Разведка далеких планет

Эти поправки даны для наблюдателя на уровне моря; с увеличением высоты места они уменьшаются. При этом имеется в виду, что качество неба отличное. При худшем качестве неба (высокая влажность или запыленность, перистые облака) поправка становится всё больше и неопределеннее, особенно вблизи горизонта.

В ультрафиолетовом (УФ) диапазоне прозрачность атмосферы резко снижается: для волн короче 280 нм воздух практически непрозрачен. В инфракрасном (ИК) диапазоне прозрачность атмосферы очень неоднородна: в спектре существует несколько мощных полос поглощения молекулами кислорода и воды. Поэтому для наблюдения в близком ИК — диапазоне телескопы устанавливают в сухих высокогорных районах, например в пустыне Атакама или на вершинах древних гавайских вулканов (высота более 4000 м). В далеком ИК- и УФ — диапазонах наблюдения возможны только с космических станций.

Качество изображения. При выборе места для строительства обсерватории астрономов в первую очередь интересует количество ясного ночного времени. Оно измеряется в суммарном годовом количестве часов безоблачного неба в период астрономической ночи, когда погружение Солнца под горизонт превосходит 18° и уже не заметны сумеречные явления. Для старых университетских обсерваторий, размещенных вблизи крупных городов Европы, это время составляет порядка 200–300 часов в год (Пулково, Рига, Москва). Для горных обсерваторий, расположенных в южной части бывшего СССР (Крым, Кавказ, Казахстан, Узбекистан), это 1000–1500 часов в год, а для наиболее современных обсерваторий в горах Чили и на Гавайях — 2500–3000 часов, что близко к суммарному темному времени за год.

Однако даже совершенно ясная ночь может не удовлетворять астрономов по качеству изображения объектов. Воздушные слои разной плотности по — разному преломляют световой луч. Если воздух спокоен, то это приводит лишь к смещению изображения как целого, немного приподнимая его над горизонтом (атмосферная рефракция). Но если слои воздуха с различной температурой и плотностью хаотически перемешаны, то изображение звезды дрожит и размывается, точно измерить его положение и яркость становится невозможно, мелкие детали на изображениях планет, туманностей и галактик не видны. Качество изображения обычно характеризуют угловым диаметром кружка, в виде которого предстает астроному изображение звезды в телескопе. Приемлемым для наблюдений считается качество изображения в 2–3", весьма хорошим — в 1". На лучших высокогорных обсерваториях бывают изображения в 0,5" и даже 0,35". Далеко не каждая ясная ночь обеспечивает высокое качество изображения; так, ветреная погода ухудшает его в связи с усилением турбулентности в атмосфере: звезды сильно мерцают и дрожат.

Предварительный отбор перспективных мест для строительства обсерватории производится на основе метеорологической информации, а затем организуются многомесячные (иногда и многолетние) экспедиции для изучения выбранных мест. С помощью небольших экспедиционных приборов, имитирующих наблюдение с крупным телескопом, проводятся измерения качества изображений звезд в разные сезоны года. Окончательное решение о строительстве обсерватории принимают, исходя из полученных экспедициями результатов и в немалой степени — из экономических обстоятельств: наличия источников воды и электричества, морских портов, аэродромов и дорог, поскольку доставка и монтаж большого телескопа, прежде всего его многометрового зеркала, представляет сложную транспортную проблему.

Даже на самых хороших с точки зрения астроклимата горных вершинах, таких как Серро-Паранал в чилийской пустыне Атакама, Мауна-Кеа на Гавайских островах, Рока‑де-лос-Мучачос на о. Пальма в архипелаге Канарских островов, прозрачность атмосферы и качество изображения непрерывно изменяются. Поэтому астроном — наблюдатель регулярно делает записи в журнале наблюдений с указанием состояния неба и размера изображения звезд. При высокоточном измерении блеска переменных звезд приходится до и после измерения изучаемой звезды определять также и блеск специально выбранных звезд сравнения («стандартов»), про которые известно, что они светят очень стабильно, поэтому изменение их видимой яркости целиком связано со свойствами атмосферы Земли.

Одним из простых способов дать количественную оценку качества неба является указание на самую слабую звезду, видимую невооруженным глазом. Хотя каждый человек определяет самую слабую звезду по — своему, в среднем эта величина примерно одинакова для всех людей с нормальным зрением. Индивидуально для каждого наблюдателя такой метод определения качества неба дает весьма надежную относительную оценку. Для определения слабейшей из видимых звезд принято использовать область неба вблизи северного полюса мира. Эта область имеет несколько преимуществ: на средних северных широтах она незаходящая, ее высота не меняется в течение ночи и года, так что изменением прозрачности атмосферы с высотой можно пренебречь. В этой области нет ярких звезд и не бывает планет, которые бы слепили глаза. Слабые звезды там довольно далеки друг от друга и поэтому легко отождествляются. Кроме того, поле вокруг Полярной звезды имеет простую конфигурацию и легко запоминается.

Загрязнение ночного неба искусственным светом. Помимо естественных факторов, в XX в. астроклимат испытал существенное влияние цивилизации. Важнейшим отрицательным фактором стало ночное освещение городов, сделавшее невозможным проведение в них астрономических наблюдений.

На протяжении XX в. большинство людей лишилось захватывающего вида Вселенной, которым могли наслаждаться их предки в любую ясную ночь. Распространение электрического освещения и рост городского населения стали причиной быстрого роста яркости неба над городами. Немногие из современных людей видели первозданное темное небо. Для городского жителя усыпанное звездами небо доступно только в планетарии. Комета Хейла-Боппа (1997 г.) была самой зрелищной кометой нашего времени, но из‑за засветки городов для большинства людей она выглядела как едва заметный размытый шарик. Даже в сельской местности слабое дворовое освещение часто затмевает великолепие ночного неба. Один из наиболее известных любителей астрономии XX в. Лесли Пелтье в своей автобиографии с сожалением вспоминает о красоте ночного неба: «Даже на ферме не видны больше Луна и звезды. Данное нам Господом право любоваться звездами фермер разменял на ватты своего круглосуточного солнца. Его дети уже никогда не увидят благословенной темноты небес».

Избыток ночного освещения не только вызывает увеличение яркости неба, но и в целом отрицательно влияет на окружающую среду, вмешиваясь в естественные ритмы биосферы. Избыточное освещение и напрямую ведет к загрязнению окружающей среды в связи с добычей, транспортировкой и сжиганием угля и нефти. Лишний свет в основном связан с плохой конструкцией фонарей, рассеивающих лучи горизонтально и вверх, в небо. Этот свет ослепляет водителей и пешеходов, подвергая их жизнь риску. При этом бессмысленный расход электроэнергии составляет по всему миру миллиарды долларов в год.

Астрономия очень чувствительна к искусственной засветке неба. Большинство наблюдений, особенно в области внегалактических исследований и космологии, теперь можно проводить лишь в местах, удаленных от крупных городов на сотни километров. Некоторые старые обсерватории, такие как Данлоп в Онтарио (Канада), Маунт-Вилсон в Калифорнии, Пулковская (Санкт-Петербург) и Московская очень страдают от городской засветки неба. Новые обсерватории располагают в удаленных местах, а истинным любителям астрономии приходится уезжать далеко за город, чтобы проводить свои наблюдения.

На территории каждой обсерватории ночное освещение делают минимально ярким, а нередко и полностью отключают во время наблюдений. Но, к сожалению, свет большого города, расположенного даже в 100 км от обсерватории, лишает астрономов возможности наблюдать тусклые объекты. Поэтому ученые обращаются к местным властям и населению с просьбой о сохранении темноты ночного неба.

С помощью местных властей проблема ночной засветки неба была решена в ряде крупных обсерваторий Аризоны и Калифорнии. Избежать засветки позволяют фонари с закрытыми лампами, направляющие свет только вниз. В этом случае сам источник света остается невидимым со стороны, в отличие от обычных уличных и дворовых фонарей. К тому же возникает существенная экономия энергии за счет снижения потерь света. Дополнительная экономия достигается при использовании более эффективных ламп, требующих меньше энергии для получения требуемого количества света.

Рис. 3.38. «Световое загрязнение» Европы.

По критерию роста эффективности уличные светильники располагаются в следующем порядке (число в скобках указывает мощность лампы в ваттах, необходимую для производства светового потока в 1000 люменов): обычная лампа накаливания (60), бело — голубая ртутная лампа (24), белая галогенная (17), желто — оранжевая натриевая высокого давления (12) и желтая натриевая низкого давления (8). Как видим, световая эффективность ламп различного типа различается почти в 8 раз! Самый дешевый свет производит натриевая лампа низкого давления, к тому же она дает почти монохроматический свет, который при астрономических наблюдениях легко может быть «отрезан» с помощью светофильтра. С эстетической точки зрения эти лампы плохи своей одноцветностью, но их с успехом можно использовать для уличных фонарей, автомобильных стоянок, охранного освещения — в общем, в местах, где не обязательно освещение, комфортное для зрения.

Хотя закрытые фонари стоят дороже, чем открытые, их цена компенсируется дешевизной эксплуатации. В Калифорнии города Лонг-Бич, Сан-Диего и Сан-Хосе, широко используя натриевые лампы низкого давления, экономят каждый год большие суммы. Например, заменив 175–ваттную ртутную лампу на закрытую сверху отражателем 35–ваттную натриевую лампу низкого давления, мы получаем то же количество полезного света без ослепления водителей и рассеяния лишнего света в воздухе. Налицо экономия энергии и улучшение видимости. Калифорнийские астрономы весьма признательны властям за это нововведение.

Яркое освещение улиц ночных городов иногда оправдывают соображениями безопасности. Но до сих пор не доказана связь между усилением освещения и снижением криминала. Ворам и разбойникам тоже требуется свет для их делишек. Наличие охранного освещения часто привлекает внимание и указывает криминальным элементам, что на этот дом или офис следует обратить внимание. Наши города сейчас освещены гораздо сильнее, чем когда‑либо, а криминальная ситуация стремительно ухудшается. Безопасность можно обеспечить использованием экранированного света, реагирующего на движение и включающегося только в те моменты, когда происходит какое‑либо перемещение. Потенциальная опасность быть неожиданно освещенным может стать весьма полезной в борьбе с криминалитетом, не говоря уже об экономии электроэнергии.

Важную роль в сохранении темноты ночного неба играет работа с населением. Необходимо разъяснять, что лишняя засветка стоит денег! Один учитель астрономии сказал как‑то: «Меня удивляет, что люди, которые никогда не выбросили бы на землю пластиковую бутылку во время пикника, могут платить лишние деньги каждый месяц за освещение окрестностей никому не нужным рассеянным светом».

Главной силой в решении этого вопроса являются правительственные чиновники, специалисты по освещению городов и, разумеется, астрономы. Их совместные усилия должны помочь. Необходимо «освещать» эту проблему, вырабатывать четкие рекомендации и доводить их до населения. Существует Международная ассоциация темного неба (International Dark‑Sky Association, IDA). Это бесприбыльная, освобожденная от налогов организация, стремящаяся довести проблему до граждан и убедить их не заливать светом окрестности, сохранить темное небо и в то же время максимально повысить качество и эффективность наружного освещения. Адрес этой уникальной организации: http://www.darksky.org.

Рис. 3.39. Проект 42–метрового телескопа E‑ELT (European Extremely Large Telescope) обсерватории ESO для наблюдений в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах с системой адаптивной оптики, которая позволит довести угловое разрешение до 0,001". Предполагается, что к 2017 г. он будет установлен либо в Чили, либо на Канарских островах.

Заканчивая рассказ о небе и телескопах, хочу напомнить, что эта книга в основном посвящена планетам — очень маленьким или очень далеким. Для исследования тех и других требуются очень большие телескопы. Некоторые из них уже созданы, другие — в процессе строительства, третьи еще только задуманы (например, телескоп E‑ELT, рис. 3.39). Если в конце XIX в. все понимали, что крупные рефракторы достигли своего предела, если в середине XX в. у большинства инженеров была уверенность, что эволюция крупных рефлекторов завершена, то сегодня никто не сомневается: эпоха гигантских телескопов только начинается. А это значит, что впереди новые потрясающие открытия. Кому суждено их сделать?

И вот тут — самое интересное! Поток астрономической информации пропорционален суммарной площади объективов всех телескопов в мире. Благодаря созданию гигантских телескопов она стремительно возрастает. А количество астрономов почти не увеличивается. Можно сказать, что сейчас профессиональные астрономы оказались в ситуации, когда «не было ни гроша, да вдруг алтын»! Гигантские телескопы выдают так много информации о небесных объектах, что немногочисленные коллективы специалистов не успевают ее обрабатывать и обдумывать полученные результаты. В связи с этим было решено сделать эту информацию доступной для всех желающих. Через Интернет ее можно получить из Европейской южной обсерватории по адресу http://archive.eso.org. Должен предупредить любителей астрономии, что в архиве лежат «сырые» данные, для обработки которых нужна определенная квалификация. Но, с другой стороны, теперь у всех любознательных людей — как профессионалов, так и любителей — есть одинаковая возможность участвовать в серьезной научной работе, используя первоклассный наблюдательный материал. Без излишней патетики можно сказать, что любой желающий может теперь «подглядывать» в огромный телескоп. Выбор объектов наблюдения по — прежнему остается за хозяевами инструмента, но пользоваться его плодами и делать открытия теперь может каждый желающий. А тем, кто не склонен к научной работе, но хочет полюбоваться фотографиями небесных светил, советую зайти на сайт www.eso.org.

4 Поиск планет в Солнечной системе

Впервой главе мы уже выясняли, зачем астроном долгими зимними ночами сидит у телескопа: не для того, чтобы пересчитать звезды и открыть свою, новую. Сидя у гигантского холодного прибора, он мечтает не о славе, а о тарелке горячего супа. А слава, капризная дама, иногда приходит сама — часто неожиданно, но всегда заслуженно. Человек у телескопа, как правило, изучает давно открытые объекты. Ведь каждый из них — это целый мир, а порою и миллиарды миров! Для изучения каждого из них жизнь человека коротка. Вспомните, сколько людей в течение скольких столетий без устали исследуют одну космическую песчинку по имени Земля, и сколько еще не разгадано! А в окуляре телескопа таких миров — несчитано! Поэтому многие астрономы нацелены на решение загадок уже открытых звезд и планет.

Но все же высшим удовольствием для ученого всегда было открытие нового. В этом деле есть свои специалисты — например, ловцы комет: они годами наблюдают за небом, чтобы первыми заметить ледяную глыбу, летящую с холодных окраин планетной системы к Солнцу, где она, согревшись, распустит свой газовый хвост. Есть специалисты по астероидам; в последние годы появились особые специалисты по спутникам планет, в несколько раз расширившие свиты планет — гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

Однако больше всего астрономы любят открывать не кометы, не астероиды, а новые планеты. Вероятно, потому, что настоящих, больших планет мало и открывать их трудно, а значит — почетно. Как мы знаем, до создания телескопа были известны планеты, видимые невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. За четыре века работы с телескопом астрономы открыли в Солнечной системе всего две большие планеты: в XVIII в. — Уран, и в XIX в. — Нептун. Двадцатый век тоже мог бы оставить о себе память открытием планеты: обнаруженный в 1930 г. объект назвали планетой Плутон. Но в начале XXI в. специалисты низвели Плутон до категории карликовой планеты, оставив в списке больших планет только 8 объектов. (Впрочем, XX век остался в истории как век открытия больших планет, настоящих гигантов, но — за пределами Солнечной системы. О них я еще расскажу.)

С 1930 по 2006 гг. считалось, что в Солнечной системе 9 планет, и для ровного счета всем хотелось открыть десятую! Об этом постоянно говорили журналисты и любители науки, а астрономы ее между тем искали. С вводом в строй каждого нового телескопа вновь вспыхивала надежда обнаружить десятую планету. От частого обсуждения этой темы понятие «десятая планета» стало нарицательным. Еще в период поиска Плутона неоткрытую планету стали называть «Планетой X». Но после 1930 г. это понятие не исчезло, и следующую гипотетическую планету Солнечной системы тоже именовали «Планетой X», причем теперь это понятие приобрело еще больший смысл, поскольку символ X (икс) можно было рассматривать не только как обозначение неизвестной величины, но и как римскую цифру десять.

В разные годы на роль десятой планеты претендовали разные гипотетические тела. Ожидалось открытие планеты между орбитами Марса и Юпитера, ее даже хотели назвать Фаэтоном. Предполагалось открыть планету внутри орбиты Меркурия — для нее приготовили имя Вулкан. Наконец, велись упорные поиски планеты на далекой периферии Солнечной системы, за орбитой Плутона. Ее условно называли Трансплутоном.

К чему привели эти труды? Какую роль сыграли в этих поисках новые телескопы? Откуда взялась уверенность, что в Солнечной системе непременно должна быть десятая планета? Оказывается, к этой мысли астрономов привели открытия последних двух столетий…

Уран — находка Гершеля

С Вильямом Гершелем мы уже не раз встречались в этой книге. Но, рассказывая об открытиях планет, нам вновь не миновать этой грандиозной фигуры: великий самоучка, сменивший страну и профессию, но не изменивший своему призванию — неудержимому стремлению к знаниям.

Среди достоинств Гершеля главным было трудолюбие: он слыл неутомимым тружеником. Зарабатывая на жизнь музыкой, он своими руками построил множество превосходных телескопов, среди которых — крупнейшие для того времени. Многие годы Гершель проводил обзоры ночного неба, разыскивая новые интересные звезды, звездные скопления и туманности. Одно только перечисление его важнейших открытий заняло бы немало времени. Например, по перемещению на небе ярких звезд он обнаружил движение Солнечной системы в пространстве. Он доказал, что двойные звезды обращаются вокруг общего центра масс, подтвердив этим универсальность закона тяготения Ньютона и сделав этот закон всемирным. Вильям Гершель открыл около 1000 двойных звезд (объектов, крайне ценных для астрономии), более 2000 звездных скоплений и туманностей, многие из которых оказались далекими галактиками. Гершель первым изучил строение Млечного Пути и доказал, что мы тоже живем в гигантской звездной системе — Галактике. Великий любитель астрономии проявил себя и как инженер, создавший новые конструкции телескопов, и как физик — экспериментатор, открывший инфракрасное излучение. Одним словом, родись Гершель в XX в., у него была бы не одна Нобелевская премия.

Учитывая трудолюбие и увлеченность Гершеля, можно было не сомневаться, что он станет одним из ведущих астрономов своего времени, что проделает огромный объем работы, что построит прекрасные телескопы и составит обширные каталоги… Нельзя было предвидеть лишь одного — что он откроет новую планету. Пять планет, доступных невооруженному глазу, были известны с незапамятных времен. Выделяясь своим движением на фоне неизменных звезд, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн всегда привлекали внимание ученых, пытавшихся понять скрытый механизм этих движений, а также и астрологов, пытавшихся предсказать по положению планет будущее. Несмотря на разницу мировоззрений, ученые и астрологи сходились в том, что кроме пяти известных планет, да еще Луны с Солнцем, иных подвижных светил на небе нет и быть не может. Эта уверенность покоилась на многотысячелетнем опыте наблюдений неба невооруженным глазом и почти двух веках наблюдения за светилами в телескоп. Но в конце XVIII в. случилось чудо: 42–летний любитель астрономии открыл дотоле неизвестную планету!

Рис. 4.2. Копия телескопа Гершеля, с которым он открыл Уран.

Это произошло ночью 13 марта 1781 г. Производя привычный обзор звездного неба, Гершель открыл новую планету, позже названную Ураном. Сначала он не придал своей находке особого значения Заметив в окуляре крошечный желто — зеленый диск в созвездии Близнецов, он решил, что обнаружил комету. Но последующие наблюдения других астрономов и вычисления российского академика Андрея Лекселя (1740–1784) доказали, что объект Гершеля — не комета (которая должна иметь вытянутую эллиптическую орбиту), а настоящая планета, обращающаяся вокруг Солнца по устойчивой, почти круговой орбите на расстоянии вдвое большем, чем Сатурн. За одну ночь границы Солнечной системы расширились вдвое! Астроном — музыкант сразу же стал знаменит: впервые в истории, вопреки всему, обнаружилась новая планета. Общественный резонанс был не меньше, чем при обнаружении нового континента. Король Англии Георг III сделал Гершеля своим личным астрономом, положив ему денежное содержание и освободив тем самым от утомительных уроков музыки.

Рис. 4.3. Перемещение Урана на фоне звезд за двое суток. Наблюдение Патрика Мура 4 и 6 марта 1960 г.

Весть о новой планете, которую позже назвали Ураном, мгновенно облетела научный мир. Странно, но мысль о том, что в Солнечной системе может быть неизвестная планета, никогда прежде не приходила в голову астрономам. Они стали просматривать старые журналы наблюдений и обнаружили, что до 1781 г. новая планета уже была заме чена не менее 20 раз! Впервые это произошло еще в 1690 г. Но каждый раз ее ошибочно принимали за звезду. Однако трудами Гершеля исторические предрассудки наконец были сломлены, и мысль о новых, не открытых пока планетах стала носиться в воздухе.

«Закон» Тициуса — Боде

Аза несколько лет до этого произошло никем не замеченное событие — была обнаружена математическая закономерность в размерах планетных орбит. Впрочем, первые успешные опыты в этом деле принадлежат немецкому математику и астроному, мистику и астрологу Иоганну Кеплеру (1571–1630). Именно он, увлеченный «гармонией сфер», нашел соответствие между идеальными геометрическими фигурами и орбитами планет. Оказалось, что пять правильных многогранников, так называемых Платоновых тел — тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр — можно разместить внутри совокупности концентрических сфер, радиусы которых соотносятся так же, как радиусы планетных орбит (рис. 4.4). Кеплер опубликовал свою находку в знаменитой книге «Космографическая тайна» (1596 г.) и там же отметил, что между орбитами Марса и Юпитера существует слишком уж большой промежуток, в котором без труда уместилась бы орбита еще одной планеты.

Нельзя сказать, что геометрическая находка Кеплера привлекла всеобщее внимание: человеку, не обладающему пространственным воображением в той же мере, что и и Кеплер, трудно было уловить найденную им тонкую геометрическую связь и тем более восхититься ею. К тому же в геометрических построениях Кеплера все правильные многогранники были исчерпаны, поэтому его «теория» не давала прогноза для положения неизвестных планет. Да и сам Кеплер вскоре доказал, что орбиты планет - не окружности, а эллипсы, так что простые геометрические аналогии с многогранниками оказались совершенно неуместны. И все же разрыв между орбитами Марса и Юпитера был так велик, что время от времени среди астрономов раздавались призывы поискать там планету.

Рис. 4.4. Рисунок из книги Кеплера «Космографическая тайна», показывающий размещение 5 правильных многогранников внутри совокупности концентрических сфер.

 Таблица 4.1 К правилу Тициуса — Боде

Планета	п	Расстояние, а. е. по правилу Тициуса-Боде	Расстояние, а. е., Истиное
Меркурий	-∞	0,4	0,39
Венера	0	0,7	0,72
Земля	1	1,0	1,0
Марс	2	1,6	1,52
Астероиды	3	2,8	2,1–3,5
Юпитер	4	5,2	5,2
Сатурн	5	10,0	9,6
Уран	6	19,6	19,2
Нептун	7	38,8	30,0
Плутон	8	77,2	39,2

Рис. 4.5. Иоганн Тициус.

Спустя полтора столетия после работы Кеплера была сделана значительно более простая и убедительная математическая находка, подтвердившая существование «гармонии сфер» и позволившая прогнозировать орбиты неизвестных планет. В 1766 г. немецкий математик Иоганн Даниель Тициус фон Виттенберг (1729–1797) опубликовал свой перевод книги известного естествоиспытателя Шарля Боне «Созерцание природы». Но Тициус не ограничился переводом текста, а сделал к нему небольшое примечание, причем в очень необычной и скромной форме: он попросту внес свое добавление в основной текст. Смысл этого примечания состоял в следующем: расстояния планет от Солнца подчиняются простому эмпирическому правилу, а точнее говоря — простой числовой последовательности. Если принять расстояние Земли от Солнца за 10 условных единиц, то расстояния остальных планет составят R_n = 4 + 3×2n, где п=-∞ для Меркурия и п=0,1,2,… для последующих планет. Табл. 4.1. иллюстрирует это правило. Все расстояния даны в ней в астрономических единицах (а. е.), равных расстоянию Земли от Солнца. Плутон и астероиды вставлены для полноты картины. Оценивая точность формулы Тициуса, нужно иметь в виду, что в то время ни один из астероидов, а также Уран, Нептун и Плутон еще не были открыты.

Рис. 4.6. Иоганн Элерт Боде.

Таблица показывает, что простая формула Тициуса очень хорошо описывает размеры орбит известных в те годы планет. Но этот замечательный факт вызвал интерес лишь у нескольких специалистов. Имя Тициуса не стало известным.

Шесть лет спустя, в 1772 г., немецкий астроном Иоганн Элерт Боде (1747–1826) опубликовал «Руководство по изучению звездного неба» и включил туда правило Тициуса, пересказав его почти дословно, но не сославшись при этом на первоисточник. В наши дни такой поступок сочли бы недостойным, но в те годы правила научной этики еще только вырабатывались. К чести Иоганна Боде следует заметить, что в последующих изданиях своей книги он отмечал приоритет Тициуса.

Числовая прогрессия планетных орбит глубоко поразила Боде, и он постарался передать свое восхищение читателям «Руководства». Особенно странным казался ему разрыв между Марсом и Юпитером. «Можно ли поверить, что творец Вселенной оставил это место пустым? Конечно, нет!» — писал Боде.

Научный авторитет Иоганна Боде рос год от года. Он прожил долгую и плодотворную жизнь: 40 лет был директором Берлинской обсерватории, открыл несколько комет, опубликовал много интересных книг и прекрасный атлас неба «Уранография». Поэтому стоит ли удивляться, что 1781 год добавил славы именно Боде, а не Тициусу. Как мы помним, в тот год Вильям Гершель открыл новую планету, расстояние которой от Солнца прекрасно — с ошибкой лишь в 2 % — вписалось в числовую прогрессию Тициуса, опубликованную в популярном «Руководстве» Боде. Возможно, как раз поэтому Боде стал «крестным отцом» новой планеты: ведь именно он предложил назвать ее Ураном.

Открытие Урана потрясло астрономов, а числовой ряд Тициуса совершенно неожиданно получил новый смысл: он «предсказал» существование неизвестной планеты. После этого Боде приобрел полную уверенность в справедливости «планетной прогрессии» и веру в то, что между Марсом и Юпитером непременно должна быть еще одна планета.

Известный германский астроном (венгерского происхождения) барон Франц Ксавер фон Цах (1754–1832) также был убежден в этом. В качестве главного астронома Австрийской империи он в 1787 г. возглавил строительство обсерватории в Зеберге, близ Готы, и с 1791 г. стал ее директором. Уже не первый год он вынашивал мечту об открытии трансмарсианской планеты, но для этого требовались поиски на огромном пространстве неба, непосильные для одного астронома.

В 1796 г. участники астрономической конференции в Готе по инициативе фон Цаха решили организовать систематический поиск планеты — невидимки в районе зодиакальных созвездий. Но в разрозненной Европе это было непросто. В 1800 г. фон Цах основал журнал «Ежемесячные корреспонденции для покровительства изучению Земли и Неба», вокруг которого объединялось европейское научное сообщество весь XIX век, вплоть до Первой мировой войны. В том же году неутомимый фон Цах предложил схему деления неба на 24 зоны, в которых поиски неизвестной планеты должны вести 24 астронома. Правда, к 1800 г. ему удалось собрать группу лишь из пяти астрономов — энтузиастов. В шутку фон Цах называл свою группу «отрядом небесной полиции», целью которого было «выследить и арестовать беглого подданного Солнца».

Была проведена серьезная подготовка, область зодиакальных созвездий разделили на 24 участка, распределили по ним наблюдателей и подготовили для них карты звездного неба. Но как раз перед тем, как должны были разослать эти карты, вечером 1 января 1801 г. — в первый день XIX столетия — один из этих астрономов, итальянец Джузеппе Пи- ацци (1746–1826), случайно открыл новую планету между Марсом и Юпитером. (Пиацци был заочно включен в группу поисков неизвестной планеты, но фон Цах даже не успел сообщить ему об этом.)

Днем Пиацци был профессором астрономии Палермского университета на Сицилии, а ночью измерял координаты звезд для своего нового каталога. В тот вечер он проверял одну область неба, ранее недостаточно точно описанную другими астрономами, и при этом отметил в созвездии Овна среди прочих слабую звездочку 8m, а на следующую ночь обнаружил ее небольшое смещение относительно других звезд. Решив, что им открыта необычная комета (без хвоста и туманной оболочки!), он продолжил наблюдения и 14 января обнаружил, что движение тела сменилось с попятного на прямое. О своем открытии неизвестного блуждающего светила Пиацци написал 23 января астроному Ориани в Милан и на следующий день отправил такое же сообщение Боде в Берлин. Но время в Европе было неспокойное, и письма дошли до адресатов только 5 апреля и 20 марта соответственно.

А к тому моменту Пиацци уже потерял свою находку. Дело в том, что 11 февраля он вынужден был прервать наблюдения в связи с болезнью. А к середине февраля 1801 г. «звездочка» подошла на небе так близко к Солнцу, что совершенно скрылась в его лучах. Имевшихся наблюдений было еще недостаточно для вычисления точной орбиты тела, чтобы прогнозировать его будущее положение среди звезд. Попытки обнаружить новое светило после его предполагаемого появления из‑за Солнца оказались безрезультатными. На небосводе около 40 тысяч звезд 8–й величины! Поди узнай, какая из них — та самая.

Выручил молодой немецкий математик Карл Фридрих Гаусс (1777–1855). Как раз накануне он разработал метод вычисления эллиптической орбиты планеты всего по трем наблюдавшимся с Земли ее положениям на небе, а также изобрел мощный метод обработки наблюдений — метод наименьших квадратов. Вооруженный этими математическими орудиями, Гаусс сумел по небольшому числу наблюдательных данных Пиацци вычислить к ноябрю 1801 г. элементы орбиты неизвестного объекта. Оказалось, что потерянная планета движется между орбитами Марса и Юпитера! Гаусс рассчитал и эфемериды находки Пиацци, т. е. ее ожидаемое положение на небе в ближайшие дни.

Следуя указаниям Гаусса, фон Цах на своей обсерватории в Готе заметил подозрительный объект 7 декабря 1801 г., но скверная декабрьская погода, затянувшая небо облаками, не позволила ему подтвердить открытие. Только в последнюю ночь 1801 г., а именно 31 декабря, фон Цах обнаружил наконец «подозрительную звездочку». Она находилась в северо — западной части созвездия Девы, в месте, близком к вычисленному Гауссом. На следующую ночь, ровно через год после первого открытия Пиацци, эту планету обнаружил и немецкий врач Генрих Вильгельм Ольберс (1758–1840), увлеченный астрономией и наблюдавший на собственной обсерватории в Бремене.

По виду объект был неотличим от звезды, и астрономы справедливо заключили, что если это и планета, то очень маленькая. Так оно и оказалось: новое тело, которое Пиацци впоследствии назвал Церерой (по имени богини плодородия и земледелия — покровительницы Сицилии) имеет диаметр около 950 км. Позже в пространстве между Марсом и Юпитером были открыты тысячи других подобных тел, и все они оказались меньше Цереры. Для наземных телескопов такие «малые планеты» неотличимы от звезд. По этой причине Вильям Гершель предложил все эти тела называть астероидами, т. е. «звездообразными». Термин оказался удачным и сохранился до наших дней. А вот от понятия «малые планеты» спустя два столетия отказались.

Но вернемся в начало XIX в. Итак, планета Кеплера найдена! Среднее расстояние Цереры от Солнца, вычисленное Гауссом, составило 2,767 а. е., что очень хорошо согласовалось со значением 2,8 а. е., отвечающим правилу Тициуса и ожиданиям Боде (см. табл. 4.1). Закон планетных расстояний получил новое подтверждение! Теперь его именовали не иначе как «законом Боде». И до сих пор еще у многих авторов мы встречаем его как закон Боде, хотя всем ясно, что это не фундаментальный закон природы, а некое правило, и сформулировал его Тициус, а Боде лишь «продвигал». И несмотря на то, что за прошедшие два столетия астрономия Солнечной системы обогатилась колоссальным числом открытий и новых мощных теорий, до сих пор остается неясным статус правила Тициуса — Боде: есть ли в нем глубокий физический смысл, или это просто математический курьез?

Фаэтон, или Планета Ольберса

А что же Церера? Стала ли она полноправным членом нашей планетной системы? Думаю, если бы других тел в промежутке между Марсом и Юпитером не нашлось, астрономы смирились бы с малым размером Цереры и стали бы называть ее планетой. Однако дело приняло неожиданный оборот. Тот самый врач — астроном Ольберс, который вторично открыл Цереру, через несколько месяцев, в марте 1802 г., обнаружил еще одно небесное тело, названное Палладой. Оно оказалась приблизительно такого же блеска и почти на таком же расстоянии от Солнца, что и Церера. В 1804 г. немецкий астроном Карл Людвиг Хардинг (1765–1834) открыл третий астероид — Юнону. А в 1807 г. Ольберс нашел еще один астероид — Весту. Характеристики этих тел приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Крупнейшие астероиды Главного пояса

Номер и имя	Диаметр, км	Большая полуось, а. е.	Эксцентриситет	Наклонение, °
1 Церера*	960x932	2,767	0,0789	10,6
2 Паллада	570x482	2,774	0,2299	34,8
3 Юнона	240	2,669	0,2579	13,0
4 Веста	530	2,362	0,0895	7,1

* Ныне Церера относится к группе планет — карликов.

Теперь уже требовалось спасать «закон» Тициуса — Боде: слишком много планет обнаружилось между Марсом и Юпитером. Ольберс почувствовал это уже после открытия второго астероида; в письме к Боде он писал: «Где тот прекрасный, закономерный порядок, которому подчинялись планеты в своих расстояниях? Мне кажется, еще рано философствовать по этому поводу; мы должны сначала наблюдать и определять орбиты, чтобы иметь верные основания для наших предположений. Тогда, может быть, мы решим или, по крайней мере, приблизительно выясним, всегда ли Церера и Паллада пробегали свои орбиты в мирном соседстве, отдельно одна от другой, или обе являются  только обломками, только кусками прежней большой планеты, которую взорвала какая‑нибудь катастрофа». Так, пытаясь спасти изящное правило Тициуса-Боде, Ольберс указал выход из ситуации, предположив, что рой малых тел — это осколки некогда существовавшей на этом месте большой планеты. Возможно, она сама взорвалась, а может быть, разрушилась от удара кометы. Это уже детали. Главное — большой планеты не видно, а осколки налицо!

Рис. 4.7. Генрих Вильгельм Ольберс.

Эта идея показалась привлекательной многим ученым. Гипотетическое тело сначала так и называли — планета Ольберса. А значительно позже, в 1949 г., московский астроном Сергей Владимирович Орлов (1880–1958) предложил для несуществующей планеты мифическое имя Фаэтон, в память об известном персонаже греческих легенд. Напомню, что так звали сына Гелиоса, бога Солнца; чтобы доказать свое божественное происхождение, Фаэтон взялся управлять солнечной колесницей отца и погиб, испепеленный огненным жаром, чуть не погубив при этом Землю.

Легенда о Фаэтоне замечательно соответствует гипотезе о погибшей планете. Некоторых ученых она стимулировала — и до сих пор еще стимулирует — на детальную разработку этой идеи. Но большинство астрономов сегодня уверены, что такой планеты никогда не было. Их убеждает в этом то, что астероиды образуют несколько обособленных групп, как по своему составу — железные, каменные, углистые, — так и по форме орбит. Невозможно представить, что когда‑то все они были частями одного тела.

Впрочем, нам следует вновь вернуться в XIX век. Ольберс обратил внимание, что орбиты Цереры и Паллады имеют почти одинаковый размер, но разный наклон, а значит, пересекаются в двух точках. Естественно, он решил, что одна из этих точек была местом гибели предполагаемой планеты. Отсюда Ольберс сделал вывод: астероиды целесообразно искать не по всему небу, а в окрестности точек пересечения орбит Цереры и Паллады. Именно таким образом были открыты Юнона и Веста. Казалось, гипотеза Ольберса имеет шанс перейти в разряд теорий, т. е. обоснованных и доказанных идей. Но дальнейшие поиски астероидов в точках неба, указанных Ольберсом, остались безрезультатными.

После открытия первых четырех астероидов астрономы усиленно продолжали поиск новых. Но до изобретения фотографии это было крайне сложным делом. Пятую «малую планету» открыли только через 38 лет! Почтовый чиновник в отставке из немецкого города Дрейзена (Дрездена), любитель астрономии Карл Людвиг Генке (1793–1866), наблюдая в собственный небольшой телескоп Весту, заметил рядом с ней звездочку 9,5m. Так 8 декабря 1845 г. была открыта Астрея. Не зная обстоятельств, можно было бы думать, что скромному пенсионеру просто повезло. Но это «везение» стало наградой за 15 лет систематических поисков. Последующие наблюдения позволили определить методом Гаусса орбиту Астреи, оказавшуюся эллипсом с большой полуосью 2,58 а. е. Вычисления показали, что орбита пятого астероида не пересекается с орбитами первых четырех, следовательно, Астрея не укладывается в рамки гипотезы Ольберса. 1 июня 1847 г. тот же неутомимый Генке открывает шестой астероид — Гебу. В том же году американец Дж. Э. Хемд и чуть позже независимо от него англичанин Д. Хинд обнаруживают седьмой и восьмой — Ириду и Флору. После этого круг наблюдателей заметно расширился, и открытие астероидов стало делом «широких астрономических масс».

К 1860 г. были составлены и изданы хорошие карты звездного неба, позволившие выделять астероиды на фоне далеких звезд. Требовался лишь небольшой телескоп и изрядное терпение: сравнивая участки неба с картой — звезда за звездой, — нужно было отыскать новое светило. Это напоминало игру «Найди отличие». В последующие ночи следовало наблюдать за перемещением «лишней звезды», чтобы определить орбиту. Этим делом увлеклось немало любителей астрономии, и благодаря им число открытых астероидов неуклонно росло.

Немного позже началось развитие фотографии. В 1889 г. немецкий астроном, будущий профессор Гейдельбергского университета Максимилиан Вольф (1863–1932) на собственной небольшой обсерватории начал систематическое фотографирование звездного неба. В 1891 г. он впервые обнаружил на фотопластинке изображение неизвестного астероида (№ 323 Бруция), после чего стал регулярно производить их поиск. В течение нескольких лет после этого приверженцы визуального поиска астероидов еще пытались конкурировать с фотопластинкой, но затем сдались: новая техника доказала свое превосходство.

Таблица 4.3

Число астероидов (N), открытых и получивших номер к указанной дате.

Данные приведены на январь соответствующего года

Год	N	Год	N	Год	N
1801	1	1901	463	1996	6 800
1807	4	1911	714	2001	21000
1845	5	1931	1 198	2003	52 300
1848	8	1951	1569	2005	96100
1861	61	1971	1779	2007	148 000
1891	302	1991	4 655	2009	205 000