Рисовать звездное небо люди пытались с древних времен, но создавать почти полную иллюзию ночного небосвода над головой научились менее 100 лет назад. С тех пор оборудование планетариев развивалось от точной механики к «бездушной цифре», рождая все более эффектные зрелища

Как странно, что простейшая мысль — проецировать картину звездного неба на полусферический экран — пришла в голову человеку разумному лишь в первой трети XX веке, когда уже столетиями были известны камера-обскура и проектор, около века прошло с изобретения фотографии и несколько десятилетий минуло с первых опытов братьев Люмьер. Ведь в сущности идея планетария (а этим словом обычно обозначается как в целом «купольный театр», так и проекционный аппарат) крайне проста. Еще полвека назад у нас в стране мастерили «бюджетные» проекторы — из папье-маше лепили две полусферы и иголкой протыкали в них отверстия, повторявшие карту звездного неба. Внутрь получившегося из двух полусфер шара помещали лампочку, и на окружающих поверхностях появлялись светящиеся точки, изображавшие звезды.

Гантели и маски

Такой «планетарий» можно попытаться сделать и в домашних условиях, однако есть пара существенных проблем. Во‑первых, из-за рассеивания света «звезды» получатся расплывчатыми, причем чем дальше находится экран, тем более «вялой» окажется картинка. Ну а во-вторых, настоящий планетарий должен не просто разбрасывать вокруг себя светящиеся пятнышки — его задача демонстрировать положение звезд, а также других небесных тел для заданных времени суток, времени года и широты. Решить эти проблемы помогают оптика и точная механика.

Классический оптико-механический планетарий — такие приборы можно увидеть еще и в наши дни — имел форму гантели. На обоих концах «спортивного снаряда» располагались два металлических шара с 16 проекционными объективами каждый. Один шар предназначался для проекции неба Южного полушария, другой — Северного, так что любой из объективов давал изображение 1/32 небесной сферы. В центре шара помещали источник света, лучи которого с помощью линз фокусировались на одном из 16 слайдов, изображающих участки звездного неба. Слайды (так называемые звездные маски) представляли собой зажатые между прозрачных стекол листки медной или оловянной фольги с тонкими отверстиями на месте проецируемых звезд. Диаметром отверстий и определялась яркость светила. Прошедший сквозь них свет далее попадал в соответствующий объектив, и изображение фокусировалось на куполе.

Космические часы

Если бы мы видели на небе только кажущиеся нам неподвижными далекие звезды, то двух проекционных шаров вполне хватило бы, но в реальности на фоне неба постоянно передвигаются прочие небесные тела — Солнце, Луна, видимые невооруженным глазом планеты Солнечной системы, а также кометы, астероиды, метеоры. Чтобы изобразить движение планет, на «ручке гантели» были устроены специальные площадки для дополнительных проекторов. Каждому из полушарий — отдельный набор планетных проекторов. Кроме того, на самом приборе или рядом с ним устанавливались проекционные устройства для изображения Луны, Солнца, комет, астероидов, туманностей, Млечного пути, метеорных дождей. Другие проекторы создавали эффект заката и восхода, проецировали отдельную движущуюся картинку спутниковых систем Юпитера и Сатурна, рисовали границы или мифологические образы созвездий.

Всего планетарий мог включать в себя более сотни разнообразных проекционных устройств. Для создания на куполе планетария точной картины неба на заданные время и дату все эти проекционные устройства должны были действовать как единое целое. Чтобы добиться этого, в аппарате использовался механизм, состоящий из системы редукторов, построенных на основе коперниковской модели Солнечной системы. Для отображения суточного движения небосвода и годичного движения планет на фоне звезд шары и планетные проекторы вращались вокруг продольной оси аппарата (оси мира). Кроме того, «гантеля» могла двигаться в вертикальной плоскости вокруг поперечной оси — так изменялся вид неба в зависимости от широты и времени года. Еще одна степень движения всей установки позволяла отобразить прецессию — колебания земной оси с циклом 26 000 лет. Посетители планетария могли увидеть небосвод, Северный полюс которого смещен от нынешней Полярной звезды, например, к Веге из созвездия Лиры. В реальности такое можно будет увидеть лишь через 12 000 лет.

Атмосфера — враг астронома, а потому чаще всего во время образовательных лекций в планетариях звезды горят ровным светом, как будто мы их наблюдаем из космоса. Однако порой требовалось создать знакомый наземному наблюдателю эффект мерцания. Для этого в старых планетариях использовался вентилятор — его лопасти перемешивали слои воздуха под куполом, искажая изображения искусственных звезд.

Звездные нити

Те, кто посещал планетарии лет 20 назад, помнят, что в начале лекции гас свет, а звездное небо зажигалось лишь некоторое время спустя. Пауза требовалась для того, чтобы человеческий глаз успел привыкнуть к темноте, иначе темный купол показался бы зрителю пустым. Главной проблемой была низкая яркость и небольшой динамический диапазон, то есть контрастность проецируемой картинки. Корень проблемы — в конструкции традиционного оптико-механического планетария. Через звездные маски на купол попадало менее 1% света, излучаемого находящейся внутри шара лампой. Отраженный свет искусственных звезд, каким бы тусклым он ни был, вдобавок «засвечивал» купол, и небо из черного превращалось в сероватое, что снижало контрастность всей картины. Если же на купол проецировалось крупное световое пятно — например, лекционный киноматериал, звездное небо фактически гасло.

Повысить яркость звезд при сохранении высокой контрастности изображения позволило новое поколение оптико-механических планетариев, созданных на основе оптоволоконных технологий. Главное новшество заключается в более эффективном использовании лампы, находящейся внутри проектора. С помощью линз свет лампы заводят в светопроводный жгут, отдельные волокна которого затем разводят по отверстиям звездной маски по принципу «одно волокно — одно отверстие». Так удалось добиться значительно более эффективного использования проекционной лампы — до 90%, — в результате чего звезды в планетарии стали светить намного ярче. При этом свет рассеивается значительно меньше и проекция звезды на куполе выглядит как яркая светящаяся точка, которая почти не тускнеет, даже если на куполе показывают видео или панораму заката-восхода.

Красивые иллюзии

Оптоволоконная технология применяется в оптико-механических аппаратах производства компании Carl Zeiss — UNIVERSARIUM и STARMASTER. Большинство звезд, показываемых этими планетариями, имеет белый цвет, поэтому в качестве фонаря для проектора используют дуговую лампу, свечение которой не имеет никаких цветовых «примесей». Правда, для реалистичности некоторые яркие звезды «подкрашивают» в соответствии с их истинным спектральным классом. Этот эффект достигается с помощью окраски светопроводных нитей, подходящих к соответствующим отверстиям на звездной маске. Прежде для этих целей приходилось использовать светофильтры.

В моделях планетариев первых поколений отсутствовала возможность реалистической передачи мерцания звездного неба. Оптоволоконная технология помогла решить и эту проблему. Между источником света и светопроводным жгутом устанавливается специальное устройство — оно случайным образом варьирует количество света, попадающего в каждое отдельное волокно жгута. Небольшие перепады яркости воспринимаются глазом как мерцание.

Эволюция оптико-механических планетариев привела и к существенному изменению их конструкции. Если, например, аппарат SKYMASTER для планетариев с небольшим куполом (6−14 м) сохраняет традиционную «гантельную форму», то планетарии для средних и больших куполов (STARMASTER и UNIVERSARIUM) построены по схеме «звездный шар» (starball). Здесь проектор звездного неба имеет форму, близкую к сферической, причем на одной полусфере смонтированы объективы для проекции Северного полушария, а на другой — для Южного. Планетные проекторы установлены отдельно и могут работать как синхронно с проектором звездного неба, так и самостоятельно.

В отличие от старых оптико-механических систем, управление проекторами осуществляется с помощью компьютера, который подает команды прецизионным шаговым двигателям. Это позволило отказаться от сложной механики, а проекторы теперь могут практически мгновенно занять любое положение, в то время как в планетариях традиционной конструкции для этого могло понадобиться определенное количество циклов работы механизма. Точно так же, переводя обычные часы, скажем, на три часа вперед, нам неизбежно придется заставить минутную стрелку пробежать три круга, в то время как в часы на компьютере мы можем сразу ввести требуемые данные с клавиатуры.

«Звездный шар» имеет перед «гантелей» еще и то преимущество, что его подвеска допускает гораздо большее количество степеней свободы. Если в «гантельном» варианте планетарий мог менять полюс небесной сферы лишь по траектории прецессии, то «шар» имеет в этом смысле куда больше возможностей. С его помощью можно изобразить, например, вид неба из кабины космического корабля, движущегося в произвольном направлении.

От механики к цифре

Современные оптико-механические планетарии, построенные на основе оптико-волоконных технологий, воспроизводят на куполе очень точную и при этом яркую и контрастную картину звездного неба. Однако этой аппаратуре присущи естественные ограничения, связанные с методом формирования и проецирования изображения. Поскольку положение звезд друг относительно друга фиксировано, с помощью оптико-механического планетария невозможно показать изменение очертаний созвездий или вид неба из отдаленной точки галактики. Преодолеть эти ограничения способна лишь цифровая техника нового поколения. Уже достаточно давно появились так называемые программы-планетарии, с помощью которых можно генерировать картину расположения небесных тел в соответствии с заданными параметрами (например, «вид с Марса») и выводить ее на экран компьютерного монитора. Следующим логическим шагом стало создание специальных проекторов, которые способны отображать произведенную машиной картинку на куполе планетария. Первые подобные устройства появились в первой половине 1980-х годов.

Преимущества цифровых проекторов очевидны — в них нет никакой механики, а значит, они проще в обслуживании, и главное — им не требуются десятки или даже сотни проекционных устройств, которые надо синхронизировать между собой. Изображение звездного неба, объекты виртуальной реальности, видео — все это компонуется как единое целое с помощью соответствующих программ, а затем проецируется на купол. Для небольших планетариев с диаметром купола до 10 м подойдет один-единственный проектор, для более вместительных используются мультиканальные системы, в которых, скажем, один проектор работает на область зенита, а пять других дают изображение на периферийные участки купола. Фактически цифровой планетарий представляет собой частный случай так называемого полнокупольного (fulldome) видео. Эта технология позволяет проецировать на купол разнообразные мультимедийные программы, не обязательно связанные с астрономией, но дающие зрителю необычное ощущение «погружения» в картинку.

В отличие от изображения, создаваемого оптико-механическими системами, цифровая картинка полнокупольного видео состоит из пикселей. Естественно, что качество проекции напрямую зависит от разрешения матрицы, с которой осуществляется проекция. В идеале размер пикселя спроецированного изображения должен быть ниже разрешающей способности глаза, что достигается высоким разрешением матрицы. Для создания изображения в проекторах используют электронно-лучевые трубки, а также ЖК- и DLP-матрицы. Использование электронно-лучевых трубок продиктовано тем, что ЖК-матрица не способна передавать глубокий черный цвет. Дефект «подсвеченного неба» особо заметен в многоканальных системах, когда в местах стыков проецируемых участков возникают светлые полосы. ЭЛТ с этой проблемой справляются лучше. Что касается DLP-технологий (Digital Light Processing), где изображение формируется с помощью микрозеркал, то на ее основе построен, например, проектор Velvet (Carl Zeiss) — единственный в мире, по утверждению производителя, аппарат, дающий абсолютно черный фон с отношением контраста 2 500 000:1, что на порядок выше этого показателя для самых лучших видеопроекторов. Существуют также полнокупольные проекторы на основе лазерных технологий.

Серьезным недостатком существующих цифровых систем остается их довольно высокая цена. Кроме того, такие проекционные аппараты, особенно не слишком дорогие, показывают звездное небо с некоторыми искажениями и порой не вполне корректно передают цвета звезд.

Выход может быть найден в комбинации современного оптико-механического планетария типа STARMASTER SB с проекционными цифровыми аппаратами. Здесь картина звездного неба формируется традиционным способом, а проекторам отдается мультимедийный контент.

Впрочем, многие специалисты сегодня уверены, что оптико-механические системы через какое-то время окончательно уступят место полнокупольному видео. К тому времени цифровая техника избавится от всех своих дефектов и станет более приемлемой по цене.

На потолке и в ванной

Профессиональная техника для планетариев вообще-то и не может быть дешевой, но желание человека взглянуть на звезды столь сильно, что на рынке появились модели «домашних планетариев», с помощью которых можно устроить ночной небосвод на потолке и стенах собственного жилища. Существуют даже устройства, которые плавают в наполненных водой ванне или бассейне. Разумеется, они больше подходят не для изучения астрономии, а для создания «романтической атмосферы». Однако, несмотря на преимущественно декоративные функции, настольная модель Sega HomeStar Extra, например, способна показать на потолке до 120 000 звезд, что несравнимо больше, чем может разглядеть наш глаз в самую черную ночь.

Благодарим сеть магазинов «Зума» (www.zooma.ru) за предоставление планетария Meade MySky на тестирование. Благодарим А.А. Коханова, завсектором астрономии и геофизики МГДД (Ю)Т, за помощь в подготовке материала