Разведка далеких планет

Высочайший уровень любительской астрономии XIX в. продемонстрировал Уильям Хёггинс (1824–1910), который в собственной обсерватории развил методы астрономической фотографии и спектроскопии; фактически он стал первым английским астрофизиком. В то время это было возможно, поскольку научные приборы изготавливались кустарно.

Американский врач, профессор естествознания Генри Дрэпер (1837–1882) построил частную обсерваторию с 71–сантиметровым рефлектором, зеркало для которого он шлифовал сам. На фотопластинках с мокрыми коллоидными эмульсиями Дрэпер одним из первых получил высококачественные фотографии Луны, Солнца и солнечного спектра (для этой цели он разработал точный механизм часового ведения телескопа). Он первым в 1872 г. получил спектр звезды — Веги. С 1879 г. он работал с сухими фотоэмульсиями и получил спектры ярких звезд, планет, комет и туманностей. После ранней смерти исследователя его вдова Анна Палмер-Дрэпер учредила денежный фонд, позволивший астрономам Гарвардской обсерватории создать фундаментальный каталог спектров звезд — знаменитый Дрэперовский каталог — и разработать Гарвардскую спектральную классификацию звезд, ставшую основой астрофизики.

В XX в. возможности астрономов — любителей уже не могли конкурировать с оборудованием профессиональных обсерваторий, поэтому любители сосредоточились на поисковых работах, в основном связанных с кометами. Уникальный для XX в. пример авангардной роли любительской астрономии дает работа американского радиоинженера Грота Ребера (1911–2002), который в конце 1930–х гг. единственный во всем мире проводил радиоастрономические исследования, своими силами и на собственные средства создав весьма совершенный радиотелескоп. В середине XX в., в связи с развитием космонавтики, радиоастрономия совершила колоссальный рывок, и ее уровень стал недоступен для любителей. Однако к концу XX в. любительская радиоастрономия возродилась на основе новых технологий; возникло даже Общество радиоастрономов — любителей. Примите это к сведению, любители радиотехники!

В области оптического поиска и исследования новых объектов (комет, переменных звезд и т. п.) астрономы — любители до сих пор успешно дополняют профессионалов, используя свои главные преимущества — широкоугольные оптические приборы (бинокуляры, кометоискатели), прекрасное знание звездного неба и невероятное упорство в проведении наблюдений. Такие известные «ловцы комет», как Икейя, Бредфилд, Олкок, проводят визуальные наблюдения практически каждую ночь в течение нескольких десятилетий.

Англичанин Джордж Олкок (1912–2000), отслужив в армии и всю жизнь проработав школьным учителем младших классов, с юношеских лет проводил астрономические и метеорологические наблюдения, открыв за это время визуально, при помощи бинокуляра, 5 комет и 6 вспышек новых звезд. За научные заслуги он стал членом Королевского астрономического и Королевсколго географического обществ, был удостоен множества наград, в том числе медалей Тихоокеанского астрономического общества и Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд; его имя присвоено малой планете. Как показал опыт Гершеля и Олкока, облачное небо Англии — вовсе не преграда для упорных наблюдателей (хотя проблемы им оно, безусловно, создает).

Используя простейшее оборудование, любители порой добиваются выдающихся результатов. Так, австралиец Пол Камильери с помощью обыкновенного фотоаппарата (фокусное расстояние объектива 135 мм, чувствительность пленки 400 ед.) только в одном 1991 г. открыл четыре вспышки новых звезд. Такая производительность в те годы сделала бы честь профессиональной обсерватории.

Небесные единомышленники

Если у вас, уважаемый читатель, уже созрело желание самостоятельно изучать Вселенную, то очень советую вам познакомиться с такими же увлеченными людьми и заняться наблюдениями неба совместно. В мире существует огромное количество кружков, клубов, обществ и союзов астрономов — любителей. Они объединяют энтузиастов либо по территориальному признаку, либо по тематике исследований. Некоторые клубы имеют собственные довольно мощные обсерватории. По сравнению с индивидуальными любителями члены астрономических объединений получают значительно большие возможности при строительстве или покупке крупного телескопа и аппаратуры к нему, включая современные ПЗС — камеры. С опытом такой работы знакомит, например, Центр любительской астрофизики (Center for Backyard Astrophysics: http://cbastro.org). Наиболее известные среди любительских организаций:

► Астрономическая лига — Astronomical League, объединяет более 240 любительских астрономических обществ и клубов США (www.astroleague.org);

► Американская ассоциация любителей астрономии — The American Association of Amateur Astronomers (www.corvus.com);

► Международная организация любительских наблюдений Солнца (www.inter‑sol.org);

► Общество радиоастрономов — любителей — The Society of Amateur Radio Astronomers (www.bambi.net/sara.html);

► Московский астрономический клуб (astroclub.ru).

Наиболее плодотворными и авторитетными являются смешанные организации, объединяющие как любителей, так и профессионалов. К их числу относятся:

► Тихоокеанское астрономическое общество (Astronomical Society of the Pacific) — объединение любителей и профессиональных астрономов, базирующееся на Западе США (www.aspsky.org);

► Американская ассоциация наблюдателей переменных звезд — The American Association of Variable Star Observers (www.aavso.org);

► Американское метеорное общество — American Meteor Society (www.amsmeteors.org);

► Ассоциация наблюдателей Луны и планет — The Association of Lunar and Planetary Observers (www.lpl.arizona.edu/alpo);

► Международный центр наблюдений покрытий Луной — International Lunar Occultation Centre (lunar‑occultations.com).

Некоторые читатели, вероятно, помнят, что в СССР существовало Всесоюзное астрономо-геодезическое общество (ВАГО). Оно активно работало с 1932 по 1994 гг. в тесном контакте с Академией наук СССР, объединяя 8000 действительных членов, около 2000 членов юношеских секций и 225 членов — коллективов. Разумеется, не все любители астрономии были членами ВАГО. Довольно точное представление об их количестве дают тиражи книг тех лет: научно — популярные книги по астрономии обычно выходили тиражом от 30 до 100 тыс. экземпляров (но бывало, и 200 тысяч!). Учебники астрономии имели тираж от 3 до 10 тыс., а узкоспециальные монографии — от 1 до 3 тыс. После распада СССР структура ВАГО также распалось на ряд местных организаций и клубов; сейчас в России их несколько десятков.

В мире существуют центры накопления данных о наблюдении переменных звезд; этими полезными данными может воспользоваться любой желающий, и каждый астроном, профессионал и любитель, может отправить туда результаты своих наблюдений. Самый мощный Центр — Американская ассоциация наблюдателей переменных звезд (AAVS0) со штаб — квартирой в Кембридже, штат Массачусетс. Сайт (очень полезный!): www.aavso.org. Отправлять наблюдения по адресу [e-mail]. Чрезвычайно полезные каталоги и базьК. цанных для наблюдений можно найти на сайтах Центра астрономических данных в Страсбуре (cdsweb.u‑strasbg.fr/Cats.html) и Центра астрономических данных NASA (adc.gsfc.nasa.gov/adc/adc_amateurs.html).

Замечательные новые возможности уже дает и значительно умножит в ближайшее время идея «виртуального телескопа». Сейчас так называют базу данных Европейской южной обсерватории (проект Astrovirtel), в которой собираются снимки, полученные на нескольких крупных телескопах при наблюдениях самых разных объектов. Важно, что Astrovirtel доступен не только профессионалам, но и всем желающим, хотя для работы с ним требуется квалификация. И это лишь первый шаг к более грандиозному проекту Астрономической виртуальной обсерватории, которая объединит в цифровом виде все изображения неба, полученные за всю историю науки астрономами всех стран.

Что нужно любителю астрономии?

Сколь бы интересным ни было чтение книг, сделать научное открытие, разглядывая иллюстрации на их страницах, еще никому не удавалось. С помощью компьютера в Интернете можно найти неизученные изображения неба и самостоятельно обнаружить на них новые явления. Но все же самое захватывающее в астрономии — это самостоятельное наблюдение реального неба. Начав знакомиться с рисунком созвездий по звездной карте, вы быстро почувствуете потребность в оптическом инструменте. Для первого «углубления в звездное небо» самым подходящим оптическим инструментом является бинокль. Если у вас еще нет бинокля, то надо отложить книгу и подумать, как им обзавестись. Выбор биноклей очень велик, поэтому позволю себе дать несколько советов.

Не стремитесь сразу найти идеальный, фирменный инструмент «с наворотами» (асферические линзы, компенсатор дрожания, встроенный компас, дальномер и пр.). Лучше купить недорогой инструмент, но внимательно отнестись к его выбору. Основные технические параметры бинокля — угловое увеличение (кратность) и диаметр объективов — указаны на его корпусе со стороны окуляров. Например, надпись «8x40» означает, что бинокль 8–кратный с объективами диаметром 40 мм. Для начала я советую завести 7–8–кратный бинокль с объективами 40 или 50 мм. Важно, чтобы левое и правое изображения были четкими и точно сведенными вместе (не двоились), чтобы фокусировка была мягкой и не было люфтов. Проверьте, легко ли бинокль сгибается для подбора межглазного расстояния. Нелишними будут крышки на объективы и окуляры, а также обрезиненный корпус бинокля, поскольку на железном корпусе поднятые к лицу руки ночью быстро замерзают. Главное — выбирайте бинокль из нескольких экземпляров, внимательно разглядывая далекие предметы, сравнивая качество изображений и легкость вращения фокусировочных винтов.

Рис. 2.9. Призменный бинокль — подходящий инструмент для начала любительских наблюдений звездного неба.

Разумеется, существуют бинокли с большим увеличением — в 10, 20, 50, 120 крат — и с большим диаметром объективов — до 200 мм. Такие «монстры» у нас принято называть бинокулярами; они очень тяжелые, поэтому долго держать их в поднятых руках практически невозможно. Для наблюдения с ними требуются специальные штативы. Правда, и удовольствие от прогулок по небу с такими инструментами вы получите незабываемое. Впрочем, и небольшой бинокль при правильном обращении с ним будет очень полезен. Поисковые системы Интернета на запрос «астрономический бинокль» дадут вам много полезных советов. Познакомьтесь с ними обязательно: любители астрономии — дружная и бескорыстная семья, всегда готовая поделиться опытом. Вот два простейших, но важных совета.

Не приступайте к наблюдениям сразу после яркого света: дайте глазам хотя бы 5 минут адаптироваться к темноте. Их чувствительность станет выше, и вы увидите тусклые звезды и туманности. Если на небе Луна, то отложите ее наблюдение до конца сеанса: яркий лунный свет «испортит» вам ночное зрение.

Наблюдение в бинокль или подзорную трубу даже с небольшим увеличением требует твердой опоры для рук или инструмента. Уприте локти в подоконник, прижмите кисть руки к дереву или столбу — и вы сразу почувствуете, насколько комфортнее станет наблюдать: изображение «успокоится», и можно будет рассмотреть мелкие детали.

Чем больше увеличение инструмента, тем более мелкие детали объекта можно увидеть (до определенного предела, пока четкость картины не ограничена атмосферным искажением). Чем больше диаметр инструмента, тем больше света он собирает и тем более тусклые объекты демонстрирует. Поэтому для опытных астрономов — любителей главным инструментом служит телескоп. Оптические фирмы предлагают широкий выбор любительских телескопов и принадлежностей к ним: от простейших, доступных любому школьнику, до вполне профессиональных, но очень дорогих и доступных лишь крупным коллективам любителей. Возможности телескопа возрастают вместе с диаметром его объектива, но вместе с ним растет и цена. Поэтому многие любители предпочитают строить телескопы самостоятельно, изготавливая все части своими руками или заказывая наиболее важные из них (объектив, окуляры) у оптических фирм. Телескопы астрономов — любителей часто имеют весьма оригинальную конструкцию и побуждают профессионалов к разработке аналогичных инструментов.

Важным дополнением к телескопу служит камера — фотографическая или электронная. В последние годы разработаны высокочувстви тельные фотопленки и недорогие ПЗС — камеры, позволяющие любителям получать превосходные изображения небесных объектов. Для этого годятся и сравнительно недорогие полупрофессиональные электронные зеркальные фотокамеры, способные сохранять файлы изображений в несжатом формате. Электронные фотометры позволяют любителям исследовать переменные звезды на профессиональном уровне.

Рис. 2.10. Недорогой фабричный рефрактор на простой треноге, снабженный маленьким телескопом — искателем и окулярной призмой, — подходящий инструмент для визуальных наблюдений. Его плавное вращение вокруг вертикальной и горизонтальной осей осуществляется с помощью двух гибких рукояток. Но фотографировать небесные объекты с таким телескопом практически невозможно.

Оптическая часть телескопа — это только половина его конструкции. Вторая, не менее важная половина — это механика: штатив и часовой механизм. От них в значительной степени зависит удобство работы и качество изображения. Это особенно важно, если вы занимаетесь астрофотографией, делая снимки с длительными экспозициями. Даже для маленьких телескопов обычные фотоштативы не годятся. Нужна специальная прочная тренога, наподобие тех, которыми пользуются кинооператоры с тяжелыми камерами. Старайтесь не поднимать телескоп слишком высоко во избежание вибраций штатива: чем ближе инструмент к земле, тем прочнее он стоит и меньше трясется от ветра. Кстати, о ветре. Вы тоже будете от него трястись, если не оденетесь тепло. Даже летние ночи у нас холодны. Проведя несколько часов неподвижно у окуляра, вы поймете, что такое космический холод.

Для планирования наблюдений и обработки полученных изображений любители астрономии создали множество полезных компьютерных программ, которыми они обмениваются, обычно безвозмездно. Некоторые фирмы специально для любителей астрономии выпускают коммерческие программы: виртуальные планетарии, анимированные лекции, галереи изображений и каталоги небесных объектов. Наиболее мощные программы, такие как RedShift и Starry Night, обладают колоссальными возможностями для демонстрации звездного неба, туманностей и галактик, астероидов и комет, планет и их спутников (включая детали их поверхности), солнечных и лунных затмений, сумеречных явлений и т. д. При этом наблюдатель может «располагаться» в произвольной точке Земли или космического пространства и выбирать практически произвольный момент времени наблюдения — на тысячелетия в прошлое и будущее! Эти программы широко используются и профессиональными астрономами.

В большинстве развитых стран издаются научно — популярные журналы и серии книг специально для любителей астрономии. Всемирно известны журналы «Sky & Telescope» (www.skyandtelescope.com), «Astronomy» (www.astronomy.com), «Astronomy Now» (www.astronomynow. com), «The Astronomer» (http://theastronomer.org), а также «Mercury», «Sky News», «Star Observer», «rAstronomie», «PAstronomia», «Sterne und Weltraum», «Meteor» и др. С 1965 г. Академия наук СССР/России издает журнал «Земля и Вселенная»; с 1995 по 2004 гг. выходил журнал для любителей астрономии «Звездочет», а затем ему на смену родился журнал «Вселенная, пространство, время». В последнее время все больше журнальных функций переходит к специализированным сайтам, среди которых в русскоязычной зоне нужно отметить «Астронет» (www. astronet.ru).

Необходимой принадлежностью любого наблюдателя неба — профессионала и любителя — служат звездные карты и атласы, астрономические ежегодники и справочники. Специально для любителей астрономии в России с 1895 г. издается весьма подробный «Астрономический календарь», а для начинающих любителей — более простой «Школьный астрономический календарь». Конечно, при помощи легкодоступных программ вы сами можете составить персональный астрономический календарь именно для того географического пункта, где проводите наблюдения. Тем не менее советую приобрести профессионально подготовленный бумажный календарь: он будет вам чрезвычайно полезен даже при наличии у вас самых совершенных компьютерных программ.

Я сделал открытие!

Кажется, мы ничего не забыли — карты, справочники, бинокли, телескопы… Пора делать открытия! Шутки шутками, но это вполне возможно. Ведь каждое открытие начинается именно так: человек вовсе не думает о славе, а просто покупает хороший бинокуляр или сам изготавливает зеркальный телескоп и, проведя у него несколько тысяч часов, обнаруживает на небе неизвестную комету (или вспышку новой звезды, или что‑нибудь еще). Как он может сообщить человечеству о своем замечательном открытии?

Не улыбайтесь, в этом нет жажды славы. Сообщения любителей астрономии о вспышках новых и сверхновых звезд, о появлении комет, о наблюдении редких астрономических явлений очень ценны: ведь мы уже знаем, что в истории астрономии было немало случаев, когда интересные явления первыми замечали любители, а не профессионалы. Быстрое и правильное сообщение о таком открытии помогает более полно исследовать явление с помощью профессиональных средств одновременно на многих обсерваториях мира. У астрономов есть свои службы экстренного оповещения об открытиях. Раньше их основой служил телеграф, теперь — Интернет.

Чтобы сообщить об открытии, нужно связаться с Центральным бюро астрономических телеграмм Международного астрономического союза (MAC). Наилучший способ связи — электронное письмо, которое следует послать по адресу: [e-mail]. Эти письма постоянно просматриваются сотрудниками Бюро. Используя возможности Интернета, можно сделать сообщение, просто заполнив форму по адресу: http://cfa‑www.harvard.edu/iau/cbat.html. На этом же сайте можно найти информацию о последних открытиях, опубликованную в циркулярах MAC (т. е. уже проверенную профессионалами). При желании сделать сообщение на русском языке его следует отправить в Российское бюро астрономических сообщений по адресу: [e-mail]. Его проверят и отправят в Центральное бюро, но это потребует времени.

Если электронная почта недоступна, то можно позвонить по телефонам (001–617) — 495-7244, или -7440, или -7444, но по этим номерам нет круглосуточного дежурства, они могут и не ответить. При желании сделать сообщение по — русски следует звонить в рабочее время в Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга (ГАИШ) в Москве [phone]. Чтобы сообщение было надежно получено, желательно продублировать его письмом в Центральное бюро по адресу: 60 Garden St., Cambridge, МА 02138, USA, или в ГАИШ по адресу: Астрономический институт, комната 58, Университетский проспект, д. 13, Москва, 119991, Россия.

При сообщении о любом новом объекте — комете, вспышке новой звезды и т. п., — следует указать дату и время наблюдения, место наблюдения, прямое восхождение и склонение объекта (с указанием эпохи), его звездную величину, а также дать краткое словесное описание явления. Дату и время желательно указать по Гринвичу, но можно и по местному времени крупных городов (например, по московскому времени). При невозможности точно определить небесные координаты объекта (для этого требуется хорошая звездная карта), следует указать положение относительно ярких звезд известных созвездий. Наблюдатели с недостаточным опытом визуальных наблюдений должны еще раз проверить свои наблюдения перед тем, как связаться с Центральным бюро или ГАИШ.

Опытным наблюдателям желательно сфотографировать новый объект. При фотографическом открытии очень желательно подтверждение вторым изображением (чтобы не принять за новый объект изображение случайного блика, брак фотоэмульсии или шум ПЗС- матрицы). В случае новой кометы должна быть указана скорость движения как по прямому восхождению, так и по склонению. Чтобы освоить методы изучения неба и всегда иметь под рукой необходимую информацию, советую воспользоваться «Справочником любителя астрономии» П. Г. Куликовского, 6–е издание которого вышло в 2009 г.

Чистого вам неба! Ждем сообщений об открытиях!

3. Небо и телескоп

Обычный человек за всю жизнь своими глазами видит и узнает лишь три объекта Солнечной системы — Солнце, Луну и Землю. Любитель астрономии, пользуясь указаниями астрономического календаря или собственным опытом, узнает на ночном небе еще и Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. А если у любителя есть хороший бинокль или небольшой телескоп, то становятся доступными галилеевы спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), крупнейший спутник Сатурна (Титан), а также самые далекие планеты — Уран и Нептун. В сумме — 14 тел. А в Солнечной системе, если верить астрономическим справочникам, обнаружено уже более 500 тысяч объектов! Где же они? Как их открыли? Можно ли их увидеть с Земли или нужно лететь к ним на ракете? Как астрономы собираются их изучать?

Небо дневное и ночное

Жителям Земли выпала редкая удача, на которую мы почти не обращаем внимания: над нами простирается бездонное небо. Тонкая воздушная оболочка, отделяющая живой мир Земли от безбрежного и опасного космоса, обладает удивительными, почти несовместимыми качествами: она оберегает нас от губительных космических излучений, и в то же время она настолько прозрачна, что позволяет видеть и изучать самые далекие планеты и звезды. Первое из этих качеств вполне закономерно, зато второе — воистину удивительно. Не будь атмосфера Земли способной создавать условия для жизни, не было бы самой жизни и этих строк в книге. Но почему атмосфера позволяет нам видеть Вселенную? Это уже не закономерность, а игра случая. Наша атмосфера вполне могла бы быть заполнена рассеивающим свет туманом, который практически не влияет на фотосинтез, но губит изображения. Поэтому астрономы считают своим профессиональным счастьем прозрачность воздушного слоя, эквивалентного по массе 10 метрам воды! С такой глубины морские животные не видят звезд, а мы их видим со дна воздушного океана.

Говорят, человек стал человеком, когда разогнул спину и поднял взгляд вверх. Действительно, это легкое движение меняет масштаб мироздания. Глядя вниз, мы видим лишь поверхность Земли на расстоянии 1–2 метров от наших глаз, не ближе и не дальше. Зато, посмотрев вверх, мы каждый раз видим новую даль: вот кучевое облако — до него метров 500, а рядом с ним видны перистые облака — до них километров 10, а вот между облаками проглянуло Солнце — до него аж 150 миллионов километров. Значит, днем наш взгляд углубляет_ся в космос на сотни миллионов километров. Впрочем, лучу света на такое путешествие требуется менее 10 минут. Но вот наступает ночь. Если это конец июня в средних широтах, то вполне возможно, что на севере невысоко над горизонтом блестят серебристые облака — до них 100 км. А вот озарили небо сполохи полярного сияния — до них 1000 км; взошла Луна — до нее почти 400 тыс. км, но луч света пролетает это расстояние за секунду. Рядом с Луной блестят звезды — их свет идет к нам сотни лет. А если присмотреться внимательнее, то увидишь бледное пятнышко в созвездии Андромеда — это далекая галактика, Туманность Андромеды, свет от которой добирался до нас 2 млн лет! Такова глубина ночного неба для наблюдателя, не вооруженного никакими техническими средствами.

Впрочем, наш глаз сам по себе — замечательный оптический прибор. Он совершенствовался миллионы лет и стал очень чувствительным и зорким. Восприимчивость глаза к слабому свету выше, чем у самой хорошей фотопленки, и практически не уступает чувствительности ПЗС — матрицы электронного фотоаппарата. Ночью глаз видит тусклые звезды, а днем спокойно переносит яркий солнечный свет, от которого вмиг чернеет любая фотопленка.

По четкости изображения с нашим глазом могут соперничать только лучшие фотоаппараты с дорогими объективами. Здоровый глаз различает по отдельности вот эти две точки (:) с расстояния в 3–5 м. Можете проверить! При этом угол между прямыми, проведенными от зрачка к этим точкам, составляет всего 1–2'. Правда, такой четкостью изображения глаз обладает только в центре поля зрения: если мы смотрим на предмет в упор, то видим мельчайшие детали, но стоит немного отвести взгляд в сторону, как изображение расплывается, мелкие детали становятся неразличимыми. Зато недостаток четкости «бокового зрения» компенсируется его повышенной чувствительностью к свету. Если хотите увидеть тусклую звезду, то не смотрите на нее в упор, а немного отведите взгляд в сторону — почти наверняка вы заметите звезду боковым зрением.

Для наблюдения ночного неба глаза нужно готовить. Выйдя из ярко освещенной комнаты на темную улицу, мы вначале не замечаем звезды. Но если отойти от фонарей и подождать 5–7 минут, то наше зрение адаптируется к темноте, и на небе «появляются» сначала яркие, а затем все более слабые звезды. По остроте и чувствительности зрения в природе у человека почти нет соперников. Даже странно, что в ходе эволюции у человека выработалось настолько острое зрение. Зачем оно ему? Ведь не для того, чтобы заглядывать в глубины Вселенной на миллионы световых лет? Но, так или иначе, мы, к счастью, обладаем такой способностью, и атмосфера Земли позволяет нам видеть космос.

А почему ночью видно дальше, чем днем? Ответ прост: потому что ночью небо темное. Отсутствие солнечного света, рассеянного в воздухе, позволяет ночью заметить слабый свет далеких звезд и планет. Если по какой‑то причине рассеянный свет Солнца ослабнет, например произойдет полное солнечное затмение, то яркие звезды и планеты станут видны и днем. Так же хорошо они видны в открытом космическом пространстве и с поверхности Луны. Почему же рассеянный в атмосфере солнечный свет скрывает их от нас? Ведь свет самих звезд при этом не ослабевает.

Чтобы понять это, нужно вспомнить механизм нашего зрения. Свет попадает в глаз через зрачок. Глазные линзы — роговица и хрусталик — фокусируют свет и создают изображение на задней поверхности глаза, покрытой светочувствительным слоем — сетчаткой. Она состоит из множества простейших приемников света — колбочек и палочек, каждая из которых передает в мозг информацию о потоке падающего на нее света, а мозг синтезирует из этих отдельных сигналов цельную картину увиденного. Глаз — сложный приемник информации; в некотором роде он подобен «умному» электронному устройству, например радиоприемнику. У глаза тоже есть система автоматической регулировки усиления, которая снижает его чувствительность при ярком свете и повышает ее в темноте. Есть у нашего зрения и система шумоподавления, которая сглаживает случайные флуктуации светового потока, как по времени, так и по поверхности изображения. Эта система имеет определенные пороговые характеристики. Поэтому, например, мы не замечаем быстрой смены изображений (принцип кино); не замечает наш глаз и малых флуктуаций яркости.

Когда мы наблюдаем звезду ночью, поток света от нее на один элемент сетчатки (ночью работают в основном палочки) хотя и мал, но существенно превосходит поток от темного неба, падающий на соседние элементы. Поэтому мозг фиксирует это как значимый сигнал. Но днем на все светочувствительные клетки сетчатки попадает так много света от неба, что небольшая добавка в виде света звезды, приходящая на одну из них, не ощущается мозгом как реальное различие потоков света, а «списывается на флуктуации». Звезда может стать видимой на фоне дневного неба только в том случае, если поток света от нее сравним с потоком от площадки голубого неба, которую зрачок проецирует на одну колбочку или палочку. Угловой размер такой площадки называется разрешающей способностью человеческого глаза и составляет 1–2'.

Рио 3.1. Опыт Перельмана.

Много это или мало? Рублевая монета (диаметр около 21 мм) видна под углом в 1′ с расстояния 72 м. С меньшего расстояния мы различаем ее диск, с большего — видим как точку. По остроте зрения среди животных мало кто может сравниться с человеком. Пожалуй, в этом отношении нам не уступают лишь обезьяны, крысы и хищные птицы. А вот кошка, курица или лошадь видят во много раз менее четко. Что уж говорить о хомячке или пчеле, которые не могут различить даже диски Луны и Солнца: эти светила кажутся им такими же «точками», как нам звезды и планеты (которых хомячки вообще не замечают). Кстати, обычный человек не отличит звезду от планеты: они нам кажутся точками одинакового размера. Но встречаются счастливцы с особенно острым зрением, которые различают спутники Юпитера и даже видят Венеру в форме серпа (ведь у нее те же фазы, что и у Луны). Эти «остроглазые» и тусклых звезд видят больше, чем прочие люди.

Простой опыт, описанный Яковом Перельманом в его «Занимательной астрономии», показывает, почему исчезают звезды при дневном свете: «В боковой стенке картонного ящика пробивают несколько дырочек, расположенных наподобие какого‑нибудь созвездия, а снаружи наклеивают лист белой бумаги. Ящик помещают в темную комнату и освещают изнутри: на пробитой стенке явственно выступают тогда освещенные изнутри дырочки — это звезды на ночном небе. Но стоит только, не прекращая освещения изнутри, зажечь в комнате Достаточно яркую лампу — и искусственные звезды на листе бумаги бесследно исчезают: это «дневной свет» гасит звезды».

Из всех звездообразных объектов лишь очень яркая Венера иногда видна на дневном голубом небе. Но и ее увидеть очень непросто: небо должно быть идеально чистым, и нужно хотя бы приблизительно знать, в каком месте на небе в данный момент она находится. Все остальные планеты и звезды имеют блеск значительно слабее, чем у Венеры, поэтому увидеть их без телескопа днем совершенно невозможно. Впрочем, некоторые астрономы утверждают, что им удавалось днем наблюдать Юпитер, который раз в 7–8 бледнее Венеры. Но это возможно лишь при идеальных условиях: ранним утром, пока Солнце еще поднялось невысоко и атмосфера чистая; Юпитер должен быть в максимуме блеска, проецироваться на самую темную область голубого неба и располагаться рядом с заметным объектом — Луной. Только при таком сочетании условий и известной настойчивости некоторым наблюдателям (не всем!) удавалось заметить Юпитер днем. А вот ярчайшую звезду нашего небосвода — Сириус, поток света от которого почти в 15 раз слабее, чем от Венеры, и вдвое слабее, чем от Юпитера, пока еще никому не удалось увидеть днем на уровне моря. Говорят, что Сириус видели днем высоко в горах, на фоне темно — голубого неба. Это не удивительно: яркость неба высоко в горах значительно меньше, чем на уровне моря.

Небо разных эпох и разных планет

Мы так привыкли к виду земного неба, что обычно не задумываемся, почему оно такое, всегда ли оно было и останется таким, как выглядит небо иных планет? А некоторые любознательные люди с давних пор задавались этими вопросами. Например, почему небо голубое? Пытаясь объяснить этот общеизвестный факт, различные гипотезы предлагали Леонардо да Винчи (1452–1519), Исаак Ньютон (1643–1727), Иоганн Гёте (1749–1842) и Леонард Эйлер (1707–1783). Каждый из них считал, что сам воздух бесцветен, а голубую окраску ему придают какие‑то примеси. Глядя, как из камина поднимается голубоватый дым, Леонардо да Винчи думал, что цвет неба тоже создается рассеянными в воздухе похожими на дым мелкими частицами. Ньютон полагал, что дневное небо окрашивают мельчайшие капельки воды, но и он заблуждался. Оказалось, что даже самый чистый горный воздух все равно окрашен в голубой цвет, а все из‑за молекул самого воздуха.

Это открытие было сделано всего лишь 110 лет назад. Английский физик лорд Рэлей опубликовал в 1899 г. работу «О свете от неба, его поляризации и цвете», в которой доказал, что голубые лучи солнечного света рассеиваются в атмосфере не какими‑то примесями, а самими молекулами воздуха. Еще раньше, в 1871 г., Рэлей вывел закон отклонения лучей света мелкими частицами вещества. Закон рэлеевского рассеяния гласит: чем голубее свет, тем сильнее его рассеивают очень мелкие частицы. Основываясь на нем, Рэлей объяснил голубой цвет неба. В XX в. физики Мариан Смолуховский (1872–1917) и Альберт Эйнштейн (1879–1955) уточнили теорию Рэлея. Они обнаружили, что солнечный свет рассеивают не столько сами молекулы, сколько их небольшие группы, постоянно возникающие и распадающиеся из‑за случайных флуктуаций плотности. Но все же главная идея этого открытия принадлежит Рэлею. Кстати, полное имя ученого, открывшего тайну голубого неба, — Джон Уильям Стретт (1842–1919), а титул лорда Рэлея III он унаследовал в 1873 г. от своего отца. Его сын, Роберт Джон Стретт (1875–1947), ставший лордом Рэлеем IV, тоже был известным физиком, он изучал атмосферу. Чтобы не путать двух ученых, отца обычно называют Рэлеем Рассеивающим, а сына — Рэлеем Атмосферным.

На фоне голубого неба особенного красивы белые облака. Кстати, почему они белые? Оказывается, их цвет объясняется свойствами мелких частиц, летающих в воздухе; их называют аэрозолями. К ним относятся и частицы облаков — мельчайшие капельки воды величиной в сотые доли миллиметра. Но все же эти капельки гораздо крупнее молекул воздуха, поэтому солнечные лучи они рассеивают иначе: одинаково, независимо от их цвета. Поэтому облака того же цвета, что и Солнце: днем белые, а на закате оранжевые.

Тут самое время спросить: «А почему на закате и на восходе солнечный диск красновато — оранжевый?» Впрочем, у горизонта краснеет не только Солнце, но также и Луна, и любое другое небесное светило. Зная о рэлеевском рассеянии, мы легко объясним и это явление. Синим лучам сложнее всего пройти через атмосферу — их рассеивает даже чистый воздух. А толстый слой воздуха рассеивает также зеленые и даже желтые лучи. Когда Солнце высоко над горизонтом, до нас доходит весь его свет, кроме некоторой части голубого, когда же оно приближается к горизонту, нас достигает все меньше его голубых, зеленых и желтых лучей. У самого горизонта слой воздуха вдоль луча зрения особенно толстый, поэтому из всех цветов заходящего и восходящего Солнца сквозь воздух пробивается лишь красный, да и то сильно ослабленный.

Днем больно смотреть на Солнце — оно очень яркое. Зато вечером его диск светится мягко и не режет глаза. Как вы думаете, во сколько раз чистая безоблачная атмосфера ослабляет блеск светила? Когда оно опускается до высоты 15° над горизонтом, его яркость ослаблена атмосферой лишь вдвое по сравнению с той, какая была бы в зените. Когда высота составляет 5° (для Луны и Солнца это 10 их видимых диаметров), яркость становится меньше примерно в 10 раз. А у самого горизонта блеск светила ослаблен в несколько тысяч раз!

Почему же у горизонта столь велико поглощение света? Когда мы видим светило у горизонта, его луч проходит длинный путь вдоль поверхности Земли, преодолевая слой атмосферы почти в 40 раз более толстый, чем когда светило наблюдается в зените. Чтобы ощутить, насколько трудно лучам света пробиться сквозь атмосферу на закате, проделайте простой опыт: направьте настольную лампу себе в лицо и поместите перед глазами чистый лист белой бумаги. Яркость света весьма высока. Теперь добавьте второй лист… третий… Вам не понадобится и десяти листов, чтобы полностью преградить путь свету.

Необходимость учитывать рассеяние света в атмосфере Земли создает астрономам множество хлопот. И все же это большая удача, что воздушная оболочка нашей планеты, сохраняя на ней жизнь, позволяет видеть космос. Но всегда ли атмосфера Земли благоприятствовала наблюдениям Вселенной? Никто не знает точно, каким было небо Земли в древности; об этом можно лишь догадываться. Вид неба зависит от свойств атмосферы, которые меняются со временем. Ученым уже кое‑что известно об эволюции земной атмосферы в прошлом. К тому же ее можно сравнивать с атмосферами других планет, которые отстали от Земли в своей эволюции или обогнали ее.

Сейчас в атмосфере Земли содержится по объему 78 % азота, 21 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа и немного водяного пара. Но атмосфера не всегда являлась такой: в прошлом она была плотнее и состояла из других газов. Около 3,8 млрд лет назад, когда у Земли образовалась твердая гранитная кора, она была усеяна многочисленными вулканами. Через их жерла из недр Земли вырывались газы, формировавшие атмосферу и океан; в основном это были углекислый газ, водяной пар и азот. Кислорода тогда не было вовсе.

На Земле в ту эпоху было жарко, и она была немного похожа на современную Венеру, атмосфера которой очень плотная и на 96 % состоит из углекислого газа. На Венере, расположенной ближе к Солнцу, чем Земля, всегда было теплее, и поэтому эволюция атмосферы там шла иным путем. Если на остывающей Земле водяной пар сконденсировался в жидкость, и поверхность нашей планеты покрыл океан, то на Венере пар разрушился под действием солнечного излучения и улетучился в космос. Было это так: солнечный ультрафиолет расщеплял молекулы Н₂О на водород и кислород. Подвижный водород покидал атмосферу Венеры в первую очередь, причем так интенсивно, что захватывал с собой и большую часть кислорода (планетологи называют это гидродинамическим оттоком газа из атмосферы). Но захватить с собой более тяжелые молекулы СО₂ водородный поток не смог. Так атмосфера Венеры лишилась воды. А без воды, необходимой для связывания углекислого газа в известняк, молекулы СО₂ накапливались в атмосфере и создали тот ад, который мы наблюдаем сейчас на Венере. Если на Земле зародившаяся жизнь способствовала удалению СО₂ из атмосферы, то на Венере жизнь так и не возникла, ее атмосфера осталась плотной и до сих пор состоит из углекислого газа. Поэтому ученые считают, что Венера похожа на Землю далекого прошлого.

А какое небо на Венере? Оно там всегда затянуто густыми облаками, которые ураганный ветер мчит высоко над поверхностью планеты. Эти облака не очень плотные, они больше напоминают туман. Но их слой толщиной 30 км сильно поглощает солнечный свет, а остатки света рассеивает так, что днем не угадаешь, с какой стороны светит Солнце. Облачное небо Венеры окрашено в оранжевые тона, а у горизонта становится желто — зеленым. Ночью на Венере не видно звезд, лишь сполохи далеких молний и вулканических извержений подсвечивают облака. Вероятно, таким же было и небо юной Земли. В ту эпоху астрономам на ней нечего было бы делать.

Чтобы узнать будущее земной атмосферы, мы должны посмотреть на Марс. Из‑за своей удаленности от Солнца он никогда не был особенно горячим, но, имея небольшую массу, он плохо удерживает летучие газы в своей атмосфере. Марс красный из‑за того, что его водяной пар расщепился на водород и кислород; водород улетел в космос, а кислород окислил (покрыл ржавчиной) грунт. Отсутствие у Марса магнитного поля и мощная метеоритная бомбардировка тоже способствовали улетучиванию атмосферы. Странно, что Марсу вообще удалось хоть что‑то сохранить. Сегодня его атмосфера в 100 раз тоньше земной. Она почти не препятствует астрономическим наблюдениям с поверхности планеты, но и жизнь на ней поддержать не в состоянии. Если Землю ожидает такая же судьба, то каким будет ее небо?

Днем на Марсе небо розовое из‑за мелкой неоседающей пыли, которую ветер поднимает в период весенне-летних пылевых бурь. Сила тяжести на Марсе вдвое меньше, чем на Земле, поэтому пыль долго держится в воздухе. Поскольку атмосфера Марса очень разрежена, розовое небо там не такое яркое, как голубое небо Земли. Облака из водяных кристаллов на Марсе — редкое явление, слишком уж сухой там воздух. Зато над поверхностью иногда поднимаются плотные пылевые облака. Они обволакивают почти всю планету на многие дни и даже месяцы. Сквозь них не видны звезды и с трудом пробиваются лучи Солнца.

Ночью на Марсе прекрасно видны звезды, планеты и все прочие астрономические явления. Яркие стрелы метеоров вспыхивают там, вероятно, даже чаще, чем на Земле, поскольку в окрестности Марса движется больше мелких космических частиц, чем вблизи Земли. По утрам и вечерам, пока Солнце еще не взошло, марсиане (например, будущие колонисты с Земли) смогут любоваться двумя яркими светилами — Венерой и Землей. Впрочем, эти планеты, а также спутники Марса Фобос и Деймос должны быть легко заметны и днем, ведь безоблачное небо Марса довольно темное. Возможно даже, на нем видны некоторые яркие звезды, если Солнце находится не слишком близко от них и его рассеянный свет не мешает наблюдениям.

Итак, на Венере звезд не видно даже ночью, а на Марсе они видны и днем. Лишь на земном небе каждому светилу предоставлено свое время суток.

Пока наша Земля идет «марсианским» путем: она тоже теряет атмосферу, прежде всего водород, образующийся при расщеплении водяного пара. Мощность солнечного излучения растет, и высыхание Земли ускоряется. Сегодня водород оттекает из земной атмосферы «тонкой струйкой», так как основной носитель водорода — водяной пар — обычно не поднимается в стратосферу, где он может быть разрушен ультрафиолетом. Пар конденсируется в нижних слоях атмосферы и падает дождем обратно на поверхность. Но Солнце постепенно становится ярче, примерно на 10 % за каждый миллиард лет. Когда Солнце разогреет нашу планету и ее океаны, атмосфера станет более влажной, и струйка утекающего водорода превратится в могучий поток. Считается, что этот процесс станет ощутимым, когда яркость Солнца возрастет на 10 %, то есть через миллиард лет, и еще миллиард лет понадобится для осушения земных океанов. Земля станет пустынной планетой с крохотными полярными шапками и жалкими озерцами воды. Еще через два миллиарда лет Солнце так нещадно опалит Землю, что даже полярные оазисы исчезнут и последние остатки воды испарятся. Парниковый эффект усилится настолько, что начнут плавиться камни. Земля станет такой же безжизненной, как Венера. А дальнейшая эволюция Солнца, его превращение в красный гигант и усиление мощности свечения в сотни раз приведет к полной потере атмосферы. Земля станет похожа на современный Меркурий: место, идеальное для астрономических наблюдений и больше ни для чего.

Впрочем, в своих футуристических построениях мы зашли слишком далеко. Сегодня на Земле мы имеем идеальный баланс условий для жизни и наблюдения Вселенной. Чтобы в полной мере воспользоваться этими благами, астрономы изобрели телескоп.

Рождение телескопа

Тысячи лет астрономы изучали Вселенную без телескопа. Хотя стекло было известно египтянам еще в 3800 до н. э., да и финикийцы славились как стеклоделы, оптические свойства стекла были полностью оценены лишь в эпоху Средневековья. В XIII в. Роджер Бэкон одним из первых начал изучать свойства линз и зеркал. Очки появились в Италии около 1300 г., а к началу XVI в. оптические центры возникли в Германии и Голландии. Первая зрительная труба была сделана в Голландии в 1608 г., но трудно сказать, кем именно. Возможно, ее создали независимо друг от друга мастера очковых стекол Ганс Липперсгей, Яков Мециус и Захария Янсен. Кажется, Липперсгей был первым, кто для увеличения удаленных объектов применил комбинацию линз — положительную в качестве объектива и отрицательную как окуляр. Такая комбинация до сих пор используется в самых простых — театральных и детских — биноклях. Весной 1609 г. о голландском изобретении узнал в Италии Галилей и, не имея детального описания, сам за несколько недель разработал конструкцию и построил то, что теперь мы называем телескопом. Направив инструмент на небо, Галилей открыл новую эру в наблюдательной астрономии, о которой не мечтали его предшественники и которая продолжается до наших дней.

Галилей сделал много телескопов с диаметром объектива до 6 см, фокусным расстоянием до 170 см и увеличением до 35 раз. Они были устроены по одной схеме: объектив — плосковыпуклая или двояковыпуклая линза, окуляр — плосковогнутая или двояковогнутая. Изображение в таком телескопе прямое и довольно яркое, но поле зрения маленькое. Как все конструкции с простым объективом, телескоп Галилея страдал сильной сферической и очень сильной хроматической аберрацией.

Рис. 3.2. Слева: хроматическая аберрация. Стекло преломляет коротковолновый свет сильнее, чем длинноволновый, и фокус фиолетовых лучей (Оф) лежит ближе к линзе, чем красных (Ок). При любом расположении экрана изображение звезды получается расплывчатым, в окружении цветного ореола. Справа: сферическая аберрация. Краевая зона сферической линзы фокусирует свет на меньшем расстоянии (точка С), чем центральная зона (точка D), и даже в области наилучшей фокусировки (плоскость fе) точечный источник проецируется как пятно.

Рис. 3.3. Телескопы Галилея, хранящиеся в Музее истории науки, рядом с галереей Уффици, Флоренция. Трубы двух телескопов привязаны шелковыми ленточками к музейной подставке (это не штатив, которым пользовался Галилей!). Разбитый объектив третьего телескопа вставлен в виньетку из слоновой кости.

Сферическая аберрация возникает потому, что у линзы со сферическими поверхностями разные радиальные зоны имеют различное фокусное расстояние. Поэтому лучи, прошедшие вблизи центра и вблизи края линзы, собираются в разных точках и нигде не дают резкого изображения. Хроматическая аберрация возникает из‑за того, что стекло имеет разный коэффициент преломления для лучей разного цвета, из‑за чего простая линза не может собрать все лучи в одну точку: если в лучах одного цвета изображение звезды сфокусировано в точку, то вокруг нее виден расплывчатый ободок, образованный лучами других цветов. Сам Галилей боролся с этими недостатками линз, закрывая их внешнюю часть диафрагмой. Например, на одном из сохранившихся его телескопов (рис. 3.3) объектив диаметром 5.1 см задиафрагмирован до 2,6 см, а окуляр диаметром 2,6 см — до 1.1 см. Второй телескоп на рис. 3.3 имеет объектив 3,7 см, задиафрагмированный до 1,6 см. Этот прием частично помогал: изображение становилось более четким, но его яркость значительно снижалась.