Разведка далеких планет Сурдин Владимир

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 сптникам 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

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 + 32ⁿ, 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 асрономов — 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 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 изза 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

* 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 какаянибуд 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 когдато 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 9,5^m. 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

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 вновьтерялись. Например, из 398 астероидов, открытых в 1931 г., утеряно было почти . 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 14,5^m. 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 20^m, 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

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

Таким образом, буква А во второй позиции буквенной части кода означает 1–й открытый объект данного полумесяца, a — 25–й. С 26–го по 50–й объекты обозначаются теми же буквами — от А до — 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 XVIIXVIII 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) разработа 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 оното 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 астронмических 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 какоето 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 ДАрре, 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 какойнибудь 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 , 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 п 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 изза 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 1417 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 17^m. 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 Близнецов, Клайд заметил смещение слабого звездообразного объекта 14,5^m. 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 16^m Затем он перешел к более глубокому поиску, до 18^m, 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 такто 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.

Как видим, пристальное изучение пространства между большими планетами открыло астрономам целые семейства новых обитателей Солнечной системы. А что же делается за орбитами больших планет, там, куда с трудом дотягиваются телескопы, где Солнце светит, но уже не греет?

Долгое время за орбитой Нептуна не удавалось найти ни одного объекта, кроме Плутона (1930 г.) и его единственного, но очень крупного спутника Харона (1978 г.), однако в 1992 г. все изменилось: на окраине Солнечной системы астрономы открыли неизвестное скопище малых тел, похожих на астероиды и ядра комет. Некоторые из них по размеру почти не уступают Плутону. Существование этого скопления занептуновых тел подозревали давно. Ирландский инженер Кеннет Эджворт в 1943 и 1949 гг., а также американский астроном Джерард Койпер в 1951 г. высказали предположение, что за орбитами планет- гигантов, на расстоянии 35–50 а. е. от Солнца существует область, откуда во внутреннюю часть Солнечной системы регулярно приходят короткопериодические кометы. Идея подтвердилась, и эту область за орбитой Нептуна, населенную мини — планетами, называют теперь поясом Койпера или Эджворта — Койпера, если уважают историческую справедливость (к этой теме мы вернемся в главе 7). К 2010 г. за Нептуном уже было обнаружено около 1200 тел, причем диаметры большинства из них превышают 100 км, а у некоторых доходят до 2400 км!

Первый транснептуновый объект диаметром около 280 км открыли в конце 1992 г. Дейвид Джюит и Джейн Луу из Гавайского университета в Гонолулу. Объект получил обозначение 1992 QB1. К 1995 г. за орбитой Нептуна обнаружили еще 17 малых планет, из них 8 на расстояниях 40–45 а. е. от Солнца, т. е. даже за орбитой Плутона. К марту 1999 г. было открыто уже ИЗ транснептуновых объектов, и стало окончательно ясно, что пояс Койпера существует. Оказалось, что ве тела пояса Койпера обращаются вокруг Солнца в прямом направлении, как и большие планеты. По параметрам орбит их разделили на два класса. Более половины отнесли к классическим объектам пояса Койпера (КВО — Kuiper Belt Object); некоторые астрономы называют их объектами Эджворта — Койпера (ЕКО). Почти круговые орбиты этих тел лежат в области 40–50 а. е. от Солнца, а плоскости орбит наклонены к эклиптике менее чем на 40°. Около Уз планеток объединили в класс плутино (т. е. «плутончики»); большие полуоси их орбит близки к 39,5 а. е., а значит, их орбитальный период такой же, как у Плутона (248 лет), и соотносится с орбитальным периодом Нептуна как 3:2. Возможно, именно эта резонансная связь с планетой — гигантом служит стабилизирующим фактором движения плутино: некоторые из них пересекают орбиту Нептуна, но никогда не сближаются с ним, как и сам Плутон.

Несколько объектов не вписались в указанную классификацию. Движение некоторых из них также имеет резонансный характер по отношению к Нептуну, но с отношением периодов 4: 3, 5: 3 или 5:4. Еще несколько объектов не попадают ни в один из классов, а объект 1996 TL66 вообще стал родоначальником особого класса транснептуновых объектов, поскольку имеет весьма вытянутую (е = 0,58) орбиту с большой полуосью 84 а. е., а значит, удаляется от Солнца в афелии втрое дальше Плутона.

Объекты за Нептуном пока трудно отнести к какомулибо классу малых тел Солнечной системы — к астероидам или ядрам комет. Новооткрытые тела в большинстве своем имеют диаметры от 100 до 1000 км и очень темную красноватую поверхность, что указывает на ее древний состав и возможное присутствие органических соединений. Судя по оценкам, это скопление малых тел в сотни раз массивнее Главного пояса астероидов, но уступает по массе гигантскому кометному облаку Оорта (или Эпика — Оорта), простирающемуся на тысячи астрономических единиц от Солнца. Возможно, пояс Койпера представляет собой остаток протопланетной туманности, из которой сформировалась Солнечная система.

Сегодня изучение пояса Койпера — интереснейшая область астрономии. Каждые несколько месяцев приносят сенсационные открытия. Кроме большого количества новых объектов, поражает и их «качество». В 2002 г. Чедвик Трухильо и Майкл Браун из Калифорнийского технологического института, используя телескоп Шмидта Паломарской обсерватории, открыли объект 18,5^m, обозначенный как 2002 LM60. Выяснилось, что он находится от нас на расстоянии около 43 а. е., что на 11 а. е. больше нынешнего расстояния до Плутона. Однако, в отличие от Плутона, орбита которого вытянута, орбита новой планетки оказалась близка к круговой. Применив самый зоркий инструмент нашего времени — космический телескоп «Хаббл», астрономы измерили угловой размер этого объекта. Он оказался равным 0,04", что на расстоянии в 43 а. е. соответствует диаметру около 1300 км. Планетка оказалась крупнейшим объектом, открытым в Солнечной системе за 72 года, прошедшие с момента открытия Плутона. Да и размером она оказалась в половину Плутона. Как было не дать столь выдающемуся объекту собственное имя! Первооткрыватели назвали этот ледяной мир Кваваром (Quaoar), что у индейцев племени тонгва, коренных жителей района Лос — Анджелеса, служит именем бога — создателя. Квавар сошел с небес и после превращения хаоса в порядок возложил Мир на спины семи гигантов, потом создал низших животных, а затем и людей, гласит легенда. Хотя Квавар по размеру меньше Плутона, по объему он больше, чем все астероиды Главного пояса вместе взятые. Правда, по массе он им уступает, поскольку сложен не из плотных скальных пород, а в основном изо льда. Более всего он, вероятно, похож на гигантское ядро кометы.

Прошло немногим более года после открытия Квавара, и вот — новый чемпион: объект диаметром около 1700 км, предварительно обозначенный как 2003 VB12 и после определения орбиты зарегистрированный под номером 90377 с именем Седна (Sedna). Это имя эскимосской богини моря, живущей в темных глубинах холодного северного океана. Очень подходящее имя для объекта, «живущего» вообще за пределами пояса Койпера, если считать его внешней границей расстояние в 50 а. е. Нынешнее гелиоцентрическое расстояние до Седны 90 а. е. Орбита у нее чрезвычайно вытянутая, но даже в перигелии она не подходит к Солнцу ближе, чем на 76 а. е. А в афелии Седна удаляется от Солнца на 961 а. е., совершая оборот вокруг него за 12 тыс. лет. Похоже, что Седна — первый представитель внутренней части облака Оорта.

Орбита Седны озадачила астрономов. Даже объекты пояса Койпера, достаточно удаленные от планет — гигантов, движутся по почти круговым орбитам. Что же заставило еще более далекую Седну лететь по столь вытянутому эллипсу? Такая орбита может быть результатом либо рассеяния на еще не открытой далекой трансплутоновой планете, либо возмущения со стороны прошедшей предельно близко звезды, либо, наконец, образования Солнечной системы в тесном звездном скоплении, где соседние звезды сильно влияли друг на друга и на окружающие их планеты.

Большие объекты за орбитой Нептуна теперь обнаруживаются регулярно. Крупнейшим среди них на середину 2010 г. является планета- карлик Эрида (136199 Eris), открытая в январе 2005 г. на снимках, полученных 21 октября 2003 г. (поэтому ее предварительное обозначение было 2003 UB313). Диаметр Эриды, измеренный разными методами, — от 2300 до 2600 км. Скорее всего, она превосходит Плутон по размеру и наверняка превосходит его по массе. Именно открытие Эриды подвигло астрономов пересмотреть классификацию планет и выделить в особый тип карликовых планет объекты, подобные Плутону и Эриде.

Не исключено (хотя и маловероятно), что в поясе Койпера или за его пределами найдется действительно крупная планета, калибра Урана и Нептуна. Вполне возможно, что она существует, но расположена так далеко, что наши телескопы пока не могут до нее «дотянуться». Требуются новые, более мощные инструменты, ведь окраины Солнечной системы очень плохо освещены Солнцем.

Но вот недавно астрономов посетила мысль: а не попробовать ли поискать неизвестную планету прямо «под фонарем» — в непосредственной близости от Солнца? Странная, на первый взгляд, идея: казалось бы, рядом с Солнцем трудно не заметить даже крохотное тело. Но это не совсем так. Ближе Земли к Солнцу движутся две давно известные планеты — Венера и Меркурий. Венеру, разумеется, видел каждый: это знаменитая утренняя (она же вечерняя) звезда. А многим ли из нас удалось хотя бы раз увидеть Меркурий? Он так ловко скрывается в солнечных лучах, что даже опытные наблюдатели обнаруживают его только «по наводке», сверившись с прогнозом астрономического календаря. (Говорят, Николай Коперник жаловался друзьям, что, создав новую «систему мира», он сам так ни разу и не видел Меркурий.) Поэтому вполне резонно спросить: а вдруг существует еще одна планета, более близкая к Солнцу, чем Меркурий? В слепящих лучах Солнца она могла бы оставаться незамеченной! Хотя эта мысль время от времени посещает астрономов уже около двух столетий, недавно они в очередной раз решили организовать поиски неизвестной «интрамеркурианской» планеты. А началась эта история еще в XIX в.

Вулкан — возмутитель Меркурия

Блестяще предсказав существование Нептуна, Урбен Леверье после триумфального открытия новой планеты продолжал глубокие теоретические исследования. Он мечтал с максимальной точностью на основе теории Ньютона вычислить наблюдаемые движения всех членов Солнечной системы. И ему это почти удалось: уравнениям Ньютона строго подчинялось движение всех планет, кроме одной: Меркурий не желал двигаться по расписанию. А поскольку «станции» на его пути — моменты касания солнечного диска в эпохи прохождения по нему — астрономы фиксировали очень точно, аномалия требовала объяснения

Рис. 4.20. Эллиптическая орбита Меркурия постоянно поворачивается в своей плоскости. На рисунке вытянутость орбиты и скорость ее вращения значительно силены для наглядности.

С 1843 по 1859 гг. Леверье упорно работает над теорией движения Меркурия, пытаясь учесть влияние на него всех остальных планет. Наиболее сильно на движение Меркурия влияют близкие к нему Венера и Земля, а также далекий, но массивный Юпитер. Но Леверье не ограничивается этим: он учитывает влияние всех известных планет…

Тщетно. Притяжением планет удается объяснить 90 % наблюдаемого смещения орбиты Меркурия, но оставшиеся 10 % упорно не вписываются в рамки Ньютоновой физики Ось эллиптической орбиты Меркурия поворачивается на лишние 38" в столетие — безумно маленькая величина, но она не дает покоя не только Леверье, но и другим ученым. В чем же причина расхождения?

Поскольку в уравнениях теории возмущений Леверье ошибок не обнаруживалось, требовалось проверить точность входных данных: верны ли были принятые для вычислений массы планет?

Как в те годы, так и сегодня астрономы «взвешивают» планеты косвенным методом, рассматривая их гравитационное влияние на движение других тел. Чем ближе пробное тело к планете, тем заметнее это влияние и, соответственно, точнее измеряется масса планеты. Подарком судьбы считается наличие у планеты спутников: их движение целиком определяется массой самой планеты. Желательно также, чтобы эти спутники были небольшими: тогда их собственная масса не входит в уравнения. Именно это характерно для планет — гигантов: все они окружены относительно мелкими спутниками, что позволяет точно измерять их массы.

У Марса и у Земли также есть свои спутники. Но для работы Леверье спутники Марса не пригодились: Фобос и Деймос были открыты слишком поздно — в год смерти ученого. Впрочем, Леверье неплохо обошелся и без них: подбирая значение марсианской массы так, чтобы вычисленное движение всех планет наилучшим образом согласовывалось с наблюдаемым, он ошибся в определении массы Марса всего на 3 %. Правда, поскольку Марс очень мал и далек от Меркурия, неточные данные о его массе практически не могли исказить результаты расчета. Более важна масса Земли, но измерить ее помогает присутствие Луны (хотя тут есть проблемы, связанные с большой массой Луны и сильным влиянием на нее Солнца). К сожалению, важнейшие объекты этой задачи — Венера и сам Меркурий — вообще не имеют спутников. Это стало для Леверье главной проблемой. Особенно точно требовалось знать массу основного возмутителя Меркурия — Венеры. Если бы у Венеры был спутник, вопрос решился бы сам собой.

История поисков спутника Венеры кратко изложена в «Космографии» Ф. Тиссерана и А. Андуайе (СПб.: Брокгауз и Ефрон, 1908, с. 334–335). На рубеже XIX и XX вв. эта проблема все еще была важна для небесной механики, что видно из рассказа французских ученых: «В течение довольно долгого времени астрономы могли думать, что существует спутник Венеры, но теперь эта иллюзия окончательно исчезла. Ввиду современности вопроса мы позволим себе дать понятие о том, как он возник и как был решен в отрицательном смысле одним астрономом в Брюсселе, Стробантом. Спутник Венеры в первый раз был указан астрономом Фонтана в Неаполе в 1645 г., был наблюдаем Кассини в Париже в 1672 и 1686 гг., Шортом в Лондоне в 1740 г., А. Мейером в Грейфсвальде в 1759 г., Лагранжем в Марселе; Монтенем в Лиможе и Редикером в Копенгагене в 1761 г., Монбарроном в Оксерре в 1764 г., Горребовом в 1768 г.

Ламберт пытался в 1777 г. изобразить все наблюдения [предполагаемого спутника] эллиптической орбитой, которую, однако, можно отбросить без всяких сомнений, потому что из нее следовало бы для массы Венеры значение, большее принятого в 10 раз. Существование спутника было уже весьма сомнительно вследствие того, что никто его не видел, начиная с 1768 г.: ни В. Гершель, ни Ласселл, ни А. Холл, которые, однако, открыли весьма малые спутники Сатурна, Урана, Нептуна и Марса.

Вместе, с тем не известно наверное, что именно видели различные наблюдатели. Известно уже было, что во время одного из наблюдений Редикера в 1764 г. Уран отстоял от Венеры всего на 16 минут. Весьма вероятно, что этот астроном принял его за спутника Венеры и упустил, таким образом, хороший случай открыть Урана 17–ю годами раньше Гершеля.

Стробанту удалось показать, что во многих случаях за спутник Венеры принимали звезды более или менее яркие, находящиеся очень близко от Венеры, а именно это случилось у Редикера 4,7 и 12 августа 1761 года; три звезды 5–ой, 4–ой и 7–ой величины находились в тех положениях, которые были указаны для предполагаемого спутника. Точно так же Шорт и Горребов в 1740 и 1768 годах видели близ Венеры две звезды 8–ой и 4–ой величины. Совершенно достоверно, что большая часть наблюдений предполагаемого спутника объясняется весьма естественно присутствием довольно ярких звезд в соседстве с планетою…

Остается еще некоторое число необъясненных наблюдений; возможно, что они соответствуют положениям, занимаемым некоторыми из наиболее ярких астероидов. Во всяком случае, можно сказать, что легенда о спутнике Венеры отжила свой век и больше не имеет серьезных оснований.

Но если не существует спутник 4–ой, 5–ой или даже 8–ой величины, достоверно ли, что не существует более слабый, подобный спутнику Марса, который, может быть, можно увидеть в гигантские трубы, действующие в настоящее время в Ницце, Пулкове, Вашингтоне и на горе Гамильтон? Большой теоретический интерес, связанный с этим вопросом, может служить стимулом для наблюдателей, располагающих такими гигантскими инструментами для разыскания».

Такой была ситуация 100 лет назад. К этому можно лишь добавить, что естественных спутников у Венеры до сих пор не обнаружено, но ее масса теперь известна очень точно благодаря наблюдению за искусственными спутниками этой планеты, созданными советскими и американскими инженерами в 1975–1990 гг.

А в XIX в., используя имеющиеся данные о массах планет, лучшие из небесных механиков продолжают уточнять теорию движения Меркурия. В 1882–1895 гг. детальное исследование провел известный американский астроном Саймон Ньюком (1835–1909). Он нашел, что перигелий Меркурия за столетие поворачивается на 278" под влиянием Венеры, на 154" под действием Юпитера, на 90" под влиянием Земли и еще на 10" изза совместного влияния всех остальных известных в ту пору планет. В итоге получаются 532 «теоретические» секунды. А наблюдения дают 575"! Кто же несет ответственность за оставшиеся 43" в столетие?

Чтобы выйти из кризисной ситуации, как мы уже знаем, было два пути: либо разработать новую теорию тяготения, отличную от ньютоновой, либо обнаружить неизвестное тело, которое уводит Меркурий с предсказанной для него траектории. Ученые пошли разными путями: одни пытались модифицировать теорию гравитации, другие — обнаружить неизвестное тело. На первом пути, после множества неудачных попыток, был достигнут замечательный успех — создана общая теория относительности Эйнштейна, современная теория тяготения. Но и на втором пути оказалось много интересных идей и находок, о которых неспециалистам почти ничего не известно.

Для тех исследователей, кто хотел сохранить в неизменном виде теорию Ньютона, оставалось, как это обычно бывает, тоже два пути: найти возмутителя движения Меркурия либо вне его орбиты, либо внутри нее. Поскольку вне орбиты Меркурия движутся и другие планеты, присутствие «возмутителя спокойствия» проявилось бы в их поведении. Значит, искать его следовало внутри. И вновь перед исследователями открылись два пути: либо чтото не так с притяжением к Солнцу, либо кроме Солнца в пределах орбиты Меркурия есть неизвестные объекты. Именно это последнее предположение использовал сам Леверье, допустив существование в своей математической модели «интрамеркуриальных» планет. К ним мы еще вернемся, а пока зададимся вопросом: что может быть «не так» с притяжением Солнца?

А может быть только одно: если наше светило — не идеальный шар, то его притяжение будет меняться по довольно сложному закону, а вовсе не обратно пропорционально квадрату расстояния, как указывает прострой «школьный» закон Ньютона. А с чего бы Солнцу быть шаром? Ведь оно вращается, значит, должно быть неного сплюснуто у полюсов. Разумеется, астрономы давно поняли это и не раз пытались измерить степень сплюснутости Солнца. Первые аккуратные измерения были проведены еще в XIX в., но результата не дали: солнечный лимб не удалось отличить от идеальной окружности.

Как известно, поверхность Солнца вращается с периодом 25 суток. Если и недра нашего светила вращаются так же, то Солнце должно быть сплюснуто вдоль оси вращения менее чем на одну десятитысячную долю своего диаметра. Для земного наблюдателя это около 0,1" — величина, почти не поддающаяся измерению на неспокойном дневном небе, размывающем изображение края солнечного диска не менее чем на 3". Однако известный американский физик — экспериментатор Роберт Дикке с коллегами в конце 1960–х гг. построил специальный прибор и смог, как он считал, измерить сжатие Солнца. Но далеко не все астрофизики согласились с его выводами. Например, Г. Хилл с сотрудниками в 1974 г. также измерил видимое сжатие Солнца и показал, что если оно и существует, то его значение в несколько раз меньше найденного Дикке. Работа в этом направлении продолжается.

На очереди — измерения из космоса. Так что можно сказать, что этот путь ученые еще не прошли до конца.

Рис. 4.21. Фигуру Солнца до сих пор не удалось отличить от идеального шара. Но Солнце не может быть шаром, поскольку оно вращается!

А на втором пути, где велись поиски неизвестных объектов внутри орбиты Меркурия, еще в XIX в. рождались самые замысловатые идеи. Например, в 1846 г. голландский метеоролог Христофор Бюйс-Балло (1817–1890) обнаружил периодические изменения температуры Земли и предположил, что они связаны с наличием вокруг Солнца полупрозрачного кольца, подобного кольцу Сатурна: когда плотные части кольца затмевают для нас Солнце, Земля охлаждается. Вещество этого кольца могло бы, по мнению Бюйс — Балло, влиять своим притяжением и на движение Меркурия. Хотя в середине XIX в. к гипотезе Бюйс — Балло коллеги отнеслись прохладно (поскольку его «метеорологические» аргументы о периодических колебаниях температуры Земли оказались неубедительны), сама идея о разреженном веществе вокруг Солнца впоследствии всплывала еще не раз. Собственно, в существовании этого вещества сомнений не было: при полных затмениях Солнца оно наблюдалось в виде солнечной короны, а также создавало эффект зодиакального света, очевидно, рассеянного околосолнечными пылинками. Вопрос состоял в количестве этого вещества: достаточно ли велика его масса для влияния на Меркурий? На том, что его достаточно, еще в 1906 г. настаивал немецкий астроном Хуго Зелигер (1849–1924).

Американский математик и астроном Дэниел Кирквуд (1814–1895) много лет изучал движение астероидов в пространстве между Марсом и Юпитером. Он обнаружил любопытные закономерности в расположении их орбит, которые натолкнули его на мысль, что орбиты некоторых астероидов могли бы располагаться также и в пространстве между Меркурием и Солнцем. При достаточном количестве такие астероиды заметно влияли бы на движение Меркурия.

«Отец Нептуна» Урбен Леверье также не сидел без дела. Обнаружив неувязку в движении Меркурия, он решил, что ему вторично улыбнулась удача. Как и в случае с Нептуном, он стал вычислять параметры неизвестной планеты, которая могла бы находиться внутри орбиты Меркурия и возмущать его движение. В 1859 г. Леверье опубликовал прогноз, что в Солнечной системе существует неизвестная планета, находящейся вдвое ближе к Солнцу, чем Меркурий, и по массе сравнимая с ним.

Однако название для этой гипотетической планеты придумал другой француз — известный физик и немного астроном Жак Бабине (1794–1872). Еще в 1846 г. он предложил назвать ближайшую к Солнцу планету Вулканом. Бабине вообще был склонен к такого рода предложениям: в 1848 г., когда стало ясно, что параметры орбиты Нептуна не полностью согласуются с предсказаниями Леверье и Адамса, он высказал мысль о существовании занептуновой планеты и назвал ее Гиперионом. Спустя век такая планета действительно была открыта, но названа Плутоном. Так что у Бабине оставался всего один шанс стать «крестным отцом» новой планеты: Вулкан еще ждал своего открытия. Но уверенность в его существовании в те годы была так велика, что, например, в книге «Recreations in Astronomy» (by Henry White Warren. New York, Harper & brothers, 1879) дана справка: «VULCAN — distance from the sun 13,000,000 miles, orbital revolution about 20 days». Поскольку Вулкан был богом огня и покровителем кузнечного ремесла, знак этой ненайденной планеты изображал молот.

Но отвлечемся на минуту от астрономии и посмотрим, как физика могла принять участие в истории поиска Вулкана.

Меркурий и Эйнштейн

В конце XIX в. многие физические теории оказались в состоянии кризиса. Повышение точности лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений привело к обнаружению тонких отличий природных явлений от теоретических прогнозов. Как известно, этот кризис в физике закончился лишь после создания в первые десятилетия XX в. трех грандиозных интеллектуальных построений: квантовой механики, т. е. механики микромира, специальной (а точнее, частной) теории относительности, т. е. механики больших скоростей, а также общей теории относительности — новой теории гравитации. На этих «трех китах» стоит современная наука и в значительной мере современная техника. С законами Ньютона и основами теории относительности нас знакомят в школе, но о том, что было в промежутке между триумфами двух физических картин мира: сначала ньютоновской, а затем эйнштейновской, — не знает почти никто.

А между тем высказывались весьма нетривиальные идеи. Пытаясь объяснить все наблюдаемые явления в рамках ньютоновской механики, некоторые ученые полагали, что сила гравитации изменяется не в точности обратно пропорционально квадрату расстояния между телами (1 /R²), а чуть — чуть иначе: например, с показателем степени, равным 2,00000016. Этого «чуть — чуть» хватало, чтобы объяснить странное движение Меркурия. Но эстетическое чувство не позволяло физикам принять закон гравитации в такой форме:

F=(GM₁M₂)/(R^2.00000016)

К тому же выяснилось, что при подобном допущении начинаются «неприятности» с остальными планетами.

Другие ученые предполагали, что сила гравитационного притяжения зависит не только от расстояния между телами, но и от их скорости. Третьи рассматривали притяжение как результат колебаний некой упругой среды — эфира. Четвертые — среди них был и русский инженер Ярковский, с которым мы еще встретимся в этой главе, — представляли тяготение как давление потоков эфирных частиц. К началу XX в. было создано несколько весьма элегантных теорий тяготения, так что Альберту Эйнштейну было с кем конкурировать. Например, молодой швейцарский физик Вальтер Ритц, кстати, однокурсник Эйнштейна по цюрихскому Политеху, создал оригинальную теорию гравитации, похожую на электродинамику и дававшую почти те же результаты, что и общая теория относительности. К сожалению, Ритц имел слабое здоровье и умер в 1909 г. в возрасте 31 года. Развития его теория не получила, но только в 1960–е гг. она была сдана в архивы науки как не оправдавшаяся.

В конце 1915 г. Эйнштейн опубликовал свою теорию гравитации, дав на ее основе исчерпывающее объяснение странного движения Меркурия, которое в точности соответствовало наблюдениям. Он предсказал также еще два новых эффекта: во — первых, лучи света должны отклоняться в поле тяготения массивных тел, например Солнца, а во — вторых, линии в спектрах компактных звезд, например белых карликов, должны испытывать красное смещение. Оба прогноза вскоре оправдались. Это убедило многих, что и с особенностями движения Меркурия больше никаких проблем нет: теория относительности всё объяснила без привлечения гипотезы о таинственной планете Вулкан.

Однако скептики всегда были и будут: оппозиция теории Эйнштейна существовала в течение многих лет, да и поныне не исчезла. А в прошлом веке альтернативных теорий было множество, и большинство из них апеллировали к астрономическим фактам. Например, астроном Гроссман в 1921 г. ставил вопрос о строгости работ Ньюкома. Он считал, что действительное смещение перигелия Меркурия заключено в пределах от 29" до 38", что слишком мало для теории Эйнштейна. Другие ученые, соглашаясь с результатами Ньюкома, пытались объяснить их вне рамок релятивистской теории. Например, профессор астрономии Колумбийского университета Чарльз Лейн Пур верил в эффективность гипотезы Зелигера: «Эйнштейн и его последователи приводили в доказательство своей гипотезы пример движения планет. Однако факты этого не подтверждают — его гипотезы и формулы не являются ни достаточными, ни необходимыми для объяснения расхождений в этих движениях. Они недостаточны, поскольку объясняют лишь единственное из многих наблюдаемых расхождений — перигелий Меркурия; они не необходимы, ибо все эти расхождения, включая и перигелий Меркурия, можно без труда объяснить влиянием — в соответствии с законом Ньютона — материи, сосредоточенной, как известно, в непосредственной окрестности Солнца и планет»[3].

В своих ранних работах Пур отдавал предпочтение «материальному» объяснению аномалий в движении планет. Затем он пришел к мысли о возможности объяснить каждую из них специально подобранным распределением вещества. В своей книге «Относительность против гравитации» (1922 г.) он даже пытался объяснить отклонение лучей света звезд их преломлением в окружающем Солнце веществе.

До сих пор продолжается придирчивая проверка общей теории относительности Эйнштейна, и гипотезы о Вулкане и прочих «возмутителях» Меркурия пока лежат на полке у теоретиков: кто знает, не понадобятся ли они вновь. Взять хотя бы проблему с формой Солнца… Свои расчеты Эйнштейн проделал, считая Солнце идеальным шаром. Но если полученное Дикке значение сплюснутости Солнца верно, то теория Эйнштейна уже не так хорошо согласуется с наблюдаемым движением Меркурия. Над этой проблемой физики работают до сих пор.

А теперь вернемся к астрономам и их телескопам.

Ищем Вулкан!

Оказывается, мысль о существовании планеты между Солнцем и Меркурием носилась в воздухе еще до того, как Леверье обнаружил необъяснимое смещение перигелия Меркурия.

Первый, кто заявил, что он открыл планету рядом с Солнцем (причем не одну, а сразу несколько!), был немецкий математик и астроном, член ордена иезуитов, профессор Христоф Шейнер (1575–1650), преподававший тогда в Инголыитадте. В 1611 г., независимо от Галилея и Иоганна Фабриция, Шейнер открыл пятна на Солнце, но, в отличие от коллег, вначале считал их небольшими планетами, обращающимися на незначительном удалении от поверхности Солнца. Не совсем понятно, как мог опытный исследователь впасть в такое заблуждение. Позже Шейнер детально проследит за движением пятен, определит по ним период вращения Солнца и наклон его оси к эклиптике; он первым обнаружит солнечные факелы, изготовит телескоп новой системы (по схеме Кеплера), откроет механизм аккомодации глаза (изменение кривизны хрусталика). Но история с его «планетами» внутри орбиты Меркурия для меня остается загадкой. Не исключено, что причиной странного заявления Шейнера стало давление на него со стороны руководства ордена. «Начальство предупредило Шейнера, чтобы он не доверял своим наблюдениям, потому что о них ничего не говорилось у Аристотеля. Таким образом, Шейнеру пришлось опубликовать свою работу анонимно, и для того, чтобы не вступать в конфликт с Аристотелем, он заявил, что пятна — это вращающиеся вокруг Солнца маленькие темные тела», — пишет голландский астроном Антони Паннекук в своей «Истории астрономии» (М.: Наука, 1966, с. 248).

Критикуя публикации Шейнера, Галилей даже написал книгу «История и доказательства существования солнечных пятен» (1613 г.), в которой резко нападал на учение Аристотеля в целом. К несчастью, спор Галилея с Шейнером относительно природы солнечных пятен перешел в личную ссору изза прав на их открытие — ссору, сделавшую Шейнера злейшим врагом Галилея и, быть может, немало способствовавшую развитию враждебного отношения к нему со стороны иезуитов. Несомненное первенство Галилея в области новых научных идей, неуважение, выраженное им по отношению к установленным традицией авторитетам, и едкие насмешки, которыми он осыпал своих оппонентов, создали ему массу врагов в научных и философских кругах, особенно среди многочисленных приверженцев Аристотеля, хотя, как Галилей им неустанно напоминал, их методы мышления и выводы были бы, вероятно, отвергнуты великим греческим философом, будь он жив[4].