19 августа Пулковской обсерватории (если официально – "Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук") исполнилось 175 лет. В 1827 году было принято решение основать новую обсерваторию, в нескольких километрах к югу от Санкт-Петербурга, на Пулковских высотах – на достаточном расстоянии, чтобы огни столицы не мешали астрономическим наблюдениям. 19 августа 1839 года состоялось торжественное освящение готовых зданий.

Сегодня Пулковская обсерватория выполняет уникальные исследования, от которых зависят межпланетные миссии, навигационные системы и астероидная безопасность. Она долго оставалась крупнейшей в России, а в некоторых отношениях – лучшей в мире: здесь был установлен крупнейший среди современников рефракторный телескоп Мерца и Малера с диаметром объектива 38 сантиметров. Сегодня главный инструмент обсерватории – 26-дюймовый (65 см) рефрактор, и он совсем не молод – его основным, оптическим, компонентам больше 60 лет, хотя модернизация и автоматизация механической части регулярно производится до сих пор.

В дни своего юбилея Пулковская обсерватория переживает кризис: ее установленная еще распоряжением Совнаркома от 11 марта 1945 года трехкилометровая охранная зона, то есть территория, где запрещено возведение крупных промышленных и жилых объектов, находится под угрозой массовой застройки, которая серьезно сократит программу астрометрических наблюдений (подробнее об этом читайте здесь). При этом было бы большим заблуждением считать, что наблюдения на построенных десятилетия назад инструментах Пулковской обсерватории теряют свою ценность на фоне создания все более современных и мощных орбитальных и наземных телескопов. Наоборот, исследования обсерватории во многих отношениях уникальны – и именно благодаря возрасту инструментов.

Астрометрия, не астрофизика

Астрономические наблюдения можно условно разделить на две категории: астрометрические и астрофизические. Астрофизика интересуется строением космических тел, их химическим составом и физическими свойствами. Такие известные инструменты, как орбитальный телескоп Хаббл, Большой Альт-Азимутальный телескоп (БТА) в Специальной обсерватории РАН в Карачаево-Черкессии или строящийся сейчас в Чили Гигантский Магелланов телескоп, предназначены именно для астрофизических исследований. Все эти телескопы относятся к рефлекторному (или зеркальному) типу: свет собирается в них с помощью специального вогнутого зеркала.

Задачи астрометрии совсем иные – это точное определение положений и траекторий различных небесных тел. Астрометрические инструменты отличаются от астрофизических. Здесь тоже используются орбитальные обсерватории, их всего две: Hipparcos (закончил работу в 1995 году) и Gaia (будет работать еще 5-7 лет). Основные наземные астрометрические телескопы относятся как раз к рефракторному типу – для сбора света в них используются линзы (по тому же принципу

устроены большинство небольших любительских телескопов).

Действующих крупных линзовых телескопов на планете осталось совсем немного, и один из них находится в Пулкове. В Морской обсерватории USNO в США установлен близкий по параметрам (66 см, F = 13 метров) рефрактор, но он уже окружен малоэтажной застройкой и по наблюдательным возможностям отстает от инструмента ГАО. Многие большие рефракторы, например, в Парижской, Бельгийской обсерваториях, в Ницце в последние десятилетия потеряли способность производить качественные наблюдения именно из-за засветки от подступивших вплотную к ним зданий. Они стали музейными экспонатами.

“По длительности и регулярности наблюдений ГАО сравнима только с Гринвичской обсерваторией, которая, к большому сожалению, прекратила свою работу”, – считает заведующий отделом небесной механики Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга Николай Емельянов.

Преимущество возраста

Для выполняющих астрометрические наблюдения линзовых инструментов возраст не помеха, а преимущество. “Они интересны именно тем, что сделаны давно, – объясняет сотрудник ГАО РАН Александр Шумилов. – Наш большой рефрактор был вывезен по репарациям из Германии сразу после войны, вообще говоря, он был сделан Гитлером в подарок для Муссолини, для итальянской Римской обсерватории. Этот телескоп необычайно стабилен в своих свойствах. Сейчас телескопы так делать не умеют”.

Современные зеркальные телескопы требуют постоянного ухода: алюминиевое покрытие их зеркал со временем портится, раз в пять лет его приходится полностью заменять. При этом – пусть и совсем незначительно – меняются параметры инструмента. Для астрофизических наблюдений это не принципиально, а вот для астрометрических – критически важно. Линзовые астрометрические телескопы в регулярном ремонте не нуждаются, наоборот – их стараются трогать как можно меньше.

“У нас есть уникальная возможность копить данные наблюдений на протяжении десятилетий, – рассказывает Шумилов. – Наблюдения

начались после войны, в 50-х годах, и собранные за все это время данные можно сравнить с сегодняшними наблюдениями. За это время в телескоп никто ни разу не залезал, он не подвергался ни разборке, ни ремонту”.

Более современный зеркальный телескоп может сделать подробное и точное наблюдение, но два состояния телескопа отличаются, корректно сравнить две полученные картинки практически невозможно. А Пулковская обсерватория с помощью построенного больше чем полвека назад большого линзового телескопа способна делать ряды однородных наблюдений, длящиеся десятки лет. Шумилов приводит сравнение: “Работа на современных инструментах чем-то подобна работе золотоискателя. Если ты нашел интересный объект, научный результат будет практически сразу. А наша деятельность скорее подобна работе на железорудном карьере. Хочешь не хочешь, но сперва придется покопаться карьерным экскаватором”. Движение некоторых тел плохо предсказуемо, оно может быть хаотичным, объекты могут входить в резонанс с другими телами. Чтобы с точностью, достаточной для практического применения (например, миссии космического аппарата), предсказывать их положение хотя бы на годы или получать в сугубо научных целях приблизительные расчеты траектории на десятки и сотни лет, необходимо производить постоянные наблюдения с помощью стабильных линзовых телескопов, и чем раньше они построены – тем длиннее ряд наблюдений.

“Характерный пример – Плутон, – рассказывает Шумилов. – К нему сейчас как раз подлетает автоматическая станция “Новые горизонты”. В 2015 году она отработает возле него буквально пару часов. Весь успех этой дорогостоящей миссии зависит от того, насколько точна будет

траектория станции – она должна в итоге оказаться не очень далеко от Плутона, потому что ее небольшие камеры не очень далеко видят, но и не должна “в лоб” влететь в карликовую планету. У Плутона – 5 спутников. Два из них вообще не были известны до недавнего времени, кроме того, с момента обнаружения Плутон не сделал еще даже пол-оборота по своей орбите вокруг Солнца. Чтобы построить достаточно точную модель его движения, определить его орбиту с учетом всех параметров, нужны длительные постоянные наблюдения, как раз такие, какие производятся Пулковской обсерваторией”.

В 2022 году Европейское космическое агентство запустит межпланетную миссию JUICE, главная задача которой – исследование спутников Юпитера, в первую очередь Европы, на котором, вероятно, находится скованный толстым ледяным панцирем океан жидкой воды, а значит,

вполне может существовать жизнь. Планирование орбиты станции также в значительной степени будет опираться на сделанные Пулковской обсерваторией многолетние наблюдения – иначе построить модель движения тел в системе Юпитера просто невозможно.

“Вообще, наш большой рефрактор дал 23 процента всех наблюдений всех больших спутников Солнечной системы – Луны, спутников Юпитера и

Сатурна”, – замечает Шумилов.

Длинные ряды наблюдений не только помогают точно определять положения и траектории небесных тел, но и позволяют открывать новые астрономические объекты, которые невозможно обнаружить никаким другим способом.

Так, одной из важнейших задач астрономии является изучение двойных звезд – пар обращающихся относительно общего центра масс видимых звезд. Если одна из звезд в паре невидима (или просто неразличима современными телескопами), то задача становится особенно сложной. “Допустим, у какой-нибудь слабой звезды замечают нелинейность движения, – объясняет Александр Шумилов. – Неизвестно, что это такое, в чем причина. И вот ряд наблюдений копится, проходят десятилетия, и в конце концов становится понятно, что у звезды есть невидимый спутник,

например, коричневый карлик либо особенно большая экзопланета – зачастую это астрофизически интересные объекты. Никаким другим способом на сегодняшний день такие спутники обнаружить нельзя”.

“Многие научные открытия, например, факт медленного приближения многих естественных спутников к своим планетам, невозможны без регулярных наблюдений на интервалах времени в несколько сотен лет”, – соглашается Николай Емельянов.

От работы пулковских астрономов зависит не только научный прогресс, но и безопасность планеты Земля. “В Пулковской обсерватории проводятся наблюдения новых астероидов, опасно приближающихся к Земле. В начале этого века сотрудниками ГАО РАН были выполнены наблюдения и было предсказано безопасное падение небольшого астероида в океан”, – рассказывает Емельянов.

“Астероидная опасность – чисто астрометрическая тема, – объясняет Шумилов. – Метеорит километрового диаметра за месяц до предполагаемого столкновения будет иметь звездную величину порядка 19. Это очень слабый объект, его можно увидеть, но получить его точное положение очень тяжело. Необходима двухуровневая система: обзорная подсистема, которая ищет подозрительные объекты, и исследовательская подсистема, которая уже точно вычисляет их эфемериды”.

По словам Шумилова, в мире сейчас нет единой системы наблюдения за потенциально опасными астероидами. Несколько крупных обзорных подсистем делают регулярные цифровые обзоры неба. Если обнаружен

подозрительный объект, об этом публикуется общедоступное предупреждение – так называемый "алерт". Обзорные подсистемы не имеют возможности точно определить траекторию опасных тел – для этого нужны другие инструменты, такие как большой рефрактор Пулковской обсерватории. “Поисковые инструменты мелкомасштабны,

они видят большие участки неба, – объясняет Шумилов, – поэтому они не точны, у них пиксел очень большой, а у нас таких ограничений нет. Мы можем повысить точность в десятки и сотни раз”. Если алерт попал в зону наблюдения обладающей нужными телескопами обсерватории, его начинают вести работающие на ней ученые. “Например, если такой объект найдется в приполярной области, наши наблюдения, скорее всего, будут безальтернативными”, – говорит Шумилов.

Вложения и климат

Итак, исторические инструменты, которыми обладает Пулковская обсерватория, дают возможность осуществлять уникальные исследования, недоступные самым современным телескопам. Почему же подобных обсерваторий в мире становится все меньше, старые закрываются, а новые не создаются?

“Во-первых, это работа на слишком далекую перспективу, – объясняет Шумилов. – Если какого-то задела не создано, с нуля начинать никто не будет. Никто не хочет, чтобы результаты его работы оказались доступны только внукам, особенно на фоне активной научной конкуренции последних лет”.

Второй существенный момент – весьма трудоемкая технология производства больших линзовых телескопов – рефракторов. Если зеркала рефлекторов делаются из специального материала с очень низким коэффициентом температурного расширения – ситалла и их поточное производство можно наладить, то классические прозрачные преломляющие материалы, из которых производятся объективы рефракторов, к температуре достаточно чувствительны. Линза

нагревается при обработке и изменяет свои характеристики: “Надо потереть, оставить до вечера и потом только посмотреть, что ты там натер”, – говорит Шумилов. Это практически ручной труд, который может занять месяцы и даже годы. “Человек фактически всю свою жизнь кладет на то, чтобы научиться делать такие объективы, а потом сделать какой-то рекордный экземпляр”, – объясняет Шумилов. Крупные линзовые телескопы невозможно производить автоматизированно, и сегодня их делают только небольшого размера – до 50 сантиметров диаметром.

Строительство новых обсерваторий с серьезными линзовыми телескопами очень дорого, технологически сложно и вряд ли может быстро принести научные дивиденды. Но почему же регулярно закрываются уже существующие обсерватории?

Главная причина – изменение астрономического климата, природных и антропогенных атмосферных факторов, влияющих на точность астрономических наблюдений. “Практически все рефракторы располагались в обсерваториях неподалеку от городов, и Пулково осталось единственной обсерваторией с очень большим рефрактором, вокруг которого еще можно делать относительно качественные наблюдения, – рассказывает Шумилов. – Все остальные оказались прямо в городских кварталах”.

Вообще-то астроклимат более важен как раз для зеркальных инструментов, чем для линзовых. Именно поэтому крупные современные обсерватории размещают в основном вдали от городов и высоко в горах. “Наблюдения на зеркальных телескопах – по большей части астрофизика, а астрофизикам нужна тщательная спектральная выверенность, нужна

возможность четко редуцировать атмосферные влияния, важно понимать, что из полученного спектра дано звездой, а что – атмосферой, – объясняет ученый. – Атмосфера светится в любых условиях, даже высоко в чилийских Андах, но четко отделить от полезного сигнала, учесть это свечение можно только при его невысоком уровне. В городских условиях это невозможно: спектр свечения неба просто непредсказуем. Это и фары, и диодные фонари, и что угодно – гороховый суп, в котором астрофизику делать нечего”.

Такие инструменты, как большой линзовый телескоп Пулковской обсерватории, зависит от астроклимата намного меньше: “Мы можем себе позволить иметь под боком город, и это – уникальная особенность чистой астрометрии. Нам в первую очередь важны точные положения объектов на небе. Существует масса моделей, позволяющих учесть всякого рода влияние на измеренное положение, и по негативному влиянию городская засветка – далеко не в первых рядах. Мы очень не любим сильные тепловые потоки, в этом плане, кстати, Крымский полуостров несравнимо хуже, там очень резкие турбулентности на границе моря и скал. Мы очень не любим непредсказуемую влажность, потому что из-за нее не можем учесть показатель преломления воздуха. Но у нас рядом нет крупного водоема”.

Пулковская обсерватория обладает преимуществом, которого нет у большинства других мировых обсерваторий, – она способна эффективно работать, осуществлять уникальные наблюдения, даже находясь в относительной близости от огромного мегаполиса. Трехкилометровая охранная зона вокруг нее обеспечивает достаточно качественный астроклимат. “Но любые условия можно довести до абсурда, – замечает Шумилов. – Сейчас в охранной зоне есть только точечная инфраструктурная застройка – пожарная часть, дороги, относительно некрупные инженерные объекты. Если появятся кварталы – система даст трещину. Жилой квартал отапливается, в конечном счете все это тепло неизбежно попадает в атмосферу, поднимется вверх в виде тепловых потоков.

Мощный конвективный поток может пробить нижний слой атмосферы и как дымовая труба тянуть все с земли: пыль, грязь, все это будет подсвечиваться снизу, и мы получим сразу же несколько факторов, которые невозможно будет учесть. Доступные вычислительные мощности даже для приблизительного подсчета этих факторов на сегодняшний день недостаточны”.

****

Мы регулярно слышим о крупных астрономических открытиях – о вспышках сверхновых звезд, о далеких квазарах, о реликтовом излучении, пришедшем к нам из начала времен. Все это – золотые слитки астрофизики, о которых говорил Шумилов. Работа астрометристов менее заметна, но от нее критически зависят полеты межпланетных станций,

составление и уточнение каталогов координат космических объектов, наблюдение за потенциально опасными астероидами и даже работа навигационных систем – таких как GPS или ГЛОНАСС, которые опираются на точные астрометрические данные.

Пулковская обсерватория находится не где-нибудь высоко в Андах, а в нескольких километрах от петербургской кольцевой автодороги – но благодаря этому в условиях приемлемого астрономического климата она пользуется удобной инфраструктурой. Пулковские телескопы несовременны, но именно благодаря своей стабильности и длинной истории регулярных наблюдений они позволяют делать то, на что не способны ни орбитальные, ни крупнейшие наземные зеркальные инструменты.

Пока другие астрометрические обсерватории одна за другой превращаются в музеи, большой рефрактор в Пулкове вполне может

проработать с огромной пользой для науки и космонавтики еще многие десятки лет: “Оптика на нем не портится вообще. Она очень архаичная, там нечему приходить в негодность, там нет никаких покрытий. Это массивный кусок стекла, с которым ничего не может произойти, если только по нему молотком не колотить”, – объясняет Шумилов.

Конечно, как и всякому российскому научному учреждению, Главной астрономической обсерватории РАН требуется увеличение финансирования, нужно обеспечить приток молодых специалистов и решить еще множество типичных для российской науки проблем. Но главное, что может помешать пулковским астрономам отпраздновать следующий юбилей, – торговый центр или жилой квартал на территории охраняемой зоны.