На пути к телескопу Ломоносова
И.Н.Нестеренко, А.Р.Нестеренко
Год назад мы рассказали о нашей попытке повторить наблюдения М.В. Ломоносова во время транзита Венеры по диску Солнца 1761 г., когда он открыл атмосферу у планеты. Мы наблюдали последний транзит Венеры в 2012 г. с помощью аналогичных старинных телескопов и убедились, что Михаил Васильевич действительно мог видеть венерианскую атмосферу. Однако остался вопрос: насколько использованные нашей группой телескопы были близки к тому, что был в его распоряжении? Усилия, которые мы предпринимаем в последнее время, чтобы доказать достоверность этого открытия нашего выдающегося соотечественника, позволили установить неожиданные, неизвестные ранее факты.
Стекло приводит нас чрез Оптику к сему, Прогнав глубокую неведения тьму! Преломленных лучей пределы в нем несложны, Поставлены Творцом; другие невозможны...
Хоть острым взором нас природа одарила, Но близок оного конец имеет сила. Кроме, что вдалеке не кажет нам вещей И собранных трубой он требует лучей...
М.В.Ломоносов, декабрь 1752
Игорь Николаевич Нестеренко, научный руководитель обсерватории «Вега» Новосибирского государственного университета, научный сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН, действительный член международной астрономической организации АСТРО. Занимается диагностикой пучков заряженных частиц в ускорителях, физикой высоких энергий.
Альфия Рашитовна Нестеренко, заведующая лабораторией атомной физики и спектроскопии и обсерваторией «Вега» Новосибирского государственного университета, действительный член международной астрономической организации АСТРО. Область научных интересов: атомная и молекулярная спектроскопия, физика Солнечной короны, наблюдение метеоров и комет, автоматизация оптических наблюдений.
О чем поведали рисунки
Детальный анализ изображений (рис.1 и 2), представленных в работе «Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-Петербургской Императорской Академии Наук майя 26 дня 1761 года» [1], показал: фигуры 1 и 2, скорее всего, — зарисовки окулярной проекции* с телескопа, которым пользовался Ломоносов при наблюдении транзита Венеры. Это следует из того, что там очень
© Нестеренко И.Н., Нестеренко А.Р.,
2014
точно выдержаны соотношения диаметров Солнца и Венеры, особенно фигуре 2 (отличие от истинного отношения всего на 0.5%). Такое близкое совпадение относительных размеров на этих двух рисунках с подлинными возможно только при зарисовке деталей ре-
* Окулярная проекция — своего рода рукотворная «фотография» того изображения, которое мы способны увидеть глазом в фокальной плоскости объектива телескопа через окуляр. При окулярной проекции сохраняется подобие между изображениями в фокальной плоскости и на экране. Масштаб изображения зависит от увеличения телескопа и расстояния между окуляром и экраном (рис.3,в). Некоторые телескопы до сих пор комплектуются экранами для наблюдения окулярной проекции. Эти белые экраны крепятся на монтировке телескопов и используются, как правило, при наблюдении Солнца. Если заменить белый экран светочувствительным сенсором, как в современных цифровых камерах, можно фотографировать Луну, планеты и другие космические объекты.
мой Guide 9 (а) и фигура 1 из статьи Ломоносова [1] (б). Синяя линия указывает направление на север, т.е. изображение перевернуто. Направление траектории транзита (красная линия) — из точки В к точке А.
альной картины, спроецированной на экран, который установлен за окуляром телескопа. Интересно, что заявленный в тексте статьи [1] угловой размер Венеры (62") явно отличается от изображенного на фигуре 2 (58"). При этом настоящий размер на момент наблюдения был 57.7", т.е. рисунок демонстрирует практически фотографическую точность воспроизведения независимо от оценок автора.
Метод наблюдения Солнца с помощью окулярной проекции безопасен для глаз астронома и был хорошо известен практически с момента изобретения телескопа. Например, его использовали для наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца английские астрономы Джереми Хоррокс и Вильям Крабтри еще в 1639 г. (рис.3,а,б).
Изображения транзита на фигурах 1 и 2 повернуто на 180° относительно реального, видимого невооруженным глазом. Если считать обе картинки зарисовками окулярных проекций, то использованный в этих случаях окуляр должен быть сконструирован так, чтобы в нем была оборачивающая система линз* (рис.4,а,б). Подобные окуляры состояли из двух (реже трех) линз в самой оборачивающей системе и еще из двух линз, последних по ходу света (окуляра Гюйгенса). Они обязательно входили в комплект любого телескопа XVIII и первой половины XIX в. и использовались для наземных наблюдений, так как давали привычное непе-ревернутое изображение при наблюдении глазом.
* Оборачивающая система линз (рис.4,а,б) — это набор линз, который ставится между объективом и окуляром телескопа для дополнительного переворота изображения. Эта двухлинзовая система была предложена в 1645 г. астрономом и оптиком Антонио Мария Ширлиусом (1597—1660), прозванным Рейта (по месту рождения в Ройте, Австрия).
Рис.2. Фигура 2 из статьи Ломоносова с цветными линиями, нанесенными в программе AutoCad2010. Зеленая и желтая дуги (ЬБ) — края Солнца на краю и вблизи центра поля зрения соответственно. Синяя окружность CDE — поле зрения телескопа. Черный круг Х, обведенный красной окружностью, — Венера на фоне Солнца. Отношение радиусов желтой дуги Солнца и черного круга Венеры соответствует реальному отношению с точностью 0.5%. Синяя линия и С (внизу) указывают направление на север, красная линия — траектория транзита. Черные круги с охватывающими эллипсами в точках t — это диск Венеры на краю поля зрения, испорченный хроматическими аберрациями окуляра.
Это был не единственный окуляр, использованный Ломоносовым при наблюдениях транзита Венеры. Фигура 4 в статье демонстрирует изображение «пупыря» (арки), выступающего за край Солнца, после третьего контакта (рис.5). Изображение показано повернутым на 180° относительно реального и выглядит так же, как наблюдается глазом через окуляр Гюйгенса без дополнительной оборачивающей оптической системы. К тому же увеличение телескопа с этим окуляром было приблизительно в 3.5 раза больше, чем с тем, что использовался при построении фигур 1 и 2.
С большой долей вероятности фигура 4 была нарисована следующим способом: после настройки на резкое изображение в телескоп другой, нерабочий, глаз открывался и смотрел на установленный перед ним экран рядом с телескопом — этот лист бумаги, скорее всего, был разлинован для лучшей аккомодации глаза. Экран должен был быть размещен на таком расстоянии, чтобы одновременно рабочий глаз был аккомодирован на резкое изображение в телескопе, а нерабочий — на разлиновку экрана. Это расстояние подбирается индивидуально и для глаз среднего пожилого человека приблизительно равно 50 см (Ломоносову на момент транзита Венеры было почти 50 лет). Мозг объединяет видимые каждым глазом картинки в одну, и наблюдатель может зарисовать ее на экране. Зарисованная картина будет подобна той, что построена объективом телескопа в фокальной плоскости.
Данное предположение основано на том, что в тексте статьи Ломоносов приводит приблизительную толщину «пупыря» в 1/10 от диаметра Венеры. Это заявленное отношение отображено на фигуре 6 (1/9.95) и в какой-то степени на фигуре 3 (1/11.9). Однако на фигуре 4 толщина «пупыря» существенно меньше — 1/15.9 от диаметра Венеры. Такое отличие от текс-
Рис.3. Джереми Хоррокс наблюдает транзит Венеры в 1639 г. (а). За окуляром телескопа (справа) поставлен экран (слева), на котором виден яркий диск Солнца с черной «горошиной» — это диск Венеры. Телескоп с экраном установлены на монтировке, позволяющей следить за перемещением Солнца в результате суточного вращения Земли. Такая система для наблюдения, например, за солнечными пятнами, была описана в книге Кристофа Шайнера «Rosa Ursina siue Sol», изданной в 1626—1630 гг. Вильям Крабтри наблюдает Солнце в момент транзита Венеры в 1639 г. (б) на экране, установленном за окуляром телескопа (справа вверху). Гравюра из той же книги, которая поясняет метод получения окулярной проекции (в). Свет входит в телескоп слева через объектив, проходит в трубе, выходит через окуляр (правый конец трубы) и падает на экран (справа), установленный на некотором удалении за окуляром. Наблюдатель может обрисовать контуры видимых деталей (пятна на Солнце, Венеру в момент транзита и др.).
объектив
оборачивающая система
экран
фокальная
ПЛОСКОСТЬ
окуляр Гюйгенса
а
Рис.4. Оптическая схема окулярной проекции с окуляром для наземных наблюдений, т.е. с оборачивающей системой (а). Изображение получается повернутым на 180°. Если убрать оборачивающую систему, то изображение на экране станет нормально ориентированным. Оптическая схема телескопа с ахроматическим двухлинзовым объективом и окуляром для наземных наблюдений, т.е. с оборачивающей системой (б). На сетчатке глаза изображение будет перевернуто. Однако с физиологической точки зрения такое изображение кажется нормально ориентированным. При использовании окуляра без оборачивающей системы видимое изображение будет казаться перевернутым.
Солнце
/' п
)
Рис.5. Фигуры 3, 4 и 6 из статьи Ломоносова. Фигура 3 демонстрирует начало образования выпячивания края Солнца в момент выхода Венеры с диска Солнца (линия LS). Фигура 4 показывает момент развития «пупыря» (сине-зеленая дуга между точками mm) за счет рефракции солнечного света в атмосфере Венеры (красная окружность). Желтая дуга (край Солнца) построена по расчетному радиусу, величина которого была получена из радиуса красной окружности и известного отношения радиусов Венеры и Солнца. Край Солнца (ЬБ) и желтая дуга хорошо совпадают друг с другом почти на всем протяжении вне «пупыря». Фигура 6 носит иллюстративный характер для объяснения размытости края Солнца в момент касания края атмосферы Венеры.
тового описания возможно лишь в том случае, если наблюдатель обрисовывает реально видимую глазами картину обозначенным выше способом. Для проверки этого утверждения можно воспользоваться
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.