на небо.

Кольцевая система простого телескопа наиболее очевидна и была бы очень выгодной. В частности, поскольку плоское зеркало в ней не выполняет функции диагонального (и поэтому работает под малыми углами), точность его изготовления не очень строгая и допускает наличие кривизны. Однако из-за того что для выноса главного фокуса (что выгоднее для условий наблюдений) через центральное отверстие в вогнутом зеркале за тыльную его поверхность плоское зеркало должно быть большим и поэтому сильно экранирует свет (более 25%), заметно ухудшается дифракционная картина изображения. Из пучка лучей в поперечном сечении остается только кольцо, что дало название системе и обусловило ее практическую непригодность, в частности для визуальных наблюдений.

Зафокальная удлиняющая система Дж. Грегори теоретически разработана им в 1663 г.⁵⁷ Она имеет главное вогнутое параболическое зеркало (параболоид вращения) и вторичное малое вогнутое, эллиптическое (эллипсоид вращения), поставленное за точкой фокуса главного и собирающее лучи через отверстие в центре главного зеркала за его тыльной стороной, где и размещается окуляр. Грегори пытался изготовить или заказать лондонским оптикам (1664—1665 гг.) параболическое зеркало с фокусным расстоянием 1.83 м для телескопа своей системы, но заказ из-за сложности и отсутствия метода контроля не был принят, и он сам изготовил не асферические, а сферические зеркала. Поэтому испытания системы не утешили ее изобретателя. Подобные схемы были осуществлены только в XVIII в. в Лондоне, России (в послеломоносовское время) и других странах. Предфокальная удлиняющая система Г. Кассегрена (упоминание о такой же схеме есть и у Дж. Грегори)⁵⁸ была предложена им в 1672 г. Она имеет главное вогнутое параболическое зеркало (параболоид вращения) и вторичное выпуклое гиперболическое (гиперболоид вращения), поставленное перед точкой фокуса главного и собирающее лучи через отверстие в центре главного зеркала за его тыльной стороной, где и размещается окуляр. Эта система в то время не была осуществлена из-за трудности изготовления асферических зеркал. Но она имеет некоторые преимущества перед грегорианской, ибо разные знаки кривизны зеркал приводят к некоторой компенсации ошибок. Однако в свою очередь система Грегори несколько проще в изготовлении из-за меньшего уклонения поверхности вторичного (эллиптического) зеркала от сферы. Это и обусловило то, что в XVIII в. многие стали изготовлять именно грегорианские телескопы.

с фокусным расстоянием, равным эквивалентному фокусному расстоянию удлиняющих систем F_экв. Но поскольку системы удлиняющие, то относительное их отверстие A_экв=D/F_экв (порядка ¹/₁₅) значительно меньше, чем относительное отверстие простого зеркала, взятого за «главное», A=D/F (обычно от ¹/₃ до ¹/₆), т. е. A_экв<A, и следовательно, аберрация кома у сложной системы значительно меньше, чем у ее одиночного главного зеркала. Напомним, о чем мы уже говорили выше, что если относительные отверстия зеркал сложной системы невелики, то они могут практически иметь сферическую рабочую поверхность,⁵⁹ как и было у Ломоносова. После введения мы можем критически рассмотреть все сложные системы, включая систему, которую мы назвали Ньютон—Грегори—Ломоносов. На рис. 1, 1—7 мы видим, что эту систему было бы правильнее в части ее зеркальности назвать «внеосевой кольцевой Ломоносов» (без вывода точки фокуса за тыльную сторону главного зеркала), т. е. эта схема фактически является простой зеркальной схемой, а не сложной, по современной терминологии, ибо не имеет двух асферических, или, при малых светосилах, двух сферических зеркал. Действительно, в перечислении узлов схемы этого телескопа Ломоносов указывает, что вторичное зеркало является плоским. Правда, на схеме это зеркало изображено вогнутым, но мы указали выше, что система кольцевого телескопа допускает для своего плоского зеркала некоторую кривизну, ибо оно работает не как диагональное при малых углах наклона. Таким образом, предлагаемое нами название «внеосевой кольцевой Ломоносов» (хотя здесь и исчезает кольцо и, следовательно, экранирование) довольно логично. Во всяком случае это по существу не грегорианский и не ньютонианский (но ломоносовский!) телескоп, хоть они и назывались так в старину. Поскольку здесь нет удлинения фокуса системы вторичным зеркалом, то Ломоносов предложил применить двухлинзовую систему с предметной (коллектив) и глазной линзами, разделенными большим расстоянием, и тем самым достигнуть желаемого увеличения. Эта система фактически является микроскопом: изображение объекта главным зеркалом помещается перед точкой переднего фокуса f₁ первой линзы, оно дает его действительное, обратное и увеличенное изображение (линейное увеличение s′/f₁ где f₁ — фокусное расстояние первой линзы). Это изображение рассматривается глазом сквозь вторую глазную линзу-лупу в виде мнимого, прямого и увеличенного изображения. Вторая линза с фокусным расстоянием f₂ «наблюдения спокойным глазом». Эта линзовая, микроскопическая система имеет эквивалентное фокусное расстояние i_экв=f₁·f₂/l, где l — расстояние между точками фокусов f₁ и f₂. Увеличение рассчитывается по обычной формуле для микроскопов:

увел. = ————— .
             f экв. (мм).

—Кассегрена увеличение достигается, в частности, и за счет того, что системы удлиняющие и при том же отверстии эквивалентное фокусное расстояние больше, а следовательно, больше и его отношение к фокусному расстоянию окуляра, что и приводит к большему увеличению.

В «Записках» имеется под № 138 повторная схема «грегориано-невтонианской и ломоносовской схемы», о чем мы говорили выше, с текстом: «Трубку сделать мою грегориано-невтонианскую и с Доландом.^{60 3}/₄ фута плоское (снова плоское, — О. М.), микроскоп о двух стеклах входит в трубу далече и увеличивает много.

Трубка посему выйдет длиною в фут, толщиною в два дюйма. Увеличивать должна в 60 раз»⁶¹ и т. д. Это несколько видоизмененная конструкция того же комбинированного телескопа. Этот телескоп также не был построен.

—1877 гг. построили по своей схеме 32-сантиметровый телескоп для обсерватории в г. Пола. Это по сути дела схема кассегреновского зеркала, но с наклонным главным зеркалом и вынесенным на сторону трубы (во избежание экранирования) вторичным гиперболическим зеркалом.⁶² Из-за наклонных пучков в этой системе Брахита появляется (особенно при больших углах наклона) столь заметный астигматизм, что они не строятся в настоящее время. В этом отношении система Брахита, т. е. внеосевая кассегреновская, в принципе отличается от ньютонианско-грегорианско-ломоносовского телескопа (по нашей терминологии, «внеосевого кольцевого Ломоносова»), в котором вторичное зеркало плоское и при условиях его использования не вносит существенно мешающих наблюдениям аберраций.

Сравнительно недавно историки выяснили, что в работе Ломоносова «Новый весьма легкий и точный способ находить и наносить полуденную линию», которая была им написана в период с 15 по 21 сентября 1761 г., дается описание изобретения нового горизонтального телескопа с сидеростатом и часовым механизмом. Публикация этой работы была сделана Л. Б. Модзалевским на латинском и русском языках только в 1937 г., а также в 1955 г. в переводе с латинского Б. Н. Меншуткина с весьма полными комментариями Ченакала.⁶³

В этой работе, в § 1 сказано, что Ломоносов работал «над постройкой большой неподвижной небесной трубы для улавливания звезд путем отражения от металлического зеркала».⁶⁴ Из дополнительных документов, в частности рапортов оптика Беляева, изготовлявшего телескоп, Ченакалом выяснены отдельные детали этого интересного прибора (см. рис. 2, —11).⁶⁵

Телескоп составляли: 1) прибор, дающий неподвижный пучок лучей от поля звезд на небе (поле вращается относительно центральной звезды), так называемый сидеростат (это название появилось примерно на 100 лет позднее) с металлическим плоским зеркалом, размером 146×160 мм; 2) механизм типа «часового» для ведения зеркала и 3) горизонтального телескопа (трубы) — рефрактор или рефлектор (это еще не уточнено) с фокусным расстоянием 40 футов, т. е. более 12 м (!) и поперечником объектива, или вогнутого зеркала, 140—160 мм.

Впервые плоское зеркало для подобной же цели применил в Тулузе в 1682 г. Бофор (Bouffurt). Он назвал его «compas catoptrique».⁶⁶ Однако этот инструмент являлся скорее тем, что потом называлось «полярным сидеростатом». Он показал большие преимущества в монтировке перед обычными длиннофокусными рефракторами на громоздких монтировках XVII—XVIII вв.

В этой же области неподвижных телескопов, питаемых сидеростатами, позднее работали К. Перро (1682 г.), Д. -Г. Фаренгейт, впервые применивший часовой механизм для ведения зеркала (1730 г.), В. -Я. -С. Гравезанд (1742 г.) и многие другие. Но это были фактически не только «сидеростаты» (термин, который ввел Ж. -Б. -Л. Фуко значительно позднее), а также и то, что мы называем теперь «гелиостаты».⁶⁷ Бофора—Фаренгейта, мы называем теперь «полярными сидеростатами». В сидеростатах, имеющих две оси вращения, наблюдаемая центральная звезда неподвижна, а звезды поля вращаются. Они не нашли широкого применения, в частности, из-за неумения в то время приготовить хорошее плоское зеркало, и особенно имеющее прямоугольную (а не круглую) форму. Ломоносов это прекрасно понимал. Именно в связи с этим он и занимался поисками контрольных методов при изготовлении плоских зеркал. Один из них он считал своим изобретением, упоминая о нем под № 103 (п. 14) «Химических и физических записок» среди 16 изобретений и открытий. То же под № 122-16 — «Как испытать точную плоскость плоских зеркал трубкою в расстоянии, о том писать в описании жезла».⁶⁸

Рис. 2. Сложные системы отражательных телескопов.

Зафокальные. Названия фокусов: 1 — Грегори (удлиняющая); 2 — Грегори (укорачивающая, не применяется); 3 — Грегори—Ломоносова типа Брахит (удлиняющая); 4 — Грегори внеосевой (удлиняющая). Предфокальные. Названия фокусов: 5 — Кассегрена (удлиняющая); 6 — Кассегрена (укорачивающая, не употребляется); 7 — Кассегрена—Ломоносова типа Брахит (удлиняющая); 8 — внеосевой типа Брахит (удлиняющая). Кольцевые9 — кольцевой (с микроскопом); 10 — кольцевой (Ломоносова с микроскопом) в общем случае «внеосевой» («кольцевой Ломоносова»). Внизу — набросок Ломоносова (из «Химических и оптических записок») схемы телескопа предыдущего типа, названного им Ньютона—Грегори—Ломоносова. F — фокусное расстояние основного вогнутого зеркала; F_э — эквивалентное фокусное расстояние всей оптической системы (но без окуляра или микроскопа).

Позднее Е. Ф. Аугуст (1839 г.), С. Ланглей (1880 г.), Г. Липманн (1895 г.) и ряд других предложили новую систему — с невращающимся полем и одной осью, названную «целостатом» (плоскость зеркала параллельна оси вращения земли, и зеркало вращается со скоростью один оборот за 48 час. в обратную сторону). Эти системы нашли широкое применение лишь с 1895 г. и в основном для наблюдения Солнца. Сидеростат же, как он назван конструкторами обсерватории (точнее было бы назвать его гелиостатом), недавно был изготовлен и эксплуатируется в Национальной обсерватории Кит Пик (США). Он имеет основное плоское зеркало 2 м в диаметре и питает 1.5-метровое зеркало с фокусным расстоянием 92 м, строящее изображение Солнца.⁶⁹

Таким образом, развитие электроники позволило в настоящее время снова вернуться к сидеростатам-гелиостатам, но, конечно, на совершенно новом техническом уровне. Тем более поражаешься гению Ломоносова, что он рискнул осуществить и, по-видимому, полностью осуществил еще в 1761 г. столь же длиннофокусный инструмент, и при этом для ночных наблюдений, которые всегда сложнее и труднее дневных.

В заключение обзора телескопов следует отметить, что Ломоносов был приборостроитель широкого профиля. Он ввел не только ряд оптических, но также и конструкторских улучшений в существующие телескопы. В частности, в грегорианском телескопе он укрепил вторичное зеркало в собственной трубке, которая входила в трубу собственно телескопа,⁷⁰ что облегчало фокусировку вторичным зеркалом. Последнее ранее закреплялось на самой трубе телескопа, и механизм его движения вдоль оптической оси был сложен. В конструкции же Ломоносова все сводится к движению «трубки в трубке».

³⁰ Архив АН СССР, p. 1, оп. 74б, № 4.

³¹ Т. е. английские системы Ньютона 1668 г. с плоским диагональным зеркалом перед главным фокусом основного зеркала и удлиняющая система Дж. Грегори 1663 г. с вогнутым эллиптическим вторичным зеркалом, которое стоит за фокусом главного и дает точку эквивалентного фокуса перед центром поверхности главного зеркала или даже за ним (при наличии отверстия).

³² Д. Д. Максутов (указ. соч., с. 276) пишет: «Такая система телескопа носит название системы Гершеля, хотя имеются указания, что еще за полтора века до Гершеля такая система телескопа была известна современникам Галилея как наиболее простая и естественно приходящая на мысль человеку, желающему использовать одиночное вогнутое зеркало для наблюдения удаленных предметов», и в примечании: «Телескоп такой же системы предлагал М. В. Ломоносов ранее (на 27 лет, — О. М.) В. Гершеля». Подобную же зеркальную систему с очень малым полем зрения в 1616 г. предлагал Н. Цукки (Nicolaus. Optica Philosophia. Collegio Romano, i, cap. XIV, sec. V, 1652, p. 126), но в комбинации с отрицательным окуляром, а у Гершеля он был положительным.

³³ ПСС, т. 4, с. 475.

³⁴ Там же, с. 412.

³⁵ Там же, с. 479 и сл.

³⁶ «катоптрическими» или «зеркальными». «Катодиоптрическими» или «зеркально-линзовыми» системами мы называем те, в которых линзовая оптика (диоптрическая) входит в схему телескопа еще до окуляра. Здесь же в это понятие включается также и линзовая оптика окуляра.

³⁷ ПСС, т. 4, с. 407.

³⁸ Там же, с. 475.

³⁹ Там же, с. 485.

⁴⁰ Там же, с. 800.

⁴¹

⁴² Там же, с. 416, № 28.

⁴³ Ченакал В. Л. Проблема оптического стекла в России. — Природа, 1938, № 6, см. также выше, примеч. 1.

⁴⁴ ПСС, т. 4, с. 485.

⁴⁵ °=2πR≈1/57 R, то «57 градусов» это просто R, т. е. радиус.

⁴⁶ ПСС, т. 4, с. 420.

⁴⁷

⁴⁸ Первые кольца будут с цветными каемками (фиолетовые внутри, красные снаружи соответствующего кольца).

⁴⁹ ПСС, т. 4, с. 485.

⁵⁰ Максутов Д. Д. Указ. соч.

⁵¹

⁵² Там же.

⁵³ Там же, с. 424.

⁵⁴ Цукки (указ. соч.) ввел еще в 1616 г. вогнутое сферическое зеркало и отрицательный окуляр. Но изображение было столь плохим, что автор системы стал употреблять обычный линзовый телескоп Галилея.

⁵⁵ ПСС, т. 4, с. 471.

⁵⁶ W. 1) On the investigation of vision in telescopes. — Philos. Trans., London, 1786, vol. 76, p. 457—499; 2) Discription of a forty-feet reflecting telescope. — Ibid., 1795, vol. 85, p. 347—409.

⁵⁷ Gregory J. Optica promota. London, 1663.

⁵⁸ Cassegrain Ball —23; King H. C. The History of the Telescope. Cambridge (USA), 1955, p. 75.

⁵⁹ «сплюснутым сфероидом». Для остальных систем зеркало эллиптическое или гиперболическое.

⁶⁰ Т. е. с небольшим доллондовским рефрактором.

⁶¹ ПСС, т. 4, с. 452. Эта система, но без окуляра, описана еще в XVII в. И. Цаном (Zahn J. Oculus artificialis Helipolis, 1685, S. 153).

⁶² Приоритет у Форстера и Фрича оспаривал в пользу англичан А. А. Коммон: A. A. 1) Preliminary Note on a Modified (Oblique) form of Cassegrain Telescope. — Monthly Notices, 1895, vol. 55, p. 8; 2) The Brachy Telescope of Messr. Fritsch and Forster. — Ibid., 1895, vol. 55, p. 325. На рисунке Ломоносова (см. рис. 2, 11) изображена, однако, зафокальная удлиняющая внеосевая система Грегори, а не Кассегрена. В настоящее время Брахиты снова входят в употребление в связи с новыми расчетами, но для небольших телескопов.

⁶³ Модзалевский Л. Б. Ломоносов о своих трудах. — Научное наследство т. 1. М. — Л., 1948; ПСС, т. 4, с. 381—397; 775—777.

⁶⁴ —382.

⁶⁵ Архив АН СССР, ф. 3, оп. 1, № 506, л. 219.

⁶⁶ Hartman W. Beitrage zur Geschichte und Theorie der astronomischen Instrumente mit rotierenden Planspiegel und fester Reflexrichtung (Heliostat, Siderostat, Zölostat, Uranostat). — Abhandl. Hamburg—Bergedorf Sternwarte, 1928, Bd. V, № 1, S. 1.

⁶⁷ Там же.

⁶⁸

⁶⁹ Труба этого телескопа была выполнена по схеме «Внеосевой Ньютон». Главное зеркало — внеосевой параболоид 1.5 м в диаметре (F=92 м), с расхождением лучей падающего и отраженного в 1.25°, диагональное зеркало 1.2 м отражает пучок лучей почти под 90° на спектрограф. Эта схема была сочтена лучшей из ряда рассмотренных вариантов.

⁷⁰ Ченакал — В кн.: Историко-астрономические исследования, т. 1. М., 1955, с. 207—212.