Расширяя границы Вселенной: история астрономии в задачах - Евгений Гусев

2.21. Какое техническое приспособление, предложенное в первой половине XVII века, позволило существенно повысить точность астрометрических измерений без изменения параметров самого телескопа?

2.22. Наблюдатели, работавшие в XIX веке на крупных телескопах — рефракторах Ликской и Йеркской обсерваторий испытывали большие трудности при наблюдениях планетарных туманностей. Почему при фотографических наблюдениях нужно было заметно сдвигать пластинку для получения резкого изображения либо ядра, либо самой туманности?

2.23. Какие функции выполнял телескоп в XVII и XVIII веках и какую новую функцию он стал выполнять в XIX веке?

2.24. Почему Бернар Лио, изобретатель коронографа (инструмента, позволяющего наблюдать солнечную корону вне затмений), использовал для своего прибора в качестве объектива простую линзу, а не сложный ахроматический объектив? Как при этом была решена проблема хроматической аберрации?

2.25. Определить географическую долготу точки на Земле значительно сложнее, чем широту. Чтобы найти широту, достаточно измерить высоту полюса мира или высоту Солнца в момент его полуденной кульминации. А для определения долготы из астрономических наблюдений необходимы точные часы, хранящие время нулевого меридиана. Определив по таким часам, например, момент кульминации

Солнца в точке наблюдения, мы узнаём, на сколько часов в точке наблюдения полдень наступает раньше или позже, чем на нулевом меридиане, а значит, определим свою долготу.

Для определения долготы наземных пунктов пригодны часы не очень высокого качества, которые были созданы уже к концу XVII в. С ними можно было неоднократно путешествовать между пунктами наблюдения, определяя поправку часов и таким образом постепенно уточняя разницу долгот. Но гораздо большие трудности испытывали моряки, которым, чтобы не пройти мимо цели, например, небольшого острова или порта, требовалось определять долготу «с первого захода». Чтобы создать точные часы, выдерживающие правильный ход в течение нескольких месяцев, а то и лет, в условиях морской качки и смены температуры, потребовалось большое искусство механиков: хорошие морские хронометры были созданы лишь к концу XVIII века. Но до этого момента предлагались и другие способы определения долготы без использования часов на корабле.

Один из таких методов — «координатную службу» — предложили английские математики Уильям Уистон (1667–1752) и Хемфри Дит- тон (1675–1714). Для экономии средств предполагалось создать её не по всей акватории Мирового океана, а лишь вдоль важнейших торговых путей (Хауз, 1983, с. 61):

«В известных пунктах, расположенных на торговых путях, следовало поставить на якорь суда, оснащённые мортирами; каждую полночь по местному времени о. Тенерифе (через который, по мнению Уистона и Диттона, проходил нулевой меридиан) каждое судно должно было производить выстрел вертикально вверх трассирующим снарядом (или ракетой), видимым издалека, причём так, чтобы снаряд взрывался точно на высоте 6440 футов (около 2000 м). Чтобы установить своё местоположение, корабли должны в полночь следить за этими сигналами, а затем по компасу определять направление на сигнальное судно. Расстояние корабля от сигнального судна можно было определить, измерив время между моментом вспышки взорвавшегося снаряда и звуком орудийного выстрела или измерив высоту наивысшей точки траектории снаряда».

Заметьте, что в этом проекте есть немало общего с современной системой глобального позиционирования GPS, реализованной с помощью искусственных спутников Земли. Однако в то время такая система выглядела утопически. Убедитесь в этом сами: оцените количество заякоренных кораблей, которые могли бы обеспечить такую систему на трассе Лондон — Калькутта в обход Африки протяжённостью около 20 тыс. км.

2.26. Почему оптики в середине XIX в. (Штейгейль, 1856 г.; Фуко, 1857 г.) при изготовлении телескопов — рефлекторов перешли от металлических зеркал к стеклянным с тонким серебряным покрытием?

2.27. Для какого рода наблюдений во второй половине XIX века использовались рефлекторы с зеркалами без отражательного покрытия и рефракторы с посеребрённой (в то время ещё не применялось алюминирование) передней поверхностью объектива?

2.28. Почему в XX веке отказались от серебрения зеркал телескопов — рефлекторов в пользу алюминирования?

2.29. В конце ХХ века у некоторых солнечных телескопов из трубы стали выкачивать воздух. В чём преимущество такого вакуумного телескопа?

2.30. Помешивая ложечкой five‑o'clock‑tea, Исаак Ньютон заметил, что при равномерном вращении поверхность жидкости приобретает форму параболоида. Поскольку в это время великий физик был занят полировкой металлического зеркала для первого в мире телескопа — рефлектора, он подумал, что центробежную силу можно было бы использовать для изготовления больших параболических зеркал, например, остужая жидкую бронзу во вращающейся форме или просто заливая в такую форму ртуть, которая, оставаясь жидкой при комнатной температуре, прекрасно отражает свет.

Прошло 300 лет прежде чем в конце XIX в. учёные занялись практическим изготовлением жидких зеркал. Одним из первых, кому удалось воплотить эту идею в жизнь, был знаменитый американский оптик Роберт Вуд: в 1909 г. он построил вращающееся жидкое зеркало диаметром 51 см и с его помощью даже фотографировал звёзды. Почему же телескопы — рефлекторы с жидкими зеркалами не получили распространения?

2.31. М. В. Ломоносов в 1762 г. изобрёл телескоп — рефлектор без вторичного зеркала. Через 27 лет аналогичная оптическая схема телескопа была предложена В. Гершелем. Каковы особенности оптической схемы телескопа Ломоносова — Гершеля и качество создаваемого им изображения? Используется ли данный тип телескопа в настоящее время?

2.32. В первые десятилетия развития радиоастрономии (с середины ХХ века до 1970–х годов), до того, как были созданы системы апертурного синтеза и радиоинтерферометры, угловая разрешающая способность радиотелескопов была очень низкой. Для её увеличения астрономы иногда использовали метод покрытия источников космического радиоизлучения Луной: замечая моменты времени изменения радиопотока и зная положение края Луны, можно восстановить распределение яркости источника. Этот же метод использовался и в эпоху развития рентгеновской астрономии (1960–е и 1970–е годы). Оцените, какая часть небесной сферы доступна для наблюдений этим методом с поверхности Земли.

2.33. В 1880–х годах в Парижской обсерватории был сконструирован телескоп с ломаной трубой. В чём преимущество такой оптической схемы телескопа?

2.34. Дифракционные решётки в астрофизике прошли путь от плоских решёток из проволочек (Фраунгофер) до вогнутых стеклянных отражательных решёток (Роуланд). В чём причина такой эволюции?

2.35. Звёзды находятся так далеко, что их видимый угловой диаметр определяется только шириной интерференционного максимума нулевого порядка, одинаковым для всех звёзд, наблюдаемых на данном телескопе. Почему же, тем не менее, на фотографиях звёзды имеют вид кружков разного диаметра? Похожее явление фиксируется и при визуальных наблюдениях.

2.36. Почему на фотографиях небесных тел, полученных при помощи космических аппаратов, цвета ярче и насыщенее, чем на снимках, сделанных с поверхности Земли?

2.37. В 1842 г. австрийский физик Христиан Доплер (1803–1853) сформулировал принцип, согласно которому цвет светящегося тела изменяется при перемещении тела от наблюдателя или к наблюдателю. Прав ли был Доплер? Как дополнил его принцип Физо, чтобы это заключение можно было использовать для определения скорости движения звёзд?

2.38. Как Аристарх Аполлонович Белопольский в 1895 г. смог при помощи спектроскопа установить метеоритное строение кольца Сатурна?

2.39. По спектру некоторой звезды, находящейся вблизи точки летнего солнцестояния, в двадцатых числах марта была измерена её лучевая скорость в 70 км/с. Через полгода лучевая скорость этой же звезды оказалась 130 км/с. Каким образом на основании этого факта академик А. А. Белопольский предложил вычислить расстояние от Земли до Солнца?

2.40. Согласно теории Эйнштейна, лучи света звёзд должны отклоняться в гравитационном поле Солнца. Как удаётся обнаружить это явление?

2.41. Американская орбитальная станция Скайлэб (1973 г.) была первой внеатмосферной универсальной солнечной обсерваторией. Для поддержания своей физической формы её экипаж занимался бегом по внутренней поверхности станции, представлявшей цилиндр диаметром около 6 м. С какой скоростью нужно бежать в таких условиях, чтобы ощутить земную силу тяжести? Как при этом должна быть ориентирована станция в пространстве?

Раздел 3. Изучение звёздного мира

3.1. Почему 80 % ярких звёзд носят арабские имена?