Современная астрономия  одна из самых «фотогенич- — ных» наук. Тысячи эффектных изображений, полученных на новейших телескопах, заполонили журнальные страницы и заставки смартфонов. Глядя на фантастические «столпы творения» и «бублики» чёрных дыр, трудно поверить, что всё началось с невзрачных медных пластинок.

АСТРОНОМ+ФОТОГРАФ=?

Замечательная вещь — смартфон! Можно слушать музыку, смотреть кино, зависать в соцсетях, звонить, наконец. Да ещё и фотографировать что хочешь: котиков, цветы, небо и звёзды… Хотя стоп. Со звёздами не всё так просто. Если в ясную погоду сфотографировать ночное небо на смартфон, полагаясь на настройки по умолчанию, результат будет разительно отличаться от того, что вы видите своими глазами. Для получения качественного снимка нужны как минимум опыт и понимание технологии процесса. Дело в том, что у камеры смартфона слишком маленький объектив (на языке астрономов — апертура). Поэтому он не может собрать много света от звёзд — слабых источников.

Прогноз Араго блестяще подтвердился в 1859 году. Выдающиеся немецкие учёные Г К и Р Б на основе снимков солнечного спектра доказали, что тёмные линии поглощения можно связать с химическими элементами в атмосфере Солнца: водородом, железом, хромом, кальцием, натрием в разных стадиях ионизации. (Эти линии также называются так называемые фраунгоферовыми ( ), в честь подробно описавшего их немецкого физики Й Ф.) Позже именно спектрограммы помогли найти гелий. 

Отчасти компенсировать малую апертуру можно, увеличивая выдержку — время, в течение которого открытый затвор пропускает свет к фоточувствительным элементам. В практике астрофотографии нередки выдержки по несколько часов. А ещё можно повысить чувствительность светоприёмных элементов, то есть задать достаточно большую ISO. Вышеперечисленные компоненты определяют экспозицию — количество света, попавшего на матрицу смартфона, фотопластину или дагерротип (первый в истории фотоматериал, изобретённый в начале XIX века). 

Щедрый подарок Франции разлетелся по миру, и естествоиспытатели принялись за изучение новой технологии. 26 марта 1840 года профессор медицины Нью-Йоркского университета, философ и фотограф Д Д получил первое детальное изображение Луны. Общее время экспозиции для снимка составило двадцать минут.

ДАРИМ ОТКРЫТИЯ

В 1839 году стараниями выдающегося учёного Ф А правительство Франции выкупило у Л Д и Н Н, изобретателей фотографии, патент на фиксацию изображений на посеребрённых металлических пластинках. Речь идёт о дагерротипии, предтече современной фотографии. Пластинка помещалась в камеруобскуру, выдерживалась на свету до получаса, а затем обрабатывалась парами ртути и закреплялась тиосульфатом натрия. Обилие вредных химикатов, низкая чувствительность, быстрая деградация изображений вынуждали учёных искать более совершенные способы фотографирования. Но и в самом начале Араго увидел в дагерротипии огромный потенциал. Он понял, что та позволяет не только сохранять изображения неба, но и подходит для нужд фотометрии (измерения яркости космических объектов) и спектроскопии.

Чуть позже французы Л Ф и Л Ф обнаружили на дагерротипах Солнца отчётливо видимые пятна, а 28 июля 1851 года в Кёнигсбергской обсерватории получили первую фотографию полного солнечного затмения с чёткими солнечными протуберанцами и короной. Воодушевлённые открывающимися перспективами, за дело взялись профессиональные учёные, надеясь вывести наблюдательную астрономию на новый уровень. 

Возможности первых, пусть и несовершенных, дагерротипных аппаратов впечатлили астрономов. Опыты Джона Дрейпера способствовали появлению астрографов — телескопов со встроенными камерами и прилагающейся химической лабораторией для создания и проявления пластинок. С помощью такого устройства в обсерватории Гарвардского университета (штат Массачусетс, США) астрономы У Б, его сын Д и фотограф Д У сделали 16 июля 1850 года первую фотографию звезды. Ею стала Вега.

СМОТРИМ НА НЕБО

Осмысленные наблюдения имеют мало общего с романтическими прогулками под звёздным небом. Качество получаемой информации зависит от квалификации наблюдателя, его опыта, интуиции, наконец, от остроты зрения — особенно до наступления эры телескопов. Тем удивительней достижения астрономов прошлого! Так, в звёздном каталоге Т Б, созданном в конце XVI века, погрешность координат не превышает 1 угловой минуты! Много ли это или мало? Обратимся к опыту стрелков — им без острого зрения никак. Так вот: при стрельбе на дистанции 100 ярдов (примерно 91 м) отклонение в 1 дюйм (25,4 мм) и составляет одну угловую минуту. «Снайперская» точность каталога Тихо Браге помогла И К вывести законы движения планет, а те, в свою очередь, привели Ньютона к открытию закона всемирного тяготения.

ПОВЫШАЕМ КАЧЕСТВО

Качество фотографий повысилось с появлением мокрого коллодионного процесса, изобретённого англичанином Фредериком Арчером. Микрокристаллы йодистого серебра связывались слоем коллодия — раствора целлюлозы в смеси спирта и эфира, который при высыхании образует прозрачную плёнку. Перед съёмкой фотопластину требовалось подготовить, вымочив её в растворе азотнокислого серебра, а фотографировать — не позже чем через 10–15 минут после «зарядки», иначе потом изображение было невозможно проявить.

Следующим шагом стали «сухие» фотопластины, изобретённые английским врачом Р М в 1871 году. В них уже применялся близкий к современному желатиносеребряный процесс, обеспечивающий высокую чувствительность, простоту обработки и длительное хранение фотографий. 

РОЖДЕНИЕ АСТРОМЕТРИИ

Итак, в распоряжении учёных появились средства, позволяющие получать объективные данные на качественно ином уровне: при соблюдении определённых правил они не зависели от квалификации наблюдателя. Стали доступны точные фотометрические наблюдения — яркость звёзд теперь можно было измерять, выполняя стандартные процедуры. Фотография имеет и ещё одно преимущество: эмульсия способна к длительному накоплению световой энергии. Это значит, что при большой выдержке можно зафиксировать такие тусклые звёзды, которые невозможно обнаружить невооружённым взглядом. Даже при лучших условиях самый зоркий наблюдатель не может увидеть звёзды слабее 7-й звёздной величины. А простой 15-сантиметровый астрограф на выдержке 120 секунд фотографирует звёзды 12-й звёздной величины — в 100 раз тусклее, чем ещё видимые человеком.

На снимках можно получать изображения, охватывающие большие площади небосвода. Всё это преобразило работу астрономов и астрофизиков и превратило искусство наблюдений звёздного неба в науку, опирающуюся на объективные и точные данные. Правда, для этого пришлось учесть особенности фотографических эмульсий.

СЕРЕБРЯНЫЙ «МАРМЕЛАД»

Эмульсии состоят из кристаллов солей серебра и некоторых галогенов (главным образом брома, хлора и иода), взвешенных в прозрачной желатиновой массе. Падающий на эмульсию свет «запускает» реакцию разложения соли на чистое металлическое серебро и галоген в виде газа, улетучивающегося в воздух. А чем больше света попадает на зерно, тем обильнее в нём образуются свободные атомы серебра. Но это не значит, что кристалл сразу почернеет! Доля выделившихся частиц невелика, поэтому изображение ещё скрыто.

Микроструктура фотоэмульсии. Средний размер кристаллов бромида серебра – 2,5 микрона.

ЖЕЛАТИНОСЕРЕБРЯНЫЙ ФОТОПРОЦЕСС

Операция проявки заключается в том, чтобы, используя немногочисленные атомы восстановленного серебра в качестве катализатора, заставить прореагировать остальные частицы солей и превратить кристаллик в тёмное металлическое зёрнышко. А остальные галогениды серебра, чтобы они не прореагировали на свет после проявки, просто растворяют и вымывают из фотоэмульсии закрепителем.

Вопреки распространённому мнению, в руки астрономов попадали вовсе не красочные постеры «а-ля Хаббл», а «скучные» стеклянные пластинки размером примерно с лист А5. Почему стеклянные? Стекло, в отличие от гибкой целлулоидной основы обычных плёнок, со временем не скручивается и не усыхает, десятилетиями сохраняя геометрию снимка в целости и сохранности. А почему скучные? Потому что это негативы, совсем непохожие на великолепие ночного небосвода — на светлом поле рассыпаны многочисленные тёмные кружки разного диаметра. Но это — кладезь бесценной информации, ведь чем больше диаметр тёмного пятна, тем ярче звезда, оставившая свой портрет.

КАК УЧЕСТЬ СЛУЧАЙНОСТИ?

Но ведь тусклая звезда при большой выдержке может в итоге дать столько же света, сколько попадает от её яркой сестры за считаные мгновения! Это так, и в фотографии такая зависимость называется законом взаимозаместимости — общее количество света приблизительно определяется произведением освещённости и продолжительности экспозиции (вот почему в солнечный день меньше шанс получить смазанную фотографию). Но закон выполняется далеко не всегда, а только в ограниченном интервале, когда света не слишком мало и не слишком много.

Негативное изображение кометы Галлея

Для получения достоверных результатов негативы подвергаются дополнительной обработке: калибровке и стандартизации. Смысл этих операций — в определении реакции эмульсии на свет разной интенсивности. Для этого в кадр впечатывается специальная линейка из нескольких квадратов со ступенчатым затемнением. Специальным прибором, микрофотометром, измеряется плотность почернения квадратов, и если с эмульсией всё в порядке, она изменяется равномерно. А если же в очень тёмном или, наоборот, в светлом диапазоне шаг меняется, то зависимость почернения от освещённости перестала быть линейной и это обстоятельство требуется учесть.

Негативное изображение туманности Андромеды, ближайшей к нам спиральной галактики

Так туманность Андромеды вид ят телескоп «Хаббл» и учёные NASA

ЗАГЛЯДЫВАЕМ В ГЛУБИНЫ ВСЕЛЕННОЙ

Без малейшего преувеличения можно утверждать, что стремительное развитие астрономии, астрофизики и космологии было бы невозможным, если бы не фотография и замечательные учёные, поставившие её на службу науке. Среди них — американский врач и астроном Г Д, первым снявший объекты глубокого космоса, коллектив астрономов в составе англичан А Р, Д Г и голландца Я К, создавшие атлас фотографических карт неба Северного полушария, французские астрономы братья П-П  М-П А, составившие по фотоснимкам каталог звёзд Млечного Пути, и многиемногие другие. В наши дни астрофотография претерпела удивительные метаморфозы. С одной стороны, она стала доступна широкому кругу любителей, к услугам которых качественные телескопы и превосходные цифровые камеры. А с другой — уверенно овладела электронными и космическими технологиями и вышла за пределы земной атмосферы. Орбитальные телескопы, сверхдорогие научные программы типа Tycho Catalog, HIPPARCOS, GAIA, DIVA и другие, суперкомпьютеры, обрабатывающие гигантские потоки данных — всё это произ водит сильное впечатление! Но вопросов меньше не становится. Наоборот, чем дальше мы заглядываем в глубины Вселенной, тем больше обнаруживаем в ней непонятного и таинственного. А это значит, что астрофотографии ещё есть что сказать.

Дуги, описываемые звёздами, — результат вращения Земли и многочасовой выдержки при фотосъёмке 

Вклад Генри Дрейпера в становление астрофотографии как научной дисциплины неоценим 

Калибровка даёт возможность определить относительные освещённости различных областей негатива. Для получения абсолютных значений требуется получить на этом же снимке изображение звезды с заранее известной звёздной величиной. Она послужит эталоном, с которым будут сравниваться исследуемые объекты. А если сделать последовательные снимки одного и того же участка неба, то можно легко обнаружить какие-то изменения. Так, интервал в несколько суток даёт возможность зафиксировать смещение малых планет и далёких комет на фоне звёзд; за несколько месяцев можно установить изменения блеска переменных и сверхновых, а когда фотографии разделяют несколько десятилетий, становятся доступными для измерений собственные движения звёзд и перемещения газовых сгустков в туманностях.

Кстати, ближайшую к нам звезду Проксиму Центавра увидеть вообще невозможно ни в какой телескоп — её звёздная величина всего 11m. Только в 1915 году на фотоснимках, сделанных на 10-дюймовом астрографе английской фирмы Cooke, её обнаружил астроном Р И, возглавлявший Республиканскую обсер ваторию в южноафриканском Йоханнесбурге.