Текст книги "Разведка далеких планет"

Автор книги: Владимир Сурдин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 25 страниц) [доступный отрывок для чтения: 11 страниц]

Рис. 3.37. Космическая панорама ночной Земли дает представление о степени светового загрязнения неба в разных уголках планеты.

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.

Рис. 4.1. Схема Солнечной системы

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-эксперимента-тор, 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 замечена 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 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.

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 · 2 ⁿ, где n = – ∞ 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.

Таблица 4.1

К правилу Тициуса – 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.

Рис. 4.6. Иоганн Элерт Боде.

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 Пиацци (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 8 ^m, 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?