Разведка далеких планет

Фотографические пластинки экспонировались на экваториальном телескопе — рефракторе, который с помощью часового механизма тщательно отслеживал вращение небосвода, поэтому звезды получались точками. Но поскольку экспозиция длилась несколько часов, астероид успевал за это время заметно сместиться среди звезд и получался на фотопластинке в виде короткого штриха. Его нетрудно было отличить от звезд. Один только Макс Вольф за годы наблюдений обнаружил на своих фотопластинках 577 новых астероидов.

Рис. 4.8. Фотография звездного неба, полученная Максом Вольфом 21 марта 1892 г., на которой он впервые заметил астероид Свея (329 Svea), оставивший короткий прямой след в центре снимка.

Рис. 4.9. Количество астероидов с точно определенными орбитами, открытых в разные годы. Спад после 2000 г. объясняется тем, что для точного определения орбиты требуется несколько лет наблюдений.

Разумеется, не все единожды замеченные астероиды удавалось по — настоящему «открыть». Нередко астероиды терялись, затем снова находились и вновь терялись. Например, из 398 астероидов, открытых в 1931 г., утеряно было почти ¾. Постоянный номер и место в каталоге получают лишь те малые планеты, для которых удается провести длинный ряд наблюдений и вычислить надежную орбиту Только это дает возможность в любой момент рассчитать положение астероида на небе и проверить, на месте ли он. Например, по данным Центра малых планет Смитсонианской астрофизической обсерватории, к 1995 г. было замечено около 28000 астероидов, более 7000 из них наблюдалось в противостоянии с Солнцем не менее двух раз, но лишь у 5000 были точно вычислены элементы орбит, им присвоили номера и многим дали собственные имена.

Рис. 4.10. Количество объектов, зарегистрированных в каталоге Центра малых планет. В подавляющем большинстве это астероиды Главного пояса, но есть также троянцы, кентавры, объекты пояса Койера и кометы.

Темп открытия астероидов в целом стремительно возрастает, хотя бывали эпохи «застоя» (например, последние годы Второй мировой войны), но были и чрезвычайно «урожайные» годы. Массовое открытие астероидов стало возможным с появлением широкоугольных камер Шмидта, позволивших провести несколько глубоких обзоров неба. По инициативе известного американского астронома Джерарда Койпера (1905–1973) на Йерксской и Мак — Дональдской обсерваториях в 1950–1952 гг. с помощью 25–сантиметровой камеры дважды почти полностью сфотографировали полосу вдоль эклиптики шириной 40°. На 2000 фотопластинок оказались зафиксированы изображения всех находящихся в этой области астероидов до 14,5m. Эта работа известна как «Мак — Дональдское обозрение».

Спустя 10 лет массовый поиск астероидов был продолжен для выявления более слабых объектов. Осенью I960 г. на обсерватории Маунт — Паломар с помощью камеры Шмидта было проведено фотографирование небольшой области неба, размером 8x12°, на эклиптике. За два месяца было сфотографировано около 2200 астероидов примерно до 20m, причем для 1811 из них удалось определить орбиты. Поскольку вычисления проводились на Лейденской обсерватории, этот обзор назвали «Паломар — Лейденским обозрением».

За последнее десятилетие электронные приемники света полностью вытеснили фотопластинки и значительно облегчили труд «охотников за астероидами». Теперь монотонную работу по поиску малых тел Солнечной системы осуществляет компьютер. Появились даже автоматические телескопы — наземные и космические, — вообще не требующие ночного труда наблюдателя. Теряется романтика профессии, астроном — наблюдатель превращается в инженера — программиста, но результаты впечатляют: к февралю 2010 г. число зарегистрированных астероидов перевалило за 482 420; количество астероидов с надежно вычисленными орбитами и, следовательно, получивших порядковые номера, вплотную приблизилось к 232 ООО, а собственные имена имеют уже около 15 615 астероидов (текущую статистику см. http://www. cfa.harvard.edu/iau/lists/ArchiveStatistics.html).

Рис. 4.11. Ввод изображения неба в компьютер позволяет осуществлять автоматический поиск объектов Солнечной системы в реальном времени: их перемещение на фоне далеких звезд и галактик заметно уже менее чем через час.

Кроме классических астероидов Главного пояса, движущихся между орбитами Марса и Юпитера, найдены объекты внутри орбиты Марса и даже внутри орбиты Земли, а также за орбитой Юпитера и даже Сатурна. Говорить о детальном изучении далеких астероидов пока не приходится, но внутри орбиты Юпитера они изучены неплохо. Крупных тел среди них мало: только у 30 из них диаметр превышает 200 км, еще около 250 имеют диаметры до 100 км; астероидов с диаметрами более 1 км порядка 100 тысяч. Поэтому не исключено, что скоро будут «инвентаризованы» все астероиды диаметром более 1 км, которые могут представлять угрозу для земной биосферы в целом. По оценкам, в Солнечной системе существуют миллионы астероидов размером с булыжник.

В эпоху массового открытия астероидов астрономам пришлось изобретать новую систему для их обозначения. Уже никто не мечтает придумать каждому астероиду личное имя. Тем малым планетам, орбиты которых надежно вычислены, дают порядковый номер (иногда позже предлагают и имя). А чтобы не запутаться среди объектов, открытых недавно и находящихся в процессе изучения, введена следующая система обозначений. Если объект наблюдается по крайней мере в течение двух ночей и не может быть отождествлен с уже известными объектами, ему присваивается предварительное обозначение, состоящее из следующих символов: год открытия + буква, обозначающая полумесяц этого года + буква, обозначающая номер открытия в этом полумесяце + число, обозначающее количество повторений всего алфавита в данном полумесяце. Все месяцы текущего года разбиты на полумесяцы, которым приведены в соответствие 24 буквы латинского алфавита,

Таблица 4.5

Первая буква, указывающая полумесяц открытия астероида

Буква	Даты		Буква	Даты
А	1-15	января	N	1-15	июля
В	16-31		O	16-31
С	1-15	февраля	Р	1-15	августа
D	16-29		Q	16-31
Е	1-15	марта	R	1-15	сентября
F	16-31		S	16-30
G	1-15	апреля	Т	1-15	октября
Н	16-30		U	16-31
I	1-15	мая	V	1-15	ноября
К	16-31		W	16-30
L	1-15	июня	X	1-15	декабря
М	16-30		Y	16-31

исключая буквы I и Ζ (табл. 4.5). Порядок открытия объекта в данном полумесяце указывается латинскими буквами, исключая букву I:

A = 1	F = 6	L = 11	Q = 16	V = 21
В = 2	G = 7	М = 12	R = 17	W = 22
С = 3	Н = 8	N = 13	S = 18	X = 23
D = 4	J = 9	O = 14	Т = 19	Υ = 24
Е = 5	К = 10	Р = 15	U = 20	Ζ = 25

Таким образом, буква А во второй позиции буквенной части кода означает 1–й открытый объект данного полумесяца, a Ζ — 25–й. С 26–го по 50–й объекты обозначаются теми же буквами — от А до Ζ — с последующей цифрой 1. Следующие 25 объектов имеют в конце цифру 2. В общем, число после букв означает число периодов по 25, которое надо прибавить к номеру буквы, чтобы получить порядок объекта, открытого в данном полумесяце. Например, порядок обозначений открытий в первой половине сентября 2010 г. будет следующим: 2010 RA, 2010 RB… 2010 RY, 2010 RZ, 2010 RA1 … 2010 RZ1, 2010 RA2… 2010 RZ9, 2010 RA10… и т. д.

Я бы не назвал эту систему обозначений удобной, но она используется уже с 1925 г., и пока ни у кого не поднялась рука переделать ее на более рациональную. К сожалению, астрономия, как одна из древнейших наук, отягощена множеством исторических «хвостов», особенно по части номенклатуры объектов. Это затрудняет общение астрономов с другими специалистами, а порой и со своими коллегами. Придет время, и астрономы в корне пересмотрят словарь своей профессии, как это сделали несколько десятилетий назад химики. А пока…

В канун наступления третьего тысячелетия интерес к астероидам в обществе особенно возрос и даже принял нездоровый характер. В конце 1990–х все чаще стали говорить об астероидной угрозе Земле, появилось множество апокалиптических прогнозов, подогретых талантливыми и не очень талантливыми художественными фильмами. Отчасти это способствовало выделению средств на программы поиска астероидов. Глубокие автоматические обзоры неба резко увеличили количество открытых астероидов, практически исчерпав все крупные тела Главного пояса и околоземного пространства.

Любопытно, что в ходе этой работы были найдены ранее потерянные малые планеты. Так, сенсацией 2000 г. стал астероид, получивший предварительное обозначение 2000 JW8. Он был отождествлен с астероидом (719) Альберт, который открыли еще в 1911 г., но вскоре после этого потеряли. В течение 89 лет он числился в списке утерянных астероидов. Несмотря на то, что период его обращения вокруг Солнца составляет 4,28 года, его сближения с Землей происходят раз в 30 лет. Следовательно, он должен был быть виден в 1941 и 1971 гг., однако со времени открытия ни разу не наблюдался. Наблюдения 2000 г. позволили уточнить его орбиту и, таким образом, закрыть список потерянных астероидов. Теперь все астероиды, имеющие номера в общем списке нумерованных планет, имеют уточненные орбиты.

По составу астероиды разнообразны: есть каменные, металлические, богатые углеродистым веществом. Из обнаруженных астероидов можно было бы собрать небольшую планету. Но накапливается все больше аргументов в пользу того, что как единое тело «планета Ольберса» никогда не существовала.

Впрочем, само имя «Фаэтон» не пропало: его присвоили небольшому астероиду № 3200 диаметром б км, открытому в 1983 г. с помощью Инфракрасного астрономического спутника IRAS (InfraRed Astronomical Satellite). Астероид движется по сильно вытянутой орбите, пересекающейся с орбитой Земли, и приближается в перигелии к Солнцу всего на 0,14 а. е., почти втрое ближе, чем Меркурий. Неспроста ведь дали астероиду это имя. Легенда о Фаэтоне вспоминается еще и потому, что этот отчаянный астероид разрушается буквально у нас на глазах. Астрономы считают, что именно он является родительским телом метеорного потока Геминиды. Возможно, это вообще не астероид, а «мертвое» ядро бывшей кометы, которая, приблизившись к Солнцу, рассыпала рой мелких частиц вдоль своей орбиты, «поджарилась» в лучах светила, покрылась темной корой и перестала выбрасывать газовый хвост — украшение молодых комет.

Для тех, кому не терпится увидеть, как разрушается Фаэтон, сообщаю: Геминиды — это ежегодный метеорный поток, радиант которого лежит в созвездии Близнецы (лат. Gemini), рядом с яркой звездой Кастор. Обычно Геминиды наблюдаются с 6 по 17 декабря, причем максимум потока приходится на 13 декабря. Метеоры движутся по небу не очень быстро. В период максимума они вспыхивают примерно раз в минуту.

На этом мы оставим историю неоткрытой планеты Фаэтон. Вполне вероятно, что она еще получит продолжение, поскольку прямое изучение астероидов космическими зондами только начинается. Кто знает, какие сюрпризы принесет посещение поверхности астероидов, анализ их вещества и акустическое «просвечивание» недр?

А теперь мы вновь перенесемся в XIX век, чтобы познакомиться с удивительным примером научного прогноза, который действительно привел к открытию неизвестной гигантской планеты.

Нептун, открытый «на кончике пера»

В эпоху становления классической механики, в XVII‑XVIII вв., астрономам были известны все те же пять древних планет, видимых невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Классическая механика Ньютона великолепно объяснила все особенности движения этих планет, их спутников, а также Земли и Луны. Когда в 1781 г. Вильям Гершель обнаружил за Сатурном новую планету Уран, это стало триумфом наблюдательной астрономии, но очень скоро превратилось в «головную боль» для физики: оказалось, что движение Урана не подчиняется законам Ньютона.

Через несколько лет после открытия Урана и определения его эллиптической орбиты движение планеты стало отклоняться от вычисленной траектории. Уран бросил вызов небесной механике — самой рафинированной ветви теоретической физики конца XVIII в. Вызов был принят. В 1790 г. французский астроном Жан Деламбр (1749–1822) разработал новую математическую модель движения Урана, которая учитывала не только притяжение со стороны Солнца, но и возмущающее влияние со стороны планет — гигантов: Юпитера и Сатурна. В рамках этой модели орбита Урана отличалась от идеального эллипса и прекрасно соответствовала наблюдениям.

В эпоху французских революций и наполеоновских войн наблюдения за планетами проводились не очень регулярно, а когда в 1815 г. астрономы сравнили положение Урана с расчетами, то вновь увидели, что он движется «не по науке». На защиту небесной механики встал французский академик, директор Парижской обсерватории Алексис Бувар (1767–1843). В 1821 г. он скрупулезно собрал все наблюдения за прошлыми положениями Урана на небе и по законам механики «с астрономической точностью» рассчитал будущее движение своенравной планеты с учетом влияния на нее всех прочих известных на тот момент планет. Довольный результатом, Бувар представил своим коллегам новую орбиту Урана, которая, однако, через 10 лет совершенно разошлась с наблюдениями. Всем стало ясно, что нужны новые идеи.

Итак, почему законы механики и теория тяготения Ньютона, великолепно зарекомендовавшие себя при решении множества других проблем, «не работают» в случае Урана? Быть может, неизвестная среда оказывает сопротивление движению планеты? Или на Уран воздействует еще одна неизвестная планета? Недавно один из историков науки назвал это «версией XIX века проблемы скрытой массы, так сильно интригующей астрономов сегодня». Действительно, обе проблемы состоят в том, что есть сила, но неизвестен ее источник. Вообще говоря, в начале XIX в. еще вполне можно было сомневаться в справедливости закона тяготения Ньютона. Если классическая механика была тысячей разных способов проверена в лаборатории, то гравитация проявляла себя лишь в движении планет. А оно‑то как раз и дало сбой! Но может ли быть неверен закон тяготения великого Ньютона? Ведь он так прост и красив! А красота — не последний аргумент в науке. Поэтому с законом Ньютона решили не расставаться. Стали искать неизвестную планету. И нашли. Но как — в кабинетной тиши, не глядя на небо! Естествоиспытателей это восхищает больше, чем шахматная партия вслепую на двадцати досках.

Первым за поиск неизвестной планеты, не отходя от письменного стола, взялся великий немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846). Прежде, с помощью телескопа, ему уже удалось нечто подобное: измеряя в течение ряда лет на меридианном круге точные координаты двух ярких звезд — Сириуса и Проциона, он установил в 1844 г., что они движутся не по прямым, а по волнистым траекториям. Не сомневаясь в справедливости законов Ньютона, Бессель предположил, что у каждой из этих звезд есть невидимый спутник, иными словами, это двойные системы, компоненты которых — видимый и невидимый — обращаются вокруг общего центра масс. Идея оказалась абсолютно верной: невидимые для Бесселя объекты действительно были обнаружены после создания более мощной оптики. 31 января 1862 г. при испытании только что изготовленного им объектива диаметром 46 см знаменитый американский оптик Алван Кларк (1804–1887) заметил рядом с Сириусом крохотное светило. А в 1896 г. американский астроном Мартин Шеберле (1853–1924), наблюдая на Лик- ском рефракторе с объективом работы того же Кларка, открыл маленький спутник Проциона. Обе звездочки, существование которых предвидел Бессель, оказались первыми представителями нового типа объектов — белых карликов. Но это выяснилось позже. А попытка Бесселя обнаружить планету, возмущающую движение Урана, к сожалению, не дала результата: он умер, не закончив эту работу.

Вслед за Бесселем открыть планету «на кончике пера» попытались еще двое: молодой английский математик, недавний выпускник Кембриджского университета Джон Коуч Адамс (1819–1892) и уже известный в ту пору французский теоретик Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877). Адамс завершил свое исследование раньше, чем Леверье. Результаты вычислений он изложил в короткой записке, которую 21 октября 1845 г. передал через привратника Королевскому астроному (т. е. директору Гринвичской обсерватории) Джорджу Эри. Позже выяснилось, что предсказанное Адамсом положение неизвестной планеты было довольно точным. Но осенью 1845 г. английские астрономы не откликнулись на призыв молодого математика искать новую планету на указанной им орбите. Долгие полтора века этот упущенный шанс историки списывали на косность академической науки в викторианскую эпоху Однако в самом конце XX в. случайно обнаружились документы, разъяснившие сдержанное отношение Эри и его коллег к предсказанию Адамса.

Любопытно, что эти документы вместе с другими бесценными для истории науки бумагами были с неизвестной целью украдены из библиотеки Королевской Гринвичской обсерватории одним довольно известным астрономом. 30 лет они считались утерянными и лишь после смерти этого странного человека были найдены в его вещах. Среди документов нашлась и та самая записка Адамса, долгое время считавшаяся главным доказательством того, что он первым предсказал существование и вычислил положение Нептуна. С точки зрения профессионалов она выглядит неубедительно: в ней есть результаты вычислений, но нет никаких деталей. Мог ли маститый ученый, директор крупнейшей обсерватории, Джордж Эри отменить все плановые работы и организовать поиски неизвестной планеты на основании легкомысленной записки неизвестного молодого человека? Английская погода не балует астрономов чистым небом, поэтому каждая наблюдательная ночь высоко ценится учеными и не может быть потрачена на пустяки. Эри решил сначала выяснить обоснованность предсказания и в весьма вежливом письме попросил Адамса уточнить некоторые детали его расчетов. Ответа от молодого ученого не последовало.

Из документа, обнаруженного в 2004 г. в бумагах семейства Адамсов, стало известно, что Джон Адамс начал писать письмо к Эри, но так и не отослал его. Позже он ссылался на свою медлительность и нелюбовь писать письма. Но истинная причина, похоже, была иная: в расчетах имелись некоторые натяжки и темные места. К тому же Адамс не довел расчеты до конца (как это сделал позже более опытный Леверье): он вычислил параметры орбиты предполагаемой планеты, но не указал «теоретический квадрат» неба, на котором ее следует искать. Чтобы наблюдатель смог использовать эти данные для наведения телескопа, нужно было перевести средние орбитальные элементы в фактические положения планеты на небе. Не выполнив эту тривиальную, но все же трудоемкую при отсутствии вычислительных приборов работу, Адамс сделал свой прогноз еще менее привлекательным.

Рис. 4.14. Вверху: часть звездной карты, использованной Галле и Д'Арре при поиске Нептуна. Внизу: та же карта, с отмеченными положениями Нептуна, предсказанным Леверье (крест) и действительно обнаруженным (стрелка).

Все это ясно доказывает, что работа Адамса была поверхностной, поэтому она и не смогла отвлечь английских астрономов — наблюдателей от важных текущих дел и не в состоянии была убедить их начать немедленный поиск планеты. Тем не менее английский астроном, сотрудник Кембриджского университета Джеймс Челлис вдохновился расчетами Адамса и предпринял поиск планеты; он опоздал с ее открытием лишь на несколько дней[1]. Спустя год после Адамса свои расчеты закончил маститый Леверье. Его работа, опубликованная 1 июня 1846 г. в журнале Французской академии наук, стала первым полным исследованием на эту тему. Леверье вычислил, где именно на небе должна располагаться неизвестная трансурановая планета, и сообщил об этом своим немецким коллегам, имевшим в те годы лучшие карты звездного неба. А надо заметить, что в таком деле, как охота за планетами, хорошие карты неба имеют большое значение. Равнинная Европа — далеко не лучшее место для астрономических наблюдений, особенно если телескоп располагается в городе, что было вполне обычным для XIX в. При плохом качестве изображений астроному очень сложно отличить крохотный диск далекой планеты от изображения звезды, размытого воздушными потоками. Не имея хороших карт звездного неба, астроном вынужден искать планету по ее медленному перемещению на фоне далеких светил.

А для этого он каждую ночь должен зарисовывать (фотография в те годы еще не была изобретена) взаимное положение многих сотен звезд в надежде, что через какое‑то время ему удастся заметить перемещение одной из них. Если же в распоряжении исследователя имеются точные карты звездного неба, то ему достаточно один раз «прочесать» предполагаемую зону поиска, чтобы обнаружить на ней «лишнюю звезду» — неизвестную планету.

У немецких наблюдателей неба такие карты были, поэтому они сразу же взялись за дело. В ночь на 24 сентября 1846 г. ассистент Берлинской обсерватории Иоганн Готфрид Галле (1812–1910) и помогавший ему студент — астроном Генрих Луи

Д’Арре (1822–1875), не затратив и получаса на поиски, обнаружили неизвестное светило, причем всего в одном градусе от расчетной точки. «Этой звезды нет на карте!», — воскликнул Д′Арре, и его слова услышал весь астрономический мир. Но это было лишь преддверием триумфа. Отметив на карте положение маленького голубого пятнышка, астрономы занялись другими делами, а под утро отправились спать. Когда на следующую ночь телескоп был направлен на тот же объект, оказалось, что он немного переместился на фоне звезд. Галле сразу же написал Леверье: «Планета, которую вы предсказали, действительно существует!»

Это событие стало триумфом небесной механики. Новую планету Леверье назвал именем Нептуна, древнеримского бога морей, что вполне подходит для царства мрака и холода отстоящего от Солнца в 30 раз дальше Земли.

Открытие теоретически предсказанной планеты всколыхнуло весь просвещенный мир. Но ученые были особенно рады тому, что и на этот раз законы Ньютона устояли.

Что же касается исторического спора о том, на кончике чьего именно пера был открыт Нептун, то сегодня эта честь по праву должна быть отдана французу Леверье. Хотя прогноз Адамса был лишь ненамного менее точным (его теоретическая точка оказалась в трех градусах от истинного положения планеты), все же именно Леверье довел работу до убедительного результата. Впрочем, англичанин Джон Адамс тоже занял свое почетное место в науке, проделав впоследствии множество полезных исследований по астрономии и математике.

Проходят годы, но историю с теоретическим открытием Нептуна до сих пор часто вспоминают при обсуждении методов современной науки и ее прогностических возможностей. Например, рассказывая об успехах физиков в предсказании и открытии новых элементарных частиц, профессор МГУ Б. А. Арбузов написал в «Соросовском образовательном журнале» (1996, № 9): «Развитие науки происходит за счет повседневной, кропотливой работы, которая, на первый взгляд, не имеет ничего общего с романтикой открытий. Одни стараются с максимальной точностью вычислить какой‑нибудь эффект, другие — поточнее его измерить. Чаще всего эти два метода дают согласующиеся результаты. Однако тем больший интерес вызывают небольшие, но твердо установленные отклонения вычислений от опыта. Так было в случае с возмущениями движения планеты Уран, что привело в 1846 году к открытию новой планеты Нептун. Так было с малыми поправками к распадам промежуточного бозона Ζ, изучение которых привело к предсказанию массы t — кварка, блестяще подтвердившемуся в 1995 году».

Думаю, так будет еще не раз. На этом держится авторитет современной науки. Такие события, как предсказание и открытие новых планет или новых субатомных частиц, демонстрируют мощь теоретической физики и ее непременное требование того, чтобы эксперимент и наблюдение в точности согласовывались с теорией, причем всегда, а не от случая к случаю.

Плутон — наследие Ловелла

В главе 1 вкратце уже было рассказано об открытии Плутона, когда речь шла о выборе для него имени. Но детали этой истории поучительны и отчасти загадочны.

Случайное открытие Урана, а затем изящное предсказание и открытие Нептуна втрое раздвинули границы Солнечной системы всего за полвека. Такой успех вдохновил астрономов на дальнейшие поиски: открыв Нептун, они решили не останавливаться и попытаться найти еще более далекую планету. Для этого предполагалось использовать так блестяще сработавший метод Адамса — Леверье. Казалось, что достаточно несколько лет внимательно следить за движением Урана и Нептуна, чтобы обнаружить влияние на них еще более далекой планеты.

Но ожидания не оправдались. Правда, поначалу все шло неплохо. У Нептуна и Урана были открыты спутники. Наблюдая за их движением, астрономы смогли аккуратно измерить массы этих планет, что позволило точно вычислить их взаимное гравитационное влияние. С этими данными Леверье построил наиточнейшую теорию движения Урана и Нептуна, которая уже через несколько лет стала понемногу расходиться с наблюдениями. Казалось бы, впереди очередной триумф — открытие следующей планеты. Но все попытки найти транснептуновую планету оставались безрезультатными.

Всю вторую половину XIX в. профессиональные математики и астрономы пытались обнаружить — одни за столом, другие у телескопа — девятую планету Солнечной системы. Но успех пришел к двум любителям науки: новая планета была найдена уже в XX в. благодаря самоотверженному труду богатого американского аристократа Персиваля Ловелла и небогатого американского провинциала Клайда Томбо.

Персиваль Ловелл родился в 1855 г. в Бостоне (штат Массачусетс) в весьма известной и состоятельной семье, окончил Гарвардский университет и собирался сделать карьеру бизнесмена и политика. В 1883–1893 гг. он путешествовал по Дальнему Востоку, жил в Японии, плодотворно занимался литературной деятельностью. Некоторое время служил советником и иностранным секретарем корейского посольства в США. Однако в 1894 г. под влиянием работ итальянского астронома Джованни Скиапарелли (1835–1910), посвященных изучению Марса и описанию марсианских каналов, Ловелл круто изменил свою жизнь: он полностью отдался астрономии, которой, впрочем, был увлечен с юных лет.

Прежде всего Ловелла интересовали планеты и особенно детали на поверхности Марса. На свои средства он основал обсерваторию в местечке Флагстафф (штат Аризона) и оснастил ее прекрасным оборудованием. К выбору места для своей обсерватории он отнесся очень серьезно, ведь ему предстояло исследовать почти невидимые марсианские каналы. Флагстафф с его прозрачным и спокойным воздухом действительно оказался наилучшим местом для таких наблюдений.

На вершине горы, названной им Mars’ Hill, Ловелл установил превосходный 24–дюймовый рефрактор работы фирмы «Кларк и сыновья». Хотя в те годы профессиональные астрономы уже склонялись к более крупным телескопам — рефлекторам, Ловелл пошел своим путем: поскольку планеты достаточно ярки, он сознательно решил ограничить диаметр объектива телескопа, чтобы свести к минимуму влияние турбулентности воздуха между объективом и окуляром. Он не стремился собрать максимум света от слабых звезд и галактик, как это делали на других обсерваториях, но хотел получить предельно четкие изображения ярких планет.

Ловелл привлек во Флагстафф ряд умелых помощников и приглашал посещать обсерваторию способных наблюдателей с хорошей аппаратурой. Как астроном — наблюдатель Ловелл посвятил себя визуальному изучению планет. Он много наблюдал и зарисовывал Меркурий, Венеру, но больше всего интересовался Марсом и написал об этой планете несколько увлекательных книг, например «Марс как пристанище жизни» (1908 г.), в которых утверждал, что обнаруженные на Марсе в телескоп загадочные прямые линии, каналы, являются полосами растительности, протянувшимися вдоль искусственных водных артерий. Ловелл стал крупным специалистом по Марсу и считал, что многие факты свидетельствуют о жизни на этой планете[2].

Как неутомимый наблюдатель, Персиваль Ловелл, по — видимому, был чересчур увлечен своими идеями: многие зарисованные им прямые линии на поверхности Марса при ближайшем рассмотрении оказались оптической иллюзией. Как руководитель, азартно увлеченный поиском жизни на Марсе, он был сложен в общении и даже крут. Но он создал обсерваторию, которая остается в авангарде планетной астрономии даже в нашу космическую эпоху. В Ловелловской обсерватории выросли замечательные астрономы — наблюдатели: Весто Слайфер, Клайд Томбо и др., сделавшие множество важных открытий, причем не только в области изучения планет.

Помимо наблюдения планет, Ловелл углубленно занимался теоретической астрономией, как называли в те годы небесную механику. Особенно увлекали его «неправильности» в движении Урана и Нептуна, которые давали надежду обнаружить новую далекую планету. В 1905 г. Ловелл получил свое первое решение задачи об этой планете, которую он назвал Планетой X. В 1908 г. Ловелл находит второе решение для орбиты предполагаемой планеты, а затем в 1915 г. подводит итог своим многолетним исследованиям в большом докладе «Сообщение о транснептуновой планете», представленном в Американскую академию наук и вскоре опубликованном. Но мог ли Ловелл ограничиться теоретическим прогнозом? Разумеется, нет! На своей обсерватории он организует поиск планеты за Нептуном. Ловелл нарисовал карту с предполагаемой траекторией на небе своей Планеты X и сам же начал в 1915 г. ее поиски. Он фотографировал один за другим участки неба, где должна была находиться планета, и искал на снимках движущуюся «звезду». Однако поиски были безуспешными. В 1916 г. Ловелл умер, и поиски Планеты X на время прекратились.

Трудно поверить, что такая захватывающая проблема, как поиск неведомой планеты, могла увлечь лишь одного исследователя. Действительно, наряду с Ловеллом убежденным сторонником гипотезы о существовании транснептуновой планеты был маститый американский астроном Уильям Генри Пикеринг (1858–1938). Он также предвычислил положение неизвестной планеты и в 1907 г. опубликовал свой прогноз положения этой планеты на небе. В 1919 г. в обсерватории Маунт — Вилсон на основании расчетов Пикеринга были предприняты ее поиски, но результата они не принесли.

Уже после того, как в 1930 г. на Ловелловской обсерватории была открыта Планета X, астрономы обсерватории Маунт — Вилсон обнаружили ее и на своих фотопластинках, полученных в 1919 г. вблизи места, указанного Пикерингом. Но тогда они не заметили изображения долгожданной планеты из‑за ее слабого блеска. Ведь ожидался гигант, подобный Урану и Нептуну, а Планета X оказалась совсем не такой… К тому же астрономы просматривали внимательно лишь узкую полосу неба шириной ±2° от эклиптики, поскольку все внешние планеты — от Марса до Нептуна — всегда видны именно в этой полосе. Однако новая планета оказалась несколько дальше, на расстоянии 4° от эклиптики, так как ее орбита довольно сильно, на 17°, наклонена к эклиптике. После этих неудач вера астрономов в теоретические результаты Ловелла и Пикеринга ослабла, и к поискам планеты они вернулись только через 10 лет.

Последним и самым важным персонажем этой истории стал молодой астроном Клайд Уильям Томбо (1906–1997). Он родился на ферме вблили г. Стритор (штат Иллинойс), позже вместе с родителями переехал на ферму вблизи г. Бурдетт (штат Канзас). Под влиянием отца, страстного любителя астрономии, Клайд еще в школьные годы начал самостоятельные наблюдения неба. Когда 2,25–дюймовый фабричный рефрактор перестал его удовлетворять, он сам отполировал 9–дюймовое зеркало и построил телескоп, используя старые детали от сельхозмашин и отцовского «Бьюика» выпуска 1910 г. С помощью этого телескопа он сделал множество весьма качественных зарисовок Юпитера и Марса. Некоторые из них он послал в Ловелловскую обсерваторию, чтобы получить консультацию специалистов, но вместо этого был приглашен туда на работу. Ему предложили освоить наблюдения с новым 13–дюймовым фотографическим рефрактором, специально заказанным для поиска Планеты X еще самим Ловеллом. Томбо с радостью принял предложение и в 1929 г. включился в программу поиска планеты.

Клайду достался замечательный инструмент — новый трехлинзовый астрограф с фокусным расстоянием 175 см. Его поле зрения было необычайно большим, почти 13°× 13°. Один снимок на стеклянной фотопластинке размером 14×17 дюймов (36x43 см) покрывал участок неба площадью в 160 квадратных градусов, или 640 дисков полной Луны! При экспозиции в 1 час на пластинке получались изображения даже очень слабых звезд, вплоть до 17m. Каждую ночь Томбо фотографировал различные участки неба, а днем изучал их, используя специальный двойной микроскоп, блинк — компаратор, позволявший за долю секунды переключать взгляд с одной пластинки на другую. Клайд сравнивал изображения одних и тех же участков, полученные в разные ночи, с интервалом от 2 до 7 дней, надеясь заметить медленное перемещение одной из сотен тысяч звездочек на фоне остальных светил: верный признак того, что это неизвестная далекая планета. Работа была тяжелая. На каждой пластинке размером 36x43 см было в среднем 160 000 изображений звезд (от 100 до 400 тысяч, в зависимости от участка неба) и все их надо было просмотреть, причем каждый раз одновременно на двух пластинках, решая классическую головоломку «найди отличие».

Рис. 4.17. Эти две пластинки Клайд Томбо получил 23 января (слева) и 29 января 1930 г. Положение Плутона отмечено стрелками; видно, как он сместился за эти дни.

Однако Клайд Томбо был упорным и аккуратным наблюдателем. Он верил в свой телескоп и в свое терпение. Но, к сожалению, он не особенно доверял теоретическим данным Ловелла и Пикеринга, а поэтому фотографировал участки неба один за другим, не отдавая предпочтения тем областям, на которые указывали теоретические расчеты. А как выяснилось позже, расчеты довольно точно предсказывали положение планеты. Доверившись им, Томбо закончил бы свой поиск быстрее.

Как бы то ни было, после года кропотливого просмотра пластинок Клайд Томбо наконец обнаружил планету. Это случилось 18 февраля 1930 г. Сравнивая фотопластинки за 23 и 29 января, на которых была снята область близ звезды δ Близнецов, Клайд заметил смещение слабого звездообразного объекта 14,5m. Последующие наблюдения подтвердили, что это новая планета. Официально об открытии девятой планеты Солнечной системы — Плутона — было объявлено 13 марта 1930 г., в день 75–летия Ловелла.

А Клайд Томбо, получив в 1931 г. за открытие Плутона золотую медаль английского Королевского астрономического общества, решил наконец получить и высшее образование. В 1932 г. он поступил в Канзасский университет и окончил его в 1936 г. Университетский диплом не убил его любовь к наблюдению неба. В поисках новых планет Томбо исследовал на фотопластинках около 90 млн звездных изображений. В своих «прогулках по небу» он открыл шесть звездных скоплений, десятки скоплений галактик, две новые кометы, сотни астероидов и много переменных звезд. Проведя тысячи ночей у телескопа, Томбо повидал на небе много всякого и одно время даже увлекался поиском НЛО, рассчитывая заметить корабль пришельцев. Но это был единственный поиск, в котором ему не повезло.

Кентавры, троянцы и пояс Койпера

Довольно скоро выяснилось, что Плутон мал, меньше нашей Луны, и его массы совершенно недостаточно для объяснения возмущений в движении Урана. Поэтому продолжились поиски еще более далекой планеты. Наибольшую активность в этом вновь проявила Ловелловская обсерватория.

К 1939 г. Томбо со своими помощниками полностью обследовал зону шириной 35° вдоль Зодиака, проанализировав все изображения до 16m. Затем он перешел к более глубокому поиску, до 18m, и к маю 1943 г. закончил фотографирование практически всего неба, доступного его 13–дюймовому телескопу: от Полярной звезды до 50° южной широты. Но даже эта грандиозная программа поиска не привела к открытию новой планеты за Плутоном. Десятую планету найти не удалось.

Тем не менее поиск Трансплутона продолжался. О его присутствии на окраине Солнечной системы говорили некоторые косвенные факты: отдельные «неправильности» в движении известных планет, мелкие «странности» в траекториях полета автоматических станций «Пионер», небольшие «особенности» в распределении кометных орбит. В ходе этих поисков настоящая крупная планета до сих пор не открыта. Более того: в 1993 г. астроном Лаборатории реактивного движения Майлс Стендиш, используя точные значения масс планет, полученных из наблюдений за межпланетными зондами, пришел к выводу, что в движении Урана и Нептуна никаких наблюдаемых отклонений от теоретических расчетов нет. Однако астрономы не жалеют о времени, потраченном на поиски десятой планеты, ведь за орбитой Юпитера обнаружилось столькр интересного!

Началось с того, что был открыт новый класс малых тел Солнечной системы, движущихся между орбитами Юпитера и Нептуна. Первое из них обнаружил 18 октября 1977 г. американский астроном Чарлз Коуэл на фотопластинках, снятых на 1,2–метровой камере Шмидта Паломарской обсерватории. Объект получил обозначение 1977 UB и, как астероиду, ему дали очередной номер 2060. Однако уверенности в том, что это именно астероид, не было, поскольку на таком большом расстоянии от Солнца ледяные ядра комет должны быть настолько холодными, что практически не испаряются, как и каменные астероиды. Поэтому объект назвали Хироном в честь легендарного кентавра, получеловека — полуконя, имевшего сложный характер и двойственную природу. Эта идея с «двусмысленным» названием замечательным образом оправдалась: когда астероид Хирон проходил в 1988 г. перигелий своей орбиты, у него появились газовая атмосфера и хвост — как у кометы.

Довольно долго Хирон оставался в одиночестве, в основном проводя время между орбитами Сатурна и Урана. Но в 1992 г. был открыт еще один подобный объект, а на следующий год — еще один… Им также решили дать мифические имена: после Хирона на небо «вознеслись» Фол, Несс, Асбол и другие кентавры. В 2010 г. в семействе кентавров было уже более 70 членов. Правда, во всей мифологии не сохранилось такого количества имен кентавров, так что последним представителям этой группы достались только номера.

Орбиты кентавров довольно сильно вытянуты: их эксцентриситеты заключены в диапазоне е=0,01-0,97. К тому же плоскости орбит в среднем весьма сильно наклонены к эклиптике, у некоторых наклон достигает 60°. Впрочем, в этом нет ничего неожиданного: двигаясь в пространстве между планетами — гигантами, кентавры постоянно испытывают сильные гравитационные возмущения Поэтому их орбиты нестабильны: за миллион лет они могут измениться до неузнаваемости. К сожалению, о физической природе этих тел почти ничего не известно. Ясно только, что кентавры имеют темную поверхность и солидный размер: их диаметры — от 100 до 260 км. Этот крупнейший из них носит имя жены Хирона — нимфы Харикло (10199 Chariclo).

Еще одна мифологическая компания астероидов явила пример неожиданного подтверждения отвлеченной математической теории. Речь идет о так называемых греках и троянцах — двух семействах астероидов, движущихся приблизительно по орбите Юпитера на равном расстоянии от него и от Солнца. Наиболее крупные из них носят имена героев Троянской войны. «Греки» (Одиссей, Аякс, Ахилл, Гектор и др.) опережают Юпитер приблизительно на 60° орбитальной дуги, а «троянцы» (Приам, Эней, Патрокл, Троил и др.) отстают от планеты — гиганта на те 60°. Такое движение, когда орбитальный период малого тела находится в простом соотношении с периодом крупного возмущающего тела, называют резонансным Греки и троянцы демонстрируют простейший случай резонанса с Юпитером, имеющий соотношение периодов 1:1.

Рис. 4.19. Положение точек Лагранжа в системе «Солнце — планета».

 О том, что такое движение возможно, первым догадался выдающийся французский математик, механик и астроном Жозеф Луи де Лагранж (1736–1813). Теоретически исследуя движение малых тел под действием притяжения Солнца и большой планеты (например, Юпитера), Лагранж выяснил, что легкий астероид может двигаться синхронно с планетой, находясь не только на одной линии с ней и Солнцем (это было ясно и до Лагранжа), но и в одной из двух точек, равноудаленных от планеты и Солнца, так что все три тела располагаются в углах равностороннего треугольника. Более того, если положение равновесия астероида на одной линии с Солнцем и планетой неустойчиво, то, попадая в «треугольные» точки, астероид оказывается в ловушке, откуда не так‑то просто ускользнуть. С тех пор, как в 1772 г. появилась работа Лагранжа о точках равновесия, их стали называть точками либрации или «точками Лагранжа». Линейные, или, как говорят математики, коллинеарные точки получили обозначение L₁, L₂ и L₃, а треугольные — L₄ и L₅.

Оказалось, что астероиды живут в полном согласии с абстрактной математикой. Греки и троянцы совершают устойчивое либрационное движение (покачивание) вблизи точек Лагранжа L₄ и L₅, отстоящих на равное расстояние от Юпитера и Солнца Часто для краткости оба семейства вместе называют троянцами. Первый из них — астероид 588 Ахилл открыл Макс Вольф в 1906 г. К 2000 г. было обнаружено 257 троянцев, к маю 2003 г. их было уже 1600, а в феврале 2010 г. было открыто 4076. Из них 2603 движутся в окрестности точки L₄ и 1473 — в окрестности точки L₅. По оценкам, общее число троянцев на орбите Юпитера может превысить 1 млн. Хуже обстоят дела с открытием подобных семейств у других планет. Несколько небольших астероидов было замечено вблизи лагранжевых точек Сатурна (подтверждения пока нет), 7 найдено у Нептуна, да еще 4 «троянца» обнаружены в лагранжевых точках Марса.