Владимир Георгиевич Сурдин
Разведка далеких планет

Отправляясь в разведку

«Сколько планет открыли астрономы?» – вопрос, ответить на который с каждым годом становится все сложнее. Задайте его своим знакомым, и разнобой ответов вас немало удивит. Некоторые, не задумываясь, скажут: «Все знают, что планет девять!» И даже перечислят их без запинки: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Другие уточнят: «Теперь – восемь: Плутон больше не планета, хотя и не ясно, кто же он теперь такой». Еще более осведомленные из нас, возможно, заметят: «Кажется, теперь планет уже больше дюжины: найдены новые вдали от Солнца, в поясе Койпера». А любители астрономических новостей уточнят: «Если вы имеете в виду вообще все планеты, то их уже открыто несколько сотен, причем большинство – не рядом с Солнцем, а вблизи других звезд». Ну и кто же прав? Сколько планет на самом деле известно сейчас астрономам?

Как астроном, я скажу вам с полной определенностью: точного количества планет уже не знает никто. Раньше знали. С древности и вплоть до середины XVI в. планет было 7. Точнее, 5 «настоящих» планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), а также Луна и Солнце, тоже называвшиеся тогда планетами; всего 7. Но после того как Коперник «переместил» центр мира от Земли к Солнцу, Земля тоже стала планетой, так что их полное количество… уменьшилось до 6. Ведь теперь Солнце стало центральным светилом, а Луна – спутником Земли. «Восстановил справедливость» Вильям Гершель, открывший в конце XVIII в. Уран: планет вновь стало 7. В середине XIX в. был открыт Нептун, а спустя век – Плутон. Нынешнее поколение землян с детства знает, что в Солнечной системе 9 планет. Даже сайт в Интернете такой есть, очень известный, называется «Nine planets». Всю вторую половину XX в. астрономы искали десятую планету, а публика с нетерпением ждала этого момента. Наконец открытие состоялось, и планет стало… 8. Астрономы решили, что Плутон и похожие на него тела – не настоящие планеты, а карликовые. Их в Солнечной системе обнаружено уже немало.

Но чтобы тем из нас, кто ожидал открытия настоящей, крупной планеты, не было обидно, астрономы открыли и такие планеты, причем настолько крупные, что даже гигант Юпитер рядом с ними почувствовал бы себя неуверенно. К счастью, эти новооткрытые «супергиганты» обнаружились далеко от нас – в планетных системах иных звезд. В последние годы астрономы открывают в среднем по одной планете в неделю. Хотя известия об открытии новых небесных тел ныне распространяются молниеносно и в Интернете вы без труда обнаружите текущие каталоги любых астрономических объектов, четкой их классификации до сих пор нет, и это затрудняет подсчет объектов того или иного типа. Впрочем, подвижность номенклатурных границ характерна для любой живой, быстро развивающейся науки, а астрономия сейчас развивается стремительно. Каждый год обнаруживаются не только новые объекты, но даже новые классы космических тел и новые важные свойства Вселенной.

В этой книге я ограничусь рассказом о новых планетах, причем под словом «планета» буду понимать более широкий класс объектов, чем это пока делают авторы учебников. Например, мы познакомимся с «планетой Луна», которую «неуважительно» называют спутником планеты Земля. Мы встретимся с планетами Титан и Энцелад (тоже спутниками по официальной номенклатуре), а также с планетами Седна, Квавар, Эрида и их соседями по группе карликовых планет Мы также познакомимся с планетными системами иных звезд. Разумеется, мы узнаем, как ищут новые планеты и как дают им имена.

На первый взгляд может показаться, что открытие новой планеты стало теперь легким делом: в былые времена планету обнаруживали раз в столетие, а ныне – каждую неделю. Мелкие планетки – астероиды – вообще открывают по нескольку сотен за ночь! Но эта легкость обманчива. Современный крупный автоматизированный телескоп стоит больше, чем все телескопы в мире, построенные до начала XX в. Он вобрал в себя самые дорогие технологии современности: оптику, механику, электронику, поэтому и эффективность работы возросла во много раз. Но как раньше, так и теперь открытия делаются на пределе возможностей приборов и человека.

Мне вспоминается одна старая история. На международном конгрессе радиоастрономов в фойе был выставлен журнальный столик, на котором лежали стопкой небольшие листики. Когда подошедший брал бумажку, он мог прочитать на ней следующее: «Подняв этот лист к глазам, Вы затратили больше энергии, чем было собрано всеми радиотелескопами мира за всю историю существования радиоастрономии». Это сообщение порою шокировало самих радиоастрономов. Они искренне удивлялись, как им удалось узнать столько интересного и важного о Вселенной из анализа такого мизерного количества энергии.

Подобно дальнобойному орудию, направленному в бойницу крепостного форта, телескоп защищает Землю от космических угроз. Изучая Вселенную, мы обретаем власть над ней.

Не знаю, получил ли этот пример продолжение, но, безусловно, мог бы. Астрономы-оптики уже давно перешли к измерению света звезд путем счета фотонов. А в таких областях, как рентгеновская и особенно гамма-астрономия, вообще все пойманные кванты учтены поштучно, за каждым из них идет охота. Это же характерно и для физики космических лучей: частиц с предельно высокой энергией за год попадается лишь несколько штук! Правда, от энергии одной такой частицы – например, одного быстрого протона – может перегореть настольная лампа! Ведь кинетическая энергия такой микрочастицы равна энергии теннисного мяча, летящего со скоростью 80 км/час. Но этих сверхэнергичных (и поэтому сверхинтересных) частиц очень мало. Да и попадаются они лишь потому, что «сеть» для их поимки имеет громадные размеры: современные детекторы космических частиц занимают участки порою в тысячи квадратных километров, имеют суммарную поверхность детекторов площадью несколько футбольных полей и содержат активного вещества массой десятки тысяч тонн.

Не только для астрономии характерен гигантизм и дороговизна приборов при скромных количественных характеристиках результатов (в отличие от количества информации, ее качество не поддается измерению). Та же ситуация наблюдается в любой фундаментальной науке. Яркий пример из физики – Большой адронный коллайдер, самый массивный и дорогой прибор в истории человечества, который, возможно, позволит нам обнаружить несколько новых частиц и кое-что прояснит в картине первых мгновений жизни Вселенной. На взгляд обывателя, пользы от этого гигантского ускорителя не больше, чем от гигантского телескопа для поиска планет, на поверхность которых никогда не ступит нога человека. Нужно ли тратить такие усилия на поиск нескольких экзотических элементарных частиц или нескольких явно непригодных для жизни далеких планет? Не лучше ли сосредоточиться на благополучии своей родной планеты? Вопрос риторический: история науки уже давно ответила на него. То, что сегодня выглядит просто интересным для нескольких человек в мире, завтра, возможно, окажется жизненно важным для всего человечества. На войне один разведчик, бывало, обеспечивал успех армии. Наука – та же разведка. Никогда не знаешь, с чем вернешься. Но ни один командир не поведет в бой отряды без предварительной разведки.

Разведчики – это элита армии. Им дают самое лучшее снаряжение и не требуют отчета. Как действовать, разведчик решает сам. От него требуется лишь одно – добыть верную информацию. Современная астрономия – это разведка Вселенной. Наши приборы – лучшие из лучших. Наша задача – проникнуть на предельную глубину в пространстве и времени. И хотя кажется, что космос – это пустота, продвигаться в него не легче, чем в глубины Земли: каждый новый метр дается с большим трудом, чем предыдущий. Космос для нас – и друг, и враг. Чтобы выжить и развиваться, нужно знать о нем всё. Планеты – не самая важная часть Вселенной, прямо скажем, почти незаметная ее часть. Но мы живем на планете и другого варианта пока не видим. Для нас планеты – это важнейшие, жизненно необходимые крупицы Вселенной; недаром раньше планеты называли «мирами». Итак, мы отправляемся на разведку далеких миров.

1. Карта Солнечной системы и ее окрестностей

Отправляясь в путешествие, нужно изучить карту, наметить маршрут, запастись необходимыми приборами и инструментами. В путешествии к планетам наш маршрут проляжет по Солнечной системе и ее окрестностям. Насколько широки эти окрестности, нам еще предстоит выяснить. А начнем мы подготовку к путешествию, разумеется, с карты – с карты звездного неба. Именно на ней показано положение «неподвижных» звезд, настолько далеких от нас, что ни их собственное движение в пространстве, ни движение наблюдателя вместе с Землей и Солнцем даже за тысячи лет не могут заметно изменить их взаимное положение. Разумеется, астроном с телескопом в результате кропотливых наблюдений иногда замечает эти перемещения, но для невооруженного глаза они совершенно незаметны: посмотрев сегодня на небо, вы увидите такой же звездный рисунок, какой видели Галилей, Аристотель, строители египетских пирамид и даже неандертальцы.

Пути планет на фоне звезд

Впрочем, на фоне неизменной декорации звездного неба некоторые светила довольно быстро меняют свое положение. Легче всего убедиться в этом, наблюдая за Луной: всего лишь за несколько часов (а при наблюдении в бинокль – за несколько минут) Луна заметно перемещается относительно звезд. Вообще-то Луна движется в пространстве не очень быстро: ее орбитальная скорость вокруг Земли около 1 км/с. Но близость к Земле делает движение Луны заметным: относительно неподвижных звезд она смещается на 13° в сутки, то есть на 0,55° в час. А это чуть больше видимого диаметра лунного диска. Поэтому заметить движение Луны на фоне звезд очень легко.

Значительно сложнее заметить движение Солнца. Обходя его за год по орбите Земли, мы видим солнечный диск в проекции на разные участки звездного неба. Точнее, это видят космонавты, работающие за пределами земной атмосферы, а мы с вами, живя на дне воздушного океана, видим диск Солнца на неизменном фоне голубого неба, да и то лишь в безоблачную погоду. Космонавт без труда может заметить, что солнечный диск ежесуточно смещается относительно звезд примерно на 1° (делим 360° на 365 дней в году). За год Солнце описывает на фоне звезд большой круг – эклиптику, проходя в основном на фоне созвездий Зодиака. Впрочем, за тысячи лет до появления космонавтов этот факт установили древние астрономы, наблюдавшие звездное небо после заката или перед восходом

Солнца. Они даже изобразили эклиптику на своих звездных картах. Орбита Земли очень стабильна, поэтому и видимый путь Солнца на фоне звезд остается практически неизменным.

Таблица 1.1

Зодиакальные созвездия

Казалось бы, еще проще изобразить траекторию Луны, слабый свет которой почти не мешает нам видеть рядом с ней звезды. Но вы нигде не найдете карту звездного неба с нанесенной на ней траекторией Луны. Почему? Причин несколько. Во-первых, под действием притяжения Солнца и Земли (причем первое из них вдвое сильнее второго) Луна движется по замысловатой орбите, ориентация и плоскость которой быстро изменяются. Расчет движения Луны – одна из сложнейших задач небесной механики. Разумеется, сегодня она решена, но нет смысла рисовать на звездной карте орбиту, которая постоянно меняется. Если искать аналогию с географическими картами, то Солнце можно сравнить с поездом, а Луну – с кораблем: неизменный железнодорожный путь изображен на карте четко, а путь корабля даже регулярной линии намечен лишь приблизительно, ибо зависит от ветров и течений.

Впрочем, есть и вторая причина, по которой путь Луны не наносят на карту неба: Луна настолько близка к Земле, что для жителей разных континентов ее видимое положение на небе заметно различается – это называют эффектом параллакса. Например, если один наблюдатель находится в Арктике, а другой в Антарктике, то для них различие в видимом положении Луны относительно звезд достигает 1,5°, т. е. трех лунных дисков! Для каждого из земных наблюдателей потребовалась бы своя карта лунной траектории. Именно поэтому ее и не рисуют на общедоступных картах звездного неба. Нужно лишь помнить, что Луна всегда видна недалеко от эклиптики, поскольку удаляется от нее то в одну, то в другую сторону не более чем на 6°, а значит, почти не покидает зодиакальных созвездий.

В те моменты, когда Луна пересекает эклиптику, она иногда встречается там с Солнцем. Собственно говоря, само слово «эклиптика», обозначающее видимый годичный путь Солнца на небе, происходит от греческого ekleipsis — затмение – и отражает тот факт, что солнечные и лунные затмения наблюдаются только при попадании Луны на эту линию.

Созвездия (дополнительные к зодиакальным), в которых бывает Луна

Возничий

Кит

Ворон

Змееносец

Орион

Секстант

Орбитальные плоскости больших планет – от Меркурия до Нептуна – тоже лежат недалеко от плоскости эклиптики, поэтому и планеты всегда видны практически в той же полосе Зодиака, что и Луна: ±8° от линии эклиптики. Траектории их перемещения относительно звезд выглядят замысловато, поскольку мы наблюдаем движущуюся планету с движущейся Земли. Но орбиты планет известны очень точно, так что рассчитать видимую траекторию планеты на годы вперед несложно.

Созвездия (дополнительные к зодиакальным и «лунным»), в которых бывают большие планеты

Малый Пес

Чаша

Гидра

Пегас

Щит

Змея

В ежегодных астрономических календарях траектории планет отмечены на картах звездного неба. Но если это невозможно для Луны, то почему возможно для планеты? Да потому, что даже соседние планеты – Венера и Марс – не приближаются к Земле менее чем на 40 млн км, а это в 100 раз больше, чем расстояние до Луны. Поэтому и параллакс в 100 раз меньше: если для наблюдателей в Арктике и Антарктике диск Луны смещается на 1,5°, то положение любой планеты сместится не более чем на Г. Для невооруженного глаза этот угол практически незаметен. Если не проводятся особо точные наблюдения, то можно считать, что на видимое положение планет при их наблюдении из разных точек Земли эффект параллакса не влияет. То же справедливо и для Солнца: для него угол параллакса не превышает 18?. Поэтому и рисуют траекторию Солнца на звездных картах в виде линии эклиптики, толщина которой на карте значительно больше, чем этот маленький угол параллакса.

А теперь познакомимся поближе с самой картой звездного неба, на фоне которой происходит движение планет.

Имена и границы созвездий

Мы не удивляемся, называя имена городов и улиц: «Москва», «Ростов», «улица Профсоюзная», «улица Шарикоподшипниковская». Люди построили города, проложили улицы и дали им такие оригинальные имена. Чтобы не заблудиться.

Но вот наступает ночь – теплая, ясная и безлунная августовская ночь. Мы с друзьями выходим во двор и смотрим на звездное небо. Кто-то радостно восклицает: «А вон там – Большая Медведица!» Строгий голос добавляет: «А над ней – Малая». «Вижу, вижу! – восклицает жизнерадостный. – А справа от Малой Медведицы буква М на боку лежит – это Кассиопея». «Правильно, – подтверждает строгий и, чтобы окончательно сразить всех своей эрудицией, добавляет: – А между Большой Медведицей и Кассиопеей – Жираф». «Правда? – удивляются все, не в силах разглядеть в указанном месте на блеклом городском небе ни одной звезды. – А откуда ты знаешь?»

В самом деле – откуда? Кто провел границы на небесах, кто и когда дал имена планетам, звездам и созвездиям (порою даже таким, в которых и звезд-то не видно!)? У всех ли народов эти имена одинаковые и можно ли их изменить, если они кажутся нам неблагозвучными? И самое интересное – кто имеет право давать имена миллионам пока еще безымянных звезд и планет? Эти действительно интересные вопросы в последние годы стали еще и злободневными, поскольку некоторые ловкие граждане начали продавать имена звезд и, возможно, скоро доберутся до планет. Законно ли это?

Попробуем разобраться в невидимых границах на небе и загадочных именах небесных светил. Для начала уточним, что такое созвездие. Русское слово «созвездие», вероятно, родилось как перевод латинского constellatio — группа звезд. В древности созвездиями называли выразительные группы ярких звезд, которые позволяли людям легче запоминать узор звездного неба; он помогал ориентироваться в пространстве и во времени путешественникам – морским и сухопутным, а некоторым помогает и сегодня.

В те далекие времена еще не существовало строгих границ между соседними созвездиями. К тому же у каждого народа были свои традиции распределения звезд по созвездиям. Современные астрономы навели в этом деле порядок: в первой половине XX в. они разделили все небо на 88 созвездий, проведя между ними строгие границы. Имена созвездиям и ярким звездам в них дали в соответствии с традициями европейской и ближневосточной культур. На вопрос, почему созвездий именно 88, никто точно ответить не сможет. Но вполне понятно, почему их не 8 и не 888: при малом количестве созвездия были бы бесполезны для ориентации, при слишком большом – сложны для запоминания. Можно вспомнить, что в интеллектуальных играх (шашки, шахматы, карты) также не более сотни элементов. Например, на шахматной доске 64 клетки и 32 фигуры, на шашечной доске от 64 до 144 клеток, колода игральных карт содержит от 32 до 54 разных карт. Видимо, эти числа указывают на ресурсы нашего мозга.

Астрономы называют созвездием не только выразительную фигуру из ярких звезд, но и весь участок небесной сферы в пределах установленной границы, со всеми проецирующимися на него – с точки зрения земного наблюдателя – небесными объектами. Названия созвездий и их границы были установлены решениями Международного астрономического союза (MAC) в 1922–1935 гг. Впредь решено было эти границы и названия созвездий считать неизменными.

Надо помнить, что созвездие – это не ограниченная область космического пространства, не «звездный город», а лишь некоторый диапазон направлений с точки зрения земного наблюдателя, конус, простирающийся от Земли до бесконечности. Звезды, образующие узор созвездия, расположены от нас на разных расстояниях, и лишь в проекции эта картина представляется нам как нечто цельное. Поэтому бессмысленной является фраза: «Космический корабль полетел в созвездие Пегаса». Верно будет сказать: «Космический корабль полетел в направлении созвездия Пегас».

Видимая площадь созвездия определяется телесным углом, который оно занимает на небе. Обычно эту площадь указывают в квадратных градусах. Для неастрономов такая единица непривычна. Чтобы сделать ее наглядной, нужно вытянуть вперед руку с поднятым указательным пальцем: его ноготь как раз покроет на небе площадку примерно в 1 квадратный градус (линейный размер ногтя 1 см х 1 см, а его расстояние от глаза составляет около 57 см, поэтому угловой размер ногтя – примерно 1°х1°). Диски Луны или Солнца занимают на небе площадь около 0,2 кв. градуса, а площадь всей небесной сферы составляет около 41 253 кв. градусов. Именно такую площадь покрывают в сумме все 88 созвездий; они целиком занимают небо, свободных мест между ними нет. В среднем на одно созвездие приходится площадь около 470 кв. градусов, или 2344 лунных дисков. Но площади реальных созвездий сильно различаются. Самое большое из них, Гидра, не отличается популярностью даже среди любителей астрономии, хотя его площадь на небе почти в 20 раз больше, чем самого маленького, но широко известного созвездия Южный Крест. Популярность созвездия определяется не его площадью, а количеством в нем ярких звезд и интересных объектов. Впрочем, даже на маленькой территории Южного Креста легко разместились бы около трех сотен полных лунных дисков!

В табл. 1 главы 9 приведены основные данные о созвездиях, расположенных в алфавитном порядке их русских названий. Нужно признать, что названия созвездий довольно курьезны и практически бессистемны. В этом смысле астрономические созвездия сродни химическим элементам, названия многих из которых возникли в древности и сохраняются в силу исторической традиции. Вероятно, номенклатуру элементов можно было бы искусственно формализовать каким-либо способом, однако сложившиеся названия живы и не собираются уходить со сцены; то же и с созвездиями. Впрочем, в научных работах национальные названия созвездий почти не употребляются: вместо них обычно используют латинское название созвездия либо его краткое трехбуквенное обозначение. А в последнее время ученые вообще стараются не упоминать созвездия в обозначениях объектов, используя вместо этого координаты объекта как часть его имени. Еще Джон Гершель говорил о нескладных фигурах на небесных картах и отмечал, что «астрономы мало или вовсе не обращают на них внимания, а пользуются ими только для названия замечательных звезд, обозначая их буквами греческой азбуки» (Herschel J. Outlines of Astronomy. 1875, с. 195). Уверен, что мало кто из астрономов смог бы вспомнить все 88 имен созвездий и уж тем более указать без карты их границы.

Нередко астрономы-любители ориентируются в созвездиях лучше профессиональных ученых. Для любителей неба интерес к созвездию определяется не его размером, а фигурой, которую можно составить из ярких звезд. Эти характерные фигуры называют астеризмами. «Астеризм» – древний термин; в начале XVII в. он еще был в ходу и означал «созвездие», но позже в этом значении его потеснил термин «constellatio», и астеризмами стали называть, как правило, более мелкие группы звезд – части созвездий, фигуры из ярких звезд. Всем известный астеризм – Ковш Большой Медведицы. Многим знакомы также Пояс Ориона, «буква М» в Кассиопее, Летний треугольник – Вега, Денеб, Альтаир. Некоторые астеризмы состоят из тусклых звезд, например Плеяды в созвездии Телец. Если ярких звезд в созвездии нет или они не образуют четкого рисунка, то такое созвездие не привлекает внимания публики.

В последней колонке табл. 1 главы 9 для каждого созвездия приведено полное число звезд, видимых невооруженным глазом, точнее, количество звезд до 5,5 звездной величины. Наш глаз при 100-процентном зрении в идеальных условиях (ясная безлунная ночь в степи или в горах) различает звезды шестой величины (6^m). Но идеальные условия бывают редко. Именно поэтому мы выбрали для предельно слабых звезд в созвездиях блеск в 5,5^m: это соответствует реальной границе видимости в обычных условиях. На всем небе 3 047 звезд имеют блеск ярче этой границы; именно они, как правило, доступны нашему не вооруженному оптическими приборами глазу. Наблюдая на открытом месте, мы видим половину небесной сферы, содержащую около 1500 доступных глазу звезд. А если учесть, что у горизонта прозрачность воздуха мала и всегда присутствуют посторонние объекты – деревья, сопки, дома, облака, – то выходит, что даже в ясную безлунную ночь мы видим на небе около 1 ООО звезд. Полная Луна и городские огни существенно снижают это число. Зато в условиях высокогорья небо становится значительно более звездным.

Если же говорить о действительно ярких звездах, скажем, до 2,5^m, то на небосводе их всего 88 – в среднем по одной на каждое созвездие. А поскольку в некоторых созвездиях оказалось довольно много ярких звезд (в Большой Медведице их 6, а в Орионе – 7!), то большинству созвездий вообще не досталось легко заметных светил. Некоторые созвездия так бедны звездами, что их с полным основанием можно считать невидимками звездного неба. Например, созвездие Микроскоп не содержит звезд ярче 4,7^m, а в созвездии Столовая Гора все звезды слабее 5^m. Для наших глаз, уставших от компьютера и книг, эти области выглядят практически пустыми. Понятно, отчего этим молодым созвездиям, выделенным на небе лишь в XVIII в., дали такие говорящие названия: в Микроскопе трудно что-либо разглядеть без оптического прибора, а Столовая Гора названа в честь весьма темной Столовой горы, расположенной на мысе Доброй Надежды, к югу от Кейптауна.

Кроме звезд, в созвездии могут быть видны и очень далекие галактики, и близкие объекты Солнечной системы – все они в момент наблюдения относятся к данному созвездию. Со временем небесные объекты могут перемещаться из одного созвездия в другое. Быстрее всего это происходит с близкими и быстро движущимися объектами: Луна проводит в одном созвездии не более двух-трех суток, планеты – от нескольких дней до нескольких лет, и даже некоторые близкие звезды за последнее столетие не раз пересекали границы созвездий.

Современные высокоточные системы небесных координат позволяют исследователям ориентироваться среди звезд и галактик куда точнее, чем это было доступно наблюдателям древности. И все же, подобно штурманам морских и воздушных судов, использующим GPS, но не забывающим и звездные ориентиры, астрономы держат в уме старинные имена «небесных провинций», поскольку это может помочь сверить поведение изучаемых сегодня объектов с древними записями о них, хранящимися в научных архивах. Космос живет неторопливо, и чем древнее сведения, тем они ценнее. Представления людей о звездном небе, бытовавшие еще до появления письменности, остались в материальных памятниках культуры – росписи керамики, резьбе по камню и кости. Археологи и астрономы выяснили, что наиболее древние астеризмы человек выделил на небе еще в каменном веке, более 15 тысячелетий назад. Некоторые исследователи считают, что первые изображения неба появились одновременно с рождением первых образцов наскальной живописи.

Жизненно важную роль для древнего человека играли два светила – Солнце и Луна. Наблюдая за их движением, люди заметили, что дневной путь Солнца зависит от сезона: двигаясь с востока на запад, Солнце весной день ото дня все сильнее поднимается к северу, а осенью опускается к югу. Оказалось, что Луна и яркие «подвижные» звезды, которые позже греки назвали планетами, движутся среди звезд примерно по тому же пути, что и Солнце. И еще люди заметили, что в разные сезоны года различные, но вполне определенные звезды восходят незадолго до наступления утра, а другие звезды заходят сразу после захода Солнца. Для пастухов и земледельцев это стало удобным методом сезонного прогноза. Чтобы запомнить движение Солнца, Луны и планет, они отмечали важнейшие звезды, лежащие на их пути. Позже, создав себе богов, они отождествили некоторых из них со звездами на небе. Древние шумеры, жившие на Ближнем Востоке 5000 лет назад, дали названия многим известным созвездиям, особенно в Зодиаке – области неба, через которую проходят пути Солнца, Луны и планет. Похожие группы звезд выделяли жители долины Тигра и Евфрата, Финикии, Греции и других частей Восточного Средиземноморья. Зодиаком (греч. z?diacos cyclos — звериный круг) эту область называют потому, что многие созвездия в ней носят «животные» имена: Лев, Телец, Скорпион, Рыбы, Рак.

Рис. 1.1. Неолитическая «карта» звездного неба, включающая изображение Плеяд, изготовленная из бронзы с золотыми накладками. Найдена в Германии, близ г. Небра, в 1999 г.

Исторические имена звезд и созвездий – памятники древней культуры человека, его мифов, его первого интереса к звездам, поэтому наибольший интерес к ним проявляют сейчас историки науки и культуры, которым эти «начертанные на небесах слова» помогают понять образ жизни и мышления древних людей. Многим известным созвездиям названия даны в честь мифических персонажей: Андромеда, Кассиопея, Персей и т. п. Нередко это животные, также вошедшие в мифы, – Лев, Дракон, Большая Медведица и т. п. Попали на небо примечательные объекты древности и современности – Весы, Жертвенник, Компас, Телескоп, Микроскоп… Имена некоторых созвездий просто обозначают фигуру, образованную яркими звездами, – Треугольник, Стрела, Южный Крест и т. п. Часто одна или несколько ярчайших звезд в созвездии имеют собственные имена: Сириус в созвездии Большой Пес, Вега в созвездии Лира, Капелла в созвездии Возничий и др. Названия звезд, как правило, связаны с названием самого созвездия, например, обозначают части тела мифического персонажа или животного.

Каноническими считаются латинские названия созвездий: ими пользуются астрономы всех стран в своей научной практике. Но в каждой стране эти названия обычно переводят на собственный язык. Иногда эти переводы небесспорны. Например, в русском языке нет единой традиции названия созвездия Centaurus: его переводят как Центавр или как Кентавр (с точки зрения единообразия астрономических и литературных текстов предпочтительнее выглядит Кентавр). С годами менялась традиция перевода названий таких созвездий, как Cepheus (Кефей, Цефей), Coma Berenices (Волосы Вероники, Волосы Береники), Canes Venatici (Борзые Собаки, Гончие Собаки, Гончие Псы). Поэтому в книгах разных лет и разных авторов названия созвездий могут немного различаться.

На основе латинских наименований созвездий для них были приняты и сокращенные трехбуквенные обозначения: Lyr для Lyra, UMa для Ursa Major и т. п. (см. табл. 1 главы 9). Обычно их используют при указании звезд в этих созвездиях: например, звезда Вега, ярчайшая в созвездии Лиры, обозначается как ? Lyrae (родительный падеж от Lyra) или кратко – ? Lyr, Сириус – ? СМа, Алголь – ss Per, Алькор – 80 UMa и т. д.

Кроме официально утвержденных названий, в каждой стране существуют и свои собственные, народные названия созвездий. Обычно это даже не созвездия, а астеризмы – выразительные группы ярких звезд. Например, на Руси семь ярких звезд в созвездии Большая Медведица в старину называли «Ковш», «Телега», «Лось», «Коромысло» и т. д. В созвездии Орион выделялись Пояс и Меч под названиями «Три Царя», «Аршинчик», «Кичиги», «Грабли». Звездное скопление Плеяды, не выделенное астрономами в отдельное созвездие, тем не менее у многих народов имело собственное имя; на Руси его зовут «Стожары», «Решето», «Улей», «Лапоть», «Гнездо» (или «Утиное гнездо») и т. п.

Видимость созвездий и планет

Рисунок созвездий на небе сохраняется тысячелетиями, несмотря на то, что звезды хаотически движутся в пространстве со скоростями десятки километров в секунду. Но расстояния до звезд так велики, что заметить глазом взаимное перемещение звезд невозможно даже на протяжении тысячелетий. Тем не менее картина созвездий, доступных жителям разных областей Земли, заметно меняется от эпохи к эпохе. В этом повинно движение самой Земли. Напомню, как оно происходит.

Земля вращается вокруг собственной оси и обращается по орбите вокруг Солнца. Эклиптика – это отраженная на небесной сфере плоскость орбиты Земли в ее движении вокруг Солнца. Второе движение Земли – суточное вращение вокруг оси – определяет другую важнейшую линию – небесный экватор (отражение земного экватора). Эти два небесных круга пересекаются под углом 23° 26?: под таким углом наклонена ось вращения Земли к ее орбитальной оси. Этот наклон определяет смену сезонов: полгода чуть больше солнечного тепла получает Северное полушарие Земли, вторые полгода – Южное. Будь этот угол больше, наше лето было бы жарче, а зима холоднее.

Для нас, жителей средней полосы, наклон земной оси проявляется в том, что зимой Солнце опускается под небесный экватор и ходит днем низко у горизонта, а летом, поднимаясь выше экватора (максимум на те же 23,4°), рано восходит, поздно заходит, а в полдень поднимается почти в зенит. Осенью и весной – в дни равноденствий – Солнце пересекает небесный экватор в точках, которые так и называют: точка осеннего равноденствия и точка весеннего равноденствия. Это и есть точки пересечения небесного экватора и эклиптики, с которыми связаны важнейшие системы небесных координат.

Рис. 1.2. Наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты служит причиной смены времен года.

Легко понять, что не каждому жителю Земли доступны для наблюдения все 88 созвездий нашего неба. Рассмотрим предельные случаи. Наблюдатель на Северном полюсе каждую безоблачную ночь может видеть все созвездия северной полусферы неба, но только их; южные созвездия он никогда не увидит – для него они всегда под горизонтом. А наблюдатель на Южном полюсе может видеть только южные созвездия. Этих наблюдателей можно уподобить двум пассажирам автобуса, сидящим у противоположных окон: каждый видит только свою сторону улицы. Зато наблюдатель на экваторе, как водитель автобуса, может в течение года увидеть все уголки звездного неба (в течение суток этого сделать не удастся, поскольку мешает Солнце). Соответственно, в средних широтах Северного полушария доступны для наблюдения все северные и только часть южных созвездий. В Южном полушарии – наоборот.

Теперь представим себе, что земная ось немного изменила свою ориентацию. Для наблюдателей на Северном и Южном полюсах – то есть для «пассажиров», сидящих у противоположных «окон», – этот маневр равноценен повороту автобуса; в результате наблюдателям становятся видны иные части неба, но все равно каждому из них остается доступной лишь половина небосвода. Для наблюдателя на экваторе ничего не изменилось: в течение года он все равно увидит все уголки неба, только в несколько иной последовательности. А для жителя средней полосы ситуация изменилась частично: некоторые звезды становятся ему недоступны, зато ранее не наблюдавшиеся звезды он начинает видеть.

Но к чему весь этот мысленный эксперимент? Разве ось вращения Земли может изменить свою ориентацию? Да, может, и делает это постоянно, хотя и не очень быстро.

Рис. 1.3. Прецессия земной оси.

Движение Земли можно уподобить вращению волчка на полу: он быстро крутится вокруг оси и медленно покачивается на острие, описывая осью конус. Это покачивание вызвано притяжением волчка к Земле. Сама Земля – тоже своеобразный волчок: она испытывает притяжение со стороны Луны и Солнца. Под их гравитационным влиянием земная ось совершает медленное конусообразное движение. Один полный оборот по конусу с раствором в 23,4° ось Земли завершает за 25 770 лет. Соответствующее колебание совершает плоскость земного экватора и ее продолжение – небесный экватор. Эклиптика же, как отражение плоскости земной орбиты, остается практически неподвижной, поэтому точки ее пересечения с экватором на небе – точки весеннего и осеннего равноденствий – перемещаются по эклиптике вместе с движущимся экватором с востока на запад, навстречу годичному движению Солнца. Это явление называют прецессией (лат. praecessio предшествование), т. е. предварением равноденствия. Происходит оно не совсем равномерно: на него накладываются небольшие колебания – нутация, вызванная тем, что с периодом 18,6 года «покачивается» орбита Луны, а Луна – главный виновник прецессии земной оси.

Итак, под влиянием прецессии за несколько тысячелетий заметно изменяется направление земной оси, поэтому в разные эпохи она смотрит на разные звезды: сегодня ось Земли направлена почти точно на звезду а Малой Медведицы, которую мы называем Полярной, а, скажем, 5000 лет назад эту роль исполняла весьма тусклая звезда а Дракона, а через 12 ООО лет полярной звездой станет Вега – а Лиры. Поскольку Вега очень яркая, для путешественников это будет удобно. Но далеко не всегда ось Земли бывает направлена на заметное светило; чаще центр вращения (по астрономической терминологии – полюс мира) лежит вдали от ярких звезд. Например, сейчас положение северного полюса мира удачно отмечено довольно яркой Полярной звездой, зато вблизи южного полюса мира заметного светила нет, поэтому в Южном полушарии ориентироваться по звездам сложнее.

Вместе с перемещением полюсов мира иным становится и годичный ход созвездий по небу: для жителей определенных географических широт одни созвездия со временем становятся наблюдаемыми, а другие, меняя свое расстояние от полюса, на многие тысячелетия скрываются под горизонтом. Любопытный пример этого могли отметить те, кто читал «Одиссею» Гомера. Древнегреческий поэт упоминает созвездие Большая Медведица, которое «никогда не погружает своих звезд в волны моря». Но сегодня в Греции мы видим совсем иное: Большая Медведица исправно окунает свои звезды в волны Ионического и Эгейского морей. Это и не удивительно: Греция – южная страна, на ее широтах высота северного полюса мира мала, и Большая Медведица является заходящим за горизонт созвездием. Значит, Гомер ошибся? Нет. Просто за прошедшее время прецессия повернула земную ось, и видимое движение звезд изменилось. Ковш Большой Медведицы заметно удалился от полюса и стал описывать на небе более широкий круг. Для нас, жителей России, Большая Медведица по-прежнему осталась незаходящим созвездием, зато в более южной Греции ее Ковш стал пересекать горизонт и – с точки зрения морских путешественников – «черпать воду». Астрономы вычислили, что 3000 лет назад, во времена Гомера, звезды Ковша для наблюдателей в Греции не приближались к горизонту менее чем на 11°, так что действительно Медведица тогда не «окунала своих звезд в волны моря». Таким образом, стихи Гомера не оставляют сомнений относительно родины великого поэта, они подтверждают греческое происхождение поэмы.

Хотя направление земной оси меняется, ее наклон к плоскости орбиты, эклиптике, остается почти неизменным. Поэтому сохраняется смена сезонов года, так же как и видимый путь Солнца на небе для жителей каждой географической широты, и Зодиак всегда остается Зодиаком. То есть Солнце всегда перемещается по небу среди тех же звезд, что и сегодня. Единственное, что заметно меняется в результате прецессии земной оси, – это видимость созвездий в разные сезоны года: если сейчас для жителей Северного полушария Орион – зимнее созвездие, то через 13 тысяч лет оно станет летним. Незначительные изменения происходят и в видимости планет: если сейчас великие противостояния Марса приходятся на конец августа, то через 13 тысяч лет они будут наблюдаться в конце февраля. Для жителей Северного полушария это, с одной стороны, выгодно, поскольку зимой эклиптика по ночам выше над горизонтом и Марс будет виден лучше, но, с другой стороны, в феврале холодно, особенно в ясные ночи. Куда приятнее любоваться Марсом в августе.

Если уж мы заговорили о погоде, то можно вспомнить, что и она немного меняется в результате прецессии земной оси. Как мы уже знаем, смена сезонов в основном вызвана наклоном земной оси: полгода солнечные лучи обильнее освещают северное полушарие Земли, вторые полгода – южное. Но на этот главный эффект накладывается слабый второстепенный. Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, поэтому в декабре – январе она на 3 % ближе к Солнцу, чем в июне – июле. Это приводит к 6 %-му изменению интенсивности потока солнечного света у Земли и немного сглаживает колебания температуры от зимы к лету в нашем Северном полушарии. Зато в Южном это делает перепады температуры более резкими. Поэтому сейчас мы в выигрышном положении. Но через 13 тысяч лет ситуация изменится: в Австралии климат станет мягче, а у нас колебания температуры усилятся.

Древние созвездия

В письменных источниках имена созвездий хранятся уже несколько тысячелетий. В 275 г. до н. э. греческий поэт Арат в поэме «Явления» описал известные ему созвездия. Но исследования астрономов показали, что Арат использовал гораздо более раннее описание небесной сферы. Используя список созвездий Арата и учитывая прецессию земной оси, меняющую видимость созвездий от эпохи к эпохе, можно датировать первоисточник поэмы Арата и определить географическую широту наблюдений. Относительно широты исследователи пришли к сходным результатам: наблюдатели той далекой эпохи располагались вблизи 36° с. ш. С определением точной эпохи оказалось сложнее: Е. Маундер (1909) датировал первоисточник 2500 г. до н. э., А. Кромеллин (1923) – 2460 г. до н. э., М. Овенден (1966) – около 2600 г. до н. э., А. Рой (1984) – около 2000 г. до н. э., С.В.Житомирский (1997) – около 1800 г. до н. э. Несмотря на эти расхождения в датировке, мы видим, что знакомое нам разбиение звезд на группы в целом сложилось очень давно. Поразительно, как долго живет традиция деления неба на созвездия. Никак не меньше, чем сюжеты религиозных мифов и народных сказок.

Теперь мы называем описанные Аратом созвездия древними. Через 4 века после Арата, во II в. н. э., греческий астроном Птолемей описал 48 созвездий, указав в них положения ярчайших звезд; из этих созвездий 47 сохранили свои имена до наших дней, а одно большое созвездие Арго (корабль Язона и аргонавтов) было в XVIII в. разделено на четыре меньших: Киль, Корму, Паруса и Компас.

Разумеется, разные народы делили небо по-разному. Например, в Китае в древности была распространена карта, на которой звездное небо делилось на четыре части, в каждой из них насчитывалось по семь созвездий, т. е. всего созвездий было 28. А монгольские ученые XVIII в. насчитывали 237 созвездий.

В европейской науке и литературе закрепились те созвездия, которыми пользовались древние жители Средиземноморья. С территории этих стран (включая Северный Египет) в течение года можно видеть около 90 % всей небесной сферы. Однако народам, живущим вдали от экватора, значительная часть небосвода недоступна для наблюдения: на полюсе видна лишь половина небесной сферы, на широте Москвы – около 70 %. По этой причине даже жителям Средиземноморья не были видны самые южные звезды; эту часть неба поделили на созвездия только в новое время, в эпоху великих географических открытий.

Глубина астрономических традиций проявляется не только в делении неба на созвездия, но и в дожившем до нашей эпохи архаичном понятии о зодиакальных знаках. Изначально это был просто удобный способ обозначения двенадцати равновеликих отрезков эклиптики, на которых Солнце проводит примерно по одному месяцу – своеобразный календарь. Но позже астрологи придали этим знакам мистический смысл. Поскольку астрология не имеет отношения к науке, я не буду касаться ее в этой книге. Но связь зодиакальных знаков с созвездиями нужно пояснить.

Зодиакальные знаки, которыми пользуются астрологи, жестко связаны с точками равноденствия и следуют за ними. В результате прецессии точка весеннего равноденствия за прошедшие с античных времен два тысячелетия переместилась из созвездия Телец через Овен в Рыбы. Это привело к кажущемуся смещению всего зодиакального ряда созвездий на два «деления» (поскольку отсчет по традиции начинается от того созвездия, в котором расположена точка весеннего равноденствия). Например, Рыбы поначалу были одиннадцатым зодиакальным созвездием, а теперь – первое; Телец был первым – стал третьим. Примерно в 2600 г. точка весеннего равноденствия переместится из Рыб в Водолей, и тогда это созвездие станет первым в Зодиаке.

Таблица 2

Даты вступления Солнца в границы созвездий и в одноименные знаки Зодиака (для 2010 г.)*

* В другие годы эти даты могут отличаться на 1–2 дня.

Два тысячелетия назад, когда были написаны классические руководства, до сих пор используемые астрологами, зодиакальные знаки располагались в одноименных им созвездиях Зодиака. Но перемещение точек равноденствия привело к тому, что зодиакальные знаки теперь расположены в других созвездиях. Солнце теперь попадает в определенный знак Зодиака на 2–5 недель раньше, чем доберется до одноименного этому знаку созвездия. Кстати, в соответствии с современными границами созвездий эклиптика пересекает теперь не 12, а 13 созвездий: к «классической дюжине» добавился Змееносец.

Новые созвездия

Описанные Птолемеем созвездия много веков верой и правдой служили морякам и проводникам караванов в пустыне. Но после кругосветных плаваний Магеллана (1518–1521) и других мореплавателей стало ясно, что морякам нужны новые путеводные звезды для успешной ориентации в южных широтах. В 1595–1596 гг. во время плавания голландского купца Фредерика де Хоутмана вокруг мыса Доброй Надежды к острову Ява его штурман Питер Диркзоон Кейзер, известный также как Петрус Теодори, выделил на небе 12 новых южных созвездий: Журавль, Золотая Рыба, Индеец, Летучая Рыба, Муха, Павлин, Райская Птица, Тукан, Феникс, Хамелеон, Южная Гидра и Южный Треугольник. Эти звездные группы приняли окончательную форму немного позже, когда картографы нанесли их на небесные глобусы, а немецкий астроном Иоганн Байер изобразил их в своем атласе «Уранометрия» (1603).

Рис. 1.4. Изображения некоторых созвездий, названных в честь технических устройств. Фрагмент карты из атласа Иоганна Боде (1801).

Появление новых созвездий на южном небе подтолкнуло некоторых энтузиастов к тому, чтобы начать передел и северного небосвода. Три новых северных созвездия (Голубь, Единорог и Жираф) в 1624 г. ввел Якоб Барч, зять Иоганна Кеплера. Еще семь созвездий, в основном северных (Гончие Псы, Лисичка, Малый Лев, Рысь, Секстант, Щит и Ящерица), ввел польский астроном Ян Гевелий, использовав звезды в областях неба, не охваченных созвездиями Птолемея. Их описание опубликовано в атласе «Уранография» (1690), изданном уже после смерти Гевелия. Французский астроном Никола Луи де Лакайль, проводя наблюдения на мысе Доброй Надежды в 1751–1753 гг., выделил и привел в своем «Каталоге звезд южного неба» (1763) еще 17 южных созвездий, назвав их преимущественно в честь атрибутов науки и искусства: Живописец, Киль, Компас, Корма, Микроскоп, Насос, Наугольник, Октант, Паруса, Печь, Резец, Сетка, Скульптор, Столовая Гора, Телескоп, Циркуль и Часы. Они стали последними из 88 созвездий, используемых сейчас астрономами.

Разумеется, попыток переименовать участки ночного неба было значительно больше числа новых созвездий, сохранившихся до наших дней. Многие составители звездных карт в XVII–XIX вв. пробовали вводить новые созвездия. Например, первый русский звездный атлас Корнелия Рейссига, изданный в Петербурге в 1829 г., содержал 102 созвездия.

Рис. 1.5. Карта из атласа К. Рейссига (1829).

Но далеко не все предложения такого рода безоговорочно принимались астрономами. Иногда введение новых созвездий было оправдано; пример тому – разделение крупного созвездия южного неба Корабль Арго на четыре части: Корму, Киль, Паруса и Компас. Поскольку эта область неба чрезвычайно богата яркими звездами и прочими интересными объектами, против ее деления на небольшие созвездия никто не возражал. При общем согласии астрономов на небе разместились великие научные инструменты – Микроскоп, Телескоп, Циркуль, Насос, Печь (лабораторная), Часы.

Но были и неудачные попытки переименования созвездий. Например, европейские монахи не раз пытались «христианизировать» небесный свод, т. е. изгнать с него героев языческих легенд и населить персонажами Священного писания.

Рис. 1.6. Примеры «христианских» созвездий из атласа Ю. Шиллера: «Ноев ковчег» и «Святая Мария Магдалина», введенные автором взамен соответственно Корабля Арго и Кассиопеи.

Созвездия Зодиака при этом заменялись изображениями 12 апостолов и т. п. Буквально перекроил все звездное небо некто Юлиус Шиллер из Аугсбурга, издавший в 1627 г. атлас созвездий под заглавием «Христианское звездное небо». Но, несмотря на огромный авторитет церкви в те годы, новые названия созвездий не получили признания.

Рис. 1.7. Изображение созвездия «Телескоп Гершеля» в атласе, изданном И. Бурриттом (1835).

Было также немало попыток дать созвездиям имена здравствующих монархов и полководцев: Карла I и Фридриха II, Станислава II и Георга III, Людовика XIV и даже великого Наполеона, в честь которого хотели переименовать созвездие Орион. Но ни одному новому имени, попавшему «на небо» по политическим, религиозным и прочим конъюнктурным соображениям, не удалось долго на нем удержаться.

Не только имена монархов, но даже названия научных приборов не всегда задерживались на небесах. Так, в 1789 г. астроном Венской обсерватории Максимиллиан Хелл предложил созвездие Tubus Herschelii Major (Большой Телескоп Гершеля) в честь знаменитого 20-футового рефлектора Вильяма Гершеля. Разместить это созвездие он хотел между Возничим, Рысью и Близнецами, поскольку именно в Близнецах Гершель открыл планету Уран в 1781 г. А второе небольшое созвездие, Tubus Herschelii Minor, названное в честь 7-футового рефлектора Гершеля, Хелл предложил выделить из слабых звезд Тельца к востоку от Гиад. Однако даже такие милые астрономическому сердцу идеи не нашли поддержки у профессионалов.

Немецкий астроном Иоганн Боде предложил в 1801 г. рядом с созвездием Корабль Арго выделить новое созвездие Lochium Funis (Морской Лаг) в честь прибора для измерения скорости судна, а рядом с Сириусом он хотел разместить созвездие Officina Typographica (Типография) в честь 350-летия изобретения печатного станка. В 1806 г. английский ученый Томас Юнг предложил между Дельфином, Малым Конем и Пегасом выделить новое созвездие Вольтова Батарея в честь гальванического элемента, изобретенного в 1799 г. итальянцем Алессандро Вольта. Предложение не прошло. Не удержалось на небе и созвездие Солнечные Часы (Solarium).

Некоторые сложные названия созвездий со временем упростились: «Лисичка с Гусем» стала просто Лисичкой, «Южная Муха» – просто Мухой (поскольку «Северная Муха» быстро исчезла с небесных карт), «Химическая Печь» стала Печью, а «Компас Мореплавателя» – просто Компасом.

Демаркация небес

В течение многих столетий созвездия не имели четко установленных границ; обычно на картах и звездных глобусах соседние созвездия разделяли замысловатые кривые линии, не имевшие стандартного положения (сравните рис. 1.8 и 1.10). Поэтому с момента образования в 1919 г. Международного астрономического союза одной из первых его задач стало размежевание звездного неба. На I Генеральной ассамблее MAC, проходившей в 1922 г. в Риме, астрономы решили, что пора окончательно поделить всю небесную сферу на части с точно обозначенными границами и этим, кстати, положить конец попыткам перекраивать звездное небо. В названиях созвездий было решено придерживаться современной европейской традиции.

При этом, хотя названия созвездий оставались традиционными, ученых совершенно не интересовали фигуры созвездий, которые принято изображать, мысленно соединяя прямыми линиями яркие звезды. На звездных картах эти линии рисуют лишь в детских книгах и школьных учебниках; для научной работы они не нужны. Я уже говорил, что ныне астрономы называют созвездиями не группы ярких звезд, а участки неба со всеми находящимися на них объектами, поэтому проблема определения созвездия сводится только к проведению его границ. Но и эта задача оказалась не из легких. Над ней работали несколько известных астрономов, стремившихся сохранить историческую преемственность и по возможности не допустить попадания в «чужие» созвездия звезд с собственными именами (Вега, Спика, Альтаир и др.) и устоявшимися обозначениями (? Лиры, ss Персея…).

Для удобства описания границ созвездий их решено было проводить в виде ломаных линий, проходящих точно по сетке постоянных небесных координат – склонений и прямых восхождений. При этом созвездия стали напоминать некоторые африканские страны и американские штаты, границы которых проведены по параллелям и меридианам. Ну что же, это вполне рациональный способ, позволяющий легко закрепить границы в математической форме. Однако со временем в этой изящной идее стал проявляться один мелкий недостаток.

Рис. 1.8. Часть карты неба с областью созвездия Орион из «Звездного атласа для небесных наблюдений» Якова Мессера (СПб.: Изд. К. Л. Риккера, 1901). Нанесены звезды до 6^m. Эпоха (сетка координат) 1880 г.

Рис. 1.9. Часть карты неба с областью созвездия Орион из «Звездного атласа» А. А. Михайлова, изданного Московским обществом любителей астрономии в 1920 г. Нанесены звезды до 5,75^m. Эпоха 1920 г.

Дело в том, что система географических координат в некотором смысле надежнее координат небесных. Земные параллели и меридианы жестко «прибиты» к поверхности планеты положением оси ее вращения, определяющим экватор, и расположением Гринвичской обсерватории, задающим нулевой меридиан. Поэтому единожды установленные и описанные в документах административные границы (например, проведенная по 120-му западному меридиану граница между северной частью Калифорнии и Невадой) всегда будут проходить по изначальной полосе земли, не нарушая красоты географических атласов. На земные границы могут повлиять только политические коллизии, но не природные (разумеется, если не считать очень мелкого дрожания земной оси в теле планеты, сдвигающего сетку координат, и крайне медленного дрейфа континентов, «увозящих» страны в разные стороны; оба эффекта не превышают нескольких метров в столетие).

С границами созвездий ситуация иная. Звезды расположены на небе, но небесный экватор отражает положение земного: меняется в результате прецессии ориентация земной оси – «гуляет» по небу экваториальная система координат.

Рис. 1.10. Часть карты неба с областью созвездия Орион из «Атласа звездного неба», созданного сотрудниками ГАИШ МГУ под редакцией А. П. Гуляева (М.: Космосинформ, 1998). Отмечены звезды до 6,5^m. Эпоха 2000 г.

Когда астрономы в начале XX в. взялись за демаркацию небес, они провели границы созвездий по дугам небесных «параллелей и меридианов» в системе экваториальных координат 1875 г.; в то время это был стандарт. Но прошли годы, и если взять современный звездный атлас эпохи 2000 г., то легко заметить, что границы созвездий уже не совпадают с линиями координатной сетки, а слегка отходят от них. В будущем это различие будет возрастать, поскольку точка весеннего равноденствия, играющая на небе роль Гринвича, неумолимо движется вдоль эклиптики, увлекая за собой сеть небесных координат. Утешает лишь то, что через 26 тысяч лет (период прецессии) все вернется в исходное состояние.

Но мы отвлеклись. На II Генеральной ассамблее MAC в 1925 г. был принят список созвездий, а на следующей ассамблее в Лейдене (1928 г.) были утверждены границы между большинством из них. По поручению MAC бельгийский астроном Эжен Дельпорт опубликовал в 1930 г. карты и подробное описание новых границ всех 88 созвездий. Правда, и после этого еще вносились некоторые уточнения; только в 1935 г. решением MAC в этой работе была поставлена точка. Астрономическая общественность сказала: стоп, больше никаких изменений! Раздел неба окончен. Заметим, что ни одно имя реального исторического лица в названия созвездий не попало.

Постепенно новые границы созвездий вошли в употребление: сначала у профессиональных астрономов, затем в научно-популярной литературе. Школьником я очень любил 12-томную «Детскую энциклопедию», изданную в 1960-е гг. Так вот, на ее картах неба границы созвездий были еще криволинейные, образца XIX в. Сегодня уже на всех картах неба созвездия имеют четкие прямоугольные границы. Но, как было сказано в начале главы, астрономы уже задумываются о том, нужны ли вообще созвездия и не пора ли от них отказаться.

Имена и обозначения звезд

В нашей Галактике более 100 млрд звезд. Около 1 % из них занесено в астрономические каталоги, а значит, эти звезды получили индивидуальные обозначения, в некотором смысле – имена. А остальные звезды Млечного Пути до сих пор безымянны и даже не считаны. О звездах других галактик и говорить нечего. Однако у всех ярких звезд земного небосвода и даже у многих слабых, кроме научного обозначения, есть и настоящие собственные имена; их они получили, как правило, еще в древности.

Около трех сотен ярких звезд имеют собственные имена. Это навигационные звезды, которыми издавна пользовались для ориентации путешественники и охотники. Обычно имена звезд очень древние – Сириус, Вега, Бетельгейзе, Альдебаран… Никто не знает точно, когда они появились. Многие из них имеют арабское происхождение. Часто это названия частей тех фигур, которые дали имя всему созвездию: Денебола (во Льве) – «хвост льва»; в Пегасе звезды Алгениб и Маркаб – это «крыло» и «седло»; Фомальгаут (в Южной Рыбе) – «рот рыбы», Ахернар (в Эридане) – «конец реки», и т. д. В некоторых случаях толкование названий настолько запутано, что требуется большая историко-филологическая работа по восстановлению их генезиса. Пример тому – Бетельгейзе (в Орионе): ряд исследователей считает, что средневековые переписчики внесли ошибку в арабское название звезды, в результате теперь оно неверно толкуется как «подмышка гиганта».

В большинстве своем звезды с именами – это наиболее популярные, ярчайшие звезды, но есть и исключения: группа тусклых звезд в созвездии Телец – Альциона, Астеропа, Атлас, Майя, Меропа, Плейона, Тайгета и Электра – это знаменитые Плеяды, симпатичное звездное скопление.

Особый интерес астрономы проявляют к звездам, которые изменяют свой блеск. Причины этой переменности бывают разными. Звезда «Мира» в созвездии Кит – это пульсирующее светило, размер и температура поверхности которого регулярно меняются. Алголь в Персее – это система из двух звезд, периодически заслоняющих друг друга.

Начав в конце XVI в. детальное изучение неба, астрономы столкнулись с необходимостью иметь обозначения для всех без исключения звезд, видимых невооруженным глазом, а позже – и в телескоп. Сначала, подражая астрономам эпохи Птолемея, пытались описательными выражениями указывать положение звезды в созвездии. Например, про Миру говорили «переменная звезда в шее Кита». Получалось неуклюже. Давать всем важным звездам отвлеченные собственные имена тоже неудобно: такое имя ничего не говорит о положении звезды на небе. Решили в имя звезды включать название созвездия и греческой буквой отмечать ее яркость (астрономы говорят – блеск). В прекрасно иллюстрированной «Уранометрии» Иоганна Байера (1572–1625), где изображены созвездия и связанные с их названиями легендарные фигуры, звезды впервые были обозначены буквами греческого алфавита приблизительно в порядке убывания их блеска: ? – ярчайшая звезда созвездия, ss – вторая по блеску, и т. д. Так, Мира получила имя «Омикрон Кита» (о Cet). Когда не хватало букв греческого алфавита, Байер использовал латинский. Полное обозначение звезды по системе Байера состоит из буквы и латинского названия созвездия. Например, Сириус – ярчайшая звезда Большого Пса (Canis Major) – обозначается как ? Canis Majoris (родительный падеж), или сокращенно ? СМа; Алголь – вторая по яркости звезда в Персее, обозначается как ss Persei, или ss Per. Система Байера оказалась удобной; ею пользуются до сих пор для обозначения ярких, визуальных звезд.

Позже Джон Флемстид (1646–1719), первый Королевский астроном Англии, занимавшийся определением точных координат звезд при их прохождении через меридиан, ввел систему обозначений, не связанную с блеском звезды. В каждом созвездии он пометил звезды номерами в порядке увеличения их прямого восхождения, т. е. в том порядке, в котором они в процессе своего суточного движения проходят перед неподвижным наблюдателем. Так, Арктур, он же ? Волопаса (? Bootes), обозначен по Флемстиду как 16 Bootes. На современных картах звездного неба обычно нанесены древние собственные имена ярких звезд (Сириус, Канопус…) и греческие буквы по системе Байера; обозначения латинскими буквами по Байеру используют редко. Остальные, менее яркие звезды обозначают цифрами по системе Флемстида.

Изображая звезды на картах неба, астрономы всегда стремились отразить их относительный блеск. При этом всегда яркие звезды изображались более крупными, чем тусклые, и это понятно. А вот внешний вид условного знака менялся. В атласах, составленных до изобретения телескопа, звезда изображалась в виде многолучевой звездочки, что соответствует восприятию звезды невооруженным глазом (рис. 1.12). В эпоху визуальных наблюдений в телескоп вид условного знака, изображающего звезду, стал более круглым, с едва намеченной внутри круга лучевой структурой. А с изобретением фотопластинки и началом регистрации звезд с помощью астрографов изображения звезд в атласах стали просто кружками разного диаметра, как на фотопластинке. Это можно увидеть на картах конца XIX в.: в атласе Мессера (см. рис. 1.8) звезды постоянного блеска изображены черными кружками (негатив!), причем размер кружка пропорционален блеску звезды. Кольца на этой карте – это переменные звезды, перечеркнутые кружки – двойные звезды, пунктирные кружки – туманности, а пунктирные звездочки – звездные скопления.

Рис. 1.11. Джон Флемстид.

По мере подготовки все более подробных каталогов звездного неба, содержащих данные о более тусклых звездах, в научную практику регулярно вводятся новые системы обозначений, принятые в каждом из этих каталогов.

Рис. 1.12. Изображение не существующего ныне созвездия Корабль Арго в «Уранометрии» Иоганна Байера (1603 г.).

Поэтому весьма серьезную проблему представляет перекрестная идентификация звезд в разных каталогах: одна и та же звезда может иметь десятки различных обозначений. Создаются специальные базы данных, облегчающие поиск сведений о звезде по различным ее обозначениям; наиболее полные такие базы поддерживаются в Центре астрономических данных в г. Страсбуре, Франция (cdsweb.u-strasbg.fr).

Некоторые выдающиеся (но отнюдь не самые яркие) звезды изредка называют именами астрономов, впервые описавших их уникальные свойства. Например, «Летящая звезда Барнарда» названа в честь американского астронома Эдуарда Эмерсона Барнарда (1857–1923), обнаружившего ее рекордно быстрое собственное движение на небе. Любопытно, что великолепный наблюдатель Барнард открыл немало и других интересных звезд, к которым «приклеилось» его имя. Например, в 1900 г. он заметил яркую голубую звезду в шаровом скоплении Мессье 13. Поскольку ярчайшие звезды шаровых скоплений – это красные гиганты, т. е. состарившиеся звезды типа Солнца, обнаружение голубой, а значит, горячей яркой звезды в шаровом скоплении стало сенсацией, и за ней закрепилось имя «Голубая звезда Барнарда». Она оказалась первым представителем нового класса звезд. А позже были выделены и «желтые звезды Барнарда». Именно поэтому, говоря о звезде Барнарда, следует уточнять, о какой из них идет речь.

Следом за «Летящей Барнарда» по скорости собственного движения идет «звезда Каптейна», названная в честь обнаружившего этот факт нидерландского астронома Якобуса Корнелиуса Каптейна (1851–1922). Известны также «Гранатовая звезда Гершеля» (? Сер, очень красная звезда-гигант), «звезда ван Маанена» (ближайший одиночный белый карлик), «звезда ван Бисбрука» (светило рекордно малой массы), «звезда Пласкетта» (рекордно массивная двойная звезда), «звезда Бэбкока» (с рекордно сильным магнитным полем) и еще некоторые, в сумме – около двух десятков замечательных звезд. Следует учесть, что эти имена никем не утверждены: астрономы используют их «неофициально», как знак уважения к работе своих коллег.

Рис. 1.13. Эдуард Барнард.

Особый интерес при изучении эволюции звезд представляют переменные звезды, изменяющие со временем свой блеск. Для них принята специальная международная система обозначений. Ее стандарт установлен «Общим каталогом переменных звезд», который уже многие десятилетия поддерживают московские астрономы (интернет-адрес: www.sai.msu.su/groups/cluster/gcvs/gcvs или lnfm1.sai.msu.ru/GCVS/gcvs). Переменные звезды обозначают латинскими прописными буквами от R до Z, а затем комбинациями каждой из этих букв с каждой из последующих от RR до ZZ, после чего используются комбинации всех букв от А до Q с каждой последующей, от АА до QZ (из всех комбинаций исключается буква J, которую легко спутать с буквой I). Число таких буквенных комбинаций равно 334. Поэтому, если в каком-то созвездии открыто большее число переменных звезд, они обозначаются буквой V (от variable — переменный) и порядковым номером, начиная с 335. После каждого такого кода добавляется трехбуквенное обозначение созвездия, в котором расположена звезда: R CrB, S Саг, RT Per, FU Ori, V557 Sgr и т. д. Яркие переменные из числа звезд, обозначенных греческими буквами (по Байеру), иных обозначений не получают. По этой системе обозначают переменные звезды только нашей Галактики. В других галактиках выявлять переменные звезды трудно (из-за больших расстояний), поэтому для них система обозначений еще не сложилась.

Такова вкратце астрономическая традиция звездных имен.

Звезды на продажу

Однажды мне на работу позвонил незнакомый молодой человек, представился «простым российским коммерсантом» и вежливо спросил: «Где можно купить звезду?» Почувствовав мое замешательство, он пояснил: «Разумеется, не саму звезду, а ее название. Я хотел бы, чтобы имя моей жены присвоили одной из звезд. Я слышал, что это возможно. Деньги у меня есть, но обращаться к проходимцам опасаюсь. Поэтому позвонил сразу вам – профессиональным астрономам. Ведь звезды – это ваш бизнес?» Я подтвердил, что изучением звезд мы занимаемся, но присваивать им имена, да еще за деньги – такой «услуги» у нас нет. «Как же так? – изумился мой собеседник. – Я сам видел объявления о том, что можно купить имя для звезды. Их продают фирмы в Парке культуры и, кажется, при Московском планетарии. Но я решил, что у вас-то это будет понадежнее».

Далее он рассказал, что продажей звезд в Москве занимается некое АО «Космос – Земля», то самое, что «приземлило» ракетоплан «Буран» в Парке культуры имени Горького, а теперь оно готово продавать имена звезд любому желающему. Оплатив услугу по таксе (см. ниже), вы получаете сертификат, который «свидетельствует, что [такой-то гражданин] является полноправным владельцем наименования звезды», и дальше следуют ее данные: звездная величина, координаты, созвездие. «Звезде присвоено имя [такое-то, по усмотрению покупателя]». Под этим документом стоит подпись президента АО «Космос-Земля» знаменитого космонавта № 2 генерала Германа Титова.

Признаюсь, в тот момент я не до конца поверил услышанному: рассказ незнакомца показался мне каким-то бредом. Но все это оказалось чистой правдой: спустя несколько дней в почтовом ящике я нашел рекламную газету «Центр-плюс» (1997, № 32,22 авг.), сообщавшую о получении ею сертификата из Парка культуры. В бумаге утверждалось, что звезде 12,9 звездной величины из созвездия Андромеды (координаты: склонение +25° 47? 18? и прямое восхождение 12^h 46^m 40,1^s) дано имя

этой газеты. Журналисты по этому поводу не могли сдержать своего восторга (или умело его имитировали): «Звезде присвоено имя газеты „Центр-плюс“. Сертификат серии 01 № 0021 подписал летчик-космонавт номер два – Герман Титов. Это – правда, и потому – фантастика! Никто из нас не ожидал, честное слово! Мы взволнованы. Послушайте! Ведь если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно?»

Прочитал я это, и сразу захотелось перефразировать поэта: «…если звезды называют, значит, это кому-нибудь нужно!» Зажигать звезды – дело хлопотное. Гораздо проще и прибыльнее продавать в розницу их имена. Впрочем, даже в таком несложном деле, не имея навыков, можно попасть пальцем в небо. Газету «Центр-плюс» надули дважды: во-первых, ее имя не появится на небе, а во-вторых, его попытались присвоить несуществующей звезде! В области неба с указанными координатами нет не только захудалой звезды, но даже упомянутого созвездия!

К сожалению, во время телефонного разговора я еще не знал про этот казус с газетой, иначе бы мы с моим собеседником хорошо посмеялись. На его вопрос, кто вправе давать звездам имена, я ответил, что, вообще говоря, это вправе делать любой человек: ни у кого нет монополии на имена звезд. Если вы хотите называть Полярную звезду именем своей возлюбленной или тещи, никто вам этого не запретит. Вы можете сообщить это имя своим знакомым, и если ваша идея им понравится, то и они вправе называть эту звезду так же, как вы. Но нужно иметь в виду, что астрономы ее так называть не будут – в свои каталоги и небесные карты они не станут вносить исправления. Каким бы благозвучным ни было новое имя, астрономы сохранят традиционное, исходя из чисто практических соображений: они не хотят, подобно географам, постоянно переделывать свои карты сообразно с чьими-то политическими и коммерческими интересами. Бедным географам приходится составлять таблицы идентификации имен одних и тех же объектов, носящих в разных странах разные названия (обычно это острова и проливы).

Я признался собеседнику, что за прошедшие столетия мы уже немало начудили с именами звезд. Самые яркие светила, как правило, имеют несколько имен, причем у каждого древнего народа оно свое: например, название а Ориона – Бетельгейзе, как уже говорилось, принято выводить из арабского «подмышка гиганта», а у бушменов эта звезда называется «Самка антилопы». Есть у ярких звезд и несколько научных обозначений в соответствии с каталогами, в которые они занесены. Например, Капелла – она же а Возничего в каталоге И. Байера (1603 г.), 13 Aurigae по каталогу Д. Флемстида (1725 г.), ADS 3841А в Каталоге двойных звезд Р. Г. Эйкина (1932 г.), КЗП I 100460 в «Каталоге звезд, заподозренных в переменности блеска» (Москва, 1951 г.), и т. д. У некоторых звезд наименований не меньше, чем кличек у закоренелого рецидивиста. При таком разнообразии обозначений не всегда удается понять, идет ли речь об одном и том же или о разных объектах. Поэтому астрономы часто предпочитают именам звезды ее небесные координаты: значительно проще и надежнее отождествлять объект по его «месту прописки» на небе. В этом чувствуется что-то родственное нашей паспортной системе. Звезды приписаны к своим местам, и имен им, вообще говоря, не требуется. Поэтому звездам собственных названий не дают. Это не закон, а традиция, но никто из профессионалов и даже любителей астрономии не собирается ее нарушать.

Мы поговорили еще минут пять; я объяснил, а умный человек понял ситуацию. «Жаль, – сказал он, прощаясь, – хотел подарить звезду любимому человеку, но теперь понимаю, что за деньги имя звезде не дашь. Ну что же, буду искать другой подарок». Я пожелал ему удачи и подумал, что, скорее всего, мое пожелание сбудется: во-первых, у молодого коммерсанта есть чутье на грязный бизнес – недаром он не «клюнул» на посулы фирм, торгующих звездами, а во-вторых, это настоящий романтик: решил достать для любимой звезду с неба! Для такого человека будут открыты сердца людей, а это в бизнесе немаловажно.

Разговор наш закончился, однако к прерванной работе я вернулся не сразу: все думал – а кто же действительно вправе присваивать звездам имена? Кто или что может такое право дать? Народная мудрость учит: права не дают – их берут! Обратившись к истории, мы увидим, что любая насильственная смена власти – революция – первым делом давала новые имена улицам, городам, странам, месяцам года и даже звездам. К примеру, после 1917 г. предлагали звезду Антарес назвать Звездой Великой Октябрьской Революции; она, видите ли, ярко-красная и видна в лучах заходящего Солнца около дня исторического переворота – 7 ноября. Слава богу, идея не прижилась: навязанные сверху названия живут недолго. В памяти людей остаются только заслуженные имена: закон Ома, регулятор Уатта, лошадь Пржевальского. То, что человек открыл или изобрел, по праву должно носить его имя. И вот что любопытно: как правило, эти имена не «даются», а как-то сами «пристают» к изобретениям и открытиям.

В небесных делах, в общем, такие же порядки: астрономические приборы и методы часто называют именами их создателей: телескоп системы Ньютона (или просто – ньютоновский телескоп), телескоп Максутова, камера Шмидта, диафрагма Гартмана, диаграмма Герцшпрунга – Рассела, облако Оорта. Существует традиция называть именами первооткрывателей некоторые неожиданно появляющиеся объекты, скажем, кометы. Это стимулирует их поиск, особенно среди любителей астрономии, и служит ловцу комет достойной наградой за нелегкий труд. Но звездам сегодня никто личных имен не дает.

А, собственно, почему? Почему бы не назвать звезду именем своей любимой? Пусть даже за деньги: труд звездочета должен оплачиваться. А нельзя ли по сходной цене купить участок земли на Луне, Венере или Марсе? Поскольку подобные вопросы не приходили ученым в голову, то и ответа на них раньше нигде нельзя было отыскать. Поэтому и нашлись деловые люди, которые решили наладить небесный бизнес. Звездная коммерция стартовала в 1979 г. в виде лондонской компании International Star Registry. Дело широко развернулось в начале 1990-х гг. и довольно быстро через Интернет охватило весь мир. Различные издания, в зависимости от своей респектабельности, либо спешат предупредить доверчивую публику и высмеивают лукавых коммерсантов, либо с умилением пишут о новых именах звезд – «Юрий Лужков», «Ван Клиберн», «Ирина Слуцкая»… Людям могущественным или знаменитым звезды дарят в рекламных целях, а остальным предлагают купить. И ведь покупают! Расценки в АО «Космос – Земля» на этот товар на начало 2008 г. перед вами.

В этом тарифе прослеживается простая закономерность, которая без труда позволяет оценить стоимость присвоения имен самым ярким светилам: звезды 2^m стоят порядка 1 млн руб. Для справки: ярких звезд от 1^m до 4^m на небе мало – около 600. Многие из них, как мы уже знаем, имеют традиционные имена (Полярная, Альдебаран, Спика, Фомальгаут и т. п.), на оставшихся безымянными ярких звездах больших барышей не получишь. Поэтому в рекламных целях полезнее дарить яркие звезды знаменитостям, что и происходит. Зато тусклых звезд много: например, звезд 6^m около 4000, 9^m – около 100 тыс., а 12^m – более миллиона! Если распродать все звезды до 9^m, без труда заметные в любой бинокль, выручка только за факт «присвоения имени» составит около 1,5 млрд руб. А ведь при покупке каждого имени нужно еще оплатить диплом и его доставку (от 1 до 9 тыс. руб.); можно заказать «Паспорт звезды» (ее исторические и физические характеристики) – цена около 6000 руб; фото звезды в рамке – 1500 руб.; «Звездный каталог» – от 3 до 12 тыс. руб. Напомню, что курс доллара и евро в 2011 г. составляет соответственно около 30 и 40 руб. Думаю, приведенных цифр достаточно, чтобы оценить размах этого непыльного бизнеса.

Пиар-поддержку этой торговли осуществляют некоторые из нынешних космонавтов, которые вовсе не гнушаются продажей звезд: заявлено, что «документы на звезды, видимые невооруженным взглядом (VIP) вручаются космонавтами РФ». Что тут скажешь? Космонавты всегда были народными героями, а первые космонавты – кумирами. Как можно сомневаться в ценности «Сертификата на право владения наименованием звезды», если под ним стоит подпись легендарного космонавта Германа Титова, ныне покойного, а вручает вам эту замечательную бумагу молодой герой космоса?

Торговля именами звезд приняла сейчас такие масштабы, что на это обратила внимание солидная научная организация – Международный астрономический союз (MAC), объединяющий около 10 000 профессиональных ученых из 87 стран – то есть практически всех действующих астрономов мира. На своем сайте ученые разместили специальную страницу (www.iau.org/IAU/FAQ/starnames.html), посвященную практике присвоения имен небесным объектам и незаконности торговли ими. Вот выдержки из этого сообщения.

«О фактах присвоения имен звездам»

Международный астрономический союз получает все возрастающий поток писем от частных лиц, желающих купить звезду или присвоить ей имя. MAC знает, что некоторые коммерческие организации предлагают такие услуги за определенную плату. На самом же деле присвоенные таким образом „имена“ не имеют никакой официальной ценности: некоторые яркие звезды уже имеют древние, как правило, арабские имена, а остальные называют по их номеру в каталоге или по координатам их положения на небе. Генеральному секретарю MAC стало известно, что некоторые из этих компаний сообщают клиентам, что MAC знает, одобряет и даже сотрудничает с ними в деле „торговли“ именами звезд. Поэтому MAC категорически заявляет, что это – ложь, не имеющая под собой никаких оснований.

Во всех случаях, ставших нам известными, мы посылали соответствующей компании письменное заявление о том, что все ссылки на MAC незаконны и должны быть немедленно прекращены. Если компания, несмотря на предупреждение, продолжает свою скверную практику, то это является бесстыдным правовым нарушением, которым должно заинтересоваться центральное или местное агентство по защите прав потребителя. Некоторые агентства уже провели мероприятия против подобных компаний, обманывающих своих клиентов. MAC с благодарностью примет документально подтвержденную информацию о случаях незаконного использования своего имени и будет бороться со всеми злоупотреблениями подобного рода всеми доступными способами.

Принимая во внимание, что только в нашей Галактике имеется примерно 100 000 000 000 звезд, совершенно ясно, насколько абсурдна „продажа“ звезд или их имен. В принципе, в Галактике могут быть и другие существа, конкурирующие на этом рынке. Звезды нельзя отгородить забором, забрать домой или запереть в подвале. Подобно многим прекрасным вещам, красота ночного неба – не для продажи, а для наслаждения всех людей, живущих на Земле. И это касается не только отдельных звезд, но и звездных скоплений и галактик. К тому же сейчас появилась возможность исследовать звездное небо, не выходя из дома. Электронный планетарий с обзором всего неба можно совсем недорого купить на CD. Это позволит вам „бродить“ среди миллионов светил на экране вашего компьютера. Именно эти карты и составляют базу данных некоторых компаний, торгующих именами звезд. Так зачем же платить за одну звезду, если можно получить их много?

Несмотря на приведенные выше разъяснения, в последнее время мы все равно получаем запросы в связи с продажей имен звезд. Для потенциальных покупателей мы предлагаем следующий список часто задаваемых вопросов и наших ответов на них, касающихся покупки имен звезд или других небесных объектов.

? Каково законное положение дел в этой области?

MAC является единственной международно признанной организацией, уполномоченной давать названия небесным телам и деталям на их поверхности. Имена не продаются, а присваиваются по принятым международным правилам.

? Что это означает на практике?

Все очень просто: имена, присваиваемые MAC, признаются и используются всеми учеными, космическими агентствами и властями по всему миру При наблюдениях звезд и планет, при запуске к ним космических аппаратов, при репортажах о них в новостях используются как раз имена небесных тел, присвоенные MAC. Эти правила твердо установлены и закреплены юридическим правом, действующим в первую очередь внутри Солнечной системы, на которую распространяется и конвенция ООН. Создатели международного права заняты более насущными делами, чем разработка строгих правил „торговли“ недосягаемыми уголками бесконечного пространства. Поэтому не существует письменного текста, который можно было бы переврать и неправильно интерпретировать, а есть только простой и четкий факт.

? Но если я все же очень хочу; то могу ли я купить имя звезды?

Естественно, найдется немало людей, которые будут счастливы продать его вам! Однако…

? А можете вы сказать, кто и где?

Извините, но мы – научная организация, имеющая дело с реальными фактами. Мы не собираем адреса компаний, торгующих фиктивным товаром.

? Я сам нашел продавца; что я получу от него?

Довольно дорогой лист бумаги и кратковременное удовольствие, как в случае, когда вы предпочтете выпить чашку чая вместо предписанного врачом лекарства. Но в данном случае вы не рискуете заболеть, а всего лишь теряете деньги.

? Но это имя уникально, не так ли?

Если вам попалась умная компания, то в ее списке это имя будет уникальным. Иначе вы можете подать на нее в суд. Для каждого, кто хочет купить имя звезды, найдется более чем достаточно звезд. Но ни одна страна, ни одна власть или ученый во всем мире не признают и не используют «ваше» имя звезды. И нет препятствий для того, чтобы ваш или какой-либо другой продавец не продал «вашу» звезду другому покупателю. А что если на иных планетах во Вселенной есть такие же ловкие бизнесмены?..

? Я слышал от других покупателей, что имя сохраняется навечно.

Простите, но это не так. Имя, за которое вы заплатили, может быть проигнорировано, забыто или продано опять и опять после вашей (или того человека, в честь которого вы купили имя этой звезды) смерти, как, впрочем, и до нее.

? Признает ли суд мое право на имя звезды, за которое я заплатил?

Попробуйте связаться с вашим адвокатом. Он или посмеется над вами, или посоветует вложить деньги во что-нибудь более продуктивное.

? Что вы скажете о компаниях, предлагающих купить участки на поверхности Луны или некоторых планет? Они не так далеки, как звезды, и я, конечно, могу владеть участком, который купил?

См. ответ на предыдущий вопрос.

? MAC претендует на то, что отвечает за все вопросы, связанные с небом; почему вы ничего не предпринимаете в этом случае?

Простите, но как бы нам этого ни хотелось, мы понимаем, что MAC не может искоренить шарлатанство. Оно жило и процветало веками во многих обличиях и зачастую причиняло большую опасность здоровью и жизни людей. Все, что мы можем сделать, – это предостеречь людей и попытаться предотвратить наиболее злостное использование нашего имени и научной репутации».

После этого разъяснения становится ясно, что покупать имя звезды – значит попросту отдавать свои деньги проходимцам. Впрочем, нужно признать, что сама мысль о торговле звездами – это, безусловно, перспективная, богатая коммерческая идея. Звезды – товар надежный: они неприхотливы в хранении, долго не теряют товарного вида, имеют немалый гарантийный срок (в среднем 10 млрд лет!) и достаточно удалены как от рэкетиров, так и от государственных инспекций. Только в нашей Галактике более 100 млрд звезд, из которых 99 % до сих пор безымянны, – есть где развернуться бизнесу! И он разворачивается: недавно, кроме звезд, «на прилавок выбросили» участки на Луне, Марсе, Венере, Меркурии и даже спутнике Юпитера Ио, в общем – на всех телах, чьи подробные карты создали и опубликовали астрономы. Продажей участков на планетах в России занимается «Лунное посольство», представляющее американскую компанию The Lunar Embassy. Участок лунной поверхности площадью в 1 акр (40 соток) стоит 3900 руб. При этом выдается «Свидетельство о собственности» на этот участок! Хочется верить, что найдутся грамотные юристы, которые на основе международных соглашений по космосу и закона о защите прав потребителя прикроют грязный бизнес АО «Космос – Земля», «Лунного посольства» и им подобных.

Но небесные объекты, как мы уже говорили, часто носят имена людей: кометы Галлея, Веста, Хейла – Боппа, астероиды Вивальди, Рахманинов, Стравинский, лунный кратер Королев, марсианский кратер Гусев… И о звездах с человеческими именами речь уже шла: звезды Каптейна, Гершеля, ван Маанена. Как же эти люди смогли «разместить» свои имена на небе? А вот как…

Астрономическая номенклатура

Не то меня удивляет, что астрономы пооткрывали разные планеты, а то, что они каким-то образом узнали их названия.

Юлиан Тувим

Названия небесных объектов – неисчерпаемая тема для исследования филологов и историков науки. Особенно глубоко уходят в прошлое имена светил, наблюдаемых невооруженным глазом; здесь у каждой эпохи и у каждого народа свои традиции, для первого знакомства с которыми можно рекомендовать книгу Ю. А. Карпенко «Названия звездного неба» (М.: Наука, 1981). По мере развития астрономии обнаруживались новые типы объектов, для них изобретались названия и новые имена. В последние годы этот процесс ускорился по двум причинам: профессиональные астрономы с помощью автоматизированных телескопов стали обнаруживать новые объекты в значительно большем количестве, чем раньше, а любители астрономии, связанные через Интернет друг с другом и с профессионалами, стали чаще предлагать альтернативные названия для известных объектов взамен их сухих каталожных обозначений. Мы не станем слишком глубоко вдаваться в эту тему, а укажем лишь основные факты.

Имена людей или мифических героев принято присваивать только объектам Солнечной системы: планетам и их спутникам, астероидам, кометам, а также деталям на их поверхности – горам, кратерам, долинам и т. п. Например, все планеты и их спутники носят мифологические имена – Венера, Юпитер, Ганимед и др. Лунные кратеры в основном названы именами астрономов, естествоиспытателей и космонавтов. Практически все названия на Венере посвящены женщинам – как мифическим, так и реальным.

Прежде чем присвоить новое имя, его обсуждает авторитетный международный коллектив астрономов – Рабочая группа по названиям астрономических объектов Международного астрономического союза. Она следит, чтобы кандидатуры для увековечения на небе были достойными. Обычно присваиваются имена умерших людей, причем имя объекта утверждается не ранее, чем через 3 года после смерти человека, чтобы успело сложиться объективное отношение к его личности. В виде исключения используются имена ныне здравствующих людей при наличии несомненных заслуг: именно поэтому некоторые кратеры на Луне носят имена космонавтов и астронавтов.

Имена планет

Само слово «планета» греческого происхождения; так древние греки называли странников, бродяг, путешественников. Отсюда и «planetes aster» – блуждающая звезда. В старину на Руси этот термин давали в переводе; писали «переходная звезда», позже – «блуждающая», «блудячая», «бродячая» или «движимая» звезда. Но уже в XI–XIII вв. использовалось и греческое слово, произносившееся тогда по-русски как «планитис», мужского рода и с гласными и. Однако древние греки говорили «планэтэс»; в таком звучании это слово позаимствовал у них латинский язык. Так что современное слово «планета» пришло к нам из латыни через западноевропейские языки, и случилось это не позже XVI в.

Древние знали пять «блуждающих звезд» – Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, легко заметных для невооруженного глаза (впрочем, в наших широтах заметить Меркурий не так уж легко). При точном целеуказании и хороших условиях наблюдения можно заметить и Уран, имеющий блеск 5,5^m (хотя до изобретения телескопа и даже в течение двух веков после его изобретения распознать в Уране планету никто не смог). Однако с древности планет насчитывалось семь, поскольку астрономы в старину называли планетами также Луну и Солнце.

Слово «Луна» очень древнее; в латинском языке luna некогда имело форму luksna и было прямо связано с lux — свет, блеск. Его родственник – русское слово «луч». Луна в русском языке имеет и второе название – «месяц», как полагают, еще более древнее. Ученые прослеживают его связь с индоевропейским праязыком, в котором слово «Мес» служило названием Луны. Этот же корень встречается в словах «мера», «мерить». Возможно, это связано с циклическим изменением лунных фаз, позволяющим измерять время, вести календарь, недаром само слово «месяц» стало употребляться в значении «двенадцатая часть года». Обычно мы называем луной ночное светило в полной фазе, в виде светлого круга, а словом «месяц» обозначаем его, когда видим в виде тонкого серпа.

В отличие от Луны, Солнце имеет только одно имя. Славянское слово «Солнце» образовано от древнего индоевропейского корня sau – светить. По-латыни Солнце – sol. Славяне же ввели в название Солнца уменьшительные суффиксы – н– и – ц-, так что его эмоциональная окраска теперь соответствует слову «оконце». Мы этого не улавливаем, как в случае «окно – оконце», поскольку другой формы у слова «Солнце» нет, но, говорят, в древности она была. В современном языке существует еще более «ласкательная» форма – «солнышко». Историки считают появление этих форм небескорыстным: так наши предки задабривали могучее светило. Но мне кажется, что причина этого не столько в страхе перед Солнцем, сколько в радости от его появления.

Но вернемся к «настоящим» планетам. Привычные для нас имена пяти ярких планет имеют древнеримское происхождение. Меркурий – бог римского пантеона, соответствовал греческому Гермесу, но греки времен Пифагора (VI в. до н. э.) называли эту планету «Стилбон», т. е. «сверкающий», «искрящийся». Для Венеры, позже названной в честь римской богини красоты, аналога греческой Афродиты, у древних греков было два имени: Геспера (вечер) и Фосфора (несущая свет) или Эосфора (несущая утро). Вплоть до Пифагора греки считали, что это два разных светила: одно появляется после захода Солнца, а другое – перед его восходом. Гипотезу о том, что это одна планета, приписывают Пифагору.

Во всем мире люди, как правило, повторяли ошибку древних греков, считая Венеру двумя разными светилами. К примеру, как «утреннюю звезду» русский народ знает Венеру под названиями «Утренняя заря», «Утренняя звезда», «Утреница», «Утренняя зарница» или просто «Зарница», «Зарянка», «Зурница» и др. Как вечернюю звезду Венеру в России называли «Вечерняя заря», «Вечерняя звезда», «Вечерница», «Вечерняя зарница». Подобным образом Венеру называют многие народы, но есть и особенности. Например, многие тюркские народы называют утреннюю Венеру Пастушьей звездой: с ее появлением пастухи выводят скот на пастбище. Впрочем, у некоторых народов встречаются названия Венеры, объединяющие утреннюю и вечернюю звезды: по-арабски Венера – Зухра. Пройдя через несколько языков и изменив звучание, это слово на Руси превратилось в «Чигирь» или «Чигирь-звезду».

Ярчайшая из планет, Венера единственная из всех бывает видна на фоне беззвездного фиолетового неба сразу после заката или непосредственно перед восходом Солнца. В компании с ней в эти моменты может быть виден только месяц. Поэтому она получила немало соответствующих названий: «Слуга месяца», «Подруга месяца» (в Польше), «Жена месяца» (в Африке). В русской сказке мы встречаем прекрасную дочь Месяца и сестру Солнца, которую добывал хитроумный Иванушка из «Конька-Горбунка», – это планета Венера! Другой сюжет – красавица из пушкинской сказки, у которой «во лбу звезда горит». Вообще, существует целый пласт легенд, навеянных Венерой, причем он постоянно обновляется: многие легенды XX в. об НЛО также связаны с Венерой.

Марс – римский бог войны, аналог греческого Ареса. Древние греки называли эту планету «Пирой» (огненный, пламенный), вероятно, из-за ее красного цвета. Поскольку Венера видна лишь по утрам и вечерам, место ярчайшего светила среди ночи принадлежит Юпитеру Отсюда и его древнегреческое имя – «Фаэтонт» (блистающий, лучезарный). А именем Сатурна было «Фенонт» (сияющий). Так что самый древний ряд планет у греков выглядел так: Стилбон, Геспер, Пирой, Фаэтонт, Фенонт. Позже, познакомившись с культурой Двуречья, греки узнали, что вавилонские астрономы, существенно опередившие их в науке, называют планеты именами своих богов. Тогда греки стали называть планеты именами богов, – разумеется, уже своих, а не вавилонских. Так возник ряд: Гермес, Афродита, Арес, Зевс (аналог Юпитера) и Кронос (отец Зевса, в римской мифологии – Сатурн).

Позаимствовав науку у греков, римляне выстроили свой ряд планет, ставший теперь общепризнанным: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Даже старое «раздвоенное» представление о Венере как вечерней и утренней звезде было выражено на латинском по греческому образцу: Веспер («вечер» и «вечерняя звезда») и Люцифер («несущий свет» и «утренняя звезда»; сатаной Люцифер стал значительно позже, уже в мифах христианской религии). Что касается Гермеса, то он был заимствован как покровитель торговли у греков, но вошел в римский ряд планет под именем Меркурий, образованным от латинского слова тегх – «товар».

Таково происхождение названий пяти ярких планет. Шестую планету открыл в XVI в. Николай Коперник – это Земля! Древнейшее славянское слово «земля» восходит к понятиям «низ, поверхность». Сначала этим словом обозначали небольшие участки, а затем и большие территории (Новгородская земля), вообще сушу и даже весь мир. Но смысл «планета» появился у него лишь после выхода работы Коперника «Об обращениях небесных сфер» (1543 г.).

Две самые дальние планеты – Уран и Нептун – были открыты уже в новое время, около 200 лет назад, и ученым пришлось специально изобретать для них названия. По поводу Урана Ю. А. Карпенко пишет: «Выдающийся английский астроном Вильям Гершель (1738–1822), открывший в 1781 г. седьмую планету Солнечной системы, оказался плохим имятворцем. Он решил подарить эту планету своему королю и назвал ее Георгиевой звездой, по-латыни Georgium sidus. И термин sidus, преимущественно означающий „звезда“, и король в названии планеты были абсолютно неуместны, поэтому название не получило в астрономии прав гражданства».

Зная непростую судьбу Гершеля, можно было бы более снисходительно отнестись к его неудачной попытке придумать название для новой планеты. Ганноверский немец по рождению, Вильям (Фридрих Вильгельм) Гершель в 19 лет эмигрировал в Англию и долгие годы был вынужден заниматься наукой как любитель, зарабатывая на жизнь как музыкант. Именно открытие Урана позволило ему полностью отдаться астрономии, поскольку за эту находку английский король Георг III сделал его своим личным астрономом и назначил ему пожизненную пенсию. Ну чем еще мог отблагодарить астроном своего покровителя? Не исключено, что Гершель понимал недолговечность такого названия, припоминая историю галилеевых спутников Юпитера, которые сам Галилей предлагал называть «Звездами Медичи». Так оно и вышло. Вскоре после открытия Гершелем новой планеты российский астроном А. И. Лексель предложил называть ее Нептуном Георгия III или Нептуном Великобритании, но это предложение не было поддержано: названия показались слишком длинными и неудачными по смыслу. Тогда французский астроном Ж. Лаланд предложил дать планете имя «Гершель», но и эту идею не поддержали, поскольку она нарушала традицию. И вот немецкий астроном Иоганн Боде придумал для новой планеты, движущейся за Сатурном, имя – Уран. Хотя этот бог не из римского пантеона, а из греческого, по смыслу название очень подходило: согласно мифу, отцом Зевса-Юпитера был Крон-Сатурн, а его отцом – Уран. Вот так и стала седьмая планета Ураном.

Рис. 1.14. Вильям Гершель.

Восьмую планету, как известно, открыли «на кончике пера» в 1846 г. Французский астроном Урбен Леверье, теоретически определивший ее положение на основе наблюдений за движением Урана, сообщил свой прогноз немецкому астроному Иоганну Галле, и тот обнаружил новую планету на указанном месте. Робкая попытка назвать ее Планетой Леверье тотчас была отвергнута: сам Леверье предложил дать ей имя Нептун. Идея понравилась всем: поскольку генеалогическую линию Юпитер – Сатурн – Уран продолжать было невозможно (Уран не имел отца), то вернулись к братьям Зевса-Юпитера, одним из которых и был бог морей Нептун (у греков – Посейдон).

Кроме восьми больших, классических планет в Солнечной системе есть популяция планет-карликов (dwarf planets), получившая права гражданства в 2006 г. Прототипом этой новой группы тел стал Плутон, открытый в 1930 г. и в течение 76 лет считавшийся девятой планетой Солнечной системы.

Рис. 1.15. Персиваль Ловелл.

Что касается имени новой планеты, то, придумывая его, астрономы прошли уже ставший типичным путь – от имени автора открытия к имени персонажа мифов, но при этом впервые смогли найти компромиссное решение. Вообще-то открыл Плутон молодой американский астроном Клайд Томбо (1906–1997), работавший на Ловелловской обсерватории близ Флагстаффа (штат Аризона, США). Но это открытие стало итогом многолетней программы поиска «Планеты Икс» за Нептуном, начатой еще в 1905 г. основателем и владельцем этой обсерватории Персивалем Ловеллом (1855–1916). Дело в том, что, вдохновленные теоретическим открытием Нептуна, астрономы во второй половине XIX в. внимательно наблюдали за движением Урана и Нептуна, пытаясь обнаружить признаки возмущений со стороны еще более далекой планеты. Одно время казалось, что эти признаки найдены и что массивная транснептуновая планета действительно существует. Страстным энтузиастом ее поисков стал Ловелл, человек яркой и удивительной судьбы, талантливый предприниматель, дипломат, писатель и астроном. На собственной первоклассно оснащенной обсерватории он организовал поиски этой Planet X – так он сам ее называл.

После смерти Ловелла программа поиска Планеты Икс прекращалась и возобновлялась вновь, пока не завершилась 18 февраля 1930 г. открытием новой планеты за орбитой Нептуна. Правда, она оказалась совсем не такой крупной, как ожидалось, но это не разочаровало ни ее первооткрывателя Клайда Томбо, ни его коллег. Напротив, обнаружение новой планеты на Ловелловской обсерватории в канун 75-летия Персиваля Ловелла вызвало всплеск энтузиазма. Большая личная роль Ловелла в организации поиска новой планеты требовала каким-то образом увековечить его имя, и даже предлагалось назвать эту планету «Ловелл». Но астрономы и в этом случае проявили твердость и не отошли от традиции: новую планету, живущую на темной окраине Солнечной системы, назвали Плутоном. С точки зрения мифологии тут все идеально: Плутон – греческий бог подземного царства, брат Посейдона (Нептуна) и Зевса (Юпитера). Но при этом и Ловелл оказался увековечен: две первые буквы в имени планеты (Pluto) совпали с его инициалами – Percival Lowell, а графический знак планеты – Е или Е – не оставляет никаких сомнений в двойственном смысле названия девятой планеты. Разумеется, не был забыт и Клайд Томбо: в 1931 г. английское Королевское астрономическое общество наградило его золотой медалью.

После открытия Плутона Томбо с помощниками еще 14 лет продолжал поиск очередной, десятой планеты, но обнаружить ее не смог. Нельзя сказать, что работа была проделана зря: в ходе поисков было открыто 775 новых астероидов Главного пояса (в основном между орбитами Марса и Юпитера), но десятая планета не нашлась. Со временем и Плутон был лишен статуса нормальной планеты. Многие астрономы и любители науки были этим разочарованы и до сих пор возражают против «разжалования» Плутона. Мы еще вернемся к этой проблеме, а пока познакомимся с новым типом объектов – карликовыми планетами.

Рис. 1.16. Клайд Томбо у входа в башню 13-дюймового астрографа, с помощью которого был открыт Плутон. В руке у него деревянная кассета с фотопластинкой для этого телескопа.

Поначалу в эту группу вошли только три объекта: бывшая «нормальная» планета Плутон, бывший крупнейший астероид Церера и новооткрытая планета Эрида, обитающая на периферии Солнечной системы, за поясом Койпера. Некоторая система в их названиях в тот момент просматривалась: Плутон – греческий бог подземного царства, Церера – римская богиня урожая и производительных сил земли, а Эрида – греческая богиня раздора, дочка Ночи и внучка Хаоса. К лету 2009 г. к ним добавились еще две карликовые планеты: Хаумея – персонаж из гавайской мифологии, и Макемаке – божество из мифов острова Пасхи. География персонажей расширилась, но пока система их названий в общих чертах не нарушена: это по-прежнему герои мифов, но теперь уже разных народов мира. Однако в дальних уголках Солнечной системы может обнаружиться еще много карликовых планет. Хватит ли для их наименования имен мифологических персонажей? Вероятно, когда-нибудь эту традицию придется изменить подобно тому, как постепенно менялась традиция наименования астероидов.

Имена астероидов

Астероиды – малые тела Солнечной системы размером от нескольких сотен километров до совсем крошечных, вплоть до нескольких десятков метров. Новые астероиды открывают в основном астрономы-профессионалы, поскольку для этого необходимы солидные телескопы. Астероиду присваивается порядковый номер и по желанию первооткрывателя – имя. При этом имена малым планетам обычно предлагают сами первооткрыватели, но утверждает их профессиональный орган – уже знакомый нам MAC. Поэтому в каталогах астероидов можно найти имена великих ученых и инженеров, писателей и композиторов, артистов и врачей, мифических и литературных персонажей. При этом мне неизвестны случаи покупки имени для астероида.

Первые астероиды были открыты в начале XIX в.; продолжая планетную традицию, им тоже стали давать мифологические имена – Церера, Паллада, Юнона, Веста… Но астероидов обнаруживали все больше, мифологических имен уже не хватало, поэтому астероидам стали присваивать имена людей, в первую очередь ушедших из жизни и оставивших добрый след в истории человечества, а также и ныне здравствующих, но, разумеется, достойных: Евклид, ван Гог, Клэптон (который Эрик).

Любопытно, что, назвав первые астероиды именами мифических женщин, астрономы уже не могли остановиться и долго еще продолжали искать для астероидов только женские имена. В крайнем случае переделывали мужское имя на женский лад: так появились, например, Эдисона, Владилена (в честь В. И. Ленина), Симеиза (в крымском Симеизе находится известная обсерватория, в которой были открыты многие астероиды), Ефремиана (в честь ученого и писателя-фантаста Ивана Антоновича Ефремова) и т. п. Однако в последнее время от этой традиции отошли, и названия астероидов стали более благозвучными: Пикассо, Киселев, Перун, Грехемсмит, Ростовдон, Юрка (в честь астронома Юрия Сергеевича Ефимова)… Любопытно, как эти имена будут восприняты нашими потомками?

Не желая никого обижать, замечу, что имя астероида – это необязательный его атрибут, придуманный в угоду публике. В научных публикациях астрономы крайне редко используют эти имена, разве что самые популярные – Церера, Паллада, Веста, Эрос, Икар. Обычно же обходятся предварительными обозначениями или порядковыми номерами, которые астероиды получают по мере их открытия. Только в специальных каталогах можно найти соответствие номеров именам и узнать, например, что астероид 4147 носит имя Lennon, 4148 – McCartney, 4149 – Harrison, 4150 – Starr. Это постарались американские астрономы, поклонники «Битлз»: открыв в 1982 и 1983 гг. четыре астероида, они «вознесли на небо» Джона Леннона, Пола Маккартни, Джорджа Харрисона и Ринго Старра.

В последние годы для поиска астероидов используют автоматические телескопы; количество новооткрытых астероидов резко возросло, и многие их них пока не получили имен. Поэтому – внимание! – торопитесь сделать доброе дело для человечества, и тогда, возможно, ваше имя дадут маленькой планетке.

Имена комет

Наименование комет подчиняется иным правилам. Кометы – это огромные глыбы замороженных газов. Они прилетают к Солнцу издалека, на короткое время разогреваются его лучами и начинают интенсивно испаряться, демонстрируя нам свои газово-пылевые хвосты и давая астрономам редкую возможность изучать древнейшее вещество Вселенной, застывшее в ядре кометы миллиарды лет назад. Важно открыть комету вовремя. Упустишь эту возможность – комета промчится мимо Солнца и навсегда уйдет вдаль, в холодную бездну, унося с собой загадку своего рождения. Чтобы стимулировать поиск комет и не пропустить ни одной, им, наряду со специальным обозначением, присваивают имя первооткрывателя. Часто этой чести удостаиваются любители астрономии, готовые провести тысячи ночей у телескопа, чтобы принести пользу науке и, разумеется, оставить в истории свое имя. Честь и хвала им за это!

Первая из получивших имя комет названа в честь Эдмунда Галлея (1656–1742), знаменитого тем, что он первым догадался о ее периодическом возвращении к Солнцу через каждые 76 лет и верно предсказал ее очередной визит, чем сильно укрепил авторитет ньютоновой механики. Затем идут кометы известного «ловца хвостатых светил» Шарля Мессье (1730–1817). Иной раз комета носит два или даже три имени; это означает, что она была независимо и почти одновременно открыта несколькими астрономами. Правда, недавно решено было ограничиваться в названиях комет двумя именами ее первооткрывателей. Например, комета Веста – Когоутека 1993 г. была открыта европейскими профессиональными астрономами Рихардом Вестом и Любошем Когоутеком. Многие из нас своими глазами видели изумительно яркую и неторопливую комету, украшавшую небосвод зимой 1996–1997 гг. Ее открыли американские любители астрономии Алан Хейл (Клаудкрофт, штат Нью-Мексико) и Томас Бопп (Глендэйл, штат Аризона), поэтому ее назвали кометой Хейла – Боппа.

Кстати, в последние годы возможности для поиска комет расширились. Если раньше для этого увлечения требовался мощный бинокль или телескоп, а также место с хорошими условиями для наблюдения, то теперь можно бесплатно получать через Интернет свежие фотографии неба и исследовать их при помощи компьютера. Особенно продуктивным оказалось изучение фотографий окрестностей Солнца, передаваемых с борта космической обсерватории SOHO. Уже немало любителей астрономии, в том числе и российских, открыли «свои» кометы именно так, не выходя из дома. Оказалось, что «достать звезду с неба» не очень сложно, было бы желание!

Имена звезд

Как мы уже убедились, у астрономов нет традиции давать звездам имена; выше говорилось об исторических именах ярких звезд и об их обозначениях на картах и в каталогах. Имя первооткрывателя или «достойного человека», как в случаях с кометами и астероидами, звездам не присваивают. Даже те несколько звезд, которые сегодня неофициально носят имена астрономов, большей частью были ими не открыты, а лишь детально исследованы.

Сказанное явно противоречит обычному представлению об астрономах как о «ловцах звезд». Обычно люди представляют себе работу астронома так: бородатый и укутанный в тулуп, сидит он одиноко ночи напролет у телескопа ради того, чтобы открыть новую звезду. В этой картине наиболее верная деталь – тулуп. Действительно, к каждому профессиональному телескопу обязательно приписан тулуп, а иногда и валенки, ибо главное в работе астронома – не замерзнуть. Что поделаешь, в разгар лета у нас почти нет наблюдений: ночи уж больно коротки. А весной и осенью, даже в сравнительно теплые ночи, за несколько часов неподвижного и напряженного бдения у окуляра телескопа легко одетые астрономы сильно замерзают. Что уж тут говорить о долгих зимних ночах…

Но если забыть о тулупе, то представление об астрономе как о наседке, «высиживающей» долгожданную звезду, не совсем соответствует действительности. И все же любопытные граждане нередко озадачивают своих знакомых астрономов вопросом: «А вы уже открыли свою звезду?», чем обычно ставят их в тупик. Впрочем, если астроном желает вызвать восхищение своей небесной профессией, он важно отвечает: «Да, открыл!» Но если ученый желает быть честным, ему придется объяснить, как обстоит дело в реальности. Открыть звезду довольно просто. В сущности, каждый день новые безымянные звезды открывают сотнями, в астрономических каталогах их уже более миллиарда. По правде говоря, новые звезды сейчас вообще ни к чему: изучить бы те, что уже открыты. Ведь, скажем, биологи не пытаются переписать всех живущих в тайге комаров, им гораздо интереснее найти новый вид комара. Так же и астрономы. Пересчитывать все звезды не нужно, да и невозможно, гораздо интереснее обнаруживать и изучать их редкие типы. Поэтому просто открыть звезду астроном вовсе не стремится.

Если такое объяснение и сможет кого-то убедить, то далеко не всех. Ведь зачем-то же астрономы проводят ночи у телескопа? Ведь надеются они что-то открыть? Чтобы не разочаровывать скептиков, признаюсь: люди у телескопа действительно любят открывать новые небесные объекты. Это большое счастье – увидеть то, чего никто до тебя еще не видел. Вообще-то найти новую звезду довольно легко: достаточно с помощью приличного телескопа сделать глубокий снимок любой области неба – и пожалуйста: сотни слабых безымянных звезд. Но звезды изучают и заносят в каталоги вовсе не для того, чтобы давать им имена; нет у астрономов такой традиции.

Да, конечно, достаточно полистать «Справочник любителя астрономии», чтобы встретить дюжину звезд с именами астрономов, но ни в одном официальном документе вы не найдете решения о присвоении звездам этих имен, и никаких дипломов «на право владения» именами звезд их исследователям никто не дает. Мы уже говорили, как «прилипли» к некоторым звездам имена астрономов, открывших уникальные свойства этих светил. По сути, этими именами звезды наградила народная молва. Таких звезд всего около дюжины, и о каждой из них можно было бы рассказать интересную историю. Но я расскажу лишь об одной, быть может, наименее известной.

Звезда Пшибыльского

Возможно, вы до сих пор не встречали это имя. Антонин Пшибыльский (A. Przybylski, 1913–1986) был очень скромным человеком, с детства влюбленным в астрономию. Родился и вырос он в польском городе Рогозьно. Затем учился в Познаньском университете и, окончив его, остался работать в скромной университетской обсерватории. Казалось, что мечта о небе сбывается. Но началась Вторая мировая война. Антонин стал офицером артиллерии и участвовал в обороне Варшавы. Там он попал в плен к немцам и оказался в лагере для военнопленных «Мекленберг» на севере Германии. В 1941 г. с помощью друга, отбывавшего принудительные работы на соседнем заводе, ему удалось бежать, и он решил добраться до нейтральной Швейцарии. Но для этого требовалось совершить опасное путешествие – пересечь всю Германию с севера на юг. Большую часть пути Антонину удалось проехать на поезде, сделав пересадку в Берлине, но последнюю сотню километров он преодолел пешком, передвигаясь только ночью.

В Швейцарии Антонин попал в лагерь для интернированных польских военнослужащих. Там он не терял времени: читал курсы лекций своим товарищам, а сам учился в Цюрихском политехникуме, в том самом, который до него окончил Альберт Эйнштейн. Окончив Политехникум, Энтони Пшибыльский защитил в 1949 г. докторскую диссертацию по химии меди.

Не имея возможности остаться в Швейцарии и не желая возвращаться в коммунистическую Польшу, Пшибыльский решил эмигрировать в Австралию, куда он и прибыл в 1950 г. В соответствии с законами того времени первые два года ему полагалось быть под надзором. Он зарабатывал на жизнь, копая канавы для телефонных кабелей. Однажды подружившийся с ним управляющий рассказал про мечтающего об астрономии поляка своему знакомому, профессору Ричарду Вулли, директору обсерватории Маунт-Стромло, крупнейшей астрономической обсерватории в Австралии. Вулли нашел для польского эмигранта рабочее место в обсерватории, добился для него стипендии и стал руководителем его первой научной работы, посвященной изучению атмосфер звезд. Эта работа завершилась в 1954 г. защитой еще одной докторской диссертации.

По воле случая Антонин Пшибыльский оказался первым, кому Австралийский национальный университет присвоил степень доктора наук. Напомню, что докторская степень (Doctor of Philosophy, Ph. D.) является единственной ученой степенью в западной науке; она близка к нашему званию кандидата наук, но, пожалуй, чуть выше. Нормально работающий ученый защищает такую диссертацию в возрасте 25–27 лет, и с этого момента его считают «полноценным» ученым. Когда Пшибыльский защитил диссертацию по астрономии, ему было 40. Почти на 15 лет война отодвинула исполнение его мечты, но все же он стал астрономом! Можно представить, как это было нелегко: немолодой эмигрант из далекой страны, с экзотической специальностью. В те годы в Южном полушарии почти не было обсерваторий и астрономов: большинство их располагалось в университетских центрах Старого и Нового Света. Найти работу астронома в Австралии польскому эмигранту казалось почти чудом. Но в жизни Пшибыльского это было не последнее чудо.

Рис. 1.17. Антонин Пшибыльский.

Поскольку Антонин с детства увлекался астрономией, он быстро стал хорошим наблюдателем – исследовал переменные звезды, следил за кометами. Астрономическая обсерватория – это маленький коллектив, работающий вдали от цивилизации. В сущности, это почти одна семья, со своими радостями и проблемами. Пожилые сотрудники обсерватории хорошо помнят, как в первый день появления на Маунт-Стромло Пшибыльский был представлен коллективу Его коллеги не смогли научиться произносить сложные польские согласные в имени нового сотрудника и поэтому быстро перекрестили его в «Билла Смита»; так он и оставался Биллом до конца своих дней и своей работы на Маунт-Стромло. Однако астрономам всего мира вскоре пришлось научиться произносить сложную польскую фамилию.

В 1957 г. добрый гений нашего героя, профессор Вулли, уступил свой пост директора обсерватории американскому астроному Барту Боку, автору замечательной книги «Млечный Путь», не раз издававшейся, в том числе и на русском языке. Бок убедил Пшибыльского вплотную заняться наблюдениями звезд, завершающих основной этап своей жизни – термоядерное сжигание водорода в ядре. Ожидалось, что именно среди этих звезд обнаружится много необычных объектов; так оно и оказалось.

Рис. 1.18. Фото звезды Пшибыльского.

В 1960 г. Антонин открыл самую необычную звезду, позже названную астрономами «звездой Пшибыльского». Разумеется, у нее и до этого было «имя», и даже не одно: по классическому каталогу Генри Дрэпера ее номер HD 101065, по каталогу Смитсонианской астрофизической обсерватории – SAO 222918, по самому современному каталогу, составленному с помощью астрометрического спутника ГИППАРКОС, – Hip 56709. Имея экваториальные координаты ? = 11^h37^m37^s и ? = -46°42?35?, эта звезда располагается в созвездии Кентавр и поэтому с территории России, к сожалению, не видна. Зато в Австралии ее может увидеть любой желающий, если у него есть бинокль: это довольно яркое светило 8^m, удаленное от Земли на 408 световых лет. Светила такого типа, как звезда Пшибыльского, астрономы относят к звездам спектрального класса Ар. Ее поверхность ненамного горячее, чем у нашего Солнца, а вот химический состав поверхности совершенно необычен. За прошедшие более чем 40 лет астрономы исследовали тысячи других необычных звезд (а чтобы их найти, были изучены сотни тысяч «обычных»), но более удивительного светила, чем звезда Пшибыльского, найти не удалось.

Такие звезды астрономы называют химически пекулярными. В то время как у большинства звезд химический состав близок к солнечному, у «пекулярных» он совершенно иной. К примеру, у звезды Пшибыльского элементов группы железа в 10 раз меньше, чем у Солнца, зато очень велико содержание лантаноидов. В таблице Менделеева эти элементы выделены отдельной строкой внизу; по своим химическим свойствам они чрезвычайно похожи друг на друга, а за очень низкую природную концентрацию названы редкоземельными.

Рис. 1.19. Положение звезды Пшибыльского в созвездии Кентавр.

Из лантаноидов у звезды Пшибыльского особенно много гольмия (¹⁶⁵Ho), тяжелого металла, по атомной массе ненамного уступающего вольфраму Гольмий на Земле очень редок, и ни на одном космическом теле – кроме звезды Пшибыльского – он вообще не обнаружен! Такое впечатление, что на этой звезде собрался весь гольмий нашей Галактики! Феномен звезды Пшибыльского пока не поддается объяснению и, видимо, еще долго будет оставаться загадкой. Находка этой звезды бросила вызов астрономам: до сих пор считалось и считается, что все звезды формируются из одинакового межзвездного вещества – газа и пыли. Откуда же взялась необычная звезда Пшибыльского?

Далеко не сразу ученые оценили находку «австралийского поляка». Ему пришлось всесторонне изучить «свою» звезду и продемонстрировать всем ее уникальные качества. Выяснилось, например, что она не только содержит редчайший гольмий, но и необычно быстро пульсирует, а также имеет очень мощное магнитное поле, в 2000 раз сильнее земного.

Разумеется, научная работа Энтони Пшибыльского не ограничилась открытием одной удивительной звезды. Он обнаружил множество других необычных звезд, провел исследования по небесной механике, разработал новый метод изучения звездных атмосфер, выполнил многолетнюю программу по изучению звезд-сверхгигантов в соседних галактиках – Магеллановых Облаках.

Он никогда не был женат, а после ухода на пенсию жил в университетском колледже, преподавая студентам математику и физику При этом даже в зрелом возрасте Антонин не забывал о продолжении образования: в 1984 г. он получил свой второй университетский диплом – по ботанике, зоологии и геологии.

Как видите, самая необычная звезда не зря носит имя этого незаурядного и целеустремленного человека. Тем, кто задумал купить имя звезды, я советую перечитать эту историю…

По мере обнаружения еще более экзотических звезд имена тех, что некогда вызывали удивление, постепенно забываются. Остаются лишь сухие каталожные обозначения, а фамилии старых астрономов, не знакомых нынешнему поколению ученых, перестают упоминаться. Но разве это важно…

2. Подготовка к путешествиям

Продолжаем готовиться к межпланетным путешествиям. Мы уже познакомились с небесными картами и некоторыми астрономическими традициями по части наименования звезд и созвездий, планет и малых тел Солнечной системы. Позже, «отправляясь» к тем или иным объектам, мы еще познакомимся с четкими правилами их обозначения. А в этой главе нам предстоит выбрать «средства передвижения» и узнать некоторые вещи, полезные для небесных путешественников. Начнем с самого интересного.

Как сделать открытие?

Уверен, что мало кто из любителей науки мечтает прославиться. Проникать в тайны природы – это само по себе такое удовольствие, перед которым меркнет преходящая мирская слава и прочая суета. Но если вы всерьез решили разобраться в загадках природы, то рано или поздно это занятие приведет вас к открытию. В астрономии это случается сплошь и рядом. Ведь на каждого астронома осталось еще достаточно неисследованных небес. Помните, какова площадь небесной сферы? 41 253 квадратных градуса. А сколько в мире астрономов? Около 10 тысяч. Значит, на каждого приходится по 4 кв. градуса неба, то есть небесная делянка площадью в 20 лунных дисков. Вы только представьте себе, сколько на ней неизведанного! Казалось бы, каждый астроном должен проводить все ночи у телескопа и делать одно открытие за другим. Но нет! Многие профессионалы предпочитают заниматься теоретическими исследованиями, писать статьи и книги (как я сейчас), выступать на конференциях, учить студентов. На это уходит целый день, а ночью надо хотя бы немного поспать. Кто же за них в это время следит за небом? Любители астрономии.

Кто такие эти любители? Дилетанты? Вовсе нет. Не следует путать любительскую астрономию с романтическим желанием полюбоваться звездным небом. Такое желание в определенной ситуации просыпается у каждого – теплая летняя ночь, степь или берег реки, туристический лагерь или околица села, догорающий костер или прогулка вдвоем, бархатное звездное небо над головой… Это не любительская астрономия. Настоящая любительская астрономия – это упорное занятие астрономическими исследованиями в качестве хобби. Тот, кто просто интересуется наукой, открытия не сделает. В отличие от широко распространенного «потребительского» интереса к науке – чтения научно-популярных книг и журналов, просмотра познавательных телепередач и кинофильмов, – любительское занятие наукой, в частности астрономией, предполагает целенаправленный поиск в определенной области исследований, дополняющий или дублирующий работу профессиональных ученых.

Любительские научные исследования вообще характерны для поисковых областей знания, таких, например, как история, топонимика, археология, палеонтология, энтомология. В области точных дисциплин и физико-математических наук в нашу эпоху граница научного поиска ушла так далеко от возможностей ученого-любителя, что сколько-нибудь плодотворное занятие физикой, химией или математикой в качестве хобби представляется практически невозможным. В археологии и палеонтологии профессионалы опасаются «помощи» любителей. И только в астрономии усилия профессионалов и любителей до сих пор вполне органично объединяются. Причина этого именно в том, что астрономические исследования в значительной своей части до сих пор имеют (и всегда будут иметь) поисковый характер. Химики и физики экспериментируют, а астрономы – наблюдают. Многие астрономические явления уникальны, поэтому грамотно поставленные любительские наблюдения, пусть даже со скромными средствами, представляют для науки реальную ценность.

Так что если хотите сделать открытие – чаще смотрите на небо. Обнаружить новое астрономическое явление или новый астрономический объект первым способен просто любознательный человек, не предпринимая систематического научного поиска. Не раз так открывали кометы, а также новые и сверхновые звезды. Приведу два примера такого рода открытий. Первый из них описан профессором С. П. Глазенапом в его книге «Друзьям и любителям астрономии» (СПб.: Изд. А. С. Суворина, 1909, с. 120): «В 1901 году, 8-го февраля по старому стилю, в созвездии Персея заблистала новая звезда, открытая молодым гимназистом 5-й Киевской гимназии Андреем Борисяком, а несколькими часами позднее – Андерсоном в Эдинбурге. Борисяк и Андерсон заметили новую звезду 8-го февраля, когда она уже достигла значительного блеска и бросалась в глаза. До 11-го февраля 1901 г. Новая Персея увеличивалась в своем блеске, а с этого дня начала блекнуть; уменьшение блеска шло очень быстро: в марте она уже была 4-й величины, в апреле – 6-й величины и находилась на пределе зрения. В конце 1902 г. она была девятой величины.

Молодой любитель астрономии А. Борисяк удостоился Высочайшего поощрения: Его Величество Государь Император Николай Александрович милостиво подарил Борисяку прекрасный телескоп работы Цейса».

Рис. 2.1. Гимназист Андрей Борисяк, открывший Новую Персея 1901 г.

К сказанному профессором Глазенапом следует добавить, что Новая Персея 1901 г. (N Per 1901, или GK Per) оказалась уникально интересным объектом. Во-первых, это была одна из ярчайших новых прошедшего столетия – в максимуме ее блеск достиг нулевой величины; лишь новая V 603 Aql 1918 блестела на величину ярче. Во-вторых, многие годы после вспышки Новой Персея астрономы наблюдали расширяющуюся вокруг нее газовую оболочку – остаток взрыва звезды. Наконец, это единственная новая, у которой многие десятилетия наблюдался эффект светового эха: вспышка звезды осветила окружающее ее межзвездное вещество, и эта освещенная область со скоростью света расширялась, подобно сброшенной оболочке. Так киевский гимназист Борисяк оказал услугу науке.

А вот вторая подобная история, случившаяся 29 августа 1975 г. в Крымской астрофизической обсерватории АН СССР и соседствующей с ней обсерватории МГУ. Именно там в это время, вместе с десятками профессиональных астрономов, проводил свои наблюдения студент-дипломник МГУ Сергей Шугаров. Бывший со школьных лет фанатичным любителем астрономии, Сергей прекрасно знал звездное небо.

Рис. 2.2. Студент МГУ Сергей Шугаров, открывший Новую Лебедя 1975 г., на фоне башни 2,6-метрового рефлектора им. Г. А. Шайна Крымской астрофизической обсерватории.

Поэтому, направляясь к башне телескопа и окидывая по привычке взором небо, он сразу обнаружил «лишнюю» звезду в созвездии Лебедь и быстро оповестил об этом сотрудников двух обсерваторий. Незамедлительно на новый удивительный объект были нацелены все телескопы и была отправлена телеграмма (Интернета еще не было) в международный центр астрономических открытий (с ним мы еще познакомимся), который разослал сообщение во все обсерватории мира. В результате удалось подробно изучить одну из самых интересных новых в истории астрономии – Новую Лебедя 1975 г. (V 150 °Cyg), уникально быструю по скорости нарастания и спадания блеска: невооруженным глазом она была видна всего несколько ночей.

Позже некоторые маститые астрономы Крыма вспоминали, что в тот вечер созвездие Лебедя им тоже показалось каким-то необычным, но за суетой они не осознали истинной причины этого. В результате открытие досталось студенту. Правда, телескоп Цейсса ему за это не подарили, но весть об открытии сыграла немалую роль в его судьбе: несмотря на весьма умеренную успеваемость студента Шугарова по теоретическим предметам, ректор университета своим решением оставил «открывателя новых звезд» для работы в МГУ и не ошибся. Сегодня Сергей Юрьевич Шугаров – один из ведущих специалистов по изучению переменных звезд.

Итак, два юных любителя науки, гимназист и студент, не достигнув еще статуса ученого и не «просиживая штаны» над сложными проблемами, смогли сделать полноценные и важные для науки открытия. По-моему, это вдохновляет.

Небесные любители и профессионалы

А чем вообще отличаются астрономы-любители от профессионалов? Астрономия – древняя наука. Сознательными наблюдениями за небесными светилами люди стали заниматься очень давно параллельно своим основным занятиям – скотоводству, морской навигации, отправлению религиозных культов, преподаванию и т. п. Поэтому всех ранних исследователей неба формально можно отнести к любителям науки. В какой-то мере и великие умы позднего Возрождения, такие как Коперник и Тихо Браге, также были любителями, хотя и высочайшей квалификации.

Более определенный смысл это понятие обрело с появлением в XVII в. государственных астрономических учреждений и работающих в них профессиональных астрономов. В ту эпоху рождалась современная наука с ее характерными чертами: государственным финансированием, подготовкой дипломированных специалистов, необходимостью получения практически значимых результатов. Пользу от астрономии в те годы видели в поддержке службы времени, геодезии, картографии, а позже – в службе Солнца и космической навигации. Специфика профессиональной науки – в ее методологии, предполагающей точное описание условий опытов и наблюдений, жесткое взаимное рецензирование работ и опору на публикации только в авторитетных научных журналах, не допускающих на свои страницы низкопробные результаты. Именно эти качества отделили профессиональную науку от любительской. Движущая сила и той и другой заключается в природной любознательности человека. Но профессионалы обязаны регулярно выдавать качественные результаты исследований, а любители могут работать на любом доступном для них уровне и лишь в том объеме, который доставляет им удовольствие.

Должен заметить, что ни в прошлом, ни в наши дни понятие «любительская астрономия» не было определено вполне четко. В самом общем смысле – это занятие астрономическими исследованиями как хобби, в свободное от основной работы или учебы время. Но уровень этих занятий может быть разным: от простого любования ночным небом и созерцания легкодоступных объектов (Луна, Солнце, планеты) до систематического поиска комет и астероидов, изучения переменных звезд и солнечной активности, конструирования новых приборов и участия в работе профессиональных научных коллективов. Обычно тех, кто увлечен созерцанием неба и чтением научно-популярной литературы, называют любителями астрономии (по-английски их часто называют armchair astronomers, «астрономы в кресле»), а тех, кто в качестве хобби занимается систематическими исследованиями определенных небесных объектов, называют астрономами-любителями. Впрочем, автор знаменитого «Справочника любителя астрономии» Петр Григорьевич Куликовский говорил, что каждый профессиональный астроном любит свою науку, а значит, тоже является любителем астрономии. Взяв в руки эту книгу, вы, уважаемый читатель, уже стали любителем астрономии. А если наши путешествия к планетам всерьез увлекут вас, то сможете стать и астрономом-любителем.

О количестве людей, регулярно интересующихся астрономическими исследованиями, можно судить по тиражам соответствующих научно-популярных журналов и книг. Например, ежемесячный тираж ведущих мировых журналов для любителей астрономии – «Sky and Telescope» и «Astronomy» – сотни тысяч экземпляров. На французском, немецком и итальянском языках – еще около 100 тысяч. Очень популярна астрономия в Японии. Думаю, по всему миру преданных любителей астрономии никак не меньше полумиллиона. Отличная компания любознательных людей! Но активно работающих астрономов-любите-лей, конечно, меньше. Например, в Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд около 2000 членов (в основном это любители). В России и на Украине работают сотни астрономов-любителей.

Что любят любители?

Чем же занимаются «дворовые астрономы» (backyard astronomy – термин вполне официальный)? Традиционно они берутся за научные задачи, требующие не очень сложного оборудования, но внимания, аккуратности и хорошего знания звездного неба. Это поиск комет, изучение метеорных потоков, поиск метеоритов, наблюдение за серебристыми облаками, изучение переменных звезд, систематическая зарисовка поверхности планет, выявление изменений на поверхности Луны.

Чтобы стимулировать поиск уникальных объектов, таких как кометы, метеориты, вспышки новых и сверхновых звезд, существуют меры поощрения, особенно ценные для астрономов-любителей. Как мы уже знаем, новым кометам присваивают имена их первооткрывателей. Авторы открытия астероидов получают право предлагать для них имена. Опытных любителей астрономии в качестве поощрения некоторые обсерватории приглашают на курсы лекций, дают им возможность работать на крупных инструментах и пользоваться профессиональным оборудованием и базами данных (ведь еще далеко не все астрономические архивы оцифрованы и выложены в Интернет). А если обратиться к карте Луны, то и на ней можно найти немало имен выдающихся любителей астрономии.

В конце XX в. ситуация с любительской астрономией существенно изменилась. С одной стороны, на некоторых обсерваториях начали работать автоматические телескопы для поиска комет и астероидов, составившие серьезную конкуренцию любителям. С другой – появление персональных компьютеров, Интернета и недорогих электронных приемников света открыло перед любителями новые возможности. Например, любители получили возможность пользоваться профессиональными каталогами и базами данных крупнейших наземных и космических обсерваторий, вычислять эфемериды астрономических явлений именно для своего места наблюдения. Это, в частности, позволяет наблюдать покрытия звезд Луной и астероидами. Теперь астрономы-любители могут делать серьезные открытия, даже не имея телескопа: некоторые энтузиасты обнаружили уже по нескольку новых комет на фотографиях неба, полученных ими через Интернет с борта космической обсерватории SOHO.

Чтобы поддержать любительскую астрономию, меценаты учреждают специальные премии. Например, в 2002 г. Смитсоновская обсерватория (США) назвала имена астрономов-любителей, удостоенных премии Эдгара Уилсона за открытия комет с 10 июня 2001 г. по 10 июня 2002 г. По несколько тысяч долларов получили Вэнс Петрю из Канады (комета P/2001 Q2), Каору Икейя из Японии и Дацин Чжан из Китая (С/2002 С1), Дуглас Снайдер из США и Шигеки Мураками из Японии (С/2002 Е2), Сиого Уцуномия из Японии (С/2002 F1) и Уильям Квон Ю Ен из США (P/2002 BV). Последняя из этих комет была открыта с помощью ПЗС-камеры, а все прочие были обнаружены при визуальных наблюдениях в любительские телескопы. В том году были отмечены ловцы не только комет, но и астероидов. Пять астрономов-любителей из США, Австралии и Люксембурга получили Шумейкеровские гранты Планетного общества США, которые им предстоит потратить на поиски и изучение околоземных астероидов и комет. Размер грантов составляет от 900 до 10 000 долларов США. В 2009 г. количество таких премий и грантов увеличилось. Оно и понятно – Всемирный год астрономии!

Выдающиеся «дворовые астрономы»

Чтобы подогреть ваш энтузиазм, расскажу о некоторых выдающихся астрономах-любителях. В XVII–XVIII вв. немногочисленный штат государственных обсерваторий в основном был занят прикладными исследованиями – совершенствованием службы времени и методов определения географической долготы. Поэтому поиском комет и астероидов, изучением переменных звезд и явлений на поверхности Солнца, Луны и планет в основном занимались астрономы-любители. В XIX в. профессиональные астрономы стали уделять больше внимания звездноастрономическим и астрофизическим исследованиям, но и здесь весьма часто любители науки были в первых рядах.

На рубеже XVIII и XIX вв. работал величайший из астрономов-любителей – музыкант, дирижер и композитор Вильям Гершель; с ним мы уже встречались в главе 1. Открыв планету Уран, он неожиданно для себя из «дворового астронома» стал придворным астрономом. Его верной помощницей была сестра Каролина, а позже – и сын Джон. С точки зрения любительской астрономии главная заслуга В. Гершеля состоит все же не в открытии планеты (это дело случая) и не в составлении каталогов тысяч туманностей и звездных скоплений (кропотливая работа редко привлекает любителей), а в демонстрации возможности кустарного изготовления крупных зеркальных телескопов – рефлекторов. Именно это его занятие на несколько столетий вперед определило основное направление любительского телескопостроения. Работоспособность Вильяма Гершеля потрясает воображение: одних только телескопов он построил четыре сотни, причем среди них – крупнейший в мире, на десятилетия оставшийся непревзойденным.

Рис. 2.3. «Большой 20-футовый» рефлектор В. Гершеля диаметром 18 дюймов. Этот телескоп был самым рабочим из всех инструментов Гершеля.

Первым оптическим гигантом В. Гершеля стал «Большой 20-футовый» рефлектор, законченный в 1783 г. Он имел главное вогнутое зеркало диаметром 18 дюймов (46 см) и трубу длиной 20 футов (6,1 м). Хотя телескоп сначала был задуман как ньютоновский рефлектор с небольшим плоским зеркалом, отражающим изображение к расположенному сбоку окуляру, Гершель не мог смириться с потерей света, происходящей при отражении. Он убрал плоское зеркало, закрепил окуляр на верхней кромке трубы, непосредственно в фокусе телескопа, и вел наблюдения с подвижной площадки, глядя через окуляр вниз, в направлении главного зеркала, расположенного у основания телескопа.

Вскоре Гершель взялся за постройку крупнейшего в мире рефлектора длиной 40 футов (12 м) с зеркалом диаметром 49,5 дюймов (126 см). Вместе с сыном Джоном и сестрой Каролиной он строил этот телескоп с 1785 по 1789 гг. В течение полувека, вплоть до 1845 г., «Великий 40-футовый» (Great Forty-Foot) оставался крупнейшим в мире. Его труба была железной, а вогнутое металлическое зеркало было сделано из спекулума (лат. speculum зеркало) – сплава ³/₄ меди и ¹/₄ олова с добавлением мышьяка. В ту эпоху зеркала всех рефлекторов делали из этого весьма твердого сплава, который, однако, хорошо полируется и отражает свет. Первое зеркало весило полтонны, но оказалось недостаточно прочным. Второе зеркало сделали вдвое толще; его в основном и использовали для наблюдений. Однако зеркала быстро тускнели, а переполировывать их было очень сложно. Телескоп оказался громоздким и неудобным в работе. Наблюдения с этим великаном прекратились в 1815 г., а в 1840 г. его разобрали, поскольку деревянная монтировка подгнила и гигант мог рухнуть. Но некоторые части телескопа сохранились; главное зеркало находится в Музее науки в Лондоне.

Рис. 2.4. «Великий 40-футовый» рефлектор В. Гершеля диаметром около 50 дюймов. Полстолетия он оставался крупнейшим в мире, но был неудобен в работе.

Менее известен другой любитель астрономии – Уильям Парсонс (1800–1867), третий лорд Росс, продолживший усилия Гершеля по развитию технологии больших рефлекторов. Его крупнейший телескоп имел главное зеркало диаметром около 2 м и был установлен в семейном поместье в Ирландии. С помощью этого гиганта лорд Росс сумел разрешить на звезды многие туманности и скопления, а также открыл множество новых деталей в туманностях, в частности спиральную структуру некоторых из них, оказавшихся галактиками. Фактически Вильям Гершель и лорд Росс открыли эру галактической (то есть звездной) и внегалактической астрономии. Напомню: фотография в те годы еще не была изобретена, наблюдения в телескоп вели глазом, как и сегодня это делают все любители астрономии и многие астрономы-любители.

В XIX в. было налажено производство высококачественных линзовых телескопов – рефракторов. Это привлекло многих профессиональных и самодеятельных астрономов к наблюдению планет и поиску новых объектов Солнечной системы. Стало очень популярным составление карт лунной поверхности.

Рис. 2.5. Гигантский телескоп лорда Росса. В 1845 г. ирландский астроном Уильям Парсонс, третий лорд Росс, спроектировал и построил в своем родовом поместье Бёр-Касл колоссальный 182-сантиметровый рефлектор с фокусным расстоянием 17 м. Телескоп получил прозвище «Левиафан».

Рис. 2.6. Телескоп лорда Росса, современное фото.

Великолепных результатов в этом достигли банкир Вильгельм Бер (1797–1850) и астроном И.Мёдлер (1794–1874), работавшие совместно. Проделав микрометрические измерения сотен деталей в качестве реперных точек и измерив длину тени более тысячи гор для определения их высот, они составили в 1837 г. изумительную карту Луны с подробным описанием рельефа.

Немецкий фармацевт Генрих Швабе (1789–1875) с 1826 г. регулярно наблюдал поверхность Солнца и в 1843 г. открыл 11-летнюю периодичность количества солнечных пятен. Пожалуй, открытие Гершелем планеты Уран и обнаружение Швабе цикла солнечной активности – это самые известные открытия, сделанные астрономами-любителями. Кроме этого, Швабе первым детально исследовал Большое Красное пятно на Юпитере (1831 г.). За вклад в науку его наградили Золотой медалью английского Королевского астрономического общества и в 1868 г. избрали в члены Королевского общества – весьма редкая привилегия для любителя науки.

Рис. 2.7. Генри Дрэпер.

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

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

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

Рис. 2.8. Радиоантенна Грота Ребера (1937 г.).

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

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

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

Небесные единомышленники

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

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

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

? Международная организация любительских наблюдений Солнца (www.inter-sol.org);

? Общество радиоастрономов-любителей – The Society of Amateur Radio Astronomers (www.bambi.net/sara.html);

? Московский астрономический клуб (astroclub.ru).

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

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

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

? Американское метеорное общество – American Meteor Society (www.amsmeteors.org);

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

? Международный центр наблюдений покрытий Луной – International Lunar Occultation Centre (lunar-occultations.com).

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

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

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

Что нужно любителю астрономии?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Я сделал открытие!

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

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

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

Если электронная почта недоступна, то можно позвонить по телефонам (001–617)-495-7244, или -7440, или -7444, но по этим номерам нет круглосуточного дежурства, они могут и не ответить. При желании сделать сообщение по-русски следует звонить в рабочее время в Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга (ГАИШ) в Москве (495) 939-3318. Чтобы сообщение было надежно получено, желательно продублировать его письмом в Центральное бюро по адресу: 60 Garden St., Cambridge, МА 02138, USA, или в ГАИШ по адресу: Астрономический институт, комната 58, Университетский проспект, д. 13, Москва, 119991, Россия.

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

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

Чистого вам неба! Ждем сообщений об открытиях!

3. Небо и телескоп

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

Небо дневное и ночное

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

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

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

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

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

Вселенной на миллионы световых лет? Но, так или иначе, мы, к счастью, обладаем такой способностью, и атмосфера Земли позволяет нам видеть космос.

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

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

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

Рис. 3.1. Опыт Перельмана.

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

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

Из всех звездообразных объектов лишь очень яркая Венера иногда видна на дневном голубом небе. Но и ее увидеть очень непросто: небо должно быть идеально чистым, и нужно хотя бы приблизительно знать, в каком месте на небе в данный момент она находится. Все остальные планеты и звезды имеют блеск значительно слабее, чем у

Венеры, поэтому увидеть их без телескопа днем совершенно невозможно. Впрочем, некоторые астрономы утверждают, что им удавалось днем наблюдать Юпитер, который раз в 7–8 бледнее Венеры. Но это возможно лишь при идеальных условиях: ранним утром, пока Солнце еще поднялось невысоко и атмосфера чистая; Юпитер должен быть в максимуме блеска, проецироваться на самую темную область голубого неба и располагаться рядом с заметным объектом – Луной. Только при таком сочетании условий и известной настойчивости некоторым наблюдателям (не всем!) удавалось заметить Юпитер днем. А вот ярчайшую звезду нашего небосвода – Сириус, поток света от которого почти в 15 раз слабее, чем от Венеры, и вдвое слабее, чем от Юпитера, пока еще никому не удалось увидеть днем на уровне моря. Говорят, что Сириус видели днем высоко в горах, на фоне темно-голубого неба. Это не удивительно: яркость неба высоко в горах значительно меньше, чем на уровне моря.

Небо разных эпох и разных планет

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

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

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

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

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

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

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

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

На Земле в ту эпоху было жарко, и она была немного похожа на современную Венеру, атмосфера которой очень плотная и на 96 % состоит из углекислого газа. На Венере, расположенной ближе к Солнцу, чем Земля, всегда было теплее, и поэтому эволюция атмосферы там шла иным путем. Если на остывающей Земле водяной пар сконденсировался в жидкость, и поверхность нашей планеты покрыл океан, то на Венере пар разрушился под действием солнечного излучения и улетучился в космос. Было это так: солнечный ультрафиолет расщеплял молекулы Н₂O на водород и кислород. Подвижный водород покидал атмосферу Венеры в первую очередь, причем так интенсивно, что захватывал с собой и большую часть кислорода (планетологи называют это гидродинамическим оттоком газа из атмосферы). Но захватить с собой более тяжелые молекулы CO₂ водородный поток не смог. Так атмосфера Венеры лишилась воды. А без воды, необходимой для связывания углекислого газа в известняк, молекулы CO₂ накапливались в атмосфере и создали тот ад, который мы наблюдаем сейчас на Венере. Если на Земле зародившаяся жизнь способствовала удалению CO2 из атмосферы, то на Венере жизнь так и не возникла, ее атмосфера осталась плотной и до сих пор состоит из углекислого газа. Поэтому ученые считают, что Венера похожа на Землю далекого прошлого.

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

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

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

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

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

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

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

Рождение телескопа

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

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

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

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

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

Рис. 3.4. Ян Гевелий у одного из своих длинных телескопов.

После Галилея многие работали над усовершенствованием телескопа. В 1611 г. Иоганн Кеплер теоретически обосновал новую конструкцию, в которой окуляром служит положительная линза. Такой телескоп дает перевернутое изображение, но имеет значительно большее поле зрения. Впервые телескоп системы Кеплера изготовил иезуит Христоф Шейнер в 1613 г. Вскоре среди астрономов кеплерова труба полностью вытеснила «голландскую» (галилееву), поскольку перевернутое изображение не доставляло им хлопот. Но для морских подзорных труб и биноклей голландская схема использовалась еще долго, вплоть до изобретения призменного бинокля.

Исследуя сферическую аберрацию, Кеплер теоретически обнаружил, что ее можно устранить, придав линзам форму гиперболоидов. В 1637 г. Рене Декарт предложил для телескопов делать линзы с гиперболическими поверхностями, но попытки изготовить их оказались безуспешными. Марен Мерсенн в 1636 г. развил идею создания телескопа из двух параболических зеркал, высказанную иезуитом Николло Цукки двадцатью годами ранее. Но и эту идею не удалось тогда осуществить из-за сложности изготовления параболических поверхностей. Первый телескоп с отражательными поверхностями – рефлектор – был создан лишь три десятилетия спустя. А тем временем линзовый телескоп – рефрактор – продолжал совершенствоваться.

Рис. 3.5. Крупнейший, 150-футовый телескоп Яна Гевелия (1645 г.).

В середине XVII в. стало ясно, что сферическая и хроматическая аберрация значительно ослабевает при увеличении фокусного расстояния объектива. Ян Гевелий из Гданьска и братья Христиан и Константин Гюйгенсы одними из первых стали строить длинные телескопы. Крупнейший телескоп Гевелия имел объектив диаметром 12 см с фокусным расстоянием 45 м и на сложной системе тросов и блоков подвешивался на 27-метровой мачте. Христиан Гюйгенс укреплял объектив на небольшой платформе, скользящей вверх и вниз по мачте, а окуляр – отдельно на небольшой подставке, которую можно было переносить в поисках фокуса. Такой телескоп называли «воздушным», поскольку он не имел трубы.

Рис. 3.6. Воздушный телескоп Гюйгенса. Отдельно показаны объектив и окуляр.

Длина телескопов Гюйгенса в 1686 г. достигала 210 футов (64 м), а диаметр объективов – 22 см. Правда, свои знаменитые астрономические открытия – кольца Сатурна и его крупнейший спутник Титан, полярные шапки Марса и его вращение, межзвездные туманности и др. – Гюйгенс открыл за 30 лет до этого с помощью скромного 12-футового телескопа с объективом 5 см.

Итак, в XVII–XVIII вв. пользовались длинными рефракторами с фокусными расстояниями в десятки метров. Это было очень неудобно.

Роберт Гук придумал, как укоротить телескоп с помощью нескольких плоских зеркал, но выяснилось, что сделать хорошее плоское зеркало не так-то легко, и от идеи отказались.

Около 1663 г. Исаак Ньютон начал свои знаменитые опыты по отражению и преломлению света, в ходе которых он ясно понял различие между сферической и хроматической аберрацией. Однако он ошибочно полагал, что все вещества обладают одинаковой силой преломления, из чего заключил, что невозможно сделать линзовую систему, свободную от хроматической аберрации. (На самом деле – можно, если использовать линзы из разных сортов стекла.) Сделав такой вывод, Ньютон обратился к зеркальным системам, поскольку лучи любого цвета отражаются от зеркала одинаково. Вообще говоря, зеркальные телескопы предлагались и до Ньютона. Я уже упоминал об идеях Цукки и Мерсенна. Около 1664 г. Джеймс Грегори предложил телескоп с главным параболическим зеркалом и вспомогательным эллиптическим. Эта схема была свободна не только от хроматической, но и от сферической аберрации. Однако изготовить столь сложные зеркальные поверхности Грегори не смог.

Рис. 3.7. Оптические схемы телескопов-рефлекторов. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, Ок — окуляр.

Ньютон разработал методы шлифовки и полировки сложных зеркал. В 1668 г. он построил первый телескоп-рефлектор длиной всего 16 см с параболическим зеркалом диаметром 3,1 см. Упростив схему Грегори, он с помощью маленького плоского зеркала вывел фокус главного зеркала наружу сквозь отверстие в трубе телескопа. Такая конструкция тоже свободна от сферической аберрации. Ньютон делал зеркала из оптической бронзы или спекулума – сплава меди с оловом, имевшего блеск, сравнимый с блеском серебра. К сожалению, этот сплав из-за присутствия меди быстро тускнеет и требует переполировки. Но его использовали для астрономических зеркал вплоть до 1850 г., когда изобрели метод серебрения стекла.

Таблица 3.1

Открытия спутников планет в XVII–XIX вв.

Рефлектор иной системы, также свободной от сферической аберрации, предложил в 1672 г. француз Лоран Кассегрен (Laurent Cassegrain, 1629–1693), о котором мало что известно. И хотя Ньютон резко критиковал эту конструкцию, она широко используется до сих пор. Главное зеркало в ней параболическое, а вторичное – выпуклое гиперболическое. Свет выходит сквозь центральное отверстие в главном зеркале.

Для XVIII в. характерен быстрый прогресс в изготовлении рефлекторов. Английский оптик Джон Хэдли (Гадлей, 1682–1744) первым использовал оптический метод контроля формы зеркала. Шотландский оптик и астроном Джеймс Шорт (1710–1768) построил множество прекрасных телескопов по схеме Грегори. А Вильям Гершель с помощниками создал в 1789 г. крупнейший по тем временам телескоп с зеркалом диаметром 126 см и фокусным расстоянием 12 м; с этим «Великим 40-футовым» мы уже познакомились в главе 2. Заметим, что в нем впервые было реализовано наблюдение в главном фокусе, смещенном к краю апертуры (система Ломоносова – Гершеля). После изобретения фотографии наблюдение в главном фокусе стало нормой.

Но и до появления фотопластинки большие рефлекторы уверенно демонстрировали свое главное преимущество – высокую проницающую способность, то есть позволяли замечать тусклые объекты. Вильям Гершель с помощью своего любимого «Большого 20-футового» диаметром 18 дюймов в 1787 г. открыл спутники Урана – Титанию и Оберон, имеющие блеск около 14^m. До этого астрономы замечали спутники с блеском не слабее 11^m, и вдруг – скачок сразу на три звездные величины (табл. 3.1). Результат Гершеля немного улучшил другой любитель астрономии – английский пивовар Уильям Ласселл (1799–1880), построивший близ Ливерпуля рефлектор диаметром 24 дюйма. И это было вполне закономерно: используя зеркало почти вдвое большей площади, он и продвинулся к вдвое более тусклым объектам. При этом Ласселл повторил рекорды Галилея, Кассини и Гершеля – открыл 4 спутника (он обнаружил Гиперион независимо от американских астрономов отца и сына Бондов). Любопытно, что вслед за Гершелем и лордом Россом Ласселл в 1855 г. тоже построил огромный 48-дюймовый рефлектор. Понимая, что Англия – не лучшее место для астрономических наблюдений, Ласселл установил свой гигантский инструмент в прекрасном районе – на острове Мальта. Однако, как и его предшественники, он не обнаружил новых спутников. Для этого требовался новый технологический рывок.

Фактически прорыв Гершеля не был превзойден в течение столетия. Лишь в самом конце XIX в. американский астроном Уильям Пикеринг смог продвинуться еще на две звездных величины, обнаружив спутник Сатурна Фебу, но дело тут было не в качестве телескопа: Феба стала первым спутником, открытым с помощью фотографии. Вообще говоря, этот факт обескураживает: фотоэмульсия обладает неоспоримым преимуществом перед нашим зрением: она может долго накапливать свет тусклых звезд. Почему же в течение полувека развития фотографии глаз выдерживал конкуренцию с фотокамерой?

Глаз и телескоп

Вначале этой главы мы уже говорили об особенностях зрения. Если продолжить сравнение нашего глаза с оптической техникой, созданной человеком, то придется перевести разговор со старых фотоаппаратов на современные видеокамеры. Наши глаза, как хорошая камера, имеют собственный «процессор», передающий в мозг уже частично проанализированную и исправленную картину увиденного. У электронных устройств есть система стабилизации изображения, делающая незаметным дрожание рук оператора – глаз тоже имеет систему, которая стремится сделать незаметными для нас дрожание головы и глазного яблока, смазывающее «картинку». Эта же система работает при визуальном наблюдении в телескоп: наше зрение компенсирует атмосферное дрожание и размытие изображения, чего фотокамера делать не умеет. Точнее, не умела до недавних пор, но об этом чуть позже.

Каждый орган человека становится более умелым в результате тренировки – и руки пианиста, и ноги балерины. Оказывается, что и глаза тоже можно научить видеть лучше. Известно, что первый опыт наблюдения в телескоп часто обескураживает. «Я не вижу никаких деталей», – сетует начинающий наблюдатель, глядя на Марс или даже на огромный Юпитер. А опытный астроном с помощью того же телескопа составляет подробные карты поверхности планет: у него «тренированный глаз», он научился настраивать свое зрение на астрономические наблюдения. До определенной степени этому может научиться каждый, если будет систематически наблюдать небо. Но и природные данные тоже важны, так же как у пианистов и балерин. У большинства людей практический предел при наблюдении звезд или звездообразных объектов, таких как спутники планет или астероиды, лежит между 5^m и 6^m. Но возможности глаза улучшает оптика. Даже применение простого полевого бинокля 7x50 (т. е. 7-кратный с объективами диаметром 50 мм) делает доступными звезды 9^m. В телескоп можно увидеть еще более тусклые звезды, хотя наблюдение в окуляр одним глазом немного снижает общую чувствительность зрения.

Таблица 3.2

Предельная звездная величина (V_Lim) при визуальных наблюдениях

* Наблюдение ведется двумя глазами.

Табл. 3.2. демонстрирует возможности нашего зрения, усиленные оптической техникой. В третьей колонке указано примерное расстояние, на котором глаз различает свет обычной свечи. Нужно помнить, что таблица составлена для среднего человека, а некоторые астрономы-наблюдатели отличаются повышенной чувствительностью зрения (и большим опытом наблюдений!), поэтому способны продвинуться еще на 1^m.

Эволюция телескопа

Итак, в XVIII в. вперед вырвался рефлектор с металлическим зеркалом. Но в эти же годы постепенно совершенствовалась и конструкция рефрактора. Важнейшим событием в оптике стало открытие ахроматического объектива. Это сделал в 1729 г. адвокат Честер Мур Холл, заметивший, что объектив, составленный из двух линз – выпуклой из легкого стекла крона и вогнутой из тяжелого флинта (соответственно с ничтожной и с большой примесью окиси свинца), – не окрашивает изображений. Такой «дублет» имел значительно меньшую хроматическую аберрацию, чем длиннофокусные одиночные линзы. Холл никак не закрепил за собой это изобретение. Знавший об открытии Холла Джон Доллонд в 1760 г. взял патент и стал выпускать ахроматические объективы. Но они были небольшого размера, не более 10–13 см, и качество стекла, особенно флинта, было невысоким. Поэтому конкурировать с зеркалами Шорта и Гершеля они не могли.

Однако ситуация изменилась после того, как швейцарец Пьер Луи Гинан после многих экспериментов, проводившихся в 1784–1790 гг., научился отливать заготовки линз из флинта великолепного качества. Сначала их диаметр был 13–15 см, но к 1820-м гг. он достиг 30–45 см. Одним из секретов успеха, ревностно охраняемых Гинаном, например, было то, что значительно более высокая однородность стеклянной массы достигалась при ее размешивании мешалкой из огнеупорной глины, а не из дерева. С 1806 по 1814 гг. Гинан работал в Германии, где его учеником был Йозеф фон Фраунгофер (1787–1826), быстро постигший искусство стекловарения и ставший ведущим оптиком Германии. Один из его лучших рефракторов диаметром 24 см в 1824 г. приобрела Россия для Дерптской обсерватории (ныне г. Тарту, Эстония), где этот телескоп до сих пор и находится. В нем впервые была применена современная экваториальная установка с двумя осями – осью склонения и перпендикулярной к ней полярной осью, вокруг которой инструмент непрерывно поворачивался часовым механизмом со скоростью вращения Земли, но в обратном направлении. После введения в астрономию фотографии, требовавшей длительных экспозиций, такая монтировка телескопов стала абсолютно необходимой. На рефракторе Фраунгофера впервые был установлен и окулярный микрометр, с помощью которого В. Я. Струве в 1837 г. первым измерил параллакс звезды, Веги. Таким образом, дерптский рефрактор Фраунгофера стал прообразом современных телескопов и позволил осуществить прорыв в астрономии – впервые измерить расстояния до звезд.

Рис. 3.8. Вверху: рефрактор Дерптской обсерватории работы Фраунгофера. Весьма оригинальна система разгрузки трубы: две штанги с шарами препятствуют гнутию телескопа. Внизу: разрез здания обсерватории, сохранившегося без существенных изменений до наших дней.

К середине XIX в. все обсерватории мира стали пользоваться рефракторами, оказавшимися для астрометрических целей значительно удобнее рефлекторов с их быстро тускнеющими бронзовыми зеркалами. Да и проницающая способность рефракторов оказалась более высокой: в 1848 г. спутник Сатурна Гиперион позволили заметить только два телескопа – 24-дюймовый рефлектор Ласселла и 15-дюймовый рефрактор Бондов, в то время крупнейший в мире. Можно сказать, что в этот момент рефлекторы уступили свое первенство по «зоркости». Лишь отдельные энтузиасты продолжали строить крупные рефлекторы. Уже знакомый нам Уильям Парсонс (лорд Росс) построил несколько 91-сантиметровых ньютоновских рефлекторов, а в 1845 г. создал колоссальный 182-сантиметровый рефлектор «Парсонстаунский левиафан», с помощью которого открыл множество новых деталей в туманностях, в частности спиральную структуру некоторых из них, оказавшихся галактиками.

Перелом в судьбе телескопов-рефлекторов наступил в 1853 г., когда Юстус фон Либих предложил метод выделения металлического серебра из раствора нитрата серебра для наружного покрытия стекла тонкой отражающей пленкой. В 1856 г. немецкий физик Карл Август фон Штейнгейль и независимо от него французский физик Леон Фуко применили этот метод для изготовления астрономических зеркал. С этого момента почти без исключений зеркала телескопов делали из стекла, которое легче бронзы и проще в обработке. К тому же серебряная пленка лучше отражает свет, чем полированный спекулум. Когда слой серебра тускнеет, его просто смывают и наносят новый; металлическое же зеркало в этом случае необходимо заново полировать.

Рис. 3.9. Ахроматический двухлинзовый объектив. Пунктирные линии показывают ход лучей в том случае, если бы свет прошел только сквозь положительную линзу. Вторая, отрицательная линза обладает сильным обратным хроматизмом. Она удлиняет фокусное расстояние и сводит оба цвета в одном фокусе (0).

Развив метод Хэдли, Фуко предложил новый способ проверки сферической формы зеркала. Он освещал его через маленькое отверстие, помещенное чуть в стороне от центра кривизны сферы, и рассматривал изображение этого отверстия, образованное рядом с ним отраженными лучами. Это же делал 200 лет назад и Хэдли. Но Фуко рассматривал изображение не на экране, как Хэдли, а глазом, поместив перед ним пластинку с острым и ровным прямолинейным краем – «нож». Двигая ее, Фуко наблюдал, как изменяется освещенность поверхности зеркала, и по форме тени легко определял отклонение поверхности от идеальной сферы. Этот метод настолько прост и чувствителен, что «нож Фуко» до сих пор применяется при изготовлении зеркал.

Рис. 3.10. Крупнейший в мире Йерксский рефрактор (1897 г.) диаметром 40 дюймов (102 см), установленный чуть севернее г. Чикаго, на берегу небольшого озера Женева.

В то время как технология изготовления рефлекторов во второй половине XIX в. быстро совершенствовалась, эволюция рефрактора практически остановилась. Современные рефракторы мало изменились с эпохи Фраунгофера. Правда, улучшились качество и ассортимент оптического стекла, но полностью победить хроматическую аберрацию все равно не удалось. Ее сводят к минимуму лишь в небольшой области спектра: в желто-зеленой, если телескоп предназначен для визуальных наблюдений, и в голубой, если для фотографических. Оба крупнейших в мире рефрактора, Ликский и Йерксский, – визуальные, с объективами диаметром около 1 м. Оба были построены в конце XIX в. и установлены на экваториальных монтировках немецкого типа, какие делал Фраунгофер. Заготовки для линз их объективов были отлиты во Франции, а сами объективы изготовила знаменитая американская фирма «Алван Кларк и сыновья».

Рис. 3.11. Ликский рефрактор (1888 г.) диаметром 36 дюймов (91 см), установленный на горе Гамильтон в Калифорнии.

Хотя ахроматические объективы уже применялись, рефракторы все равно делали весьма длинными. Отчасти это диктовалось желанием окончательно устранить хроматическую аберрацию, но были и другие соображения. Дело в том, что размер изображения в фокальной плоскости объектива зависит от его фокусного расстояния. У 40-дюймового Йерксского рефрактора фокусное расстояние 19 м, при котором угол в 0,5?, соответствующий высочайшей четкости изображений при абсолютно спокойной атмосфере, эквивалентен расстоянию 37 мкм в фокальной плоскости. Примерно такого же размера и зерно фотоэмульсии. Поэтому такой телескоп мог фиксировать на фотопластинках самые четкие изображения. Да и визуально рассматривать в него крупные изображения тесных двойных звезд и мелких деталей на поверхности планет было очень удобно. У Йерксского рефрактора диаметр лунного диска в фокусе получается около 17 см. Размер фотопластинок у этого телескопа 20x25 см, так что полная Луна легко умещается на них. Длиннофокусные рефракторы позволили получить прекрасные фотографии целиком всего лунного диска. Заметим, что астрономы для съемки неба всегда использовали не пленку, а именно стеклянные фотопластинки из-за их высокой жесткости: даже через 100 лет хранения они не деформируются и позволяют измерять относительное положение звездных изображений с точностью до 3 мкм, что для крупных рефракторов, подобных Йерксскому, соответствует на небе дуге в 0,03?.

Рис. 3.12. З6-дюймовый двухлинзовый объектив (флинт + крон) для Ликского рефрактора (одна его флинтовая линза весит 170 кг).

Представление о крупнейшем в мире рефракторе дают следующие цифры: основание монтировки Йерксского телескопа имеет высоту Ими весит 50 т. Полярная и экваториальная оси вместе весят 5 т. Часовой механизм с приводом на большую шестерню в верхней части полярной оси весит 20 т. Труба телескопа имеет в длину 18,5 м и весит 6 т. У Ликского телескопа труба при длине 17,4 м и диаметре 1,22 м весит около 12 т.

Рис. 3.13. Английский астроном Чарльз Гровер (1842–1921) у своего рефрактора, укрепленного на экваториальной монтировке. Вращение вокруг полярной оси осуществляется через приводной вал гиревым часовым механизмом, скорость которого контролирует регулятор Уатта (его шары видны в прозрачной верхней части кожуха). Астроном сидит на лесенке с выдвигающимися ступенями-сиденьями, высота которых подбирается в зависимости от положения окулярного конца телескопа.

Рис. 3.14. Рефлектор с зеркалом диаметром 6,5 дюймов, изготовленный Дж. Браунингом в 1866 г. Иллюстрация: English Mechanic and Mirror of Science от 25 мая 1866 г.

Попытки создать рефракторы крупнее Йерксского оказались неудачными. Более крупные объективы для полноповоротных телескопов вообще никогда не изготавливались. На Парижской выставке 1900 г. демонстрировался неподвижный горизонтальный телескоп-рефрактор с объективом 125 см и сидеростатом (система из двух плоских вращающихся зеркал) для наведения на объекты, но для научной работы он не использовался. До тех пор, пока линзы делаются из стекла, изготовить объективы большего размера не удастся. Даже если оптическое качество стеклянного диска окажется превосходным, огромные линзы будут прогибаться под собственным весом.

Хотя в XX в. строительство рефракторов продолжалось, все они имели скромный диаметр (20–40 см) и предназначались либо для публичных обсерваторий, либо для фотографирования больших площадок неба, поскольку линзовый объектив легче сделать широкоугольным, чем зеркальный.

Рис. 3.15. Варианты выноса фокальной поверхности у телескопа системы Кассегрена. 1 – главное зеркало, 2 – вторичное зеркало, 3 – плоские диагональные зеркала, F – фокальная плоскость, ?? – ось склонения, tt – полярная ось телескопа.

Но зеркальные объективы имеют несколько важных преимуществ. Поскольку свет отражается от их наружной поверхности, оптическое качество стекла не имеет значения. К тому же зеркало можно поддерживать снизу, чтобы оно не гнулось. Его вес можно значительно снизить, придав ему форму пчелиных сот. Труба и монтировка у рефлектора, в котором тяжелое зеркало находится снизу, значительно проще, чем у рефрактора сравнимого размера, у которого объектив вынесен далеко от осей вращения. Все это определило победу крупных рефлекторов над достигшими своего предела рефракторами.

Сейчас в мире работают сотни крупных рефлекторов; около 30 из них имеют апертуру (полезный диаметр зеркала) более 4 м. Как правило, это телескопы со сменными вторичными зеркалами, что позволяет, в зависимости от задачи, вести наблюдения в первичном фокусе главного зеркала или по оптической схеме Ньютона, Кассегрена, Несмита или куде? (от фр. coude – изгиб).

Рис. 3.16. Телескоп-рефрактор фирмы «Карл Цейсс», сделанный по схеме куде. При поворотах объектива расположенный в основании полярной оси окуляр остается неподвижным. Это удобно, особенно при проведении публичных демонстраций в планетариях и народных обсерваториях.

Рис. 3.17.100-дюймовый рефлектор «Хукер» обсерватории Маунт-Вилсон.

Каждая из них имеет свои преимущества. В первичном (главном) фокусе минимальны потери света, но неудобно работать, так как он находится на вершине телескопа, да и громоздкую аппаратуру там расположить нельзя. В фокусе Кассегрена больше масштаб изображения и удобнее работать (он внизу). Фокус Несмита, выведенный в ось склонений, и особенно фокус куде, выведенный в полярную ось, позволяют использовать тяжелую светоприемную аппаратуру, например спектрографы высокого разрешения.

Рис. 3.18. 200-дюймовый рефлектор «Хейл» обсерватории Маунт-Паломар: внешний вид и внутреннее устройство телескопа и его башни. Рисунки Р. У. Портера, выполненные по рабочим чертежам в 1939 г.

XX век стал эпохой триумфа больших рефлекторов. В первой половине века ими располагала обсерватория Маунт-Вилсон, созданная вблизи Лос-Анджелеса по инициативе Джорджа Эллери Хейла (1868–1938), блестящего астронома и организатора науки.

Рис. 3.19. Вид 200-дюймового телескопа «Хейл» с юго-востока.

Именно он в начале своей карьеры стимулировал создание 40-дюймового рефрактора и сам с 1895 по 1905 гг. возглавлял Йерксскую обсерваторию. Убедившись в ограниченных возможностях равнинных обсерваторий и рефракторов, Хейл с помощью Фонда Карнеги основал горную обсерваторию Маунт-Вилсон на юге штата Калифорния, на высоте 1742 м. Для изучения Солнца на ней были созданы крупнейшие в мире башенные телескопы, а первым «ночным» инструментом стал 60-дюймовый (1,5 м) рефлектор «Хейл», названный так в честь отца астронома, Уильяма Хейла, финансировавшего изготовление зеркала. Этот телескоп с 1908 по 1917 гг. дер жал мировое первенство и прославился выполненными на нем важными работами в области звездной спектроскопии и изучения галактик. Ныне этот инструмент завершил свою работу для науки и стал доступным для публики (в июне 2009 г. за полночи наблюдений на нем нужно было заплатить 900 долларов).

В 1917 г. на обсерватории Маунт-Вилсон начал работать 100-дюймовый (2,5 м) рефлектор «Хукер», остававшийся крупнейшим в мире до 1948 г. Его зеркало, оплаченное американским меценатом Дж. Хукером, отлили во Франции, а полировал его с 1910 по 1915 гг. знаменитый американский оптик и конструктор телескопов Джордж Ричи (1864–1945). Труба телескопа была укреплена во вращающейся прямоугольной раме, игравшей роль полярной оси. Имеющая две опоры – на северном и южном концах, такая монтировка (ее называют английской) обладает высокой прочностью, но не позволяет наблюдать звезды вблизи полюса. Этот телескоп знаменит тем, что на нем впервые был измерен размер некоторых звезд (А. Майкельсон и Ф. Пиз, 1920–1923 гг.) и с его помощью Э. Хаббл осуществил большинство своих исследований в «царстве туманностей». В 1985 г. работа на телескопе была прекращена, но его решили сохранить как реликвию. Однако в 1992 г. он был модернизирован и вновь стал использоваться.

Рис. 3.20. Рабочее место астронома (на фото Эдвин Хаббл) в «стакане» главного фокуса Паломарского телескопа. Внизу видно 5-метровое «око» телескопа.

В 1948 г. с помощью Рокфеллеровского фонда был создан и до 1975 г. оставался крупнейшим в мире 200-дюймовый (5 м) рефлектор «Хейл» на обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии. На этот раз телескоп был назван именем сына-астронома, Джорджа Эллери Хейла, организовавшего его строительство. Полярная ось телескопа тоже выполнена в виде рамы, но ее северная сторона сделана в форме подковы, что позволяет наблюдать околополярные звезды. Плавное вращение 540-тонного телескопа обеспечивается тем, что подковообразная опора «плавает» на тонком слое масла, нагнетаемом под давлением 20 атмосфер. На верхнем конце ферменной трубы телескопа находится небольшая кабина, в которой астроном ведет наблюдения в фокусе главного зеркала, на расстоянии 17 м от него. С помощью сменных вторичных зеркал телескоп может работать в системах Кассегрена или куде с эквивалентными фокусными расстояниями соответственно 81 или 152 м.

С 1975 по 1991 гг. крупнейшим был 6-метровый рефлектор БТА (Большой телескоп альт-азимутальный) Российской академии наук, установленный в Специальной астрофизической обсерватории (САО) близ станицы Зеленчукская на Северном Кавказе, на высоте 2170 м. Фокусное расстояние главного зеркала этого телескопа 24 м, масса главного зеркала – 42 т, а весь телескоп весит 850 т. Этот колоссальный инструмент был спроектирован Б. К. Иоаннисиани и построен в Ленинграде на фирме ЛОМО. Телескоп БТА завершил эволюцию классических рефлекторов с жесткими монолитными зеркалами. Требование жесткости при диаметре более 6 м делает их безнадежно тяжелыми. Уже создатели телескопа БТА в борьбе с весом были вынуждены искать нетрадиционные решения. БТА стал первым современным телескопом, установленным на альт-азимутальной монтировке, имеющей вертикальную и горизонтальную оси вращения. Это существенно упростило конструкцию телескопа (рис. 3.21) и уменьшило размер его башни, хотя для компенсации суточного вращения Земли приходится вращать инструмент вокруг двух осей с переменной скоростью. Теперь по такой схеме строят все крупные телескопы.

Нужно заметить, что зеркала телескопов давно уже не покрывают серебром. В 1930-е гг. Р. Уильямс, Дж. Стронг и Ч. Картрайт разработали технику алюминирования зеркал. Их помещают в вакуумную камеру, где под действием электрического тока испаряются алюминиевые проволочки, и тонкая алюминиевая пленка покрывает поверхность зеркала, сообщая ей лучшие отражающие свойства, чем это делало серебро. На воздухе отражающая поверхность тотчас же покрывается прозрачной пленкой окиси алюминия толщиной всего в один атом, которая не дает зеркальному слою тускнеть. Но все же раз в несколько лет зеркало приходится алюминировать заново, поэтому рядом с каждым крупным телескопом есть вакуумная камера соответствующего диаметра.

Рис. 3.21. 238-дюймовый телескоп БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН. На боковые площадки его монтировки выведены фокусы Несмита.

Мы еще вернемся к современным большим телескопам, а сейчас обсудим специализированные инструменты среднего калибра, играющие очень важную роль в исследовании Солнечной системы. Одна из проблем ее изучения заключается в том, что мы находимся внутри нее. Поэтому, чтобы искать новые объекты Солнечной системы и изучать уже открытые, астрономы должны наблюдать все небо, во всех направлениях. К сожалению, с помощью обычного рефлектора можно сфотографировать лишь маленькую область на небе. Основная причина в том, что эти телескопы страдают двумя аберрациями – комой и астигматизмом, которые сильно искажают изображения звезд при удалении от оптической оси телескопа. Например, в главном фокусе 5-метрового Паломарского рефлектора поле с хорошим изображением имеет размер почтовой марки и покрывает на небе площадку с угловым размером 2,5?х2,5?. Разместив перед фотопластинкой специальный линзовый корректор, можно частично исправить искажения на краях, увеличив размер хорошего поля зрения в 10–15 раз. Но и при этом классический рефлектор имеет небольшое поле зрения, едва достигающее углового размера Луны. С таким телескопом невозможно проводить поисковые или патрульные работы, когда за короткое время требуется сфотографировать значительную часть неба.

Широкоугольный телескоп был создан в 1932 г. эстонским оптиком Бернхардом Шмидтом (1879–1935) на Гамбургской обсерватории. Он использовал сферическое главное зеркало, поставив перед ним для исправления сферической аберрации тонкую линзу сложной формы, так называемую коррекционную пластину. Она очень трудна в изготовлении и, будучи размещена в центре кривизны, на удвоенном фокусном расстоянии от зеркала, делает трубу инструмента довольно длинной. Но преимущества этой системы так велики, что в мире уже создано немало подобных телескопов; их называют камерами Шмидта, поскольку используют только для фотографирования неба. Крупнейшая изготовлена фирмой «Карл Цейсс» и находится в обсерватории им. К. Шварцшильда близ Йены (Германия). Построенная в 1960 г., она имеет сферическое зеркало диаметром 200 см с фокусным расстояние 400 см и коррекционную пластину диаметром 134 см (рис. 3.22). Поле зрения хорошего качества при этом 4,7°х4,7°. Любопытно, что этот телескоп может также работать по схеме Несмита и куде.

Вторая по размеру камера Шмидта работает с 1948 г. на обсерватории Маунт-Паломар и имеет зеркало диаметром 183 см и пластину 122 см. На фотопластинке 35x35 см она фотографирует область неба размером 6°х6°. С помощью этого инструмента создан знаменитый Паломарский атлас неба и обнаружено множество астероидов и спутников планет.

Рис. 3.22. Двухметровая камера Шмидта обсерватории им. Карла Шварцшильда в Таутенбурге, близ Йены (Германия).

Но поскольку эта камера находится в Северном полушарии, ей недоступны наиболее южные части неба. Поэтому в 1973 г. в Австралии, на англо-австралийской обсерватории в Сайдинг Спринг была построена точно такая же камера для обзоров южного неба. Одним из крупнейших телескопов этого типа является также космический телескоп «Кеплер» (NASA), запущенный в марте 2009 г. Он имеет зеркало диаметром 1,4 м и пластину 0,95 м. Этот инструмент предназначен для поиска планет земного типа у других звезд.

В 1941 г. русский оптик Дмитрий Дмитриевич Максутов (1896–1964) изобрел новую систему широкоугольного телескопа. В ней тоже используется сферическое зеркало, но его аберрация устраняется не сложной коррекционной пластиной, как у Шмидта, а значительно более простым в изготовлении мениском – тонкой выпукло-вогнутой линзой со сферическими поверхностями.

Рис. 3.23. Телескоп системы Максутова-Кассегрена диаметром 102 мм на складном штативе с полувилочной монтировкой и автоматическим наведением. Мечта начинающего любителя астрономии! Телескоп снабжен искателем и окулярной призмой, позволяющей наблюдать в удобном положении. Максимальное штатное увеличение 240х. Прекрасно подходит для наблюдения Луны и планет. Изготовитель – фирма «Celestron»; цена – около 600 долларов.

Эта конструкция в разных модификациях нашла широкое применение при производстве как телескопов, так и длиннофокусных фотообъективов. Крупные камеры Максутова используют для массовой спектральной классификации звезд, помещая перед мениском тонкую стеклянную призму, превращающую изображение каждой звезды в ее маленький спектр. А среди любителей астрономии весьма популярны телескопы системы Максутова – Кассегрена, у которых вторичным зеркалом служит центральная часть мениска, покрытая отражающим слоем алюминия. У таких телескопов много преимуществ: при большом диаметре они короткие, обладают большим полем зрения и удобны в эксплуатации, поскольку мениск защищает зеркало от пыли и повреждений.

Где живет телескоп?

Небольшой телескоп может жить где угодно, даже в коробке под кроватью. Обычно так и бывает у любителей астрономии, обладающих легкими телескопами, которые на время наблюдений можно устанавливать на балконе, в саду или за городом на раздвижном штативе-треноге. Но профессиональные крупные инструменты размещают стационарно на территории особых научных учреждений – обсерваторий (от лат. observare — наблюдать).

Вообще обсерватория – это место, где ученые проводят регулярные наблюдения природных явлений. Наиболее известны астрономические обсерватории, в большинстве своем располагающие оптическими телескопами. Но существуют также радиоастрономические обсерватории, обсерватории по изучению космических лучей, а также метеорологические, сейсмологические и др.

В прежние времена астрономические обсерватории сооружали, как правило, вблизи университетов, но затем стали располагать на вершинах гор – подальше от плотных слоев атмосферы и крупных городов. Радиообсерватории часто строят в глубоких долинах, со всех сторон закрытых горами от радиопомех искусственного происхождения.

Телескопы – очень тонкие и чувствительные инструменты. Для защиты от непогоды и перепадов температуры каждый стационарный телескоп помещают в специальное здание – астрономическую башню. Небольшие башни имеют прямоугольную форму с плоской раздвигающейся крышей, а башни крупных телескопов обычно делают круглыми, с полусферическим вращающимся куполом, в котором для наблюдений открывается узкая щель. Такой купол хорошо защищает телескоп от ветра во время работы. Это важно, поскольку ветер раскачивает телескоп и вызывает дрожание изображения. Вибрация почвы и здания башни также плохо влияет на качество изображений, поэтому телескоп монтируют на отдельном фундаменте, отделенном от фундамента башни. Места для строительства оптических обсерваторий подбирают очень тщательно. Обычно это вершина горы: чем выше, тем тоньше слой атмосферы, сквозь который приходится вести наблюдения. Воздух должен быть сухим и чистым, желательно безветренным. Вблизи не должно быть городов с их ярким ночным освещением и смогом. Некоторые обсерватории располагаются в экстремальных условиях (рис. 3.24), поэтому там находятся только специалисты, которые работают посменно. Другие обсерватории размещаются в «компромиссных» местах, благоприятных для наблюдений и при этом сравнительно легко доступных, с хорошим климатом. Там многие наблюдатели живут постоянно, с семьями.

Желательно, чтобы крупные обсерватории были равномерно распределены по поверхности Земли: в этом случае в любой момент можно наблюдать любой небесный объект как на северном, так и на южном небе. Однако исторически сложилось, что большинство обсерваторий расположено в Европе и Северной Америке, поэтому небо Северного полушария изучено лучше. В последние десятилетия крупные обсерватории стали сооружать в Южном полушарии (Чили, Южная Африка, Австралия), а также вблизи экватора (например, на Гавайях), откуда можно наблюдать как северное, так и южное небо.

Рис. 3.24. Высокогорная обсерватория «Сфинкс» в Швейцарских Альпах на высоте 3570 м. Здесь занимаются инфракрасными исследованиями атмосферы и Солнца. В башне находится 76-сантиметровый кассегреновский рефлектор.

Как правило, на обсерваториях устанавливают несколько инструментов разного «калибра» и различной специализации. С помощью пассажного инструмента определяют моменты прохождения звезд через меридиан и таким образом уточняют скорость вращения Земли.

Это необходимо для службы точного времени, сигналы которого передаются по радио. Меридианный круг позволяет измерять не только моменты, но и место пересечения звездой меридиана. Это необходимо для создания точных карт звездного неба. Такие фундаментальные работы обычно проводят в крупных государственных обсерваториях: Морской обсерватории США, Королевской Гринвичской обсерватории в Великобритании, Пулковской и Московской обсерваториях в России.

Большинство телескопов имеет возможность поворачиваться вокруг одной или двух осей. К первому типу относятся меридианный круг и пассажный инструмент. Это небольшие телескопы, поворачивающиеся вокруг горизонтальной оси в плоскости небесного меридиана, проходящей через точки севера, юга и зенита. Двигаясь с востока на запад, каждое светило дважды в сутки пересекает эту плоскость. При этом в поле зрения телескопа светило непрерывно перемещается. Задача астронома – зафиксировать момент и место пересечения светилом небесного меридиана. Раньше это делали визуально, теперь – при помощи электронных камер.

Современные астрономы редко наблюдают в телескоп глазом. В основном телескопы используют для фотографирования небесных объектов или для регистрации их света или спектра с помощью различных электронных детекторов. Для таких работ требуется довольно длительное и чрезвычайно точное сопровождение объекта. Когда телескоп используется для фотографирования тусклых (астрономы говорят – слабых) небесных объектов, экспозиция может составлять несколько часов. Все это время телескоп должен быть нацелен точно на объект. Поэтому, как мы уже знаем, с помощью часового механизма он плавно поворачивается с востока на запад вслед за светилом, компенсируя этим вращение Земли с запада на восток. В принципе достаточно поворачивать телескоп вокруг одной оси, параллельной земной. Ее называют часовой осью, она-то и связана с часовым механизмом. Вторую ось, перпендикулярную часовой, называют осью склонений; она служит для исходного наведения телескопа на объект вдоль линии север – юг. Такую конструкцию механической части телескопа называют экваториальной монтировкой. Ее используют практически для всех телескопов, за исключением наиболее крупных, для которых более компактной и дешевой оказалась альт-азимутальная монтировка, когда телескоп следит за светилом, поворачиваясь одновременно с переменной скоростью вокруг двух осей – вертикальной и горизонтальной. Это значительно усложняет работу часового механизма, требуя компьютерного контроля.

Несмотря на наличие у телескопа высокоточного часового механизма, до недавних пор участие астронома-наблюдателя в процессе экспозиции было совершенно необходимым. Он был вынужден с помощью дополнительного телескопа-гида, укрепленного на главном инструменте, следить за точностью сопровождения объекта, компенсируя ошибки работы часового механизма, эффект атмосферной рефракции, а иногда – и атмосферное дрожание изображения. Он также должен был наводить телескоп на очередные объекты наблюдения, менять фотопластинки или переключать режимы электронной камеры, поворачивать купол башни, чтобы телескоп всегда был направлен в ее открытую щель. Все это приходилось делать в полной или почти полной темноте, чтобы зрение не теряло темновую адаптацию, фотопластинки не засвечивались, а электронные детекторы не страдали от яркого света. Максимум, что мог позволить себе наблюдатель, – это очень слабый свет темно-красного фонаря, почти не разрушающий ночное зрение. Поскольку в башне телескопа исключен какой-либо обогрев, неподвижное бдение у окуляра длинными зимними ночами требовало определенной «морозоустойчивости», а необходимость тонких движений ручками управления телескопом исключала наличие перчаток. При этом работа наблюдателя требовала большого навыка и порой граничила если не с искусством, то со спортом.

Современный телескоп

В последние десятилетия XX в. работа наблюдателя начала меняться. Были автоматизированы наведение телескопа на объекты наблюдения, движение купола вслед за телескопом и работа электронных детекторов света. На крупных телескопах были установлены автогиды – устройства, автоматически удерживающие телескоп точно наведенным на исследуемый объект. В результате постоянное присутствие наблюдателя у телескопа перестало быть необходимым, он снял тулуп и валенки и уютно устроился в отдельном теплом помещении перед экранами управляющих компьютеров. Фактически астронома у телескопа заменили инженеры у компьютера. Теперь работа ученого может ограничиваться тем, что днем он составляет программу ночных наблюдений. Но разве настоящий астроном позволит себе спать, когда на телескопе выполняются исследования по его программе? До утра в зале управления он помогает инженерам, чем может, а днем приступает к обработке полученных данных.

Рис. 3.25. Зеркало 5-метрового Паломарского рефлектора до алюминирования. Сделанное из пирекса (стекло с низким коэффициентом теплового расширения), оно благодаря сотовой структуре имело исходный вес 20 т, а после шлифовки и полировки – 14,5 т.

Стремление освободиться от рутинного труда и повысить эффективность работы телескопов привела к тому, что на некоторых обсерваториях были созданы полностью автоматические телескопы – так называемые патрульные камеры, постоянно фиксирующие вид звездного неба. Это необходимо для наблюдения переменных звезд, для поиска новых астероидов и комет, для регистрации метеоров и других неожиданных явлений. Появились также дистанционно управляемые телескопы: астроном теперь может сидеть в своем университетском кабинете, а послушный ему телескоп – располагаться на горной вершине тропического острова. Замечательно, что к некоторым таким телескопам-роботам открыт доступ для любителей астрономии (см.: www.faulkes-telescope.com).

Рис. 3.26. Зеркало 3-метрового Ликского рефлектора на шлифовальном станке. Несмотря на сотовую структуру, жесткое зеркало даже сравнительно небольшого диаметра имеет изрядную толщину.

В последние годы создаются телескопы нового поколения с апертурой 8-10 м. Если бы зеркало такого диаметра изготавливалось по старой технологии, оно весило бы сотни тонн. Поэтому используются новые технические принципы: главное зеркало делается либо составным из нескольких небольших зеркал, либо настолько тонким, что само не может поддерживать свою форму и требует специальной механической системы. Крупнейшими сейчас являются 10-метровые телескопы-близнецы «Кек-1» и «Кек-2», установленные в обсерватории Мауна-Кеа (о. Гавайи), и Большой канарский телескоп (Gran Telescopio Canarias, GTC) на о. Пальма. Их зеркала собраны из 36 шестиугольных элементов диаметром по 2 м. Компьютерная система постоянно регулирует их относительное положение для согласованной работы как единого зеркала.

Рис. 3.27.120-дюймовый (305 см) рефлектор «Шейн» Ликской обсерватории (1959 г.).

Немного меньшего размера четыре телескопа VLT (Very Large Telescope), имеющие монолитные зеркала диаметром 8,2 м. Они установлены на вершине горы Серро-Паранал, расположенной в самом сердце безжизненной пустыни Атакама (Чили), в 12 км от тихоокеанского побережья, где условия для астрономических наблюдений почти идеальны. Этот комплекс принадлежит Европейской южной обсерватории (ESO) и успешно работает уже 10 лет. Приступил к работе и «Большой бинокулярный телескоп» (Large Binocular Telescope, LBT) в обсерватории Маунт-Грэхем (Аризона), имеющий на одной монтировке два 8,4-метровых зеркала.

Тут я должен заметить, что дата рождения большого телескопа – понятие не вполне определенное. Гигантский телескоп – очень сложная машина. Есть несколько моментов, которые можно назвать его «рождением»: установка главного зеркала, первый свет – получение первой фотографии неба, торжественное открытие с разрезанием ленточки в присутствии гостей и начальства (бутылку шампанского о телескоп не разбивают). Один из этих моментов указывают как дату рождения телескопа. Но его окончательная доводка обычно растягивается на годы. Крупные телескопы, как крупные животные, медленно растут и долго не стареют. Они живут и работают по 100 и более лет, постепенно приобретая все большие возможности и принося все более важные результаты. Нередко случается, что телескоп теряет возможность работать не потому, что сам постарел, а потому, что изменилась окружающая среда. Об этом мы поговорим в конце главы, когда речь пойдет об астроклимате. А сейчас – небольшое отступление.

У астрономов сложилась традиция давать крупным телескопам собственные имена. До сих пор это были имена знаменитых ученых или меценатов, чьи усилия и деньги способствовали рождению уникальных научных инструментов. Например, метровые рефракторы «Лик» и «Йеркс», 100-дюймовый рефлектор «Хукер», 10-метровые телескопы «Кек» были названы в честь меценатов, а телескопы 3-5-метрового диаметра «Хейл», «Гершель», «Мейол», «Струве», «Шейн» и «Шайн» – в честь известных астрономов. Уникальному космическому телескопу дали имя знаменитого американского астронома Эдвина Хаббла. Сотрудники ESO в Чили, создающие гигантскую систему VLT из четырех 8-метровых и трех 2-метровых телескопов, решили не отступать от этой традиции и тоже дать своим гигантам имена собственные. Надо сказать, что это очень удобно, когда длинные технические обозначения заменяют простыми именами. Учитывая местные традиции, этим телескопам решили дать имена, почерпнутые из языка народа мапуче, живущего в южной части Чили. Отныне восьмиметровые телескопы называют в порядке их рождения так: «Анту» (Солнце), «Куйен» (Луна), «Мелипаль» (Южный Крест) и «Йепун» (Венера). Красиво, хотя запомнить с первого раза сложновато.

Таблица 3.3

Шесть поколений телескопов-рефлекторов

Нужно сказать, что и сами астрономы поначалу запутались в этих именах. Назвав четвертый телескоп звучным индейским именем Йепун (Yepun), ученые перевели его смысл как «ярчайшая звезда ночного неба», а поскольку таковой является Сириус, то астрономы были уверены, что именем этой звезды они и назвали свой телескоп. Однако, когда «крестины» телескопов уже состоялись, некоторые специалисты по языкам усомнились в правильности этого перевода и провели дополнительные изыскания. Не так-то легко оказалось найти знатоков почти вымершего языка. Но все же удалось выяснить, что слово «йепун» означает не «ярчайшая звезда ночи» (т. е. Сириус), а «вечерняя звезда» и относится оно к планете Венере. Заметим, что индейцы мапуче, как и многие древние народы, не отождествляли «вечернюю звезду» и «утреннюю звезду» с одной планетой Венерой в ее разных положениях относительно Солнца, а считали их двумя разными светилами. Итак, четвертый 8-метровый телескоп ESO, нареченный как «Йепун», носит имя «вечерней звезды» – Венеры. Весьма достойное астрономическое имя, хотя и не такое «звездное», как было изначально задумано.

Хотя ни один большой телескоп не повторяет предыдущие, а несет в себе новые инженерные элементы, все же эволюцию крупнейших телескопов-рефлекторов можно представить в виде смены нескольких поколений (табл. 3.3).

Каковы же особенности наземных телескопов последнего, пятого поколения? Этих особенностей много: они и в материалах, и в технологиях, и в принципиально новых идеях, уже воплощенных или ждущих своего часа. Главная черта новых телескопов – отказ от жесткого зеркала. Теперь поддержание идеальной формы главного зеркала и вообще заданных оптических параметров телескопа возложено на систему активной оптики. Что это такое?

Активная оптика

Система активной оптики – это автоматическая система для поддержания идеальной формы и правильного расположения оптических элементов телескопа-рефлектора, прежде всего его главного и вторичного зеркал. Идеальную форму (параболоида, гиперболоида или сферы, в зависимости от оптической схемы телескопа) стараются придать зеркалам при их изготовлении на оптическом предприятии, но нередко при этом остаются невыявленные дефекты. В дальнейшем качество зеркал ухудшается при их транспортировке в обсерваторию и сборке телескопа в башне. Во время эксплуатации телескопа его элементы подвергаются переменным механическим и термическим нагрузкам, вызванным поворотами телескопа при его наведении на объекты наблюдения, суточными перепадами температуры и т. п. Особенно сильно искажают форму главного зеркала телескопа его повороты по высоте, они же приводят к переменному гнутию конструкции телескопа, сбивая настройку оптических элементов.

Исторически поддержание формы оптических элементов телескопа основывалось на их жесткости. Как мы уже знаем, к концу XIX в. телескопы-рефракторы приблизились к своему пределу: с ростом диаметра и веса линз поддерживать их форму становилось все сложнее, поскольку крепление линзы возможно лишь по ее периметру. Когда диаметр линзовых объективов достиг 1 м, технические возможности оказались исчерпаны: два крупнейших в мире линзовых телескопа: рефракторы Ликской (91 см) и Йерксской (102 см) обсерваторий – никогда не будут превзойдены, во всяком случае до тех пор, пока линзы делают из стекла, а сами телескопы располагаются на поверхности Земли, в условиях обычной силы тяжести.

Рис. 3.28. Принципиальная схема системы активной оптики, применяемой на Европейской южной обсерватории.

Проблему деформации объектива удалось решить путем перехода к телескопам-рефлекторам: жесткая монтировка телескопа поддерживает зеркальный диск объектива по всей его нижней поверхности, препятствуя изгибу. Теперь такие оптические системы называют пассивными. Вес зеркала удавалось значительно снизить без потери жесткости, придав ему форму пчелиных сот и оставив сплошной только верхнюю, зеркальную поверхность. Наконец, для наиболее крупных зеркал диаметром 2,5–6,0 м была разработана механическая система разгрузки. Она поддерживает зеркало снизу в нескольких точках так, что сила упора зависит от положения телескопа: чем ближе к зениту смотрит телескоп, а значит, чем более горизонтально расположено его главное зеркало, тем сильнее упираются в него снизу поддерживающие «пальцы», не позволяя зеркалу прогибаться. Фактически это стало первым шагом к системе активной оптики.

Рис. 3.29. Оправа главного зеркала одного из телескопов VLT. Видны выступающие вверх «пальцы» 150 актюаторов, управляющих формой 8,2-метрового зеркала.

Главная особенность современных астрономических систем активной оптики – электронная линия обратной связи, позволяющая контролировать качество изображения и при необходимости исправлять его, управляя деформацией главного зеркала и перемещая вторичное зеркало телескопа. Контроль выполняется по изображению гидировочной звезды, которая выбирается на небе вблизи от изучаемого объекта и одновременно используется для точного ведения телескопа за объектом (гидирования). Размещенный у выходного зрачка телескопа анализатор волнового фронта исследует изображение звезды, пропущенное через матрицу из множества небольших линз (например, 30x30 линз). Каждая линза строит изображение звезды, которое регистрируется ПЗС-камерой. Разработано несколько способов выявления кривизны волнового фронта: по взаимному положению изображений, построенных каждой линзой, по степени их контраста и др. Чтобы результат анализа не зависел от случайного атмосферного дрожания изображения, измерения накапливаются и усредняются на интервалах в 20–30 секунд. По данным анализатора волнового фронта компьютер вырабатывает управляющие сигналы, которые усиливаются и передаются на многочисленные механические домкраты (актюаторы), упирающиеся снизу с необходимым усилием в главное зеркало, а также слегка перемещающие вторичное зеркало.

Рис. 3.30. Актюаторы главного зеркала VLT.

Рис. 3.31. Зеркало диаметром 8,3 м японского телескопа «Субару» в процессе монтажа.

При наличии системы активной оптики требования к главному зеркалу телескопа меняются принципиально: оно должно быть не предельно жестким, как раньше, а достаточно мягким, чтобы поддаваться управлению. Поэтому у современных крупных телескопов главное зеркало либо относительно тонкое (например, при диаметре 8–9 м имеет толщину всего 20 см), либо состоит из нескольких независимых элементов (например, у 10-метровых телескопов «Кек-1» и «Кек-2» главное зеркало составляют 36 гексагональных двухметровых пластин).

Рис. 3.32. Телескоп «Субару» в башне на вершине Мауна-Кеа. При диаметре зеркала 8,3 м телескоп весит 500 т. Фокусное расстояние главного зеркала 15 м.

Тонкое и легкое зеркало объектива позволяет существенно облегчить всю конструкцию телескопа. К тому же такое зеркало быстро принимает температуру окружающего воздуха, а это снимает проблему термических деформаций.

Рис. 3.33. Зеркало телескопа «Субару» в процессе тестирования (до алюминирования). Изготовлено оно из стекла ULE (ultra-low thermal expansion glass). Обратите внимание на его малую толщину – всего 20 см. Вес зеркала 22,8 т. Его формой управляет 261 актюатор.

Первая система активной оптики была реализована в 1989 г. на 3,5-метровом «Телескопе новых технологий» (New Technology Telescope, NTT) Европейской южной обсерватории (Ла-Силья, Чили). В 1992 г. подобная система была создана для управления главным сегментным зеркалом 10-метрового телескопа «Кек-1» (Мауна-Кеа, Гавайи). Затем полностью активной оптической системой были оснащены четыре главных 8,2-метровых телескопа с тонкими монолитными зеркалами, входящие в состав «Очень большого телескопа» (VLT) Европейской южной обсерватории (Паранал, Чили). Сейчас все наземные телескопы диаметром 8-10 м имеют систему активной оптики. В будущем такие системы станут применяться и на крупных космических многозеркальных телескопах, подверженных тепловой деформации. При этом они будут давать идеальные изображения, качество которых ограничено только дифракцией света.

Но у наземных телескопов есть свой враг – атмосфера. Хотя при использовании активной оптики их собственное качество становится практически идеальным, качество получаемого ими изображения ограничено нестабильностью атмосферы, для подавления которой предназначена система адаптивной оптики. А что это такое?

Адаптивная оптика

Система адаптивной оптики – это автоматическая система, предназначенная для исправления в реальном времени атмосферных искажений изображения, построенного телескопом. Сейчас системы адаптивной оптики применяются в оптических и инфракрасных телескопах наземного базирования для увеличения четкости изображения. Они особенно необходимы также для работы астрономических интерферометров, используемых для измерения размеров звезд и поиска их близких спутников, особенно планет. Системы адаптивной оптики имеют и неастрономические приложения: например, когда требуется наблюдать форму искусственных спутников Земли с целью их опознания. Разработка систем адаптивной оптики началась в 1970-е гг. и приобрела особый размах в 1980-е гг. в связи с программой «звездных войн», включавшей разработку лазерного противоспутникового оружия наземного базирования. Первые штатные системы адаптивной оптики начали работать на крупных астрономических телескопах в районе 2000 г.

На первый взгляд кажется, что исправить атмосферное искажение изображений в принципе невозможно. Откуда мы знаем, каким было исходное изображение и как именно его испортила неоднородная атмосфера? Тем не менее это возможно! Давайте познакомимся с принципом работы этой удивительной системы. Это величайшее достижение оптической астрономии, и оно достойно подробного рассмотрения.

Атмосферные помехи. Идущие от космических источников лучи света, проходя сквозь неоднородную атмосферу Земли, испытывают сильные искажения. Например, волновой фронт света, приходящего от далекой звезды (которую можно считать бесконечно удаленной точкой), на внешней границе атмосферы имеет идеально плоскую форму, но пройдя сквозь турбулентную воздушную оболочку и достигнув поверхности Земли, он становится похож на волнующуюся морскую поверхность. Это приводит к тому, что изображение звезды превращается из «точки» в непрерывно дрожащую и бурлящую кляксу. При наблюдении невооруженным глазом мы воспринимаем это как быстрое мигание и дрожание звезд, а при наблюдении в телескоп вместо «точечной» звезды видим дрожащее и переливающееся пятно; изображения близких друг к другу звезд сливаются и становятся неразличимы по отдельности; протяженные объекты – Луна и Солнце, планеты, туманности и галактики – теряют резкость, у них становятся неразличимыми мелкие детали. Обычно на фотографиях, полученных телескопами, угловой размер мельчайших деталей равен 2–3?, на лучших обсерваториях он изредка составляет 0,5?. Следует иметь в виду, что при отсутствии атмосферных искажений телескоп с объективом диаметром в 1 м дает угловое разрешение около 0,1?, а с объективом в 5 м – 0,02?. Фактически такое высокое качество изображения у обычных наземных телескопов никогда не реализуется из-за искажающего влияния атмосферы.

Пассивный метод борьбы с атмосферными искажениями заключается в том, что обсерватории строят на вершинах гор, обычно на высоте 2–3 км, выбирая при этом места с наиболее прозрачной и спокойной атмосферой. Но строить обсерватории и работать на высоте более 4,5 км практически невозможно. Поэтому даже на самых лучших высокогорных обсерваториях большая часть атмосферы располагается все же выше телескопа и существенно портит изображения.

Роль астронома-наблюдателя. Вообще говоря, задачу «получить изображение лучше, чем позволяет атмосфера», в астрономии решают разными средствами. Исторически, в эпоху визуальных наблюдений в телескоп, астрономы научились внимательно ловить моменты хорошего изображения. В силу случайного характера атмосферных искажений в некоторые мгновения эти искажения на короткое время становятся незначительными, и в изображении проявляются мелкие детали. Наиболее опытные и настойчивые наблюдатели часами караулили эти моменты и смогли таким образом зарисовать очень тонкие детали поверхности Луны и планет, а также обнаружить и измерить очень тесные двойные звезды. Но крайняя необъективность этого метода ярко проявилась в истории с марсианскими каналами: одни наблюдатели их видели, другие – нет.

Применение в астрономии фотопластинок позволило выявить множество новых объектов, недоступных глазу из-за их низкой яркости. Однако фотоэмульсия при слабой освещенности имеет очень малую чувствительность к свету, поэтому в начале XX в. при астрономическом фотографировании требовались многочасовые экспозиции. За это время атмосферное дрожание заметно снижает качество изображения по сравнению с визуальным. Некоторые астрономы пытались бороться с этим явлением, самостоятельно выполняя функции активной и отчасти адаптивной оптических систем. Так, американские астрономы Джеймс Килер (1857–1900) и Вальтер Бааде (1893–1960) регулировали во время экспозиции фокус телескопа, наблюдая с очень большим увеличением (около 3000 раз) форму комы звезды на краю поля зрения. А известный конструктор телескопов Джордж Ричи разработал особую фотокассету на подвижной платформе – так называемую «кассету Ричи», с помощью которой можно быстро выводить фотопластинку из фокуса телескопа, заменяя ее фокусировочным прибором (нож Фуко), а затем возвращать кассету точно в прежнее положение. Во время экспозиции Ричи несколько раз отодвигал кассету, когда чувствовал, что нужно поправить фокус. К тому же Ричи непрерывно наблюдал за качеством изображения и его положением в окуляр, размещенный рядом с кассетой, при этом он постоянно поправлял положение кассеты и научился быстро закрывать затвор, когда изображения становились плохими. Эта работа требовала от астронома очень высокого напряжения, но зато Ричи получил таким способом великолепные фотографии спиральных галактик, на которых впервые стали видны отдельные звезды; эти прекрасные снимки воспроизводились во всех учебниках XX в. Однако широкого применения кассета Ричи не получила ввиду большой сложности работы с ней.

Развитие фото– и видеотехники позволило быстро фиксировать изображение объекта в режиме киносъемки с последующим отбором наиболее удачных изображений. Были разработаны и более тонкие методы апостериорного анализа изображений, например, методы спекл-интерферометрии, позволяющие выявлять в размытом атмосферой пятне расположение и яркость объектов с заранее известными свойствами, таких как «точечные» звезды. Математические методы восстановления изображений также позволяют повышать контраст и выявлять мелкие детали. Но все эти методы неприменимы в процессе наблюдения.

Принципы адаптивной оптики. Запуск на орбиту в 1990 г. оптического телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 м и его чрезвычайно эффективная работа в последующие годы доказали большие возможности телескопов, не обремененных атмосферными искажениями. Но высокая стоимость создания и эксплуатации космического телескопа заставила астрономов искать пути компенсации атмосферных помех у поверхности Земли. Появление быстродействующих компьютеров и, не в последнюю очередь, желание военных создать систему космического оружия с лазерами наземного базирования сделали актуальной работу по компенсации атмосферных искажений изображения в реальном времени. Система адаптивной оптики, выравнивая и стабилизируя фронт прошедшего сквозь атмосферу излучения, дает возможность не только получать в фокусе телескопа четкое изображение космического объекта, но и выводить с Земли в космос остро сфокусированный луч лазера. К счастью, военные устройства такого типа реализованы не были, но проделанная в этом направлении работа чрезвычайно помогла астрономам почти полностью реализовать теоретические параметры крупных телескопов по качеству изображения.

Обычно адаптивная система работает совместно с системой активной оптики, поддерживающей конструкцию и оптические элементы телескопа в идеальном состоянии. Действуя совместно, системы активной и адаптивной оптики приближают качество изображения к предельно высокому, определяемому принципиальными физическими эффектами (в основном дифракцией света на объективе телескопа).

В принципе системы активной и адаптивной оптики подобны друг другу. Обе они содержат три основных элемента: 1) анализатор изображения, 2) компьютер с программой, вырабатывающей сигналы коррекции, и 3) исполняющие механизмы, изменяющие оптическую систему телескопа так, чтобы изображение стало «идеальным». Количественное различие между этими системами состоит в том, что коррекцию недостатков самого телескопа (активная оптика) можно проводить сравнительно редко – с интервалом от нескольких секунд до 1 минуты, но исправлять помехи, вносимые атмосферой (адаптивная оптика), необходимо значительно чаще – от нескольких десятков до нескольких тысяч раз в секунду. Ясно, что с такой высокой частотой система адаптивной оптики не может изменять форму массивного главного зеркала телескопа и вынуждена управлять формой специального дополнительного легкого и мягкого зеркала, установленного у выходного зрачка телескопа

Реализация адаптивной оптики. Впервые на возможность коррекции атмосферных искажений изображения при помощи деформируемого зеркала указал в 1953 г. американский астроном Хорее Бэбкок (Babcock H. W., 1912–2003). Для компенсации искажений он предложил использовать отражение света от масляной пленки, поверхность которой деформируется электростатическими силами. Тонкопленочные зеркала с электростатическим управлением разрабатываются для аналогичных целей и в наши дни, хотя более популярным исполнительным механизмом служат пьезоэлементы с зеркальной поверхностью.

Плоский фронт световой волны, пройдя сквозь атмосферу, искажается и вблизи телескопа имеет довольно сложную структуру. Для характеристики искажения обычно используют параметр r₀ – радиус когерентности волнового фронта, определяемый как расстояние, на котором среднеквадратическая разность фаз достигает 0,4 длины волны. В видимом диапазоне, на волне длиной 500 нм, в подавляющем большинстве случаев r₀ лежит в интервале от 2 до 20 см; условия, когда r₀ =10 см, нередко считаются типичными. Угловое разрешение крупного наземного телескопа, работающего через турбулентную атмосферу с применением длительной экспозиции, равно разрешению идеального телескопа диаметром r₀, работающего вне атмосферы. Поскольку значение r₀ возрастает приблизительно пропорционально длине волны излучения (r₀? ?^6/5), атмосферные искажения в инфракрасном диапазоне существенно меньше, чем в видимом.

Рис. 3.34. Принципиальная схема адаптивной оптической системы телескопа.

Для небольших наземных телескопов, диаметр которых сравним с r₀, можно считать, что в пределах объектива волновой фронт плоский и в каждый момент времени наклонен случайным образом на некоторый угол. Наклон фронта соответствует смещению изображения в фокальной плоскости, или, как говорят астрономы, дрожанию (в физике атмосферы принят термин «флуктуации угла прихода»). Для компенсации дрожания в таких телескопах достаточно ввести плоское управляемое зеркало, наклоняющееся по двум взаимно перпендикулярным осям. Опыт показывает, что такое простейшее исполнительное устройство в системе адаптивной оптики малого телескопа весьма существенно повышает качество изображения при длительных экспозициях.

У телескопов большого диаметра (D) на площади объектива укладывается порядка (D/r₀)² квазиплоских элементов волнового фронта. Этим числом и определяется сложность конструкции компенсирующего зеркала, т. е. количество пьезоэлементов, которые, сжимаясь и расширяясь под действием управляющих сигналов, с высокой частотой (до тысяч герц) изменяют форму «мягкого» зеркала. Нетрудно оценить, что на крупном телескопе (D = 8-10 м) полное исправление формы волнового фронта в оптическом диапазоне потребует корректирующего зеркала с (10 м/10 см)² = 10 000 управляемых элементов.

Рис. 3.35. Мгновенное изображение яркой звезды, Веги, полученное французским астрономом А. Лабейри на 5-метровом Паломарском телескопе при атмосферном качестве изображений 1,5?. Именно такой угловой диаметр имеет вся эта «клякса» на фото, но состоит она из множества мелких частей – спеклов, каждый размером около 0,02?. Спеклы – это результат интерференции света, прошедшего через объектив телескопа и получившего случайные фазовые задержки при прохождении через атмосферу.

При нынешнем развитии систем адаптивной оптики это практически невыполнимо. Однако в близком инфракрасном диапазоне, где значение r₀ – 1 м, корректирующее зеркало должно содержать около 100 элементов, что вполне достижимо. Например, система адаптивной оптики «Интерферометра Очень большого телескопа» (VLTI) Европейской южной обсерватории в Чили имеет корректирующее зеркало из 60 управляемых элементов.

Для выработки сигналов, управляющих формой корректирующего зеркала, обычно анализируется мгновенное изображение яркой одиночной звезды. В качестве приемника используется анализатор волнового фронта, размещенный у выходного зрачка телескопа. Сквозь матрицу из множества небольших линз свет звезды попадает в ПЗС-камеру, сигналы которой оцифровываются и анализируются компьютером. Управляющая программа, изменяя форму корректирующего зеркала, добивается того, чтобы изображение звезды имело идеально «точечный» вид. По сути, в этом-то и заключается главная идея астрономической системы адаптивной оптики: нам заранее известно, каким в идеальном телескопе должно быть изображение звезды! Звезда должна выглядеть точкой (точнее, маленьким дифракционным кружочком). Искривив мягкое зеркало так, чтобы изображение звезды стало точкой, мы сделаем четкими и изображения всех соседних с ней объектов!

Эксперименты с системами адаптивной оптики начались в конце 1980-х гг., а к середине 1990-х гг. уже были получены весьма обнадеживающие результаты. Одним из первых телескопов, на которых тестировалась система компенсации атмосферных искажений, в 1992 г. стал уже знакомый нам старенький 60-дюймовый «Хейл» обсерватории Маунт-Вилсон. 69-канальная система адаптивной оптики позволила повысить его угловое разрешение с 0,5–1,0? до 0,07?. С 2000 г. практически на всех крупных телескопах используются такие системы, позволяющие довести угловую разрешающую способность телескопа до его физического (дифракционного) предела. В конце ноября 2001 г. система адаптивной оптики начала работать на 8,2-метровом телескопе «Йепун» (VLT, Чили). Это существенно улучшило качество наблюдаемой картины: теперь угловой диаметр изображений звезд составляет 0,07? в спектральном диапазоне К (2,2 мкм) и 0,04? в диапазоне J (1,2 мкм).

Искусственная звезда. Для быстрого анализа изображения в системе адаптивной оптики используется опорная звезда, которая должна быть весьма яркой, поскольку ее свет делится анализатором волнового фронта на сотни каналов и в каждом из них регистрируется с частотой около 1 кГц. К тому же яркая опорная звезда должна располагаться на небе вблизи изучаемого объекта. Однако в поле зрения телескопа далеко не всегда встречаются подходящие звезды: ярких звезд на небе не так много, поэтому до недавних пор системам адаптивной оптики были доступны наблюдения лишь 1 % небосвода – маленькие площадки вокруг ярких звезд. Чтобы снять это ограничение, было предложено использовать искусственный «маячок», который располагался бы вблизи изучаемого объекта и помогал зондировать атмосферу.

Рис. 3.36. Сравнение изображений звезды, полученных без применения и с использованием системы адаптивной оптики.

Эксперименты показали, что для работы активной оптики очень удобно при помощи специального лазера создавать в верхних слоях атмосферы искусственную звезду (Laser Guide Star, LGS) – маленькое яркое пятно, постоянно присутствующее в поле зрения телескопа. Как правило, для этого используется лазер непрерывного действия с выходной мощностью в несколько ватт, настроенный на частоту резонансной линии натрия (например, на линию D₂ Na). Его луч фокусируется в атмосфере на высоте около 90 км, там, где присутствует естественный слой воздуха, обогащенный натрием, свечение которого как раз и возбуждается лазерным лучом. Физический размер светящейся области составляет около 1 м, что с расстояния в 100 км воспринимается как объект с угловым диаметром около 1?. Например, в системе ALFA (Adaptive optics with Laser For Astronomy), разработанной в Институте внеземной физики и Институте астрономии Общества им. Макса Планка (Германия) и пущенной в опытную эксплуатацию в 1998 г., аргоновый лазер накачки мощностью 25 Вт возбуждает лазер на красителях выходной мощностью 4,25 Вт, который и дает излучение в линии D₂ натрия. Это устройство создает искусственную звезду с визуальным блеском 9-10™. Правда, появление в атмосфере аэрозоля или наблюдение на больших зенитных расстояниях существенно снижают блеск и качество искусственной звезды.

Поскольку луч мощного лазера способен ночью ослепить пилота самолета, астрономы принимают меры безопасности. Видеокамера с полем зрения 20° следит через тот же телескоп за областью неба вокруг искусственной звезды и при появлении любого объекта выдает команду на заслонку, перекрывающую лазерный луч.

Создание в конце XX в. систем адаптивной оптики открыло новые перспективы перед наземной астрономией: угловое разрешение крупных наземных телескопов в видимом диапазоне вплотную приблизилось к возможностям космического телескопа «Хаббл», а в близком инфракрасном диапазоне даже заметно превысило их. К тому же разработка адаптивной оптики сделала возможным строительство наземных оптических интерферометров на базе телескопов большого диаметра. Дело в том, что после прохождения светового луча через атмосферу он теряет когерентность, и работа интерферометра становится невозможной. Поэтому наземные интерферометры без системы адаптивной оптики работать не могут. Благодаря созданию этих систем уже вступают в строй крупные оптические интерферометры, которые будут способны не только обнаруживать, но даже исследовать планеты у других звезд.

Утверждение, что теперь все астрономические наблюдения можно проводить из космоса, не выдерживает критики, поскольку не имеет смысла делать за большие деньги в космосе то, что можно значительно дешевле сделать на Земле. Четыре десятилетия космической астрономии показали, что с орбиты нужно наблюдать лишь то, что недоступно на Земле. Большую часть оптических и радионаблюдений с успехом можно проводить из наземных обсерваторий, если не создавать им препятствий в работе.

Обсудив замечательные технические возможности и перспективы наземной астрономии, мы должны коснуться еще одной, «нетехнической» проблемы – как выбрать на дне нашего воздушного океана наилучшее место для строительства телескопа. Казалось бы, самое желанное место для установки телескопа – вершина Эвереста, но почему-то никто из астрономов туда не стремится. Вкладывая большие деньги в строительство телескопов, астрономы придирчиво выбирают места для сооружения обсерваторий, предъявляя к ним массу противоречивых требований. Среди них есть вполне понятные – экономические. Место строительства крупного телескопа должно быть доступным для большегрузных автомобилей, перевозящих массивные части телескопа и его зеркало. Желательно, чтобы невдалеке проходили морские или речные пути. При этом желательно избегать сейсмически активных областей, хотя это редко удается. Учитывая высокую стоимость больших телескопов, их стараются размещать в политически стабильных странах. Но все же главными требованием при выборе места является требование к его астроклимату.

Астрономический климат? Оказывается, есть и такой!

Астроклимат

Так называют совокупность атмосферных условий, влияющих на качество астрономических наблюдений. Важнейшие из них – прозрачность воздуха, степень его однородности (влияющая на четкость изображения объектов), величина фонового свечения атмосферы, суточные перепады температуры и сила ветра.

Напомню: астрономические наблюдения производятся со дна воздушного океана. Уже говорилось, что, будучи сжата до плотности воды, наша атмосфера имела бы толщину 10 метров! В море с такой глубины звезды практически не видны. К счастью, наша атмосфера прозрачнее морской воды и позволяет нам видеть Вселенную. Но волнение воздушного океана, плавающие в нем облака и пыль, свечение газов и поглощение ими света звезд – все это вынуждает астрономов стремиться к «всплытию», к продвижению в верхние слои атмосферы.

Строительство обсерваторий высоко в горах, размещение телескопов на самолетах, аэростатах и, наконец, на борту космических аппаратов позволяет в той или иной степени избежать вредного влияния атмосферы, но создает новые трудности, прежде всего финансовые. Особенно дорогостоящи космические обсерватории, поэтому, за редким исключением, они создаются для наблюдения тех видов излучения, которые совершенно не проходят сквозь атмосферу к поверхности Земли, например рентгеновского или далекого инфракрасного. Для наблюдения в оптическом диапазоне астрономы до сих пор размещают большую часть своих приборов на поверхности Земли, но при этом стараются выбирать место и создавать условия, максимально выгодные для наблюдений.

Прозрачность атмосферы. В оптическом диапазоне прозрачность земной атмосферы достаточно велика: свет звезды, находящейся в зените, при наблюдении с уровня моря ослабевает на 25–50 % (меньше – у красного, больше – у голубого конца спектра), а с высоты современной горной обсерватории (2500–3000 м) в среднем на 20 %. Но атмосферное поглощение меняется в зависимости от высоты светила над горизонтом. При наблюдении звезды в зените луч света проходит минимальный путь сквозь атмосферу и поэтому испытывает минимальное поглощение. Чем больше угловое расстояние звезды от зенита, тем длиннее путь луча в атмосфере и, соответственно, сильнее ослабление света.

Для того чтобы исправить наблюдаемую яркость светила в визуальном диапазоне спектра за дополнительное поглощение света в атмосфере (как говорят, «привести наблюдения к зениту»), нужно от наблюдаемой звездной величины отнять ?m:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.38. «Световое загрязнение» Европы.

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Поиск планет в Солнечной системе

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

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

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

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

Рис. 4.1. Схема Солнечной системы

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

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

Уран – находка Гершеля

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

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

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

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

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

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

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

«Закон» Тициуса – Боде

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

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

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

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

Таблица 4.1

К правилу Тициуса – Боде

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

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

Рис. 4.6. Иоганн Элерт Боде.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 какая-нибудь катастрофа». Так, пытаясь спасти изящное правило Тициуса – Боде, Ольберс указал выход из ситуации, предположив, что рой малых тел – это осколки некогда существовавшей на этом месте большой планеты. Возможно, она сама взорвалась, а может быть, разрушилась от удара кометы. Это уже детали. Главное – большой планеты не видно, а осколки налицо!

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.

Рис. 4.7. Генрих Вильгельм Ольберс.

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

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

После открытия первых четырех астероидов астрономы усиленно продолжали поиск новых. Но до изобретения фотографии это было крайне сложным делом. Пятую «малую планету» открыли только через 38 лет! Почтовый чиновник в отставке из немецкого города Дрейзена (Дрездена), любитель астрономии Карл Людвиг Генке (1793–1866), наблюдая в собственный небольшой телескоп Весту, заметил рядом с ней звездочку 9,5^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.

Таблица 4.3

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

Данные приведены на январь соответствующего года

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.

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

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

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

Разумеется, не все единожды замеченные астероиды удавалось по-настоящему «открыть». Нередко астероиды терялись, затем снова находились и вновь терялись. Например, из 398 астероидов, открытых в 1931 г., утеряно было почти ³/₄. 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 28 000 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 Койпера 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 1960 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 232 000, 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, исключая буквы I и Z (табл. 4.5).

Таблица 4.5

Первая буква, указывающая полумесяц открытия астероида

Порядок открытия объекта в данном полумесяце указывается латинскими буквами, исключая букву I:

А = 1 F = 6 L = 11 Q = 16 V = 21

В = 2 G = 7 М = 12 R = 17 W = 22

С = 3 Н = 8 N = 13 S = 18 X = 23

D = 4 J = 9 0 = 14 Т = 19 Y = 24

Е = 5 К =10 Р = 15 U = 20 Z = 25

Таким образом, буква А во второй позиции буквенной части кода означает 1-й открытый объект данного полумесяца, a Z – 25-й. С 26-го по 50-й объекты обозначаются теми же буквами – от А до Z – 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: 2010RA, 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 6 км, открытому в 1983 г. с помощью Инфракрасного астрономического спутника IRAS (InfraRed Astronomical Satellite). Астероид движется по сильно вытянутой орбите, пересекающейся с орбитой Земли, и приближается в перигелии к Солнцу всего на 0,14 а. е., почти втрое ближе, чем Меркурий. Неспроста ведь дали астероиду это имя. Легенда о Фаэтоне вспоминается еще и потому, что этот отчаянный астероид разрушается буквально у нас на глазах. Астрономы считают, что именно он является родительским телом метеорного потока Геминиды. Возможно, это вообще не астероид, а «мертвое» ядро бывшей кометы, которая, приблизившись к Солнцу, рассыпала рой мелких частиц вдоль своей орбиты, «поджарилась» в лучах светила, покрылась темной корой и перестала выбрасывать газовый хвост – украшение молодых комет.

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

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

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

Нептун, открытый «на кончике пера»

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

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

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

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

Первым за поиск неизвестной планеты, не отходя от письменного стола, взялся великий немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель (1784–1846). Прежде, с помощью телескопа, ему уже удалось нечто подобное: измеряя в течение ряда лет на меридианном круге точные координаты двух ярких звезд – Сириуса и Проциона, он установил в 1844 г., что они движутся не по прямым, а по волнистым траекториям. Не сомневаясь в справедливости законов Ньютона, Бессель предположил, что у каждой из этих звезд есть невидимый спутник, иными словами, это двойные системы, компоненты которых – видимый и невидимый – обращаются вокруг общего центра масс. Идея оказалась абсолютно верной: невидимые для Бесселя объекты действительно были обнаружены после создания более мощной оптики. 31 января 1862 г. при испытании только что изготовленного 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 Ликском 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.

Рис. 4.11. Джон Адамс.

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.

Рис. 4.12. Урбен Леверье.

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. 4.13. Сближение Урана с Нептуном в начале XIX в. усилило их взаимное влияние и способствовало теоретическому открытию Нептуна.

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

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).

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

У немецких наблюдателей неба такие карты были, поэтому они сразу же взялись за дело. В ночь на 24 сентября 1846 г. ассистент Берлинской обсерватории Иоганн Готфрид Галле (1812–1910) и помогавший ему студент-астроном Генрих Луи Д’Арре (1822–1875), не затратив и получаса на поиски, обнаружили неизвестное светило, причем всего в одном градусе от расчетной точки. «Этой звезды нет на карте!», – воскликнул Д’Арре, и его слова услышал весь астрономический мир. Но это было лишь преддверием триумфа. Отметив на карте положение маленького голубого пятнышка, астрономы занялись другими делами, а под утро отправились спать. Когда на следующую ночь телескоп был направлен на тот же объект, оказалось, что он немного переместился на фоне звезд. Галле сразу же написал Леверье: «Планета, которую вы предсказали, действительно существует!»

Рис. 4.15. Телескоп-рефрактор работы Фраунгофера (1820 г.), с которым Галле и Д’Арре открыли Нептун.

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

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

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

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

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

Плутон – наследие Ловелла

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Последним и самым важным персонажем этой истории стал молодой астроном Клайд Уильям Томбо (1906–1997). Он родился на ферме вблизи 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.

Рис. 4.16. Клайд Томбо возле 13-дюймового (33 см) астрографа Ловелловской обсерватории (показан справа), при помощи которого был открыт Плутон.

Клайду достался замечательный инструмент – новый трехлинзовый астрограф с фокусным расстоянием 175 см. Его поле зрения было необычайно большим, почти 13°х13°. Один снимок на стеклянной фотопластинке размером 14x17 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 8 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 столько 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.

Рис. 4.18. Распределение астероидов в пределах орбиты Юпитера. Рисунок весьма условный: границы Главного пояса и двух групп «троянцев» на самом деле размыты значительно сильнее.

Орбиты кентавров довольно сильно вытянуты: их эксцентриситеты заключены в диапазоне e = 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. 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 же 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.

О том, что такое движение возможно, первым догадался выдающийся французский математик, механик и астроном Жозеф Луи де Лагранж (1736–1813). Теоретически исследуя движение малых тел под действием притяжения Солнца и большой планеты (например, Юпитера), Лагранж выяснил, что легкий астероид может двигаться синхронно с планетой, находясь не только на одной линии с ней и Солнцем (это было ясно и до Лагранжа), но и в одной из двух точек, равноудаленных от планеты и Солнца, так что все три тела располагаются в углах равностороннего треугольника. Более того, если положение равновесия астероида на одной линии с Солнцем и планетой неустойчиво, то, попадая в «треугольные» точки, астероид оказывается в ловушке, откуда не так-то просто ускользнуть. С тех пор, как в 1772 г. появилась работа Лагранжа о точках равновесия, их стали называть точками либрации или «точками Лагранжа». Линейные, или, как говорят математики, коллинеарные точки получили обозначение L₁, L₂ и L₃, а треугольные – Ь₄ и L₅.

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

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 113 транснептуновых объектов, и стало окончательно ясно, что пояс Койпера существует. Оказалось, что все 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 ¹/₃ 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 какому-либо 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.

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?

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

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 Уран 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? из-за 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 что-то 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 простой «школьный» закон Ньютона. А с чего бы Солнцу быть шаром? Ведь оно вращается, значит, должно быть немного 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.

А на втором пути, где велись поиски неизвестных объектов внутри орбиты Меркурия, еще в XIX в. рождались самые замысловатые идеи.

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

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, находящаяся вдвое ближе к Солнцу, чем Меркурий, и по массе сравнимая с ним.

Рис. 4.22. Жак Бабине.

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:

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 Ингольштадте. 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 из-за 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].

Как бы то ни было, из несостоявшегося открытия Шейнера проросли зерна интереса к этой проблеме: о возможных планетах рядом с Солнцем астрономы не забывали. Немецкий аптекарь и любитель астрономии Генрих Швабе (1789–1875) многие годы неутомимо и терпеливо пытался обнаружить гипотетическую планету внутри орбиты Меркурия во время ее прохождения по диску Солнца. Для этого начиная с 1826 г. он систематически в течение 43 лет (!) зарисовывал расположение пятен на солнечной поверхности, надеясь, что одним из них окажется неуловимая планета.

Примерно то же самое, что надеялся увидеть Швабе, нынешние любители астрономии могли наблюдать 7 мая 2003 г., когда по диску Солнца проходил Меркурий, а также 8 июня 2004 г., когда на фоне солнечного диска прошла Венера (рис. 4.23); следующее ее прохождение состоится 6 июня 2012 г. В XIX в. Швабе тщетно вглядывался с помощью телескопа в солнечный диск: он не нашел на его фоне новую планету. Но, потерпев в своих поисках неудачу, упорный аптекарь все же сделал важное открытие: обнаружил возрастание и уменьшение количества солнечных пятен с периодом в 11 лет. Астрономы до сих пор пользуются этим надежным признаком изменения солнечной активности.

Вскоре после того, как Леверье опубликовал свою работу с предсказанием новой планеты внутри орбиты Меркурия, он получил письмо, автор которого сообщал о наблюдавшемся им прохождении какой-то близкой к Солнцу планеты по солнечному диску. Наблюдателем был сельский врач и астроном-любитель Лескарбо (Lescarbault Е. М., 1814–1894). Свое открытие он сделал 26 марта 1859 г., почти за год до публикации Леверье, что, вероятно, расстроило великого теоретика: гораздо приятнее, когда теоретический прогноз предшествует открытию. Навестив доктора Лескарбо в его доме в Оржере (к юго-западу от Парижа), Леверье навел справки и, убедившись в честности врача-астронома и пригодности его наблюдательного инструмента, решил, что найденный объект и был новой планетой – Вулканом. Назревала сенсация; в научной печати эту находку сравнивали с открытием Нептуна.

Рис. 4.23. Прохождение Венеры по диску Солнца 8 июня 2004 г. Темный силуэт планеты виден вблизи края солнечного диска. Фото: Stefan Seip (Stuttgart, Germany)

Но восхищение этим открытием разделяли не все. В 1860 г. французский астроном Лие (E. Liais), работавший над составлением карты побережья Бразилии, сообщил, что наблюдал Солнце одновременно с Лескарбо, но не видел никаких следов Вулкана. Лие длительное время изучал солнечный диск и поэтому с полной уверенностью утверждал, что обязательно заметил бы Вулкан, если бы тот действительно пересекал диск Солнца. К тому же Лие пользовался более мощным телескопом, чем Лескарбо. Одним словом, Лие был твердо убежден, что Лескарбо ошибся. Кроме того, он не слишком доверял и гипотезе Леверье. Описывая открытие в 1846 г. немецким астрономом Галле планеты Нептун, он довольно неприязненно пишет о Леверье, теоретически предсказавшем положение этой новой планеты: «Честь открытия принадлежит Галле, а не Леверье, подобно тому как честь открытия закона всемирного тяготения принадлежит Ньютону, а не яблоку».

Возможно, у читателя возник вопрос: почему астрономы предпочитали искать Вулкан не рядом с Солнцем, а на фоне Солнца? Дело в том, что на фоне яркой поверхности Солнца диск планеты выглядит очень контрастным, абсолютно черным. А рядом с Солнцем бледный свет планеты тонет в ярком сиянии земного небосвода. Но и такие поиски Вулкана, безусловно, проводились. Особенно интенсивными они стали с приходом в астрономию фотографии.

Любители астрономии знают, что даже Меркурий наблюдать непросто, хотя он и отходит от Солнца на расстояние от 17° до 28° (этот угол максимальной элонгации зависит от взаимного расположения Земли и орбиты Меркурия, поскольку она имеет довольно большой эксцентриситет). Еще труднее наблюдать планету внутри орбиты Меркурия. Практически это возможно только при полных солнечных затмениях. Во время затмений 1901, 1905 и 1908 гг. астрономы, пытаясь обнаружить Вулкан, фотографировали околосолнечные участки неба размерами 15°x 15° и 8°x 25°. На этих фотографиях имеются сотни слабых звезд (вплоть до 10^m), но планеты среди них нет.

Рис. 4.24. Окрестности Солнца, сфотографированные с борта космической обсерватории SOHO. Солнце в центре закрыто круглым экраном. Слева к Солнцу приближается комета.

С той поры прошел век, но экспериментаторы продолжают поиск и по-прежнему не очень-то доверяют теоретикам. Казалось бы, теория относительности Эйнштейна полностью объяснила странности в движении Меркурия, но, как мы видим, ученые-практики до сих пор пытаются измерить сплюснутость Солнца и обнаружить Вулкан. В их настойчивости есть свой резон: если не Вулкан, то что-нибудь интересное они обязательно найдут. Убедительный тому пример – попытка изучить солнечные окрестности при помощи автоматической орбитальной обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), запущенной в конце 1995 г. совместными усилиями NASA и Европейского космического агентства (ESA). Этот аппарат работает в районе точки Лагранжа Li системы Солнце – Земля (см. рис. 4.19). На борту спутника есть специальный телескоп, в фокусе которого особая заслонка закрывает яркий диск Солнца, чтобы он не мешал обозревать окрестности светила. При помощи этого инструмента астрономы пытались обнаружить Вулкан; не нашли, зато открыли множество мелких комет, которые регулярно приближаются к Солнцу, оставаясь незамеченными для наземных астрономов (рис. 4.24).

Вулканоиды – родственники Вулкана

Телескопы SOHO несколько лет вглядывались в окрестности Солнца, и теперь можно почти определенно сказать, что крупной планеты (диаметром более 100 км) вблизи Солнца не существует. Однако все эти годы и теоретики не сидели без дела: они доказали, что внутри орбиты Меркурия существует зона устойчивого движения, где могли бы сохраниться небольшие фрагменты несформировавшейся планеты, похожие на астероиды. Кстати, в свое время неутомимый Бабине и для них придумал название – циклопы. Но сегодня их почему-то называют вулканоидами; вот ведь не везет бедному Бабине!

Небесные механики рассчитали положение области устойчивых орбит вблизи Солнца: внешняя граница «зоны вулканоидов», за которой их ждут сильные возмущения от больших планет, удалена от светила на 0,21 а. е. Напомню, что Земля удалена от Солнца на 1 а. е., а Меркурий – на 0,39 а. е. Внутренняя граница зоны вулканоидов находится на расстоянии 0,07 а. е. от Солнца. Оказывается, подлетать ближе к светилу для них опасно: под давлением солнечного света они могут довольно быстро затормозиться и упасть на Солнце.

Предвижу удивление читателя: давление солнечного света направлено от Солнца, как же оно может прижимать планету к светилу? Отчасти это верно: если бы планета была неподвижна, то давление на нее солнечных лучей действовало бы строго против силы притяжения и чуть-чуть бы ее ослабляла. Но для крупного тела эффект светового давления был бы совершенно незаметным. Все равно как если под крышу автобуса поместить надутый гелием шарик, который уменьшит вес многотонной машины на несколько граммов, но не сдвинет ее с места. Иное дело, если те же несколько граммов будут тянуть автомобиль вперед: в этом случае (на ровной дороге при отсутствии трения) машина начнет двигаться, постепенно ускоряя свой бег. А если автомобиль уже катился по инерции, как планета по орбите, то даже слабая тормозящая сила будет замедлять его движение; в конце концов автомобиль остановится. Но планета не может остановиться на орбите – при этом она просто упадет на Солнце.

Пример с автомобилем я выбрал не случайно. Даже в безветренный день, двигаясь вперед, автомобиль испытывает сопротивление воздуха – ветер всегда дует в лицо водителю. Примерно так же ведет себя солнечный свет: на движущуюся планету он падает не точно от Солнца, а чуть-чуть спереди. Этот эффект называют аберрацией света и обычно объясняют на примере дождя: пока мы стоим неподвижно, дождь льет сверху, а начнем бежать – хлещет в лицо.

Лобовое давление солнечных лучей на космический объект называют эффектом Пойнтинга – Робертсона, поскольку впервые на него указал в 1903 г. английский физик Джон Генри Пойнтинг (1852–1914), а окончательно разъяснил его в 1937 г. американский физик Г. П. Робертсон. Этот эффект всегда тормозит планету и приближает ее к Солнцу, причем делает это тем активнее, чем меньше планета. Поэтому эффект Пойнтинга-Робертсона важен для самых мелких вулканоидов, размером не больше булыжника. А для крупных вулканоидов, размером во много метров и даже километров, гораздо важнее оказался недавно открытый эффект лучевой отдачи, или эффект Ярковского, также обязанный своим существованием солнечному свету. Сущность его состоит в том, что освещенная Солнцем поверхность астероида нагревается, а когда вращение уносит ее в тень, излучает накопленное тепло в инфракрасном диапазоне. Поток излучения действует как реактивный двигатель, и отдача немного изменяет орбиту астероида.

В последнее время, особенно в связи с проблемой астероидной опасности, этот эффект обсуждается в научной литературе все чаще. О его физических деталях мы еще поговорим, но вот вопрос: кто такой Ярковский? Почему о нем не упоминает ни один справочник, учебник или энциклопедия? Авторы научных статей по-разному называют его имя, специальность и даже национальность: «польский ученый», «русский инженер»… Заинтересовавшись, я нашел труды и жизнеописание И. О. Ярковского (1844–1902) и был очарован личностью этого самобытного человека, талантливого инженера и вдумчивого естествоиспытателя. Не все его идеи выдержали проверку временем. Но достаточно и того, что астрофизическая идея, высказанная инженером-путейцем в 1888 г., спустя столетие оказалась в арсенале современной науки. Это делает ему честь и требует познакомиться с ним поближе.

Жизнь и идеи инженера Ярковского

Иван Осипович Ярковский родился 12 мая (24 мая по н. с.) 1844 г. в Витебской губернии, в местечке Освей, на берегу одноименного озера (ныне г. Освея на берегу Освейского озера у северной границы Белоруссии). Его отец, Осип Янович, состоял домашним врачом у графа Яна Шадурского, влиятельного землевладельца. Ивану было 3 года, когда он потерял отца. Его мать, оставшись без средств, переселилась в Москву, где получила место гувернантки с правом держать при себе сына. Начальное образование Иван получил в школе при католической Петропавловской церкви в Москве, а затем был принят на казенный счет в Московский Александринский сиротский кадетский корпус.

С детства Иван проявлял способности к математике и механике. Еще в кадетском корпусе он изобрел дальномер, за что получил от великого князя Михаила Николаевича золотые часы. По окончании Корпуса в 1862 г. Ярковский был выпущен прапорщиком артиллерии на Кавказ, где прослужил шесть лет. Атмосферу воинской службы он характеризовал так: «Среда была интеллигентная, всех интересовала литература, много читали». Тем не менее такая жизнь не могла удовлетворить пытливый ум Ивана Осиповича; он страстно желал продолжить свое образование и хлопотал о поступлении в Военно-инженерную академию. Но оставлять военную службу молодому офицеру не хотелось: за шесть лет он привык к известному положению, к вполне обеспеченной и самостоятельной жизни. Однако хлопоты успехом не увенчались.

Рис. 4.25. И. О. Ярковский.

Получив отказ, Ярковский решается бросить все и пытается собственными силами пробить себе дорогу: едет в Петербург и поступает в Технологический институт. Оставшись без средств, он торопится с окончанием института и поступает на второй курс механического отделения. За время учебы перебивается случайными заработками, вроде изготовления проектов, а также издает таблицу умножения до 1000, которая в то время, при отсутствии счетных линеек и механических приборов, представляла немалое удобство при вычислениях. Весной 1869 г. Ярковский блестяще сдает все экзамены первого и часть второго курса, а осенью того же года – остальные экзамены второго курса и за весь третий курс, так что к началу учебного года он становится уже стипендиатом четвертого курса. В 1870 г. он оканчивает Институт технологом 1 – го разряда и сразу же по поручению частной фирмы едет в Берлин для знакомства с машиностроительными заводами. Осенью 1870 г. он поступает на Киево-Брестскую железную дорогу обер-машинистом, а затем начальником депо в Казатин.

В 1872 г. Ярковский возвращается в Петербург, где в мае защищает диссертацию «Проект машины для водоснабжения…», за что получает звание инженера-технолога и командировку за границу на год для знакомства с механическими заводами Германии, Бельгии и Франции. В июле 1872 г. Ярковский женится и вместе с женой уезжает за границу.

В 1873 г. Иван Осипович возвращается в Петербург, готовит для «Журнала Министерства путей сообщения» отчет о своей поездке и поступает на Московско-Брестскую железную дорогу: сперва в Минск на должность сборного мастера, затем в Смоленск начальником депо, наконец, в 1876 г. в Москву начальником вагонных мастерских, а затем начальником всех мастерских. В Москве он прослужил около 20 лет, выполнив за это время много технических и исследовательских работ. Он устраивает особые печи для сжигания нечистот, вводит нефтяное отопление для сварочной печи и разрабатывает парообразователь оригинальной системы. Для сравнения смазочных масел строит прибор, на котором попутно производит опыты над сопротивлением воздуха движению крыльев (работа напечатана в «Трудах отделения физических наук Императорского общества любителей естествознания»). Принимая активное участие в работе Московского отделения Императорского русского технического общества, он делает много интересных докладов и избирается председателем механической группы.

В 1893 г., во время путешествия в Америку на выставку в Чикаго, Ярковский перенес в океане несколько сильных бурь. При виде громадных волн он задался мыслью использовать их энергию для движения парохода и, вернувшись из путешествия, изготовил модель такого «волнохода», хорошо поясняющую полезное действие волн. Кроме того, он предполагал воспользоваться подобным устройством, укрепленным на якоре, для выработки электроэнергии. Из позднейших изобретений Ярковского интересна его оригинальная ротационная паровая машина, которая была запатентована. Много внимания Иван Осипович уделял и воздухоплаванию; кроме упомянутых уже опытов над сопротивлением воздуха, он разработал подробный план и проект испытательной станции для изучения подъемных винтов.

Не довольствуясь лишь технической деятельностью, Ярковский посвящал свой досуг научным вопросам. В 1887 г. он создал «кинетическую гипотезу всемирного тяготения» и через год опубликовал ее. В этой работе тяготению дается чисто механическое толкование: Ярковский полагал, что гравитационное ускорение тел связано с давлением на них хаотически движущихся частиц эфира. Всем прочим физическим явлениям он также дает чисто «кинетическое» объяснение.

Напомню, что эфиром в то время называли гипотетическую среду, переносящую световые колебания. В том, что свет – это колебательный процесс, сомнений ни у кого уже не было, но трудно было понять, какая именно среда переносит эти колебания. Условно ее называли эфиром, но о его природе имелись самые разные суждения. Ярковский представлял эфир как вполне материальный газ из микроскопических твердых частиц. Атомы же химических элементов он считал значительно более крупными агрегатами эфирных частиц. По мысли Ярковского, каждое физическое тело постоянно поглощает частицы эфира, которые внутри него объединяются в химические элементы, увеличивая тем самым массу тела – за счет этого звезды и планеты растут. А гравитация, как легко понять, сводится к простому эффекту экранирования: присутствие рядом с вами массивного тела, поглощающего поток эфирных частиц, вызывает асимметрию действующего на вас «эфирного давления», что и проявляется как притяжение к экранирующему телу.

Ярковский сознавал, что его гипотеза благодаря ее новизне, или, как он любил выражаться, «еретичности» в отношении общепринятых положений в науке, вызовет массу возражений. Будучи человеком основательным и преданным науке, он отнюдь не желал явить миру сырой материал и навсегда остаться в позе непризнанного гения. Напротив, он желал получить критические отзывы ученых, чтобы иметь возможность полнее разработать гипотезу, прежде чем выносить ее на широкую аудиторию. Поэтому он издает свою работу на французском языке, наиболее распространенном в науке тех лет, и не пускает ее в продажу, а рассылает персонально ученым разных стран. Предисловие к этому изданию начинается так: «В руках ваших, читатель, книга, которая, вероятно, возбудит в вас недоверие. Имя автора вам неизвестно, а в заголовке вы находите связанными две вещи, между которыми, я уверен, вы не усматриваете никакой взаимосвязи. В самом деле, что может быть общего между всемирным тяготением и образованием химических элементов». Далее следует просьба вооружиться терпением и прочесть эту книгу ранее, чем будет произнесен приговор. Завершается предисловие скромно: «Если я буду настолько счастлив, что мою книгу прочтут, что она возбудит прения, даже если бы мои идеи и были опровергнуты, то и тогда мои старания не окажутся напрасными, мое время не будет потрачено бесцельно, так как для доказательства, что я неправ, необходимо будет работать в том направлении, которое до настоящего времени было заброшено, и таким образом научным исследованиям дан будет новый толчок».

Получив ответы и отзывы на книгу, Иван Осипович заканчивает разработку своей идеи и через год издает уже более обширный и полный труд по-русски под заглавием «Всемирное тяготение как следствие образования весомой материи внутри небесных тел. Кинетическая гипотеза» (М., 1889). Затем следует еще ряд работ с развитием гипотезы. Последний его прижизненный труд – брошюра «Плотность светового эфира и оказываемое им сопротивление движению» (Брянск, 1901).

Казалось бы, «не по чину» инженеру-путейцу публично высказываться по проблемам фундаментальной науки. Однако Ярковский во многих вопросах физики и химии демонстрирует глубокие знания и поразительную интуицию. Например, он был последовательным защитником идеи сложного строения атома, полемизируя в этом вопросе с самим Д. И. Менделеевым, тогда уже знаменитым автором периодического закона. Как известно, идею строения химических элементов из еще более фундаментальных частиц Менделеев называл «утопией». Стремясь объяснить скачкообразный характер изменения атомных масс, Ярковский полагает, что атомы состоят из более мелких дискретных частиц материи («Разве в этом не видна причина периодичности?» – пишет он), и замечает: «Я вынужден принять на себя странную роль – именно защищать периодический закон от несправедливых нападок его творца, старающегося сузить его значение».

Рис. 4.26. Титульный лист второго (посмертного) издания книги Ярковского.

Идя далее, Ярковский поддерживает идею превращения элементов. Он с одобрением цитирует лекцию В. Крукса «О происхождении химических элементов» (пер. под ред. А. Г. Столетова. М., 1886): «Идею о генезисе элементов весьма важно держать в уме: она дает некоторую форму нашим воззрениям и приучает ум искать физической причины происхождения атомов. Еще важнее при этом иметь в виду великую вероятность того, что существуют в природе такие лаборатории, где атомы формируются, и такие, где они перестают быть». Эту догадку Ярковский объединяет со своей гипотезой: «Великая лаборатория, о которой говорит Крукс, есть всякое тело больших размеров, плавающее в мировом пространстве. В нем элементы образуются из эфира».

У современного астронома эти слова вызывают ассоциацию с массивными звездами, со сверхновыми…

А «эфир»? Ну что же, сегодня теоретики «делают» Вселенную из вакуума, из квинтэссенции, из струн…

Однако вернемся к работам Ярковского. Главной своей идеей он считал кинетическую гипотезу гравитации. Одним из ее следствий был эффект частичного экранирования тяготения: взаимное притяжение двух тел должно было ослабляться, если между ними располагалось третье тело. Пытаясь проверить это опытным путем, Иван Осипович создал чувствительный измеритель силы тяжести – гравитоскоп – и в продолжение нескольких лет ежедневно по 5–6 раз в день проводил с ним измерения, пытался обнаружить эффект, связанный с суточным и годичным движением Земли, играющей роль экрана для наблюдателя на ее поверхности. При этом он старался учесть влияние иных причин: вместе с показаниями прибора он фиксировал температуру и давление воздуха. Заметив регулярные вариации силы тяжести, Ярковский решил, что эффект экранирования обнаружен, но с выводами не спешил: «Для меня лично опыты мои были вполне убедительны и не оставили во мне ни малейшего сомнения в том, что сила тяжести не представляет собой чего-либо постоянного; но для того, чтобы подобное суждение было принято наукой, нужны, конечно, новые, более точно обставленные опыты, притом не одного человека, а нескольких компетентных лиц, и с более точными приборами. Я буду вполне вознагражден, если мое настоящее заявление побудит к производству этих опытов». И побудило: такие опыты проводились весь XX век как профессиональными учеными, так и любителями науки.

Рис. 4.27. Гравитоскоп Ярковского – пружинный прибор для измерения силы тяжести.

Мы не будем здесь детально обсуждать теорию гравитации Ярковского. Скажем только, что она относится к тем механистическим моделям тяготения, которые были порождены в XIX в. успехами кинетической теории газов. На определенном этапе эти модели были весьма популярны, в их разработке принимали участие корифеи теоретической физики – Максвелл, Пуанкаре и др. Упорные попытки создать на смену феноменологической модели Ньютона более наглядную «физическую» модель гравитации продолжались еще в начале XX в. Например, крупнейший нидерландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) в статье «Размышления о тяготении» (1900 г.) рассматривал практически тот же механизм экранирования, что и Ярковский, но как источник давления предполагал не частицы эфира, а цуги электромагнитных волн, равномерно заполняющих пространство. Но в конце концов история физики зафиксировала это направление как тупиковое, и профессиональные физики более к нему не обращались.

Тем не менее, хотя механистическая теория гравитации не получила развития, имя Ярковского не кануло в Лету. Рассматривая следствия своей идеи о гравитации, он пришел к по-настоящему оригинальной идее, которая оказалась практически забыта на его родине, но нам о ней напомнили из-за рубежа. Речь идет о так называемом эффекте Ярковского. Сам Иван Осипович пришел к этой идее в поисках ответа на вопрос, почему движение планет не тормозится сопротивлением эфира. Само существование светоносного эфира он не подвергал сомнению, как и большинство физиков той эпохи. Но, как человек технического склада ума, он не разделял точку зрения сторонников нематериальной среды, переносящей свет и при этом не участвующей в механических взаимодействиях. Ярковский считал эфир тонкой, но вполне ощутимой средой, состоящей из микроскопических частиц и тормозящей движение погруженных в нее тел: «Если эфир есть материальный газ, то как бы он ни был упруг и тонок, все же он должен оказывать известное сопротивление движению… Между тем одна из точнейших наук, астрономия, доказывает нам неопровержимо, что подобного замедления в движении небесных тел совершенно не замечается».

Наглядный пример равномерного движения при наличии сопротивления среды инженер Ярковский находит на речном фарватере: «Положим, вы смотрите на быстро двигающийся по воде пароход. Вы видите, что он идет совершенно равномерно, вы не замечаете никакого замедления в его движении; разве вы вправе из этого заключить, что пароход не встречает никакого сопротивления? Нет, подобного заключения вы и не сделаете, потому что вы знаете, что в пароходе имеется паровая машина, работа которой идет на постоянное преодоление этого сопротивления. Но нет ли подобной машины и в каждой из планет?.. Нетрудно убедиться, что в каждой планете существует двигатель, работа которого тратится постоянно на преодоление сопротивления эфира поступательному движению планеты. Я скажу более, двигатель этот есть калорическая машина, построенная по всем правилам механики, и в которой источником теплоты служат лучи солнца».

Далее Иван Осипович поясняет суть эффекта. Взаимодействие планеты с окружающим ее эфиром подобно взаимодействию пористого тела с окружающим его газом: частицы газа, проникшие в поры тела, при низкой температуре адсорбируются веществом, но при высокой температуре могут освободиться и покинуть тело (так, для очистки активированного угля, использованного в фильтре противогаза, уголь прокаливают). По мнению Ярковского, планета поглощает эфир, который в ее недрах частично превращается в химические элементы, а частично покидает планету Чем выше температура поверхности планеты в данном месте, тем интенсивнее частицы эфира устремляются наружу, создавая эффект отдачи.

Если планета не имеет суточного вращения, то наиболее теплой является полуденная часть ее шара; в этом случае эффект отдачи действует вдоль линии притяжения к Солнцу, немного ослабляя его. Сегодня мы назвали бы это «давлением солнечного света». Но вспомним: Петр Николаевич Лебедев (1866–1912) опытным путем доказал давление света на твердые тела лишь в 1899 г., а на газы – в 1907 г. Поэтому Ярковский в своих рассуждениях вполне оригинален. Наиболее остроумная его догадка касается вращающейся планеты: суточное движение переносит нагретый участок поверхности к вечерней стороне шара, следовательно, эффект отдачи будет сильнее всего именно там и станет подталкивать планету вдоль орбиты в направлении утреннего терминатора. В конце XIX в. данные астрономии указывали, что все планеты, исключая Уран, движутся утренним терминатором вперед. Следовательно, полагал Ярковский, указанный эффект будет противодействовать сопротивлению эфира!

Рис. 4.28. Рисунок Ярковского, поясняющий предсказанный им термомеханический эффект.

Ярковский пишет: «Как бы ни был мал каждый толчок эфирного атома, взятый в отдельности, но, суммируя бесконечно большое число бесконечно малых усилий, мы получим некоторую конечную силу, стремящуюся двигать планету вперед. Выражаясь языком термодинамики, можно сказать, что теплота лучей солнца, скопленная планетою около полудня, превращается около 6 часов вечера в механическую работу, которая расходуется на то, чтобы преодолеть сопротивление, оказываемое с той стороны, где часы показывают 6 часов утра. Разве это не калорическая машина? Разве это не достойный планеты двигатель?.. Все изложенное здесь не есть плод досужей фантазии. Тот, кто признает… что теплота есть форма энергии и что она способна превращаться в механическую работу, тот должен признать безусловно, что при движении вращающейся планеты изложенный мною процесс необходимо должен иметь место… Итак, двигатель планет – это солнечные лучи».

Многое изменилось за прошедшее столетие в наших представлениях о свете. Сегодня мы уже не нуждаемся в эфире, чтобы описывать распространение света и перенос им импульса. Это свойство электромагнитных колебаний следует из волновых уравнений Максвелла, который, впрочем, и сам отдал немало сил изучению гипотезы эфира. Чтобы почувствовать, насколько привлекательной и долгоживущей была эта гипотеза, достаточно посмотреть, что писал крупный физик Джозеф Лармор в 1910 г. на страницах авторитетной энциклопедии «Britannica» в статье «Эфир»: «Наиболее фундаментальным подтверждением, которое теория эфира получила со стороны оптики в последние годы, было оправдавшееся указание Максвелла, что излучение оказывает механическое давление на материальную систему, на которую оно падает». И далее он поясняет, что имеет в виду… опыты Лебедева 1900 г.!

Позже теория квантов сделала световое давление вполне «ощутимым» на уровне здравого смысла. Эфир был изгнан из физики. Казалось бы, это лишает оснований все рассуждения Ярковского. Однако подмеченный российским инженером небесномеханический эффект все же имеет место и играет роль в жизни планетной системы.

Эффект Ярковского в действии

Почему эффект Ярковского астрономы игнорировали в своих расчетах почти 100 лет? Да потому, что он слаб. Простая оценка показывает, что даже если космическое тело переизлучает в ИК-диапазоне весь падающий на него солнечный свет в одном, наиболее благоприятном направлении, то и за миллиард лет этот «фотонный двигатель» сможет существенно изменить орбиту лишь сравнительно небольшого тела, размером от 10 см до 10–20 км. В Солнечной системе такие тела известны – это ядра комет и астероиды. Но на движение ледяных ядер комет значительно сильнее влияет испускание с их нагретой поверхности потоков газа, на что впервые указал в 1950 г. американский астроном Фред Лоуренс Уипл (1906–2004). Так что для проявления эффекта Ярковского остаются только мелкие астероиды.

Уже в середине XX в. астрономы выяснили, что все астероиды вращаются подобно планетам. На поверхности астероидов тоже бывает день и ночь. Поэтому для эффекта Ярковского у астероидов условия есть. Когда вращение тела уносит нагретую за день поверхность астероида в ночную тень, накопленное тепло излучается не в сторону Солнца, а «вбок», действуя как разгонный или тормозной реактивный двигатель и очень слабо, но постоянно изменяет орбиту астероида. Если вращение астероида отклоняет его нагретую поверхность вперед по курсу, то эффект Ярковского тормозит движение тела, и оно, опускаясь по орбите вниз, приближается к Солнцу. Если же теплая поверхность за счет вращения разворачивается назад, то лучевой импульс подгоняет движение астероида и поднимает его орбиту, удаляя тело от Солнца.

С астероидами километрового размера, особенно подверженными этому эффекту, астрономы познакомились сравнительно недавно, когда начали использовать для их поиска крупные автоматизированные телескопы и обнаружили, что такие астероиды порою весьма тесно сближаются с Землей. Стоит ли говорить, как это взволновало «мировую общественность»! При этом масла в огонь подливали не только журналисты, но и сами ученые, лишившиеся в конце 1980-х гг. выгодных военных заказов.

Большинство астероидов все же движется вдали от Земли, между орбитами Юпитера и Марса. Но три семейства малых планет представляют для Земли потенциальную опасность: это астероиды группы Амура, заходящие внутрь орбиты Марса, группы Аполлона, пересекающие орбиту Земли, и группы Атона, чьи орбиты целиком лежат внутри орбиты Земли. Астрономы поставили перед собой цель выявить все потенциально опасные астероиды и с высокой точностью прогнозировать их движение в будущем. А для этого важен учет даже слабых эффектов. Тут и вспомнили про идею Ярковского.

Разумеется, сам механизм реакции теплового излучения настолько очевиден, что если бы не Ярковский, то другие исследователи обязательно переоткрыли бы этот эффект (что позже и случилось). Но он по праву носит имя Ярковского, в сущности, благодаря хорошей памяти одного человека – эстонского астронома Эрнста Эпика (1893–1985). Окончив Московский университет, Эпик работал в обсерваториях Москвы, Ташкента, Тарту и Гарварда, а после 1944 г. обосновался в обсерватории Арма (Северная Ирландия). Это был чрезвычайно разносторонний ученый, один из немногих энциклопедистов XX в. В 1951 г. Эпик опубликовал статью о движении малых тел в Солнечной системе, в которой впервые учел действие радиационной отдачи, отметив, что этот эффект был уже описан «гражданским инженером Ярковским в брошюре, изданной в Санкт-Петербурге в России в 1900 году». Эпик прочитал эту брошюру приблизительно в 1909 г., когда жил в Эстонии, и мог сослаться на нее лишь по памяти. Вот так и возник термин «эффект Ярковского».

Если бы не благородство эстонского астронома, то, возможно, мы обсуждали бы сейчас «эффект Эпика» или «эффект Эпика – Радзиевского», поскольку в 1952 г. довольно подробное исследование этого эффекта опубликовал в «Астрономическом журнале» (т. 29, с. 162) советский астроном Владимир Вячеславович Радзиевский (1911–2003), не упомянув при этом работы Ярковского и Эпика. Впрочем, если уж восстанавливать историческую справедливость, то следовало бы называть его «эффектом Ярковского – Рубинкама», поскольку именно Дэйвид Рубинкам (D. P. Rubincam) из Центра космических полетов им. Годдарда (NASA) в 1987 г. первым обнаружил проявление этого эффекта в движении геодезического спутника Земли LAGEOS, орбита которого с высочайшей точностью измеряется методом лазерной локации.

Рис. 4.29. Эффект Ярковского в современной трактовке, в терминах механической реакции теплового излучения.

К тому же именно Рубинкам отметил, что этот эффект имеет две составляющие – суточную и годичную, если считать «годом» орбитальный период тела. Суточный эффект вызван различием температуры утреннего и вечернего полушарий планеты, а годичный – разницей температуры летнего и зимнего ее полушарий. Сам Ярковский писал только о суточном эффекте, который может быть сильно ослаблен быстрым вращением планеты, сглаживающим перепад температуры от дня к ночи. Но на годичный эффект это не влияет; он возникает в том случае, если ось вращения планеты наклонена к оси ее орбиты (как у Земли), что приводит к попеременному, на полгода, повышению температуры одного из полушарий. Если планета движется летним полушарием вперед, то «сила Ярковского» тормозит ее движение, если же зимним полушарием вперед, то ускоряет.

Рис. 4.30. Годичный эффект Ярковского на примере планеты с наклоном оси вращения в 90°. Цвет указывает среднюю температуру полушария: светлый – высокая, темный – низкая. Тепловая инерция приводит к тому, что температура выравнивается не в точках 1 и 2, а в точках 3 и 4. Сила Ярковского достигает нуля в точках 3 и 4, а в точках 5 и б обращается в нуль ее составляющая вдоль вектора скорости. Знаком «+» отмечен сектор ускорения, знаком «-» – торможения. Как видим, преобладает торможение.

Любопытно, что суточный эффект Ярковского симметричен: если направление суточного вращения планеты совпадает с направлением ее орбитального обращения, то сила Ярковского подталкивает планету вперед и она удаляется от Солнца, а если направления вращения и обращения не совпадают, то все наоборот – планета приближается к Солнцу. А вот годичный эффект несимметричен: в среднем за орбитальный период планета всегда тормозится и приближается к Солнцу. Это легко понять, рассмотрев движение предельно наклоненной планеты, которая, подобно Урану, обращается по орбите, «лежа на боку». Симметрию сил при движении по круговой орбите нарушает тепловая инерция поверхности планеты.

Как мы знаем, астрономы знакомы еще с одним динамическим эффектом излучения, тормозящим движение тел, – эффектом Пойнтинга – Робертсона. Суть его в том, что давление солнечного света из-за аберрации всегда направлено чуть-чуть «в лоб» движущемуся объекту. Этот эффект важен для мелких космических пылинок, а эффект Ярковского – для более крупных камней и глыб. Хотя в целом эффект Пойнтинга – Робертсона значительно слабее эффекта Ярковского, но зато действует на все тела без исключения, тогда как эффект Ярковского отсутствует у невращающихся тел, у быстро вращающихся вокруг оси перпендикулярной плоскости орбиты, а также у маленьких, однородно прогретых тел.

Рис. 4.31. Астероид Итокава (25143 Itokawa) размером 535x294x209 м в своем движении должен испытывать заметное влияние эффекта Ярковского. Фото получено японским зондом «Хаябуса» в 2005 г. Взяв образец вещества с поверхности астероида, этот зонд 13 июня 2010 г. вернулся на Землю.

В последние годы влияние силы Ярковского на движение астероидов активно исследуют Паоло Фаринелла (P. Farinella, Университет Триеста, Италия) и Давид Вокрухлицкий (D. Vokrouhlicky, Карлов университет, Прага, Чехия), а также Уильям Ф. Боттки из Корнельского университета, Уильям Хартманн из Института планетных наук в Туксоне и др. Они отмечают, что опасность для Земли представляют не только астероиды групп Амура, Аполлона и Атона. Оказывается, в Главном поясе астероидов, между орбитами Юпитера и Марса, движение отнюдь не всех малых планет происходит стабильно. Там есть узкие зоны, попав в которые малая планета начинает двигаться хаотически и может быть выброшена притяжением Юпитера или даже Марса в произвольном направлении. Расчеты показали, что «дрейф Ярковского» достаточно велик, чтобы смещать мелкие астероиды из зон устойчивых орбит в зоны хаоса, откуда некоторые из них могут вылетать к сторону Земли. Таким образом, эффект Ярковского увеличивает потенциальную угрозу нашей цивилизации.

Но самое любопытное, что тот же эффект Ярковского можно использовать и для защиты от астероидов. Отклонять небольшие, но опасные астероиды подальше от Земли теоретически возможно, если каким-либо способом изменить отражательные свойства их поверхности и тем самым усилить или ослабить эффект Ярковского. Этот способ предложил в 2002 г. планетолог Джозеф Спитэйл из Лаборатории Луны и планет Аризонского университета. В статье, опубликованной в журнале «Science», он привел вычисления дрейфа Ярковского для трех относительно близких к Земле астероидов: Голевка (6489 Golevka) диаметром 300 м, Икар (1566 Icarus, 1 км) и Географос (1620 Geographos, 2,5 км). Чтобы проверить эти расчеты, американские радиоастрономы организовали в 2003 г. наблюдения за астероидом Голевка с помощью гигантской антенны в Аресибо (о. Пуэрто-Рико). Оказалось, что «фотонная тяга» работает: сила Ярковского действует в точном согласии с расчетами. Для астероида Голевка массой 210 млн т она составляет примерно 0,3 Н; в результате с 1991 по 2003 гг. орбита астероида на 15 км отклонилась от идеальной траектории, определяемой гравитационным взаимодействием с другими телами Солнечной системы.

Современной технике вполне по силам «выключить» эффект Ярковского, покрасив поверхность такого астероида в белый цвет, или, напротив, усилить эффект, используя черный краситель. Правда, быстрого результата от этого ждать не приходится: орбита даже небольшого астероида отклонится от точки встречи с Землей лишь спустя десятилетия. Поэтому защитные меры в расчете на эффект Ярковского нужно принимать заранее. И все же это гораздо лучше, чем пытаться разрушить опасный астероид ядерными зарядами, отчего он может превратиться в облако мелких осколков, еще более смертоносное для Земли.

Как видим, оригинальная механическая теория Ярковского не нашла подтверждения, но предсказанный им астрономический эффект стал полезным инструментом современной науки.

Признаюсь, знакомство с жизнью и работами Ивана Осиповича оказалось для меня весьма поучительным. Я еще раз увидел, сколь высок был культурный уровень дореволюционного российского инженера, сколь привлекательна фундаментальная наука для специалистов технического профиля и, наконец, сколь ошибочен обывательский взгляд на науку как на цепь революционных переходов от одной теории к другой. Наука – это прежде всего преемственность; это процесс, в котором ни одна хорошая идея не исчезает бесследно, на какой бы почве она ни произросла.

В стратосферу за вулканоидами

Как вы помните, я начал рассказ об эффекте Ярковского не только потому, что он вызывает дрейф астероидов из Главного пояса к центру Солнечной системы, но и потому, что он заметно влияет на движение небольших тел внутри орбиты Меркурия: астероиды размером менее 2 км он вынуждает быстро покидать область устойчивого движения, сохраняя в этой зоне лишь сравнительно крупные тела – гипотетические «вулканоиды».

Теперь, узнав о причинах, способствующих миграции мелких тел Солнечной системы в область вулканоидов и их уходу из этой области, мы понимаем, почему небесные механики ограничили «зону вулканоидов» расстояниями от 0,07 до 0,21 а. е. от Солнца. Этот диапазон расстояний для земного наблюдателя соответствует угловому удалению от Солнца от 4° до 12°. В такой близости от яркого светила трудно что-либо заметить, но астрономы не сдаются. Они изобретают новые приемы охоты за вулканоидами.

В 2002 г. Юго-западный исследовательский институт (США) совместно с NASA приступил к поиску вулканоидов с борта боевых истребителей – настоящих воздушных охотников. И это не шутка. Разумеется, реактивные самолеты F/A-18 вместо ракетного оружия несут специальные телекамеры. Затеявший эту программу астроном Дэниэл Дурда и его коллеги рассчитывают обнаружить вулканоиды вблизи Солнца во время ночных полетов, когда при наблюдении с самолета, летящего на высоте около 15 км над калифорнийской пустыней Мохаве, видно околосолнечное пространство, но диск самого Солнца не виден, поскольку скрыт за горизонтом. Особенность этого проекта – его крайне низкая стоимость: наблюдения проводятся во время обязательных ночных тренировочных полетов пилотов NASA.

Предполагается, что проект американских ученых получит развитие. В ближайшее время появится возможность отправить аппаратуру на высоту в 22 км с помощью самолета-разведчика U-2, что улучшит возможности поиска вулканоидов. Примерно за час до восхода Солнца или спустя час после его заката с борта самолета видна над горизонтом как раз та область неба, в которой должны обитать вулканоиды. На нее и будут направлены телекамеры самолетов-«научных разведчиков». Подъем телекамер в стратосферу позволяет избежать поглощения и рассеяния света в атмосфере Земли. Проще говоря, в стратосфере темное небо, на фоне которого проще заметить слабый огонек вулканоида. Судя по расчетам, у внешней границы зоны вулканоидов приборы смогут обнаружить все объекты размером более 8 км. Если они существуют. Пока ничего не найдено. Но ведь и Плутон искали несколько десятилетий… и нашли!

Если думать о дальнейших перспективах поиска, то вся надежда на приборы, работающие в космосе (им не мешает рассеянный атмосферой свет), и желательно поближе к Солнцу. Но в сторону Солнца космические зонды запускают редко. В большинстве случаев они долетают до Венеры, чтобы исследовать ее саму или использовать ее гравитацию для разгона аппарата. Первым межпланетным зондом, побывавшим вблизи Меркурия, был «Маринер-10» (NASA), совершивший в 1974–1975 гг. три пролета вблизи планеты. Для продолжения этих исследований в 2004 г. США отправили к Меркурию зонд «Messenger» (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and hanging – «поверхность Меркурия, космическое окружение, геохимия и систематизация»).

Рис. 4.32. Дэниэл Дурда устанавливает в кабине самолета видеокамеру.

Рис. 4.33. Самолет NASA с установленной на борту видеокамерой для поиска вулканоидов.

Хотя до Меркурия лететь менее полугода, этот «Посланец» прибудет на место только через 7 лет после запуска. В августе 2005 г. аппарат совершил пролет около Земли, в октябре 2006 г. и июне 2007 г. он пролетел около Венеры, затем – в январе и октябре 2008 г. и сентябре 2009 г. – трижды прошел рядом с Меркурием. И только в 2011 г. Messenger станет первым в истории искусственным спутником Меркурия. Главной проблемой создателей аппарата было уберечь его от жары: днем поверхность Меркурия нагревается Солнцем до 450 °C. Электроника такой температуры не выдерживает. Чтобы спасти зонд, его покрыли специальным керамическим материалом, каким покрывают «шаттлы», чтобы они не сгорали при входе в атмосферу.

Учитывая технические трудности, вряд ли следует ожидать полетов в область вулканоидов в ближайшее время. Так что поиск этих загадочных тел остается пока задачей классической астрономии – наземной и космической.

Итак, история неоткрытой планеты Вулкан еще не окончена. Астрономы упорно ищут ее «родственников» и, возможно, скоро найдут их. А какая нам будет польза от того, что рядом с Солнцем найдется планета Вулкан или небольшие астероиды-вулканоиды? Этот вопрос не так уж наивен. Думаю, что польза будет! Без всяких абстрактных ссылок на общечеловеческую значимость научного поиска. Польза будет вполне конкретная. Во-первых, мы получим прекрасный плацдарм для организации стационарной солнечной обсерватории, которая, располагаясь рядом со светилом, будет давать заблаговременный прогноз солнечной активности. Во-вторых, это идеальное место для строительства солнечных электростанций. Ведь поток солнечного света там в десятки раз мощнее, чем у Земли. И всегда чистое небо, поскольку нет атмосферы. А знание космической погоды и поиск новых источников энергии – это ли не главные приоритеты современного мира? Поэтому мы будем искать планеты вблизи Солнца. А если не найдем, то когда-нибудь создадим их сами.

5. Планеты-телескопы

До сих пор мы обсуждали две астрономические темы – планеты и телескопы. Мы привыкли, что телескоп – это рукотворный прибор, а планета – объект исследования. Обычно так и есть, но не всегда: порой небесные тела сами становятся частью астрономического инструмента.

Еще в 240 г. до н. э. великий греческий астроном Эратосфен использовал свойство взаимной параллельности солнечных лучей для измерения диаметра Земли. А русский ученый М. В. Ломоносов, наблюдая в 1761 г. прохождение Венеры по диску Солнца, обнаружил у нее «знатную» атмосферу. Как видим, и для Эратосфена, и для Ломоносова Солнце послужило зондом при изучении планет. В наше время большинство астрономических открытий сделано благодаря новым приемникам излучения в радио-, рентгеновском, инфракрасном, ультрафиолетовом и гамма-диапазонах. Может создаться впечатление, что прогресс астрономических знаний связан исключительно с применением технических новинок, а природные объекты и явления лишь мешают наблюдениям: например, земная атмосфера размывает изображения, а Луна посылает рассеянный свет в атмосферу. Но изобретательность человеческого ума безгранична: даже то, что порою мешает в работе, ученые заставляют служить науке. Уже давно астрономы научились использовать одни космические объекты для изучения других. Всякий раз, когда природа сама помогает поставить те или иные эксперименты, астрономы стараются не упускать представившуюся им возможность наблюдать за ходом этих экспериментов.

Экран размером в тысячи километров

Астрономы по праву гордятся тем, что в их руках находятся самые крупные (и очень дорогие!) научные приборы – оптические телескопы диаметром 10 м, радиотелескопы диаметром в сотни метров, межконтинентальные радиоинтерферометры с базой, длина которой равна расстоянию от Крыма до Австралии! Кажется, не было крупнее астрономических приборов в истории человечества. Но это не так. Еще древние астрономы использовали для наблюдения солнечной короны «прибор» размером почти 3500 км. Речь идет, конечно, о Луне, которая во время полных солнечных затмений аккуратно закрывает сияющий диск нашей звезды, предоставляя ученым возможность исследовать солнечную хромосферу и корону. Особенно ценно то, что диск Луны имеет тот же угловой размер, что и фотосферный диск Солнца. Луна как будто специально изготовлена для помощи астрономам в изучении Солнца.

Рис. 5.1. Солнечная корона, наблюдавшаяся с территории Монголии во время затмения 1 августа 2008 г. Изображение создано путем объединения 55 кадров, снятых с разными экспозициями: от ¹/₁₂₅ до 8 секунд. Солнце и Луна располагаются на фоне созвездия Рак. Фото: М. Druckm?ller, P. Aniol, V. Rusin.

Сколько сил и изобретательности было затрачено на создание внезатменного коронографа! Прибор работает, но пока ему трудно конкурировать с естественным коронографом – Луной, и астрономы по-прежнему с нетерпением ждут солнечных затмений. До сих пор с поверхности Земли благодаря Луне удается получать изумительные снимки солнечной короны (рис. 5.1), превосходящие по качеству даже те, которые получены дорогостоящими космическими обсерваториями (см. рис. 4.24).

Неоценимы в астрономических исследованиях покрытия Луной различных объектов малого углового размера. Астрономы умеют очень точно измерять яркость тусклых источников света – астероидов, звезд, галактик, но земная атмосфера препятствует исследованию тонкой структуры этих источников. Край лунного диска, последовательно закрывая от наблюдателя (или открывая) части изучаемого объекта, позволяет измерить распределение яркости по поверхности объекта, то есть получить его изображение. Луна движется по орбите со скоростью около 1 км/с. Для наблюдателя на Земле край лунного диска на фоне неба движется с угловой скоростью от 0,3? до 0,5? в секунду, в зависимости от географической широты наблюдателя и высоты Луны над горизонтом. Современный телескоп с электронным приемником света способен тысячи раз в секунду фиксировать световой поток от объекта 5^m. Значит, угловое разрешение системы «телескоп – Луна» составляет примерно 0,001?, то есть в сотни раз лучше, чем у телескопа «без Луны», и даже лучше, чем у телескопа с дорогостоящей системой адаптивной оптики.

Рис. 5.2. Момент контакта во время покрытия Венеры диском Луны. Фото: Philippe Tosi.

Методом лунных покрытий определяют диаметры астероидов, планет и звезд, открывают и исследуют тесные двойные звезды и даже изучают распределение яркости на дисках некоторых звезд. Сейчас этот метод очень популярен и доступен даже любителям астрономии^[5]. Правда, такие наблюдения возможны лишь в тех местах на небе, где бывает Луна: для земного наблюдателя – в полосе шириной около 12° вдоль эклиптики.

У метода лунных покрытий есть и недостатки. Во-первых, дифракция света на краю лунного диска приводит к искривлению световых лучей. Даже точечный источник, когда на него надвигается лунный диск, исчезает не сразу, а предварительно испытав несколько возрастающих по амплитуде колебаний яркости. Исключают эти эффекты математическими методами, сравнивая с наблюдаемой картиной изменения яркости кривые, рассчитанные для источников различного углового диаметра.

Второй недостаток данного метода в том, что одно лунное покрытие – это всего лишь один «скан», дающий одномерное распределение яркости источника. Но если наблюдать несколько покрытий одного и того же источника, то можно получить набор одномерных профилей яркости с разными углами сканирования. Дело в том, что Луна движется очень сложно и никогда не повторяет в точности своего пути. По этому набору сканов несложно восстановить двумерную картину распределения яркости.

Покрытия Луной используются для исследований не только в оптическом диапазоне: чрезвычайно широкое применение в свое время нашел этот метод в рентгеновской астрономии, приборы которой поначалу обладали очень низким угловым разрешением. В 1963 г. рентгеновские детекторы имели угловое разрешение несколько градусов, поэтому московский астрофизик И. С. Шкловский предложил исследовать рентгеновский источник в созвездии Телец в то время, когда его постепенно закрывала Луна. Эксперимент был проведен: в результате источник отождествили с Крабовидной туманностью и определили его размер – около 1?, что было в сотни раз меньше разрешающей способности рентгеновского детектора.

Рис. 5.3. Кривые блеска звезды IRC+00233 на длинах волн 2 и 4 микрона в момент ее покрытия Луной. Крестики – данные наблюдений. Сплошная кривая – теоретическая модель для звезды углового размера 0,0045?. Колебания блеска вызваны эффектом дифракции света на краю лунного диска: чем меньше угловой размер звезды, тем сильнее дифракционные колебания блеска. Из работы Р. М. Harvey, A. Oldag (Техасский университет), 2007 г.

Особенно тесно рентгеновские источники расположены на небе в направлении галактического центра. К счастью, через этот район время от времени проходит Луна. В 1971 г. в ходе ракетного эксперимента удалось определить координаты близкого к галактическому центру рентгеновского источника GX3+1 с точностью 25?х1?. Рентгеновским телескопам такая точность стала доступна лишь в конце 1970-х гг.

А еще раньше, в 1950-е гг., аналогичная ситуация сложилась в радиоастрономии. В то время радиотелескопы в метровом диапазоне имели угловое разрешение около 10°. Поэтому радиоастрономы часто использовали методы лунных покрытий для определения точных координат источников. В наше время на радиоинтерферометрах достигнута фантастическая разрешающая способность – 0,0001?, но Луна по-прежнему остается в арсенале радиоастрономов. Например, в последние годы при наблюдении радиоизлучения межзвездных молекул метод лунных покрытий позволил детально исследовать ядро нашей Галактики.

Начиная с 1973 г. Луна стала выступать в новой роли: американский радиоастрономический спутник «Эксплорер-49», выйдя на окололунную орбиту, развернул 230-метровые антенны и приступил к исследованию низкочастотного радиоизлучения Солнца, Юпитера и других объектов, закрываясь с помощью Луны от радиошумов земного происхождения. Заметим, что при наблюдении с борта искусственных спутников Земли и Луны метод лунных покрытий удается распространить практически на все небо. Первый опыт работы в радиотени Луны оказался удачным, и теперь радиоастрономы готовятся к созданию постоянной обсерватории на обратной стороне Луны. Впрочем, я опасаюсь, что пока эта обсерватория будет создана, наши музыкальные радиостанции доберутся и до обратной стороны Луны.

Итак, Луна отлично исполняет роль заслонки. А на что еще она годится? В следующем разделе мы узнаем, что Луна – подходящая мишень для нейтрино; вполне вероятно, что скоро она будет использована в этом амплуа. А недавно у нее появилась еще одна роль: Луну можно использовать как зеркало. Мы не имеем в виду любительскую радиосвязь «через Луну», когда принимаются отраженные от нее радиоволны: это интересно, но не имеет отношения к планетам. Астрономы стали использовать Луну в роли зеркала следующим образом: во время лунных затмений на поверхность Луны попадает солнечный свет, прошедший сквозь земную атмосферу, затем он частично отражается от Луны, и астрономы на Земле могут его наблюдать. Яркость Луны во время затмения показывает, насколько прозрачна атмосфера Земли, велика ли в ней облачность; цвет лунной поверхности говорит о степени запыленности нашей атмосферы.

А совсем недавно лунное затмение позволило взглянуть на Землю как на экзопланету. Испанские астрофизики (E. Palle и др.) опубликовали результаты любопытной работы, которые увеличивают шанс успешного поиска внесолнечных планет с органической жизнью. Наблюдая частное лунное затмение 16 августа 2008 г., они получили спектр солнечного излучения, прошедший через атмосферу Земли и отраженный от Луны. В нем без особого труда обнаружились линии молекулярного кислорода, озона, водяного пара, метана и углекислого газа. Эти биомаркеры в своей совокупности однозначно свидетельствуют о наличии жизни на Земле. Такие же наблюдения за экзопланетами можно проводить в период их прохождения на фоне их звезды.

Рис. 5.4. Частное лунное затмение 16 августа 2008 г. Вверху слева: схема прохождения Луны через полутень и тень Земли. Указано всемирное время (UT). Справа: фото Луны в максимальной фазе затмения (21:10 UT). Внизу: схема (не в масштабе) прохождения солнечных лучей сквозь атмосферу Земли к Луне и отражения обратно к Земле.

Еще одно неожиданное использование Луны как зеркала произошло в области гамма-астрономии. В последние годы астрофизики интенсивно исследуют короткие гамма-всплески, источниками которых, по-видимому, служат самые удивительные космические объекты – нейтронные звезды, взрывы сверхновых и, возможно, что-то еще неизвестное. Аппаратура для регистрации гамма-лучей устанавливается на космических обсерваториях, поскольку сквозь земную атмосферу эти лучи не проходят. У каждого гамма-детектора есть определенный динамический диапазон: очень слабых вспышек он не замечает, а от слишком сильных его зашкаливает. Именно такая сверхсильная вспышка наблюдалась 27 декабря 2004 г. от источника SGR 1806-20, по-видимому, связанного с нейтронной звездой-магнитаром. Вспышку зафиксировали многие спутники, имеющие соответствующую аппаратуру, но измерить параметры самой яркой ее фазы не смогли, поскольку приборы «ослепли» от слишком сильного потока гамма-лучей. В это время российский спутник «Коронас-Ф» с гамма-спектрометром на борту оказался в тени Земли, и вспышка его не ослепила, но через несколько секунд он зафиксировал ослабленное эхо этой вспышки: лучи отразились от Луны! Их потока оказалось достаточно для измерений. Прав был Козьма Прутков: Луна полезнее Солнца!

Земля – фильтр, мишень, детектор

Тут самое время вспомнить, что наша Земля – не только «модель экзопланеты», но и сама – полноправная планета. Может ли она играть роль телескопа или хотя бы как-то способствовать изучению Вселенной? Казалось бы, земные явления только мешают астрономическим наблюдениям: достаточно вспомнить о свечении ночного неба, атмосферном дрожании, почти полной непрозрачности атмосферы в рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Несмотря на это, в последние годы Земля все чаще становится элементом астрофизических приборов. Вот несколько примеров.

Чтобы наблюдать космическое гамма-излучение, как уже говорилось, аппаратуру приходится выводить за пределы земной атмосферы на космических аппаратах. Но и в космическом пространстве трудно зарегистрировать «сверхжесткие» гамма-кванты, энергия которых превышает 100 ГэВ. Это «сверхпроникающее» излучение способны задержать и обнаружить только детекторы размером в десятки и сотни метров. Для их запуска в космос даже нет достаточно грузоподъемной ракеты. К счастью, оказалось, что детектором для таких квантов может быть… атмосфера Земли! Ученые воспользовались тем обстоятельством, что гамма-квант сверхвысокой энергии, проходя через земную атмосферу, создает в ней ливень элементарных частиц. Каждая заряженная частица этого ливня, двигаясь с околосветовой скоростью (которая выше скорости распространения света в атмосфере), вызывает черенковское свечение. Поток оптических фотонов распространяется в том же направлении, что и породивший его гамма-квант. Остается только зарегистрировать этот свет с помощью обычного телескопа.

Первыми в мире систематические наземные исследования космического гамма-излучения начали проводить сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) еще в 1964 г. На Тянь-Шаньской высокогорной станции ФИАНа и в Крымской астрофизической обсерватории регистрация черенковского излучения успешно осуществлялась сначала с помощью параболических зеркал диаметром 1,5 м (от прожекторов ПВО), а позже – с помощью многозеркальных коллекторов света. Атмосфера Земли не только не мешала им, но и была необходимым элементом установки.

Сейчас уже в нескольких странах действуют подобные гамма-телескопы. Один из крупнейших – VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в Аризоне состоит из четырех 12-метровых коллекторов света и регистрирует кванты с энергией от 50 ГэВ до 50 ТэВ. Каждый из коллекторов собран из 350 плоских шестиугольных зеркал, которые отражают свет в фокус коллектора, где находится система регистрации на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). С помощью этих приборов уже обнаружены десятки источников сверхжесткого гамма-излучения, как в нашей Галактике, так и в соседних. Кстати, таким же методом регистрируют и частицы космических лучей сверхвысокой энергии, которые также при взаимодействии с атмосферой Земли порождают поток вторичных частиц – широкий атмосферный ливень, дающий вспышку черенковского излучения.

Рис. 5.5. Схема регистрации сверхжестких космических гамма-квантов, порождающих в земной атмосфере черенковское свечение. Атмосфера планеты играет роль сцинтиллятора – прозрачной среды, в которой рождаются черенковские фотоны.

Неоценима роль Земли и при наблюдении космических нейтрино. В нашей стране в недрах горы Андырчи в Приэльбрусье сооружен один из крупнейших в мире нейтринных телескопов, в котором Земле отведено сразу несколько важных функций. Во-первых, она служит фильтром, не пропускающим к телескопу потоки космических лучей. Во-вторых, земной шар используется в качестве мишени, взаимодействуя с которой нейтрино рождают потоки мюонов. Эти мюоны регистрируются счетчиками нейтринного телескопа. Сравнивая потоки нейтрино, приходящие сверху и снизу, можно определить сечение взаимодействия нейтрино с земным шаром, иначе говоря, измерить коэффициент пропускания планеты-фильтра.

Рис. 5.6. Четыре коллектора света, составляющих черенковский телескоп VERITAS.

Такие подземные установки по регистрации нейтрино работают уже в нескольких странах. Одна из самых совершенных расположена близ города Садбери (пров. Онтарио, Канада). В шахте Крайгтон на глубине 2070 м находится прозрачный плексигласовый шар диаметром 12 м, заполненный 1000 т тяжелой воды (D₂0). Вокруг него расположены 9600 ФЭУ, направленные в центр шара и регистрирующие вспышки черенковского света от быстрых электронов, рождающихся в реакции

v_e + D -> е^- + р + р.

Вся эта конструкция помещена в еще больший резервуар с 7300 т обычной, но очень чистой воды, играющей роль защиты от радиоактивного излучения горных пород. Именно на Садберийской нейтринной обсерватории (SNO) в 2002 г. была решена так называемая проблема солнечного нейтрино – слабость наблюдаемого потока электронных нейтрино из недр Солнца по сравнению с теоретически рассчитанным потоком, который должен быть, если в глубинах Солнца идут термоядерные реакции. Оказалось, что по пути от Солнца к Земле часть электронных нейтрино превращается в нейтрино других сортов – мюонные и тау, а их пока не умеет регистрировать ни один детектор, кроме детектора SNO. Открытие взаимных превращений (осцилляций) нейтрино разных сортов (поколений) заставило физиков взяться за модернизацию теории элементарных частиц.

Рис. 5.7. Схема обнаружения нейтрино, пронизывающего земной шар. Установка такого типа – в полном смысле слова «планета-телескоп».

Масштаб Садберийского прибора поражает, но эта установка не самая крупная среди нейтринных детекторов. Например, японский детектор «Супер-Камиоканде», также опущенный глубоко под землю, имеет резервуар диаметром 40 м, заполненный 22 000 т обычной воды и окруженный 11 200 фотоумножителями. Вес всей установки 50 000 т. Но не нужно думать, что астрофизики страдают гигантоманией. Неуловимые нейтрино, с легкостью пронизывающие Солнце и Землю, просто не замечают на своем пути установки меньшего масштаба.

Развивая идею «планета-телескоп», некоторые научные коллективы решили вообще отказаться от искусственных резервуаров гигантского объема, а использовать вместо этого природные резервуары – озера и моря. Глубоководный водоем может быть и фильтром (не нужна шахта!), и сцинтиллятором (не нужен дорогой резервуар). Требуются только ФЭУ, которые следует опустить «во глубину» прозрачных вод и следить там, в абсолютной темноте, за слабенькими вспышками черенковского света, сопровождающими ливни элементарных частиц, рожденных нейтрино в толще воды. Такие установки уже начали работать на озере Байкал, где детекторы опущены на глубину 1 км, а также в Средиземном море – у берегов Франции (эксперимент ANTARES) на глубине 2,5 км и у побережья Греции (эксперимент NESTOR) на глубине 4 км. Если смотреть в перспективу, то весьма привлекательными «планетами-телескопами» для исследователей нейтрино со временем могут стать Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, с их подледными океанами глубиной в десятки километров.

Кстати, лед – тоже отличная среда для сооружения гигантских черенковских детекторов, и этим уже воспользовались астрофизики. В ледяном куполе Антарктиды, прямо на Южном полюсе, в течение последних нескольких лет проводился эксперимент AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array – массив мюонных и нейтринных детекторов в Антарктике). Во льду были проплавлены вертикальные скважины и в них на глубину от 1,5 до 2 км опущены гирлянды фотоумножителей. Под давлением вышележащих слоев лед приобретает чрезвычайно высокую прозрачность, к тому же он обладает очень низким радиационным фоном и хорошо охлаждает ФЭУ, уменьшая уровень шумов. Эксперимент оказался успешным, и теперь установка расширяется вглубь и вширь, получив новое имя – IceCube Neutrino Observatory. Глубина увеличилась до 2,5 км, а площадь, на которой по ледяному куполу распределены гирлянды детекторов, достигнет 1 км². Так что объем ледяного черенковского телескопа будет равен одному кубическому километру! Как у ядра небольшой кометы.

А теперь вспомним, что в воде и во льду лучше всего распространяется все же не свет, а звук. Именно поэтому для рыб слух важнее зрения. Еще в 1977 г. советские физики Г.А.Аскарьян и Б. А. Долгошеин предложили проект акустической регистрации нейтрино. Ливень вторичных частиц, рожденных при взаимодействии нейтрино с ядрами атомов воды, должен вызывать в воде короткий щелчок, длительностью всего около 100 мкс. Зарегистрировав звук из нескольких точек, можно определить направление прихода нейтрино. Особый интерес к этому методу появился в связи с тем, что в годы «холодной войны» на дне океанов были раскинуты обширные сети чувствительных гидрофонов для обнаружения вражеских подводных лодок. Например, база США в Атлантике вблизи Багамских островов занимает подводное пространство площадью 250 км². Сейчас там планируется создать подводную акустическую установку с 52 гидрофонами для обнаружения нейтрино. Еще более грандиозный проект DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector) развивался с 1976 по 1995 гг. в Тихом океане близ острова Гавайи. Там на глубине 5 км предполагалось развернуть объединенную систему оптической и акустической регистрации нейтрино. Сейчас проект остановлен, но его наработки и часть оборудования используются в других, менее дорогостоящих, проектах подводных нейтринных детекторов.

Но, пожалуй, еще более грандиозная идея – использовать всю Землю целиком в качестве телескопа. Планета Земля может служить детектором самого экзотического вида излучения – гравитационных волн.

Рис. 5.8. Схема регистрации гравитационных волн, в которой используется специальный сейсмометр, фиксирующий колебания земного шара.

В поле гравитационного излучения Земля в простейшем случае должна деформироваться в эллипсоид, вытянутый перпендикулярно направлению приходящей волны, причем степень вытянутости изменяется с частотой приходящего гравитационного излучения. В результате в теле Земли будут возбуждаться сейсмические колебания. В принципе такие же колебания должны возбуждаться и в лабораторных твердотельных детекторах гравитационных волн. Это, как правило, металлические болванки массой около тонны, снабженные чувствительными датчиками колебаний. Наилучшим образом такие детекторы откликаются на ту гравитационную волну, частота которой совпадает с частотой собственных колебаний болванки: для лабораторных детекторов это звуковые частоты (1 Гц – 10 кГц), для Земли – инфразвуковые (0,1-10 Гц), что интереснее с точки зрения астрофизики. Регистрируя колебания земной поверхности специальным сейсмометром, исследователи надеются обнаружить гравитационное излучение пульсаров и вращающихся белых карликов. Уже четверть века в различных районах Земли ставятся такие эксперименты. За это время чувствительность аппаратуры была повышена в тысячи раз, но пока на фоне сейсмических шумов не удалось выделить колебаний с периодами, близкими или кратными периодам известных пульсаров. Были даже попытки поставить аналогичный эксперимент на Луне, куда участники экспедиций «Аполлон» доставили сейсмометры. Но эти попытки закончились безрезультатно.

Впрочем, астрофизики постоянно пытаются приспособить Луну для изучения космоса. Ее роль при исследовании Солнца и звезд мы уже обсуждали, но и нейтринная астрономия тоже приглядывается к Луне. Пролетая сквозь планету или ее спутник, высокоэнергичное нейтрино может родить ливень вторичных заряженных частиц, которые, как мы знаем, испускают в среде черенковское излучение, причем не только оптическое, но и радио. Если оптические черенковские вспышки можно заметить только в прозрачной среде (воздух, вода), то радиоволны могут выходить из глубин планеты. Кстати, этот метод регистрации нейтрино тоже предложил Г. А. Аскарьян еще в 1961 г. Для генерации черенковского радиоизлучения прекрасно подходит Луна, особенно ее обратная сторона – заповедное место в смысле радиопомех. Но наземным радиотелескопам обратная сторона Луны не видна. Поэтому исходящее оттуда излучение должен регистрировать спутник на окололунной орбите, снабженный чувствительными радиоантеннами. Вот такой нейтринный телескоп получается: даже не планета, а спутник (Луна) + спутник спутника.

А теперь вернемся к Луне в роли гравитационной антенны. Если пока Луну в этой роли не удается использовать «соло», то почему бы не создать дуэт «Земля – Луна»? При прохождении гравитационной волны между свободными телами периодически меняется расстояние. При этом чем больше расстояние, тем сильнее оно меняется. Гравитационная антенна «Земля – Луна» отлично подходит для регистрации длинноволнового гравитационного излучения с периодом колебаний около 2–3 секунд. Для этого нужно точно измерять расстояние между центрами Земли и Луны. Такие измерения осуществляются методом лазерной локации с использованием уголковых отражателей, доставленных на поверхность Луны советскими и американскими космическими аппаратами. Достигнутая при этом точность – около

1 см – пока недостаточна для целей гравитационноволновой астрономии, но можно надеяться, что переход от локации к лазерной интерферометрии резко повысит чувствительность гравитационной антенны «Земля – Луна», так как интерферометр способен почувствовать изменение расстояния в несколько ангстрем.

Мертвая звезда – генератор стандартных сигналов

Астрофизики предлагают все новые способы «поймать» гравитационное излучение. На помощь призваны радиопульсары как источники импульсов строго постоянной частоты. Идея проста. Представьте себе, что где-то на пути от пульсара к Земле находится источник гравитационного излучения, например тесная двойная звезда. Тогда свойства пространства в этой области не остаются неизменными, ведь гравитационная волна – это и есть периодическое изменение свойств пространства-времени! Радиосигналу пульсара понадобится то чуть больше, то чуть меньше времени, чтобы достичь Земли.

Рис. 5.9. Гравитационное излучение тесной двойной звезды можно обнаружить, исследуя радиоизлучение пульсара, расположенного от наблюдателя дальше, чем двойная система.

Радиоастрономы в принципе могли бы заметить такие периодические изменения в моментах прихода импульсов и сравнить их период с периодом обращения тесной двойной звезды. При совпадении этих двух периодов можно констатировать наличие гравитационных волн в пространстве между пульсаром и Землей.

К сожалению, на пути осуществления такого эксперимента много трудностей. Межзвездное и межпланетное пространство заполнено движущейся неоднородной плазмой, которая преломляет радиоволны и непредсказуемо задерживает их приход на Землю. Правда, мы знаем, что периодическую компоненту, связанную с гравитационным излучением, можно выделить на фоне даже очень сильных шумов, но для этого нужны длительные прецизионные наблюдения.

Уникальный «прибор» для гравитационно-волновых экспериментов создан самой природой. Это тесная двойная система, состоящая из нейтронных звезд, одна из которых – радиопульсар PSR В1913+16. С тех пор как в 1993 г. за изучение этой системы Нобелевскую премию по физике получили Р. А. Халс и Дж. X. Тейлор (Принстонский университет), этот объект называют не иначе как «двойной пульсар Халса – Тейлора». Период обращения нейтронных звезд в этой системе составляет 7 ч 45 мин, но он меняется: в результате излучения гравитационных волн орбитальный период уменьшается на 76,5 мкс в год. Соответственно уменьшается и большая полуось орбиты – на 3,5 м в год. Заметить это удалось, измеряя частоту прихода радиоимпульсов от пульсара, который в данном случае служит «генератором стандартных сигналов». Эта работа была так высоко оценена именно потому, что впервые косвенно подтвердила существование гравитационных волн в полном согласии с прогнозом общей теории относительности. Конечно, нейтронные звезды – это не планеты, о которых мы здесь говорим, но важен принцип: астрономические приборы не только изготавливаются руками, но и обнаруживаются среди естественных объектов.

Гравитационная фокусировка

До сих пор мы рассматривали принципы детектирования гравитационных волн с помощью небесных тел, но было бы хорошо научиться фокусировать эти волны, создавая высокую плотность гравитационного излучения в некоторой точке пространства – в фокусе. Разумеется, поскольку волны гравитационные, то и фокусирующая их линза тоже должна быть гравитационной. Такой линзой может служить любое массивное тело.

Гравитационная линза универсальна: она фокусирует все виды излучения и потоки любых частиц, ведь гравитационному взаимодействию подвержены все материальные объекты. Принципиальная возможность создания такой линзы была доказана в 1919 г., когда под руководством А. Эддингтона во время полного солнечного затмения измерили отклонение лучей света звезд, наблюдавшихся недалеко от края Солнца. Оправдалось предсказание А. Эйнштейна, что лучи света, проходящие вблизи солнечного края, отклоняются на 1,75? (под таким углом мы видим толщину спички с расстояния 200 м). Зная эту величину, даже школьник может вычислить, что отклоненные Солнцем лучи соберутся в фокусе, расположенном на расстоянии 550 а. е. от светила – в 18 раз дальше орбиты Нептуна. Поток излучения в фокусе такой гравитационной линзы, как Солнце, усиливается всего в несколько раз. Солнце и любой другой одиночный массивный объект – плохая гравитационная линза, так как обладает сильнейшей аберрацией. У этой линзы нет одной точки фокуса, где собирались бы все параллельно падающие на нее лучи: чем дальше проходят лучи от поверхности Солнца, тем больше для них фокусное расстояние.

Рис. 5.10. Планета – гравитационная линза. Такая линза фокусирует все виды излучения и потоки любых частиц. К сожалению, у нее нет единого фокусного расстояния. Но к счастью, она практически изотропна: фокусирует частицы и кванты, приходящие с любого направления.

Но для излучений, которые проникают сквозь вещество (гравитационные волны, нейтрино), можно рассчитать, каким должно быть распределение плотности вещества вдоль радиуса гравитационной линзы, чтобы фокусировка происходила в одной точке, где поток излучения значительно усилится. Оказалось, что распределение плотности вещества в мантии и внешнем ядре земного шара неплохо подходит для целей гравитационной фокусировки. Жаль только, что точка фокуса удалена от Земли на 13 ООО а. е. Но если установить автоматическую систему детектирования на комету с подходящей орбитой, то через 325 тыс. лет наш детектор прибудет на место наблюдения. А до области, где фокусирует Солнце, комета доберется всего за 2300 лет. А межпланетный зонд, использующий гравитационные маневры в поле планет-гигантов, сделает это намного быстрее. Вспомним, что «Пионеры» и «Вояджеры» уже удалились на 100 а. е.

Так что с развитием космонавтики использование Солнца и планет в качестве гравитационных линз может стать реальным. А пока мы не имеем возможности выносить наши детекторы далеко от Земли, нужно подбирать подходящую линзу, в фокусе которой мы случайно находимся, благо вокруг нас много звезд и галактик. Эффект гравитационной фокусировки обсуждается с середины 1920-х гг., начиная с работы петербургского физика Ореста Хвольсона. В отношении линзы-звезды особого оптимизма не было: рядом с яркой звездой трудно заметить изображение более далекого объекта. Другое дело – использовать в качестве линзы галактику, поверхностная яркость которой невелика, а гравитационный потенциал не меньше, чем на поверхности нормальной звезды.

Несколько лет продолжались поиски эффекта гравитационной фокусировки в мире галактик, прежде чем в конце 1978 г. эффект был обнаружен: астрономы заметили, что изображение далекого квазара QSO 0957+561 состоит из двух почти одинаковых частей, разделенных углом всего 6?. При этом они имеют одинаковые спектры с одинаковым красным смещением и «мигают» в унисон с временной задержкой один относительно другого 417 сут. Оказалось, что это два изображения одного квазара, созданные гравитационной линзой – более близкой к нам галактикой, изображение которой позже обнаружили. Галактика находится от нас на расстоянии 3,7 млрд св. лет (красное смещение z = 0,355), а квазар удален на 8,7 млрд св. лет (z= 1,41). Если бы галактика лежала точно на линии «квазар – Земля» и была сферически симметричной, то изображение квазара имело бы форму кольца (так называемое кольцо Эйнштейна). Но это не так, поэтому изображение, созданное гравитационной линзой, представляет собой несколько пятен. Позже были найдены тройные и даже четверные изображения квазаров («крест Эйнштейна»). Таким образом, принцип гравитационной фокусировки был доказан. Позже обнаружилось, что роль гравитационной линзы могут играть как целые скопления галактик, так и отдельные звезды, если их собственный блеск слабее яркости созданного ими изображения. До сих пор такие наблюдения проводились в оптическом и радиодиапазоне. В будущем нам нужно научиться использовать этот метод для усиления проницающей способности нейтринных и гравитационноволновых телескопов.

Звезды-зонды

Вначале главы я рассказывал, как покрытие диском Луны помогает изучить звезды. В том случае Луна была прибором, а звезды – объектом исследования. Однако и сами звезды могут стать частью астрономического прибора, предназначенного для исследования планеты. Метод покрытия уже несколько десятилетий весьма плодотворно применяется для того, чтобы излучением звезд «просвечивать» атмосферы планет и их окрестности.

Первый сенсационный результат этот метод дал в 1977 г., когда позволил обнаружить темные кольца Урана. Открытие сделал американский астроном Джеймс Эллиот с коллегами 10 марта 1977 г., наблюдая с борта летающей обсерватории «Койпер» (NASA) за тем, как Уран проходит перед звездой SAO 158687 в созвездии Весы. Вообще-то ученые хотели узнать что-нибудь новое об атмосфере Урана, сквозь которую на заходе и на восходе будет просвечивать звезда.

Рис. 5.11. Летающая обсерватория «Койпер» для инфракрасных наблюдений в стратосфере.

В передней части фюзеляжа находится окно для телескопа (темный прямоугольник).

Чтобы не пропустить явление, они начали свои наблюдения за час до рассчитанного момента и неожиданно заметили, как за полчаса до начала покрытия звезды диском планеты и совершенно симметрично после окончания ее покрытия блеск звезды пять раз на несколько секунд ослаб. Сразу стало ясно, что это указывает на существование пяти тонких полупрозрачных колец вокруг планеты, заслонивших от телескопа звездный свет. С Земли эти кольца до того дня никто не видел, поскольку, в отличие от колец Сатурна, кольца Урана состоят из очень темного вещества. Спустя полгода после открытия Джеймса Эллиота к планетам-гигантам стартовали межпланетные зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Когда 24 января 1986 г. «Вояджер-2» сблизился с Ураном, ученые уже были готовы к поиску колец и без труда обнаружили их на переданных снимках, а также открыли новые. Позже свою лепту внес и космический телескоп «Хаббл», так что сейчас уже известно 13 колец Урана.

Пожалуй, еще более неожиданным открытием, чем кольца Урана, было обнаружение спутников у некоторых астероидов, также сделанное при наблюдении звездных покрытий. Позже наличие этих маленьких тел, сопровождающих астероиды и карликовые планеты, подтвердилось их прямыми наблюдениями в телескопы и с борта космических зондов. Кстати, многие наблюдения покрытия звезд астероидами тоже были сделаны с помощью летающей обсерватории. Дело в том, что тень астероида (освещенного звездой!) крайне невелика – в лучшем случае несколько сотен километров. Проходя по Земле, она обычно не попадает на стационарные обсерватории, поэтому за ней приходится «охотиться». Идеально подходит для этого обсерватория-самолет.

Например, в 1977 г. покрытие звезды Ураном астрономы наблюдали над южной частью Индийского океана. Вряд ли это удалось бы сделать даже с борта морского судна: в «ревущих сороковых» широтах помешали бы облачность и качка. А с борта самолета наблюдения провести удалось. Летающая обсерватория «Койпер» (КАО – Kuiper Airborne Observatory) работала в составе NASA с 1974 по 1995 г. На борту модифицированного транспортного самолета С-141А находился кассегреновский рефлектор диаметром 92 см, в основном предназначенный для наблюдений в широком ИК-диапазоне (от 1 до 500 мкм). Рабочая высота этой обсерватории достигала 14 км. Выше практически не бывает облаков и атмосфера очень сухая, что необходимо для инфракрасных наблюдений, поскольку пары воды поглощают это излучение. С помощью телескопа КАО были открыты кольца Урана (1977 г.), обнаружена атмосфера Плутона (1988 г.) и составлены ценные каталоги инфракрасных источников ночного неба. Сейчас самолет-обсерватория «Койпер» законсервирован на авиабазе Эймсовского исследовательского центра в Калифорнии; возможно, он станет научным музеем. А на смену ему пришла новая техника: NASA совместно с Немецким аэрокосмическим центром создали летающую обсерваторию SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) на базе самолета «Боинг-7478Р», несущего телескоп диаметром 2,5 м и способного работать на высотах до 12,5 км. Подобные мобильные обсерватории чрезвычайно полезны: обычные телескопы привязаны к земле, телескопы на спутниках движутся по строгому орбитальному расписанию, а самолет-обсерватория всегда может быть в нужное время в нужном месте. По существу, такой летающий телескоп делает обсерваторией весь земной шар. Можно сказать, что вся Земля становится планетой-телескопом.

6. Недоступные планеты

Самое долгожданное открытие в астрономии состоялось 15 лет назад: в 1995 г. было доказано наличие планет у иных звезд, за пределами Солнечной системы. Надежду и даже уверенность в их существовании многие ученые и философы высказывали с древнейших времен. Впрочем, были и уверенные в обратном: например, великий Аристотель считал, что Земля уникальна, и других таких нет. Но даже те, кто верил во «множественность миров», понимали, что обнаружить планеты в окрестности ближайших звезд технически будет чрезвычайно сложно. До изобретения телескопа такая задача вообще не ставилась, а возможность существования иных планетных систем обсуждалась лишь умозрительно (тем больше поражает уверенность некоторых мыслителей в их существовании – вспомним Джордано Бруно!). Но и при наличии всё более и более совершенных телескопов астрономы еще не так давно рассматривали поиск иных планетных систем как неактуальное занятие, как задачу для далеких потомков.

Даже менее полувека назад ситуация все еще выглядела практически безнадежной. В начале 1960-х гг. астрономы обсуждали возможность обнаружения трех типов гипотетических объектов – черных дыр, нейтронных звезд и экзопланет. (Правда, из этих трех терминов два еще не были даже придуманы, но в существование самих объектов верили многие.) Что касается черных дыр, то возможность их обнаружения казалась за гранью разумного – ведь они, по определению, невидимы! А вот что думали астрофизики о нейтронных звездах: «Такой объект будет иметь диаметр порядка 30 км, и он будет быстро остывать. Надежда увидеть такой тусклый объект столь же мала, как и надежда увидеть планету, принадлежащую другой звезде. Иными словами – надежды нет» (Кип Торн. «Черные дыры и складки времени». М.: Физматлит, 2007, с. 299).

Как видим, обнаружение далеких планет, равно как и нейтронных звезд, казалось безнадежно трудным делом. Правда, очень скоро, в 1967 г., случайно удалось обнаружить быстровращающиеся замагниченные нейтронные звезды – радиопульсары. Но это был неожиданный «подарок» со стороны радиоастрономии, на который в начале 1960-х гг. никто не рассчитывал. Однако прошло всего 30 лет, и практически одновременно (1995–1996 гг.) были открыты одиночные остывающие нейтронные звезды и планеты у иных звезд! В некотором смысле прогноз оказался верным: открытие тех и других было одинаково трудным, но оно состоялось намного раньше, чем на это рассчитывали астрономы.

Многообразие планет

Любопытно, что тогда же, в 1996 г., был открыт еще один тип гипотетических объектов, занимающий промежуточное положение между звездами и планетами, – коричневые карлики, которые отличаются от планет-гигантов лишь тем, что на раннем этапе эволюции в их недрах протекает термоядерная реакция с участием редкого тяжелого изотопа водорода – дейтерия, не дающая, однако, существенного вклада в светимость карлика. И в те же годы были открыты многочисленные малые планеты на периферии Солнечной системы – в поясе Койпера. К 1995 г. стало ясно, что эта область населена множеством тел с характерными размерами в сотни и тысячи километров, причем некоторые из них больше Плутона и имеют собственные спутники. По своим массам объекты пояса Койпера заполнили промежуток между планетами и астероидами, а коричневые карлики – промежуток между планетами и звездами. В связи с этим потребовалось точно определить термин «планета».

Верхняя граница планетных масс, отделяющая их от коричневых карликов и в целом от звезд, была определена на основе их внутреннего источника энергии: сейчас считается общепринятым, что планета – это объект, в котором за всю его историю не происходят реакции ядерного синтеза. Как показывают расчеты, проделанные для тел нормального (то есть солнечного) химического состава, при формировании космических объектов с массой более 13 масс Юпитера (M_j) в конце этапа их гравитационного сжатия температура в центре достигает нескольких миллионов кельвинов, что приводит к развитию термоядерной реакции с участием дейтерия.

Рис. 6.1. Эволюция светимости маломассивных звезд, коричневых карликов и планет после этапа их гравитационного сжатия и разогрева.

Рис. 6.2. Эволюция светимости двух протозвезд, имеющих массы чуть больше и чуть меньше нижнего предела (0,07 М_®), необходимого для протекания термоядерной реакции с участием легкого изотопа водорода (4Н -> Не).

При меньших массах объектов ядерные реакции в их недрах не происходят, поэтому массу в 13 M_j считают максимальной массой планеты. Объекты с массами от 13 до 70 M_j называют коричневыми карликами, а еще более массивные – звездами: в них происходит термоядерное горение распространенного легкого изотопа водорода. Для справки: 1 M_j = 318 масс Земли (М_E) = 0,001 массы Солнца (М_©) = 2 · 10²⁷ кг.

По своим внешним проявлениям коричневые карлики ближе к планетам, чем к звездам. В процессе формирования все эти тела сначала разогреваются в результате гравитационного сжатия, и их светимость быстро возрастает. Затем, после достижения гидростатического равновесия и остановки сжатия, их поверхность начинает охлаждаться, и светимость снижается. У звезд охлаждение надолго прекращается после начала термоядерных реакций и их выхода на стационарный режим. У коричневых карликов охлаждение лишь немного замедляется в период горения дейтерия. А у планет поверхность охлаждается монотонно. В результате как планеты, так и коричневые карлики практически остывают за сотни миллионов лет, а маломассивные звезды остаются горячими в тысячи раз дольше. Тем не менее по формальному признаку – наличию или отсутствию термоядерных реакций – планеты и коричневые карлики отделены друг от друга.

Нижняя граница планетных масс, отделяющая их от астероидов, также имеет физическое обоснование. Минимальной массой планеты считается та, при которой в недрах планеты давление силы тяжести еще превосходит прочность ее материала. Таким образом, в самом общем виде «планета» определяется как небесное тело, достаточно массивное для того, чтобы собственная гравитация придавала ему сфероидальную форму, но недостаточно массивное для того, чтобы в его недрах протекали термоядерные реакции. Этот диапазон масс простирается приблизительно от 1 % массы Луны до 13 масс Юпитера, т. е. от 7 10²⁰ кг до 2 10²⁸ кг.

Рис. 6.3. Количество экзопланет, обнаруженных или подтвержденных в указанном году методом лучевых скоростей и астрометрически. Данные на 14 октября 2010 г. из Каталога экзопланет «Interactive Extra-solar Planets Catalog», http://exoplanet.eu.

Однако само понятие «планета» по решению XXVI Генеральной ассамблеи MAC (2006 г.) распалось на несколько подтипов в связи с характером орбитального движения. Во-первых, если тело планетной массы обращается вокруг более крупного подобного тела, то его называют спутником (пример – Луна). Собственно «планета» (иногда говорят «классическая планета») определяется как объект Солнечной системы, достаточно массивный, чтобы под действием собственной гравитации принять гидростатически равновесную (сфероидальную) форму, и при этом не имеющий рядом со своей орбитой тел сравнимой с ним массы. Этим условиям удовлетворяют только Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Наконец, введен новый класс объектов Солнечной системы – «планета-карлик», или «карликовая планета» (dwarf planet). Эти тела должны удовлетворять следующим условиям:

– обращаться вокруг Солнца;

– не являться спутником планеты;

– обладать достаточной массой, чтобы сила тяжести превосходила сопротивление вещества и придавала телу планеты сфероидальную форму;

– обладать не настолько большой массой, чтобы быть способной расчистить окрестности своей орбиты от прочих тел.

Прототипом планет-карликов стал Плутон (диаметр 2300 км), а самым крупным представителем этого класса сейчас (конец 2010 г.) является Эрида (2400 км), объект пояса Койпера. Там же располагаются еще две карликовые планеты – Хаумея (1150 км) и Макемаке (1500 км). Пятым и пока последним членом этой группы является Церера (975х х909 км), ранее считавшаяся крупнейшим астероидом Главного пояса.

Таким образом, в Солнечной системе мы имеем: 1) классические планеты; 2) карликовые планеты и 3) спутники с массой планет (таковых около дюжины), которые в этой книге я называю «планетами-спутниками». Номенклатура тел планетного типа за пределами Солнечной системы пока не настолько развита и совсем не формализована.

Объект с массой планеты, находящийся за пределами Солнечной системы, называют «экзопланетой» (exoplanet) либо «внесолнечной планетой» (extrasolar planet). Пока эти термины равноправны и по частоте употребления, и по смыслу (напомним, что греческая приставка экзо- означает «вне», «снаружи»). Сейчас оба эти термина почти без исключения относятся к планетам, гравитационно связанным с какой-либо звездой, за исключением Солнца. Такое толкование термину дают словари и энциклопедии. Например, «а planet that orbits a star outside the solar system». Или: «Extrasolar planet – any planetary body that orbits a star other than the Sun». Однако уже найдены и, возможно, существуют в немалом количестве самостоятельные планеты, обитающие в межзвездном пространстве. По отношению к ним используется термин «free-floating» planets (свободно плавающие планеты), но нередко и они фигурируют под именем exoplanet. Таким образом, отдельного однозначного термина для членов околозвездных планетных систем пока нет. В данном обзоре для краткости мы используем термин экзопланета или просто планета, понимая под этим, если специально не оговорено, члена околозвездной планетной системы.

На 14 октября 2010 г. подтверждено открытие 496 экзопланет в 417 планетных системах (включая 4 планеты у двух радиопульсаров). При этом 49 систем содержат не менее двух планет, а одна – не менее 6. Ближайшая экзопланета обнаружена у звезды г Эридана, на расстоянии 3,2 пк (10 св. лет) от Солнца. За текущей статистикой открытий удобно следить на агрегаторе ресурсов «Portal of the Universe» (www.portaltotheuniverse.org) или на сайте Planet Quest (http:// planetquest.jpl.nasa.gov), а подробные данные об экзопланетных системах можно найти в каталоге «The Extrasolar Planets Encyclopaedia» (exoplanet.eu), который поддерживается Жаном Шнайдером (Парижская обсерватория). Подавляющее большинство экзопланет обнаружено с использованием различных косвенных методов детектирования, но некоторые уже наблюдались непосредственно. Большинство замеченных экзопланет – это газовые гиганты типа Юпитера и Сатурна, обращающиеся недалеко от звезды. Очевидно, это объясняется ограниченными возможностями методов регистрации: массивную планету на короткопериодической орбите легче обнаружить. Но с каждым годом удается открывать всё менее массивные и более удаленные от звезды планеты. Сейчас уже обнаружены объекты, по массе и параметрам орбиты почти не отличающиеся от Земли.

Методы поиска экзопланет

Предложено довольно много различных методов поиска экзопланет, но мы отметим те, которые уже доказали свою состоятельность (табл. 6.1), и кратко обсудим их. Прочие методы либо находятся в процессе разработки, либо пока не дали результата.

Таблица 6.1

Методы поиска экзопланет

Прямое наблюдение экзопланет

Планеты – холодные тела; сами они не излучают свет, а лишь отражают лучи своего солнца. Поэтому планету, расположенную вдали от звезды, практически невозможно обнаружить в оптическом диапазоне. Молодую планету можно заметить по ее собственному излучению в инфракрасном диапазоне. Но после кратковременного периода гравитационного разогрева и быстрого остывания тепловое излучение далекой планеты тоже становится незаметным. Правда, планеты с мощной атмосферой хорошо отражают свет. Но даже если планета движется вблизи звезды и хорошо освещена ее лучами, то для далекого наблюдателя она трудноразличима из-за гораздо более яркого блеска самой звезды.

Предположим, что наблюдатель находится у ближайшей к нам звезды а Кентавра и смотрит в телескоп в сторону Солнечной системы. Тогда Солнце будет сиять для него так же ярко, как звезда Вега на земном небосводе. А блеск наших планет окажется для альфа-кентаврца очень слабым и к тому же сильно зависящим от ориентации в его сторону дневного полушария планеты. В табл. 6.2 приведены самые «выгодные» значения углового расстояния планет от Солнца и их оптического блеска. Понятно, что одновременно они реализоваться не могут: при максимальном угловом расстоянии планеты от Солнца ее яркость будет примерно вдвое меньше максимальной.

Таблица 6.2

Солнечная система при наблюдении с расстояния а Кентавра

Как видим, лидером по обнаружимости является Юпитер, а за ним идут Венера, Сатурн и Земля. Вообще говоря, крупнейшие современные телескопы без особого труда могли бы заметить такие тусклые объекты, если бы на небе рядом с ними не было чрезвычайно яркой звезды. Но для далекого наблюдателя угловое расстояние планет от Солнца очень мало, что делает задачу их обнаружения чрезвычайно сложной.

Тем не менее астрономы сейчас создают приборы, которые решат эту задачу Например, изображение яркой звезды можно закрыть экраном, чтобы ее свет не мешал изучать находящуюся рядом планету Такой прибор называют звездным коронографом; по конструкции он похож на солнечный внезатменный коронограф Лио. Другой метод предполагает «гашение» света звезды за счет эффекта интерференции ее световых лучей, собранных двумя или несколькими расположенными рядом телескопами – так называемым «звездным интерферометром». Поскольку звезда и расположенная рядом с ней планета наблюдаются в чуть-чуть разных направлениях, с помощью звездного интерферометра (изменяя расстояние между телескопами или правильно выбирая момент наблюдения) можно добиться почти полного гашения света звезды и одновременно усиления света планеты. Оба описанных прибора – коронограф и интерферометр – очень чувствительны к влиянию земной атмосферы, поэтому для успешной работы, видимо, придется доставить их на околоземную орбиту.

Измерение яркости звезды

Косвенный метод обнаружения экзопланет – метод прохождений, или транзитов – основан на наблюдении яркости звезды, на фоне диска которой перемещается планета. Только для наблюдателя, расположенного в плоскости орбиты экзопланеты, она время от времени должна затмевать свою звезду. Если это звезда типа Солнца, а экзопланета – типа Юпитера, диаметр которого в 10 раз меньше солнечного, то в результате такого затмения яркость звезды понизится на 1 %. Это можно заметить с помощью наземного телескопа. Но экзопланета земного размера закроет только 0,01 % поверхности звезды, а столь малое снижение яркости трудно измерить сквозь неспокойную земную атмосферу; для этого нужен космический телескоп.

Вторая проблема этого метода в том, что доля экзопланет, орбитальная плоскость которых точно ориентирована на Землю, весьма невелика. К тому же затмение длится несколько часов, а интервал между затмениями – годы. Тем не менее прохождения экзопланет перед звездами уже неоднократно наблюдались.

Существует также весьма экзотический метод поиска одиночных планет, свободно «дрейфующих» в межзвездном пространстве. Такое тело можно обнаружить по эффекту гравитационной линзы, возникающему в тот момент, когда невидимая планета проходит на фоне далекой звезды. Своим гравитационным полем планета искажает ход световых лучей, идущих от звезды к Земле; подобно обычной линзе, она концентрирует свет и увеличивает яркость звезды для земного наблюдателя. Это очень трудоемкий метод поиска экзопланет, требующий длительного наблюдения за яркостью тысяч и даже миллионов звезд. Но автоматизация астрономических наблюдений уже позволяет его использовать.

Рис. 6.4. Космический телескоп COROT: слева – подготовленный к запуску; справа – в процессе наблюдения за прохождением планеты по диску звезды (рисунок D. Ducros, CNES). Размер спутника: длина 4Д м, диаметр 2 м (без панелей солнечных батарей). Полная масса 630 кг, масса научной аппаратуры 300 кг. Точность наведения телескопа 0,5?. Мощность канала связи 1,5 Гбит/сутки. Основной вклад в создание этой космической обсерватории внес Национальный центр космических исследований Франции (Centre national d’etudes spatiales – CNES).

По указанным причинам основная роль в поиске экзопланет, подобных Земле, отводится космическим инструментам. С декабря 2007 г. ведутся наблюдения на европейском спутнике COROT, телескоп которого диаметром 27 см имеет поле зрения около 3° и оснащен чувствительным фотометром. Поиск планет осуществляется методом прохождений. Обнаружено уже более дюжины «юпитеров» и даже одна планета, размер которой лишь на 70 % больше, чем у Земли. В 2009 г. на гелиоцентрическую орбиту выведен спутник «Кеплер» (NASA) с телескопом диаметром 95 см, способный непрерывно измерять блеск более 100 тыс. звезд в поле зрения 10°х10°. От него ждут массового обнаружения планет земного типа, но пока найдено лишь несколько «юпитеров» и один «нептун» (правда, в списке подозреваемых – сотни объектов).

Измерение положения звезды

Весьма перспективными считаются методы, в которых измеряется движение звезды, вызванное обращением вокруг нее планеты (табл. 6.3). В качестве примера вновь рассмотрим Солнечную систему. Сильнее всех на Солнце влияет массивный Юпитер: в первом приближении нашу планетную систему вообще можно рассматривать как двойную систему Солнце – Юпитер, компоненты которой разделены расстоянием 5,2 а. е. и обращаются с периодом около 12 лет вокруг общего центра масс. Поскольку Солнце примерно в 1000 раз массивнее Юпитера, оно во столько же раз ближе к центру масс. Значит, Солнце с периодом около 12 лет обращается по окружности радиусом 5,2 а. е./1000 = 0,0052 а. е., который лишь немногим больше радиуса самого Солнца. С расстояния а Кентавра (4,34 св. года = 275 000 а. е.) радиус этой окружности виден под углом 0,004?. Это очень маленький угол: под таким углом мы видим толщину карандаша с расстояния в 360 км. Но астрономы умеют измерять столь малые углы и поэтому уже несколько десятилетий ведут наблюдение за ближайшими звездами в надежде заметить их периодическое «покачивание», вызванное присутствием планет.

Рис. 6.5. Взаимное движение звезды и планеты. Центр масс системы «звезда + планета» движется прямолинейно (пунктир). Звезда и планета обращаются вокруг центра масс по подобным орбитам в противофазе (вверху). Наблюдая звезду, можно заметить ее «покачивания», указывающие на присутствие планеты.

В самое последнее время это удалось сделать с поверхности Земли, но перспективы астрометрического поиска экзопланет, безусловно, связаны с запуском специализированных спутников, способных измерять положения звезд с миллисекундной точностью.

Измерение скорости звезды

Заметить периодические колебания звезды можно не только по изменению ее видимого положения на небе, но и по изменению расстояния до нее. Вновь рассмотрим систему Юпитер – Солнце, имеющую отношение масс 1:1 ООО. Поскольку Юпитер движется по орбите со скоростью 13 км/с, скорость движения Солнца по его собственной небольшой орбите вокруг центра масс системы составляет V= 13 м/с. Для удаленного наблюдателя, расположенного в плоскости орбиты Юпитера, Солнце с периодом около 12 лет меняет свою скорость с амплитудой 13 м/с.

Для точного измерения скоростей звезд астрономы используют эффект Доплера. Он проявляется в том, что в спектре звезды, движущейся относительно земного наблюдателя, изменяется длина волны всех линий: если звезда приближается к Земле, линии смещаются к синему концу спектра, если удаляется – к красному. При нерелятивистских скоростях движения эффект Доплера чувствителен лишь к лучевой скорости звезды, т. е. к проекции полного вектора ее скорости на луч зрения наблюдателя (прямую, соединяющую наблюдателя со звездой). Поэтому скорость движения звезды, а значит, и масса планеты определяются с точностью до множителя cos а, где а – угол между плоскостью орбиты планеты и лучом зрения наблюдателя. Вместо точного значения массы планеты (М) доплеровский метод дает лишь нижнюю границу ее массы (М · cos ?).

Обычно угол а неизвестен. Лишь в тех случаях, когда наблюдаются прохождения планеты по диску звезды, можно быть уверенным, что угол а близок к нулю. Но у доплеровского метода есть два важных преимущества: он работает на любых расстояниях (разумеется, если удается получить спектр), и его точность почти не зависит от расстояния. В табл. 6.3 показаны характерные значения доплероской скорости и углового смещения Солнца под влиянием каждой из планет. Плутон здесь присутствует как прототип планет-карликов.

Как видим, влияние планеты вызывает движение звезды со скоростью в лучшем случае метры в секунду. Можно ли заметить перемещение звезды с такой скоростью?

Таблица 6.3

Астрометрические (угловые) и доплеровские колебания Солнца под влиянием планет

До конца 1980-х гг. ошибка измерения скорости оптической звезды методом Доплера составляла не менее 500 м/с. Но затем были разработаны принципиально новые спектральные приборы, позволившие повысить точность до 10 м/с. Например, в прецизионном спектрометре Европейской южной обсерватории Ла-Силья (Чили) свет звезды пропускается сквозь кювету с парами йода, находящуюся в термостатированном помещении. Фиксируя относительное положение спектральных линий звезды и йода, удается очень точно измерять скорость звезды. Новая техника сделала возможным открытие экзопланет, определение их орбитальных параметров и масс.

По существу, этот же метод используют и радиоастрономы, с высокой точностью фиксирующие моменты прихода импульсов от радиопульсаров и тем самым (по времени запаздывания сигнала) определяющие периодические смещения нейтронной звезды относительно Солнца. Это позволяет обнаруживать невидимые объекты, обращающиеся вокруг радиопульсаров. Вообще, метод хронометража (тайминга) требует лишь наличия стабильного «генератора импульсов», в роли которого может выступать пульсирующий или вращающийся белый карлик, тесная двойная звезда и т. п.

Открытия экзопланет

Астрометрический поиск

Исторически первые попытки обнаружить экзопланеты связаны с наблюдениями за положением близких звезд. В 1916 г. американский астроном Эдуард Барнард (1857–1923) обнаружил, что тусклая красная звезда в созвездии Змееносец быстро перемещается по небу относительно других звезд – на 10? в год. Позже астрономы назвали ее Летящей звездой Барнарда. Хотя все звезды хаотически перемещаются в пространстве со скоростями 20–50 км/с, при наблюдении с большого расстояния эти перемещения остаются практически незаметными. Звезда Барнарда – весьма заурядное светило, поэтому возникло подозрение, что причиной ее наблюдаемого «полета» служит не особенно большая скорость, а просто необычная близость к нам. Действительно, звезда Барнарда оказалась на втором месте от Солнца после системы а Кентавра.

Масса звезды Барнарда почти в 7 раз меньше массы Солнца, значит, влияние на нее соседей-планет (если они есть) должно быть весьма заметным. Более полувека, начиная с 1938 г., изучал движение этой звезды американский астроном Питер ван де Камп (1901–1995). Он измерил ее положение на тысячах фотопластинок и заявил, что у звезды обнаруживается волнообразная траектория с амплитудой покачиваний около 0,02?, а значит, вокруг нее обращается невидимый спутник. Из расчетов П. ван де Кампа следовало, что масса спутника чуть больше массы Юпитера, а радиус его орбиты 4,4 а. е. В начале 1960-х гг. это сообщение облетело весь мир и получило широкий резонанс. Ведь это было первое десятилетие практической космонавтики и поиска внеземных цивилизаций, поэтому энтузиазм людей в отношении новых открытий в космосе был чрезвычайно велик.

К исследованию звезды Барнарда подключились и другие астрономы. Некоторые результаты говорили в пользу гипотезы ван де Кампа. Например, в 1972 г. на конференции по происхождению Солнечной системы в Ницце (Франция) теоретики Д. Блэк и Г. Саффолк обсуждали планетную систему звезды Барнарда, не ставя под сомнение ее существование. Перед вами фрагмент их выступления.

«Рассматриваемая планетная система принадлежит звезде Барнарда, красному карлику спектрального класса dM 5. Ван де Камп и другие астрономы вели тщательные наблюдения звезды Барнарда с 1916 по 1919 гг. и затем с 1938 г. по настоящее время. Согласно предложенной ван де Кампом динамической интерпретации отклонений собственного движения звезды Барнарда от прямолинейного, они обусловлены спутником с массой, близкой к массе Юпитера, обращающимся вокруг звезды по эксцентрической орбите. Период обращения равен 24 годам. В 1969 г. ван де Камп уточнил свои ранние результаты и предложил два новых варианта интерпретации. Первый аналогичен прежнему, но планета имеет орбиту с большим эксцентриситетом и больший период обращения. Во втором варианте предполагается существование двух планет на почти компланарных круговых орбитах. Направления их обращения совпадают. Ван де Камп нашел, что при массах планет, равных 1,1 и 0,8 массы Юпитера, и периодах 26 и 12 лет соответственно двухпланетная модель согласуется с наблюдательными данными не хуже, но и не лучше, чем однопланетная. Следует отметить, что ван де Камп искал лишь компланарные решения (т. е. лежащие в одной плоскости. – В. С.) и соответственно ограничил диапазон возможных параметров орбит.

Наш анализ движения звезды Барнарда показал, что для объяснения данных наблюдений необходимы по меньшей мере две планеты и что имеются убедительные свидетельства существования в системе трех массивных (М~10³⁰ г) планет. Приближенные значения их масс 1,2; 0,6 и 0,8 массы Юпитера, а периоды обращения 26, 12 и 7 лет соответственно.

В настоящее время невозможно сделать окончательные выводы относительно параметров орбит или числа планет. В частности, если отклонение собственных движений от прямолинейности служит основным ориентиром при поисках планетных систем, то это исключает обнаружение планет „земного типа“. Несмотря на неоднозначность интерпретации данной планетной системы, имеющаяся информация требует, чтобы планеты в системе звезды Барнарда находились на некомпланарных орбитах; относительное наклонение орбит должно быть большим (i >= 40°). Именно эта особенность делает систему звезды Барнарда столь интересной».

Но не все астрономы согласились с выводами Питера ван де Кампа и его последователей. Продолжая наблюдения и увеличивая точность измерений, Дж. Гейтвуд с коллегами выяснили к 1973 г., что звезда Барнарда движется ровно, без колебаний, а значит, массивных планет в качестве спутников не имеет. Однако эти же астрометрические работы принесли в 1996 г. новую находку: были замечены зигзаги в движении шестой от Солнца звезды Лаланд 21185, удаленной от Солнца на 2,5 пк. (На ее волнообразное движение указывал еще П. ван де Камп в 1951 г.) По мнению Гейтвуда, вокруг этой звезды обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 M_j, радиус орбиты 10 а. е.) и вторая с периодом 6 лет (0,9 M_j, 2,5 а. е.). Правда, это открытие до сих пор не только не подтверждено, но и вызывает все большие сомнения.

Первое надежное астрометрическое обнаружение экзопланеты состоялось лишь в 2009 г. После 12 лет наблюдений с помощью 5-метрового Паломарского телескопа за 30 звездами американские астрономы Стивен Правдо и Стюарт Шаклан из Лаборатории реактивного движения (JPL, NASA) обнаружили планету у крохотной переменной звезды «ван Бисбрук 10» (VB 10) в двойной системе Глизе 752 (GJ 752). Звезда VB 10 – одна из самых маленьких в Галактике: это красный карлик спектрального класса М8, уступающий Солнцу в 12 раз по массе и в 10 раз по диаметру. А светимость этой звезды столь мала, что если заменить ею наше Солнце, то днем Земля была бы освещена как сейчас лунной ночью. Именно благодаря малой массе звезды планета VB 10Ь смогла «раскачать» ее до заметной амплитуды: с периодом около 272 суток положение звезды на небе колеблется на 0,006? (тот факт, что это удалось измерить, – настоящий триумф наземной астрометрии). Сама планета-гигант обращается по орбите с большой полуосью 0,36 а. е. (как у Меркурия) и имеет массу 6,4 M_j, т. е. она легче своей звезды всего в 14 раз, а по размеру даже не уступает ей.

Планеты у нейтронных звезд

В конце 1980-х несколько групп астрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры и начали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звезд. Эта работа специально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько лет действительно увенчалась успехом (см. ниже). Но первыми открыли экзопланету не оптики, а радиоастрономы, причем не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло это в ходе исследования радиопульсаров – быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары – чрезвычайно стабильные источники, радиоастрономы могут применять к ним метод хронометража и выявлять таким образом их движение со скоростью порядка 1 сантиметра в секунду (!), а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотни раз меньше, чем у Юпитера.

Первое сообщение в журнале «Nature» об открытии планетной системы вокруг пульсара PSR1829-10 (обозначался также PSR1828-11 и PSR В1828-10, современное обозначение PSR J1830-10) сделала в середине 1991 г. группа радиоастрономов Манчестерского университета (М. Бэйлес, А. Лин и С. Шемар), наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокруг нейтронной звезды, удаленной от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 раз массивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 г. в неопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8 земных и периодами соответственно 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор это открытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остается сомнительным.

Рис. 6.6. Планетная система радиопульсара PSR 1257+12 в сравнении с внутренней областью Солнечной системы, показанной в том же масштабе расстояний. Цифрами обозначены массы планет в М_Е. Приблизительно (но в ином масштабе) выдержан и относительный размер планет.

Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A. Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 300 пк от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 г. ученый заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 г. выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,02; 4,1 и 3,8 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 г. появилось сообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет, но оно осталось неподтвержденным.

Легкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто около 2000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR В1620-26) обнаружилась планета-гигант в 2,5 раза массивнее Юпитера. До недавнего времени планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрировала нам единственный пример планет типа Земли за пределами Солнечной системы.

Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, вместе с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому ее остаток, нейтронная звезда-пульсар, не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как – не ясно. Пока планетные системы нейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-то «неполноценным».

Успех доплеровского метода: планеты у нормальных звезд

Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 г. астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (М. Mayor) и Дидье Келоз (D. Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G. Магсу) создали подобный прибор раньше и еще в 1987 г. приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 г. Майор и Келоз приступили к измерению скоростей 142 звезд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегас (51 Peg), удаленной от Солнца на 15 пк. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут. и, как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47 M_j.

Это удивительное соседство озадачило ученых: совсем рядом со звездой, как две капли воды похожей на Солнце, мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Не сразу поверили астрономы в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ее близости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. «Горячий юпитер»? Такого сочетания никто не ожидал. Быть может, за покачивания звезды была принята пульсация ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у звезды 51 Peg. Для нее даже было предложено имя – Эпикур, но оно пока не получило признания. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде.

«Затмения» звезд планетами

Метод прохождений также доказал свою эффективность. Сейчас фотометрические наблюдения за звездами ведутся как с борта космических обсерваторий, так и с Земли. Все современные фотометрические инструменты имеют широкое поле зрения. Измеряя одновременно блеск миллионов звезд, астрономы существенно увеличивают свой шанс обнаружить прохождение планеты по диску звезды. При этом, как правило, обнаруживаются планеты, часто демонстрирующие «затмение» звезды, т. е. имеющие короткий орбитальный период, а значит – компактную орбиту.

Рис. 6.7. Восьмиобъективный роботизированный фотометрический комплекс проекта WASP (Wide Angle Search for Planets). Такие инструменты установлены на о. Ла-Пальма (Канарские острова) и в Южно-африканской астрономической обсерватории близ Сазерленда. Это совместный проект нескольких британских университетов и испанского Астрофизического института на Канарских островах. Фото с сайта www.superwasp.org.

Термин «горячий юпитер» стал настолько привычным, что никого уже особенно не удивило открытие в 2009 г. планеты WASP-18b, имеющей массу 10 M_j и обращающейся по почти круговой орбите на расстоянии 0,02 а. е. от своей звезды. Орбитальный период этой планеты составляет всего 23 часа! Учитывая, что звезда WASP-18 (HD 10069) имеет спектральный класс F9 и обладает большей светимостью, чем Солнце, температура поверхности планеты должна достигать 3800 К: это уже не просто «горячий», а «раскаленный юпитер». Из-за близости к звезде и своей большой массы планета вызывает сильные приливные возмущения на поверхности звезды, которые, в свою очередь, тормозят планету и в будущем приведут к ее падению на звезду.

Фотографии экзопланет

Несмотря на огромные трудности, астрономам все же удалось сфотографировать экзопланеты уже имеющимися средствами! Правда, средства эти были лучшими из лучших: орбитальный телескоп «Хаббл» и крупнейшие наземные инструменты (8?10-метровые телескопы «Кек», «Джемини» и «Очень большой телескоп»). Среди технических ухищрений – заслонка, отсекающая свет звезды, и светофильтры, пропускающие в основном инфракрасное излучение планеты в диапазоне длин волн 2–4 мкм, что соответствует температуре примерно 1000 К (в этом диапазоне планета выглядит более контрастно по отношению к звезде).

Начиная с 2004 г. получено несколько изображений экзопланет. Каталог экзопланет, изображения которых получены^[6], содержит уже 11 планет в 9 системах. Например, в протопланетном диске, окружающем молодую звезду ss Живописца, сфотографирована планета, весьма похожая на Юпитер, только массивнее. Ситуация там напоминает молодую Солнечную систему, в которой новорожденный Юпитер активно влиял на формирование в околосолнечном диске остальных планет. Наблюдать этот процесс «вживую» – мечта всех специалистов по планетной космогонии.

В конце 2008 г. важные открытия почти одновременно сделали две группы американских и канадских ученых. Космическим телескопом «Хаббл» удалось сфотографировать планету на внутреннем крае пылевого диска, окружающего яркую звезду Фомальгаут (а Южной Рыбы). Хотя эта звезда светит почти в 20 раз мощнее Солнца, она не могла бы столь сильно осветить свою планету, чтобы сделать ее заметной с Земли. Ведь обнаруженная планета находится от Фомальгаута в 115 раз дальше, чем Земля от Солнца. Поэтому астрономы предполагают, что планета окружена гигантским отражающим свет кольцом, намного превосходящим кольца Сатурна. В нем, по-видимому, формируются спутники этой планеты, как в эпоху юности Солнечной системы формировались спутники планет-гигантов.

Рис. 6.8. Планета 2М1207 b (слева). Это первое изображение планеты, находящейся за пределами Солнечной системы. Она имеет массу от 3 до 10 M_j и обращается вокруг коричневого карлика 2MASSWJ1207334-393254 массой 25 M_j. Снимок получен в ближнем ИК-диапазоне с использованием адаптивной оптики на 8,2-метровом телескопе VLT Европейской южной обсерватории (Чили) в 2004 г.

Рис. 6.9. Первое изображение планеты (вверху слева) вблизи нормальной звезды солнечного типа. Эта молодая звезда 1RXS J160929.1-210524 спектрального класса K7V удалена от нас на 150 пк, имеет массу 0,85 солнечной и температуру поверхности 4060 К. А планета в 8 раз массивнее Юпитера, и температура ее поверхности 1800 К (поэтому она светится сама). Возраст звезды и планеты – вероятно, около 5 млн лет. Расстояние между ними в проекции – около 330 а. е.

Фото получено в сентябре 2008 г. в ближнем ИК-диапазоне телескопом Джемини-Север (обсерватория Мауна-Кеа, Гавайи) с использованием адаптивной оптики.

Не менее любопытна и фотография сразу трех планет у звезды HR 8799 в созвездии Пегас, полученная группой канадских астрономов под руководством К. Маруа (с. 9 цветной вкладки). Эта система удалена от нас примерно на 40 пк. Каждая из ее планет почти на порядок массивнее Юпитера, но движутся они примерно на тех же расстояниях от своей звезды, что и наши планеты-гиганты. (В проекции на небо эти расстояния составляют 24, 38 и 68 а. е.) Будет очень странно, если на месте Венеры, Земли и Марса в той системе не обнаружатся землеподобные планеты. Но пока это за пределами технических возможностей.

Рис. 6.9. Планета Фомальгаута. В мощном пылевом диске вокруг звезды Фомальгаут телескоп «Хаббл» сфотографировал планету (в белом квадрате). Светлый кружок в центре снимка обозначает положение Фомальгаута (сама звезда закрыта экраном), эллипс, показанный для масштаба, имеет размер орбиты Нептуна. За два года наблюдений экзопланета сместилась очень незначительно, так как период ее обращения по орбите – около 900 лет. Фото: Kalas и др., arxiv.org/abs/0811.1994.

Получение прямых снимков экзопланет – важнейший этап в их изучении. Во-первых, этим окончательно подтверждается их существование. Во-вторых, открыт путь к изучению свойств этих планет: их размеров, температуры, плотности, характеристик поверхности. И самое волнующее – не за горами расшифровка спектров этих планет, а значит, выяснение газового состава их атмосферы. О такой возможности давно мечтают экзобиологи.

Впереди – самое интересное

Л насколько далеки от нас планетные системы иных звезд? Видны [и эти звезды глазом или, скажем, в простой бинокль? Можем ли мы, взглянув ясным вечером на небо, указать своим друзьям: «А вот у этой, и у этой, и во-о-о-н у той звезды есть свои планеты. Возможно, некоторые из них обитаемы»? На эти вопросы легко ответить, поскольку в Каталоге экзопланет^[7] можно найти все необходимые данные. В октябре 2010 г. в нем содержалось немногим более 500 объектов, претендующих на звание планет. Поскольку для большинства из них определена лишь нижняя граница массы, будущие исследования, вероятно, переведут часть кандидатов в разряд коричневых карликов, т. е. переместят их из группы гигантских планет в сообщество «неполноценных» звезд. Но таких «перебежчиков» будут единицы, и это не изменит статистических выводов. А выводы таковы.

Обнаруженные планеты «живут» в окрестности примерно 4 сотен звезд. Ближайшая из них (? Eri) удалена от нас на 3,2 пк, то есть всего лишь на 10 световых лет! Половина всех внесолнечных планетных систем лежит в пределах 40 пк от Солнца, еще треть находится не далее 80 пк, а на расстояниях более 1 кпк располагаются буквально единицы. Таким образом, практически все обнаруженные экзопланеты – наши ближайшие галактические соседи. Даже если мы открыли уже все планеты в пределах 100 пк от Солнца (а это, разумеется, не так), то в диске Галактики их должно быть очень много. Можно оценить их количество по порядку величины: галактический диск имеет толщину около 200 пк и радиус около 15 кпк. Следовательно, его объем в 34 тыс. раз больше объема шара радиусом 100 пк. Если в окрестности Солнца более 400 звезд с планетами, то в диске Галактики их не менее 14 млн. Скорее всего, их намного больше, но и 14 миллионов – цифра немаленькая!

Теперь вернемся к вопросу о видимости звезд, обладающих планетными системами. Можно ли хотя бы некоторые из них заметить невооруженным глазом, чтобы в ясную ночь, бросив на нее взгляд, подумать: «А вон у той звезды есть своя планетная система. Интересно, кто там обитает?» Оказывается, это возможно! Самая яркая звезда на нашем небе, обладающая по крайней мере одной планетой, – это красный гигант Поллукс (ss Близнецов, HD 62509), звезда первой величины (V = 1,2^m), легко различимая на самом засвеченном городском небе, даже в центре Москвы. Зимней ночью или весенним вечером вы без труда найдете ее в южной части неба, высоко над горизонтом, и, глядя на мерцающий оранжевый огонек, предадитесь фантазиям о планетах этой звезды. Правда, пока в этой системе обнаружено присутствие только одной гигантской планеты: она втрое массивнее Юпитера и обращается по круговой орбите на расстоянии 1,7 а. е. от своего светила. Но вполне вероятно, что кроме нее там есть и другие планеты.

Яркий блеск Поллукса делает его «звездой первой величины» среди обладателей экзопланетных систем. Но не он один из этой компании виден невооруженным глазом. Без особого напряжения на городском небе можно различить звезды до 4^m. Среди обладателей экзопланет таких звезд шесть. А если у вас отличное зрение и вы находитесь вдали от городских огней, то сможете различить звезды до 6^m; среди «владельцев» экзопланет таких звезд около 50. Так что в какую бы часть неба вы ни посмотрели, перед вами всегда будет доступная невооруженному глазу звезда с планетами. А если вооружитесь обычным полевым биноклем, то вам станут доступны объекты почти до 9^m, и вы сможете увидеть подавляющее большинство звезд, у которых сейчас обнаружены планеты.

Ближайшая из открытых экзопланет принадлежит знаменитой звезде г Эридана (? Eri), одной из двух первых звезд, от которых в рамках проекта «Озма» (1960 г.) радиоастрономы пытались поймать сигналы внеземных цивилизаций. Вторым объектом этого проекта была еще более известная звезда ? Кита, но у нее планеты пока не найдены. Обе эти звезды входят в тридцатку ближайших звезд и в целом похожи на Солнце, хотя немного меньше и тусклее него. Планета ? Eri b в полтора раза массивнее Юпитера и движется по орбите с большой полуосью 3,4 а. е. Казалось бы, сходство системы ? Eri с Солнечной системой налицо, осталось найти там планеты земного типа и обнаружить у них биосферу. Но тут есть серьезная проблема: планета-гигант ? Eri b движется по сильно вытянутой орбите с эксцентриситетом 0,7, при этом она приближается к «зоне жизни» звезды (диапазон расстояний, в котором на поверхности планеты возможно существование жидкой воды) и мешает устойчиво двигаться там планетам земного типа. Но все же ситуация не безнадежна, и нужно продолжать поиск.

Обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений XX в. Решена важнейшая проблема: Солнечная система не уникальна, формирование планет рядом со звездами – закономерный этап эволюции. Несколько столетий астрономы бьются над загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную систему до сих пор не с чем было сравнивать. Теперь ситуация изменилась: в последнее время астрономы открывают в среднем по одной планете в неделю; в основном это планеты-гиганты, но уже созданы приборы, способные обнаруживать планеты земного типа. Становятся возможными классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе нашей Солнечной системы.

В то же время стало ясно, что наша планетная система нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни» (область умеренных температур вокруг Солнца), позволяют длительное время существовать внутри этой зоны планетам земного типа, одна из которых – Земля – даже имеет биосферу. Среди обнаруженных планетных систем большинство не обладает этим качеством. Мы понимаем, конечно, что массовое обнаружение преимущественно горячих юпитеров – временное явление, связанное с ограниченными возможностями нашей техники. Но сам факт существования таких систем поражает: очевидно, что газовый гигант не может сформироваться рядом со звездой – но тогда как же он туда попал?

В поисках ответа на этот вопрос теоретики моделируют формирование планет в околозвездных газово-пылевых дисках и узнают при этом много нового. Оказывается, планета в период своего роста может мигрировать по диску, приближаясь к звезде или удаляясь от нее, в зависимости от структуры диска, массы планеты и ее взаимодействия с другими планетами. Эти теоретические исследования чрезвычайно интересны: результаты моделирования можно сразу проверять на новом наблюдательном материале. Расчет эволюции протопланетного диска на хорошем компьютере занимает около недели, а за это время наблюдатели успевают открыть новую планетную систему.

Нередко эти открытия ставят теоретиков в тупик. Так, неожиданностью стало в 2005 г. сообщение об открытии планеты в системе тройной звезды HD 188753 (с. 9 цветной вкладки). Там горячий юпитер обращается с периодом 3,35 сут. вокруг очень похожей на Солнце звезды HD 188753А, у которой есть еще пара небольших звезд-спутников (HD 188753В и HD 188753С). Эти две звездочки совершают взаимный пируэт с периодом 156 сут. и обращаются вокруг главной звезды HD 188753А с периодом 25,7 года по эксцентричной орбите, занимая область между орбитами Юпитера и Урана. Обнаружение планеты в системе двойной и даже тройной звезды само по себе не стало сенсацией: такие примеры уже были известны и даже получили прозвище «татуинских планет» (намек на родную планету Скайуокера из киноэпопеи «Звездные войны»). Но в предыдущих случаях звезды располагались на больших расстояниях друг от друга и почти не вмешивались в формирование планетных систем вокруг каждой из них. В случае же HD 188753 область формирования планет-гигантов оказалась занятой парой звезд-спутников. Где же тогда сформировался горячий юпитер HD 188753А b до того, как он мигрировал к своему нынешнему положению вблизи хозяйской звезды? Теоретики не могут ответить на этот вопрос и поэтому надеются, что существование «татуинской» планеты HD 188753А b не подтвердится. А наблюдатели пока спорят, существует эта планета или нет.

Рис. 6.10. Схема тройной звезды HD 188753. Рядом с более крупным одиночным компонентом, возможно, движется планета-гигант. Если ее существование подтвердится, это станет проблемой для теории формирования планет.

Хотя проблемы формирования и эволюции планетных систем очень интересуют астрономов, большинство людей проявляет к экзопланетам чисто «биологический» интерес. Им хотелось бы знать, когда и какими методами будут открыты планеты, подобные Земле, – с водной оболочкой и атмосферой. Если планета уже найдена и орбита ее определена, нетрудно вычислить, попадает ли эта планета в «зону жизни» родительской звезды. Одна такая планета, возможно, уже найдена: это Глизе 581g (GJ 581g). Она массивнее Земли примерно втрое и удалена от своей звезды ровно настолько, что температура на ее поверхности должна быть близка к О °С. По оценкам, эта планета может удерживать атмосферу земного типа и иметь на поверхности жидкую воду. Но большой уверенности эта оценка не дает: то, что вода (именно жидкая вода) может существовать на планете, еще не означает, что она там есть. Для более надежного определения состава атмосфер землеподобных экзопланет нужны не фотометрические, а спектроскопические наблюдения. Такие проекты сейчас осуществляются: это американские космические обсерватории TPF-C (звездный коронограф) и TPF-I (звездный интерферометр), а также европейская обсерватория «Дарвин». Но эти аппараты отправятся на орбиту не раньше 2015 г.

Без преувеличения можно сказать, что открытие внесолнечных планет – это великое событие в истории науки. Сделанное на исходе XX в., оно в перспективе станет одним из важнейших событий прошедшего века наравне с овладением ядерной энергией, выходом в космос и открытием механизмов наследственности. Уже сейчас ясно, что недавно начавшийся XXI век станет временем расцвета планетологии – ветви астрономии, изучающей природу и эволюцию планет. Несколько столетий лаборатория планетологов ограничивалась дюжиной объектов Солнечной системы, и вдруг, всего за несколько лет, число доступных объектов увеличилось в десятки раз, а диапазон условий, в которых они существуют, оказался обескураживающе широким. Современного планетолога можно уподобить биологу, который многие годы изучал лишь флору и фауну пустыни и вдруг попал в тропический лес: сейчас планетологи находятся в состоянии легкого шока, но скоро они оправятся и сориентируются в гигантском многообразии новооткрытых планет.

Вторая наука, а точнее протонаука, ощущающая мощный эффект от открытия планет у иных звезд, – это биология внеземной жизни, экзобиология. Учитывая темп обнаружения и исследования экзопланет, можно ожидать, что XXI век принесет нам открытие биосфер на некоторых из них и ознаменует этим долгожданное и окончательное рождение экзобиологии, до сих пор развивавшейся в латентном состоянии из-за отсутствия реального объекта исследования.

7. Планеты-карлики

За пределом Большой восьмерки

Вот мы и «вернулись из разведки», обнаружив восемь больших планет в нашей Солнечной системе и около пятисот очень больших планет в других планетных системах. Попутно узнали (главы 4 и 6), что кроме полновесных, настоящих планет, многие звезды окружены роями мелких тел – астероидов, карликовых планет, комет, межпланетной пыли… Присутствие мелкой пыли без особого труда обнаруживается даже у далеких звезд: обладая большой суммарной поверхностью, пылинки перехватывают заметную долю оптического излучения своей звезды и, нагревшись, переизлучают эту энергию в инфракрасном диапазоне. Именно избыток ИК-излучения в спектре звезды заставляет предположить наличие вокруг нее пылевого облака или диска. Иногда его удается сфотографировать (см. рис. 6.9). Хотя отношение к бытовой пыли у нас сугубо отрицательное, космическая пыль очень интересует астрономов и служит объектом пристального исследования. Без сомнения, очень велика ее роль в рождении звезд и планет, поскольку пылинки – главные охладители межзвездной среды, способствующие ее сжатию и конденсации. Не менее важна роль пылинок как катализаторов химических реакций в межзвездном и межпланетном пространстве. Не исключено, что первые шаги в эволюции живого вещества тоже были сделаны благодаря космической пыли. Но эту интересную тему мы оставим для другого рассказа, а раз уж отправились на разведку планет, то ими и ограничимся.

Эта глава посвящена маленьким планетам Солнечной системы, не входящим в «большую восьмерку», но все же имеющим некоторые признаки настоящих планет. Давайте вспомним определение планеты (с. 245): это объект, обращающийся вокруг Солнца и достаточно массивный для того, чтобы придать себе сфероидальную форму, к тому же не имеющий рядом со своей орбитой тел сравнимой с ним массы. Что касается отсутствия близких массивных соседей, то это требование, разумеется, важно для правильного представления о происхождении и эволюции планеты, но прямо не связано с условиями на ее поверхности и в ее недрах. Если масса космического тела настолько велика, что собственная сила тяжести придала ему сфероидальную форму, то это означает, что в его недрах протекает геологическая эволюция. В результате вещество разделяется по плотности (легкое вверх, тяжелое вниз), выделяется тепло, идут химические реакции и т. п. А если у этого тела к тому же есть атмосфера и, может быть, даже небольшие спутники, то любой планетолог будет изучать его как полноценную планету. Высадившись на поверхности такого тела, мы ощутим себя на планете, независимо от того, как называется этот объект в астрономических справочниках.

Рис. 7.1. Сравнительные размеры первых десяти астероидов и Луны. Крупнейший астероид Церера теперь отнесен к семейству планет-карликов.

Собственно говоря, именно в таком широком смысле астрономы довольно долго использовали термин «планета». Плутон был назван планетой, несмотря на то, что его орбита пересекается с орбитой значительно более крупного тела – Нептуна. А все астероиды до недавнего времени называли «малыми планетами». Сейчас это положение исправлено: Плутон и ему подобные стали называть «планетами-карликами», а более мелкие объекты – просто «астероидами». Именно о планетах-карликах пойдет речь в этой главе, а следующую, заключительную главу мы посвятим еще более странным планетам, живущим в семействах спутников больших планет. Их бы стоило называть «планетами-спутниками». Но пока речь не о них.

Как отличить планету от прочих небесных светил?

При взгляде на ночное небо все светила, кроме Луны, сначала кажутся нам одинаковыми «звездочками», различающимися только своим блеском. Но, присмотревшись, мы замечаем, что подавляющее большинство звезд дрожит, мигает, переливается, то есть испытывает хаотические флуктуации блеска. Астрономы называют это мерцанием. Мерцает абсолютное большинство звезд, но не все: некоторые светят стабильно. Почему они «отбились от коллектива»? С помощью

звездной карты и Астрономического календаря, а еще проще – с помощью компьютерного планетария быстро выясняется, что немигающие «звезды» – это в действительности планеты. Стабильность блеска планет давно уже стала народным способом их поиска на небе: обычно именно так отличают планеты от ярких звезд.

Как известно, звезды мерцают потому, что их свет проходит через неспокойные слои атмосферы. Теплые потоки воздуха поднимаются вверх, охлажденные стремятся вниз, они смешиваются друг другом, дробятся на ячейки с разной температурой и оптической плотностью. На границах этих ячеек происходит преломление света. В общем, такой процесс легко смоделировать, направив в стакан с кипятком струйку холодной воды либо наоборот. Попробуйте сами: поставьте стакан холодной воды на газету, плесните в него кипяток – и увидите, как будет выглядеть газетный текст сквозь воду, пока она полностью не перемешается. Глядя сквозь оптически неоднородную бурлящую атмосферу на далекие источники света (не только космические!), мы замечаем их мерцание в том диапазоне частот, который доступен нашему зрению, то есть не выше 20 Гц. Высокочастотные мерцания мы (в отличие, скажем, от стрекоз) не различаем, хотя они тоже присутствуют.

Оставим пока в стороне явление дифракции света на зрачке глаза, а также зернистость сетчатки, которые даже при отсутствии атмосферы не позволили бы нам различить реальный диск звезды или воспринять далекую звезду как точку исчезающе малого углового размера. Оба эти явления – дифракция и «пиксельная» структура сетчатки – размывают изображение звезды, но сами по себе в силу своей статичности не вызывают колебаний яркости и цвета. Однако и в том случае, если бы острота нашего зрения была фантастически высокой, мы, наблюдая сквозь атмосферу, не смогли бы различить реальные диски звезд. Дело в том, что за время одного «кадра», воспринимаемого нашим зрением (около 0,05 с), быстрое атмосферное дрожание почти точечного изображения звезды создает вместо него «кляксу», угловой размер которой зависит от состояния атмосферы в месте наблюдения и обычно составляет от 2? до 5?. Впрочем, наш глаз не различает столь малых углов. Дифракция на зрачке и неоднородность сетчатки снижают угловое разрешение нашего ночного зрения до 2–3 минут дуги, то есть примерно до 150?. Так что звезду-«кляксу» размером 2–5? наш глаз воспринимает как точку, но низкочастотные колебания ее яркости глаз замечает. Они-то и служат причиной мерцания звезд.

Все это понятно, но почему же все-таки звезды мерцают, а планеты – нет, почему при наблюдении ночного неба невооруженным глазом изображение звезды дрожит, а планета выглядит более стабильной, почти неизменной? Разумеется, преломление света в атмосфере не зависит от того, каков его источник: звезда или планета.

Таблица 7.1

Угловой диаметр планет, доступных по своему блеску для наблюдения невооруженным глазом

Причина видимого различия звезд и планет в том, что угловой размер любой из ярких планет значительно больше углового размера атмосферных изображений звезд. Это видно из данных табл. 7.1, причем нужно учитывать, что меньшее значение диаметра относится к конфигурации (рис. 7.2), в которой планета не наблюдается. Для внешних планет – Марса, Юпитера и Сатурна – это эпоха соединения, когда планета располагается на небе вблизи Солнца. Для внутренних планет – Меркурия и Венеры – это эпоха верхнего соединения, когда планета также располагается вблизи Солнца, находясь за ним. Обычно внешние планеты наблюдаются вблизи их противостояния и поэтому имеют максимальный угловой размер. А внутренние планеты (особенно Меркурий) видны лишь в эпоху наибольшей элонгации, когда их диаметр составляет около половины от максимального, точнее 8–9? у Меркурия и 26? у Венеры. Не беря в расчет Меркурий (немногие его когда-либо видели!), можно заключить, что диски ярких планет видны под углом не менее 20?, что значительно превосходит размер атмосферных изображений звезд.

Рис. 7.2. Конфигурации планет, то есть их характерные положения относительно Земли и Солнца. По отношению к земному наблюдателю планета на внешней орбите может располагаться в соединении или противостоянии с Солнцем, а также в восточной или западной квадратурах. Планета на внутренней орбите может располагаться в нижнем (1) или верхнем (3) соединениях, а также в наибольшей восточной (4) или западной (2) элонгациях.

Таким образом, мы наблюдаем звезду сквозь очень узкий воздушный «канал», оптические свойства которого постоянно меняются из-за турбулентного движения воздуха. А диск планеты видим сразу через множество подобных каналов, свойства которых меняются хаотически, несогласованно. При этом, однако, угловой размер планет меньше разрешающей способности глаза, так что изображение планет, как и изображения звезд, мы воспринимаем в виде точек.

Хотя глазу планета все равно кажется точкой, изображение диска планеты можно представить как тесно прижатые друг к другу изображения множества звезд. Например, при угловом размере изображений звездных дисков 3? на диске ночных планет (Марс, Юпитер, Сатурн) в эпоху противостояния их поместится около 100. Наше зрение суммирует хаотическое мигание каждой части планетного диска, при этом флуктуации яркости этого суммарного изображения планеты усредняются и оказываются значительно ниже, чем у изображений отдельных звезд. Поэтому нам кажется, что планеты практически не мерцают. Как видим, рождественская песенка «Twinkle, twinkle, little star…» очень точно определяет причину мерцания звезд: потому и twinkle, что little.

Любопытная получается картина: астрономы-профессионалы проклинают атмосферу за то, что она мешает им получать четкие изображения космических объектов, а начинающему любителю астрономии атмосфера, оказывается, помогает отличить планету от звезды. Не будь атмосферы, звезды, как и планеты, не мерцали бы.

Кстати, в эпоху зарождения радиоастрономии эта наука тоже переживала свой «любительский» период и тоже использовала эффект мерцания. В начале 1960-х гг. было известно несколько «радиозвезд» (как позже выяснилось – квазаров). Их выявили, наблюдая покрытия радиоисточников Луной. Но в тех местах на небе, где Луна не гуляет, радиотелескопы того времени не могли отличить точечный источник от протяженного, поскольку имели очень плохое угловое разрешение (как зрение весьма близорукого человека). В те годы новый метод поиска «радиозвезд» разработал Энтони Хьюиш из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (Англия). Он использовал аналогию: обычные звезды мерцают, потому что их свет проходит через неспокойные слои атмосферы, значит, радиозвезды должны мерцать, поскольку на пути к Земле радиоволны проходят сквозь неоднородный солнечный ветер. Хьюиш заполнил антеннами поле площадью 2 га и начал систематический обзор всего неба в поиске мерцающих радиозвезд, которые могли бы оказаться квазарами. Каждый день прибор выдавал 30-метровую бумажную ленту информации, анализом которой занималась студентка Хьюиша – Джоселин Белл. Она заметила, что один из радиоисточников мерцал довольно необычно – строго периодически. Так были открыты радиопульсары, оказавшиеся нейтронными звездами! В те годы на Рождество астрономы пели: «Twinkle, twinkle, neutron star…».

Кстати, если бы зрение человека оказалось значительно более чувствительным к слабым потокам света, например таким, как у ночного хищника совы, то мы без труда могли бы видеть Уран (+5,5^m), а может быть, и Нептун (+7,8^m). А вот смогли бы мы тогда догадаться, что это планеты? Из-за большого расстояния от Солнца угловая скорость их перемещения относительно звезд очень мала, и это затруднило бы выяснение их истинной природы. А как же метод мерцаний? Ведь планеты не должны мерцать? Но Уран и Нептун как раз мерцают! Их угловой диаметр составляет 2–4?, что близко к типичному размеру изображения звезды на уровне моря. Так что народная примета «звезды мерцают, а планеты – нет» отражает не только возможности нашего зрения, но и свойства земной атмосферы.

Обсуждая видимость звезд и больших планет, мы чуть не забыли об основной теме этой главы, о планетах-карликах. А можно ли их заметить невооруженным глазом и отличить от звезд? Заметить астероид невооруженным глазом, да еще в городе, практически невозможно. Даже самый яркий из них – Весту – до изобретения телескопа астрономы не отмечали как планету, хотя наиболее зоркие из звездочетов, возможно, иногда замечали самые яркие астероиды (табл. 7.2) и даже планету Уран (+5,5^m), принимая их за тусклые звезды. Сегодня мы без труда можем в эпоху противостояния увидеть их в простой бинокль (табл. 3.2). Но ни Уран, ни яркие астероиды не были отождествлены как члены Солнечной системы до конца XVIII в., пока не появились достаточно мощные телескопы и подробные звездные каталоги. Из-за малого углового размера астероиды и мерцают как звезды, и с помощью обычного наземного телескопа (без адаптивной оптики) их диски не отличишь от звезд. Прав был Гершель, когда назвал их «астероидами», то есть звездообразными. Мы не говорим больше «малая планета», поскольку ничего общего у астероидов с планетами нет.

Таблица 7.2

Ярчайшие астероиды и планета-карлик Церера

А что касается карликовых планет, то ближайшая из них, Церера, хотя и может в исключительных случаях быть доступна невооруженному глазу, своим угловым размером все равно не превосходит «кляксу» атмосферного изображения звезды. Поэтому, подобно астероидам, Церера мерцает как обычная звездочка. В этом смысле переход Цереры в более высокую подгруппу ничего не изменил: как была на вид звездообразной, так ею и осталась. Однако для нас, разведчиков далеких планет, присутствие карликовой планеты Цереры недалеко от Земли чрезвычайно полезно. Все остальные планеты-карлики расположены гораздо дальше и по внешнему виду вообще неотличимы от звезд. Об их внешнем виде почти ничего не известно. А Цереру можно неплохо фотографировать даже от Земли с помощью космических телескопов и наземных инструментов с адаптивной оптикой, а кроме того, в ближайшее время ее будет изучать космический зонд.

К некоторым небольшим астероидам уже приближались космические зонды и передали их детальные изображения (см. рис. 4.31). Но к крупным астероидам и карликовым планетам экспедиций пока не было. Ожидается, что в 2011–2012 гг. зонд «Dawn» (NASA) будет исследовать Весту, а к 2015 г. прибудет к Церере. Но пока их лучшие снимки получены от Земли; они представлены на с. 10 цветной вкладки. В момент съемки расстояние до Цереры было 1,64 а. е., ее угловой диаметр составил 0,798?, а линейное разрешение на поверхности – около 20 км/пикс. Замеченное на поверхности темное пятно – вероятно, кратер – предварительно названо именем Пиацци, первооткрывателя Цереры. Замечено и несколько других крупных кратеров; дно одного из них покрыто светлым веществом.

О строении поверхности и недр Цереры пока высказываются противоречивые мнения. Температура ее поверхности не поднимается выше -35 °C, но это выше температуры сублимации (испарения) водяного льда. Тем не менее есть намеки на отложения снега и разреженную атмосферу. Некоторые модели Цереры говорят о том, что под ее поверхностью располагается толстый слой водяного льда, а под ним – каменистое ядро. Но существуют и альтернативные модели однородного строения этой планетки. Есть надежда, что после 2015 г. мы узнаем об этой карликовой планете много интересного.

На снимке Весты в основном видно южное полушарие, большую часть которого занимает огромный кратер диаметром 460 км, что близко к диаметру самого астероида (около 530 км). Глубина этого кратера около 13 км, его вал выше окружающей местности на 4-12 км, а центральный пик возвышается над дном кратера на 18 км.

Рис. 7.3. Этот метеорит размерами 9,6x8,1x8,7 см и массой 631 г, упавший в I960 г. в Западной Австралии, специалисты считают осколком астероида Веста. Он почти целиком состоит из минерала пироксена, оптический спектр которого очень похож на спектр Весты. На Земле этот минерал обычно встречается в потоках лавы. Судя по структуре метеорита, его вещество однажды испытало плавление. Похоже, что он был выбит из глубоких недр астероида. Соотношение изотопов кислорода в нем совсем не такое, как в земных и лунных породах. Образец покрыт корой плавления, образовавшейся при полете в атмосфере Земли.

Удар, создавший этот кратер, был так силен, что разрушил кору астероида и проник в область мантии. Произошло это менее 1 млрд лет назад, и выброшенное при этом вещество лишило Весту примерно 1 % ее массы. Более 50 маленьких астероидов считаются осколками Весты; астрономы называют их вестоидами (vestoid). Среди найденных на Земле метеоритов около 200 считаются частицами Весты (рис. 7.3). Планетологи полагают, что в их метеоритных коллекциях есть уже образцы с Луны, Марса, Весты и, возможно, со спутника Марса – Фобоса.

Как планеты стали карликами

Если не ошибаюсь, впервые «карлики» появились в астрономическом жаргоне вместе с диаграммой Герцшпрунга – Рассела, представляющей распределение звезд по температуре их поверхности (спектральному классу) и мощности излучения (светимости). На этой диаграмме, впервые построенной в 1910 г., звезды невысокой температуры, имеющие вследствие этого красноватый цвет поверхности, разделились на две группы: с очень высокой и очень низкой светимостью. Поскольку это ясно указывало на различие размеров звезд, их вполне естественно стали величать «гигантами» и «карликами». Именно так впервые назвал их Эйнар Герцшпрунг и окончательно закрепил Генри Рассел в своей заметке «„Giant“ and „Dwarf“ Stars», опубликованной в 1913 г. в журнале Observatory Так в астрономии появились красные карлики (red dwarf).

А через несколько лет астрономов поразили спектры едва заметных спутников двух ярких звезд – Сириуса и 40 Эридана. Оказалось, что их едва различимые спутники – Sirius В и 40 Eridani В – имеют нормальную для звезды массу, весьма горячую белую поверхность, но при этом очень низкую светимость! Хотя астрономы-наблюдатели обнаружили их еще в XIX в., но только законы физики, открытые в XX в., помогли понять, что у этих спутников необычайно малый размер и фантастическая плотность. В 1922 г. американский астроном Виллем Лёйтен предложил называть этих звездных гномов белыми карликами (white dwarf). С этого момента «карлики» прочно обосновались в астрономии: в семействе звезд появились желтые карлики (в их числе и наше Солнце) и голубые карлики, в семействе звездных систем – карликовые галактики, а с недавних пор, как мы знаем, родилось и семейство планет-карликов.

В отношении звезд этот набор терминов трудно назвать удачным. Представляя себе «карликов», мы ожидаем некоторого сходства между ними хотя бы в размерах. Но белые карлики меньше красных карликов в десятки раз и меньше желтых карликов в сотни раз! Да и по своим свойствам они имеют мало общего: если вспомнить, что по определению звезды – это объекты, в недрах которых протекают термоядерные реакции, то белые карлики вообще не звезды, а вырожденные остатки проэволюционировавших звезд. То же и с галактиками: карликовые галактики значительно ближе к звездным скоплениям, чем к нормальным галактикам. Учитывая эти неудачи с «карликовыми» терминами, резонно спросить: а может быть, астрономы попали впросак и с планетами-карликами?

Таблица 7.3

Параметры некоторых астероидов (Р — период суточного вращения, a и e — большая полуось и эксцентриситет орбиты)

Изучив табл. 7.3, мы увидим, что семейство астероидов так разнообразно и неоднородно, что идея их деления на несколько подклассов напрашивается сама собой. По некоторым параметрам это деление уже давно выполнено. Есть спектральные типы астероидов, различающиеся веществом на их поверхности. Есть семейства астероидов, объединенные по характеру их орбитального движения. Но, учитывая колоссальную разницу в размерах и массах астероидов, естественно хочется поделить их на группы «мертвых» и «живых». Эти образы неожиданно пришли мне на ум, обычно астрономы так не говорят. Под мертвыми я имею в виду небольшие астероиды – камни, булыжники или льдистые глыбы, не обладающие существенными внутренними источниками тепла и достаточной гравитацией, чтобы их недра могли самостоятельно изменяться. Они испытывают удары соседей и нагрев солнечными лучами; их форма и состав поверхности изменяются, но все эти процессы – не более чем эволюция гальки под напором морской волны. Значительно более сложная эволюция, затрагивающая весь объем тела и меняющая его исходную структуру и состав до неузнаваемости, протекает только у достаточно крупных тел, и их в геологическом смысле можно считать живыми; астрономы называют их планетами.

Такое деление мелких тел Солнечной системы напрашивалось давно, и астрономы подходили к нему постепенно. Важную роль здесь сыграл Плутон (см. с. 10 цветной вкладки). Ох, и плут он, этот Плутон! С момента открытия его всегда упоминали как нетипичный объект. Сколько раз он водил астрономов за нос! Начать с того, что его открыли, разыскивая совсем другую, гораздо более массивную планету. Но ее не оказалось, зато нашелся малыш-Плутон. И сразу же начались сюрпризы: он единственный в своем движении вокруг Солнца пересекает орбиту соседней планеты; он единственный то имеет атмосферу, то теряет ее, когда она замерзает и в виде снега падает на поверхность планеты. Этот плут даже регулярно меняет свой порядковый номер, попеременно становясь то восьмой, то девятой планетой от Солнца; у него единственного обнаружился спутник – Харон – размером чуть ли не с саму планету, отчего парочку Плутон – Харон стали называть двойной планетой. Одним словом, Плутон – уникальная планета. Или не планета вовсе?

Рис. 7.4. Оценки массы (черные точки) и размера Плутона первоначально были завышены, поскольку ошибочно предполагалось, что притяжение к Плутону возмущает движение Урана и Нептуна. После неоднократных переоценок в сторону уменьшения массы возникла даже шутка, что если экстраполировать кривую на будущее, то получится, что планета должна совсем исчезнуть в 1980 г.! В итоге анализ орбиты спутника Плутона, Харона, выявил истинную массу этой системы: около V400 массы Земли.

В любом учебнике астрономии состав Солнечной системы до недавних пор описывался так: планеты типа Земли (Меркурий, Венера, Земля и Марс), газовые планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и Плутон. По мере исследования Плутона оценки его размера и массы становились все меньше (рис. 7.4), отчего он все сильнее отдалялся от коллектива планет и приближался к спутникам и астероидам. Но если бы новых открытий не произошло, то придумывать для Плутона особый класс было бы чересчур щедро. Однако в 1990-е гг. за орбитой Нептуна стали обнаруживаться и другие небольшие планетки типа Плутона, и когда выяснилось, что Плутон даже не самый крупный из них, пришла пора объединить их в самостоятельную подгруппу.

При подготовке Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза (MAC) 2006 г. обсуждались разные предложения по поводу нового деления семейства планет. Например, были предложения разделить их все на три равноправные группы:

– каменные планеты типа Земли;

– газовые планеты-гиганты типа Юпитера;

– ледяные планеты-карлики типа Плутона.

С точки зрения внутреннего строения планет, это неплохое деление, хотя и не полное: крупнейшие астероиды типа Цереры, наша Луна и крупные спутники планет-гигантов в физическом смысле тоже планеты-карлики, хотя и не ледяные, а каменные или каменно-ледяные. Но более убедительными оказались те специалисты, которые предлагали при разбиении на типы учитывать не только массу и состав вещества планет, но и характер их взаимодействия с соседями. Так в определении «планеты» появилось требование, чтобы она не была подчиненным телом: не являлась спутником более массивной планеты и не испытывала сильного влияния соседей в своем орбитальном движении вокруг звезды.

Всем этим требованиям отвечают 8 известных планет, которые не стали пока делить на более мелкие подгруппы. А для Плутона и ему подобных организовали «клуб», пропуском в который служит способность тела придать себе сфероидальную форму. По этому критерию в группу Плутона попала и Церера, имеющая выдающуюся для астероида массу (в ней содержится треть всего вещества, заключенного в Поясе астероидов) и по форме близкая к эллипсоиду, что естественно при ее довольно быстром вращении. Из прочих астероидов Главного пояса только Паллада и Веста считаются кандидатами в эту группу. Остальные астероиды настолько малы и угловаты (рис. 7.5), а порой даже состоят из почти не связанных друг с другом частей, что они ни в каком смысле не могут быть названы планетами. В то же время на периферии Солнечной системы обнаружилось несколько тел, близких к Плутону по размеру и массе. Все эти объекты международное сообщество астрономов и решило впредь называть планетами-карли-ками (dwarf planet).

Наивно было бы думать, что решением даже такого уважаемого собрания ученых, как Генеральная ассамблея MAC, можно разом решить проблему классификации. Природа разнообразнее наших представлений о ней: постоянно обнаруживаются – и не только в астрономии – новые типы объектов, не укладывающиеся в существующую номенклатуру. Мы вынуждены придумывать им новые названия, но при этом нередко используем знакомые нам образы и слова. Вспомнить хотя бы жирафа, латинское имя которого – Camelopardalis — означает «верблюдолеопард». И в астрономии таких терминов немало: планетарные туманности не имеют отношения ни к планетам, ни к туману; световой год не служит для измерения времени; звездная величина не имеет отношения к размеру звезды, а нередко – и к самим звездам. То же и с названиями объектов: маленькую галактику мы называем Большим Магеллановым Облаком, хотя ни одно из этих трех слов не имеет к этой звездной системе прямого отношения.

Рис. 7.5. Некоторые из астероидов, с которыми к середине 2010 г. сближались космические зонды. Все снимки в одном масштабе. Фото: NASA, ESA.

На мой взгляд, не стоит давать объектам нового типа названия, сконструированные из старых слов. Лучше сразу придумывать новые термины. Даже не очень удачные, они успешно закрепляются и хорошо служат: в астрономии – квазары, пульсары, магнитары; в химии – фуллерены; в физике – кварки (самое нелепое из когда-либо введенных в науку слов, но ведь прижилось!). Здесь можно вспомнить великого футуриста Айзека Азимова (1920–1992), который еще до открытия объектов пояса Койпера почувствовал особый статус Плутона и возможность обнаружения множества подобных ему тел. Азимов предложил называть их мезопланетами (греч. mesos – средний, промежуточный), включив в эту группу все объекты меньше Меркурия, но крупнее Цереры. Однако новый термин не обрел популярности, ведь Азимов был не астроном, а биохимик и к тому же писатель-фантаст. Но мне это слово кажется более удобным, чем «карликовая планета»: ведь все остальные подобные термины – планета, астероид, комета, кентавр и др. – однословные, и только «планета-карлик» состоит из двух слов.

Впрочем, можно понять и тех, кто считает, что не стоит злоупотреблять новыми терминами. Назвав объекты типа Плутона карликовыми планетами, астрономы пошли традиционным путем: если среди звезд есть гиганты и карлики, то пусть будут и среди планет. Согласимся, что этот термин весьма точно передает физические свойства маленьких планет, и его введение выглядит как естественное развитие номенклатуры.

Разумеется, журналисты преподнесли решение Ассамблеи MAC как изгнание Плутона из семейства полноценных планет: «Астрономы обещали найти десятую планету, а вместо этого лишили нас девятой!» Под влиянием подобных сообщений публика возбудилась: осенью 2006 г. были даже шуточные демонстрации протеста с лозунгами «Верните нам Плутон!». Раздавались и нешуточные призывы учредить День планеты Плутон и отдать астрономов под суд за «научную ересь». Появился даже неологизм «плутонуть» (to pluto), что-то вроде «задвинуть, разжаловать, понизить в должности».

Ну что тут скажешь? Действительно, Плутон уже не фигурирует в таблицах планет; теперь в справочниках он проходит под простым астероидным номером – 134340 Pluto. Но на самом деле Плутон не перестал быть планетой, и само семейство планет не обеднело, а лишь приросло новыми членами. Просто Плутон и его братья оказались иной весовой категории, и это стало последней каплей, вызвавшей необходимость деления семейства планет на классы. Как известно, классификация – важный шаг в любом научном исследовании.

Любопытно, что некоторые комментаторы увидели в истории с Плутоном даже национально-политический момент: мол, больше всех этим решением огорчены американцы, которые Плутон открыли, которые к нему зонд «New Horizons» послали… И вот – нате вам: отправляли аппарат к последней неизученной планете Солнечной системы, а за время пути планета «исчезла»! Разумеется, это недоразумение. Американцы в 1930 г. не просто открыли очередную планету, а обнаружили планету нового типа, ставшую родоначальником, прототипом нового класса планет, хотя и карликовых, но от этого не менее интересных (спросите у биологов, кто интереснее – слон или муравей). Зонд «New Horizons» летит теперь не к последней планете Солнечной системы, а к первой планете пояса Койпера – гигантской неисследованной области Солнечной системы. Эта область носит имя американского астронома, населяющие ее объекты были открыты (Плутон) и продолжают открываться (Квавар, Эрида, Седна и др.) американскими астрономами, таким образом их национальная гордость должна быть удовлетворена. Впрочем, у самих астрономов национальная гордость развита слабо. Астрономия – наука глубоко интернациональная.

Пояс Койпера?

Область Солнечной системы за орбитой Нептуна, на расстоянии от 30 а. е. до приблизительно 55 а. е. от Солнца, сегодня в большинстве публикаций называют поясом Койпера. Первый объект в этой области, Плутон, был открыт в 1930 г., и в то время ее еще никак не называли. Обнаружение в 1978 г. спутника Плутона, Харона, только укрепило общее мнение, что Плутон – полноценная планета, и, возможно, где-нибудь далеко за ним найдется еще одна большая планета, а может быть, и еще одна… Но реальность оказалась иной. Второй объект за орбитой Нептуна обнаружили лишь в 1992 г., а сегодня известно, что эта окраина Солнечной системы населена множеством объектов умеренного размера, типа астероидов и ядер комет, среди которых есть и несколько планет-карликов (см. главу 4).

Почти сразу же после открытия второго транснептунового объекта (ТНО) к этой области «прилипло» имя «пояс Койпера». Оправдывалось это обычно тем, что в 1951 г. известный американский астроном, выходец из Голландии, Джерард Койпер (Kuiper G. Р., 1905–1973) высказал предположение, что за орбитами планет-гигантов, на расстоянии 35–50 а. е. от Солнца существует область, откуда во внутреннюю часть Солнечной системы приходят короткопериодические кометы. Однако довольно быстро стали выясняться исторические подробности…

Оказалось, что ранее к подобной идее пришел ирландский военный инженер, экономист и астроном-любитель Кеннет Эджворт (Edge-worth K. E., 1880–1972), опубликовавший в 1943 и 1949 гг. небольшие статьи о происхождении комет. Вторая из них вышла в одном из ведущих астрономических журналов «Monthly Notices of Royal Astronomical Society» (1949, vol. 109, p. 609). В ней Эджворт предположил, что за орбитой Нептуна в наши дни могло бы обитать множество небольших тел – потенциальных ядер комет. С другой стороны, Койпер несколькими годами позже Эджворта высказал гипотезу, что за орбитой Нептуна в эпоху молодости Солнечной системы могли формироваться ядра комет и небольшие тела типа Цереры, но затем они были выброшены оттуда. Койпер считал, что эту область расчистил Плутон, масса которого, по тогдашним оценкам, была примерно такой же, как у Земли. В современную эпоху, полагал Койпер, можно ожидать некоторого числа объектов далее 50 а. е. от Солнца, но в диапазоне от 30 до 50 а. е. (это область движения Плутона) должно быть практически пусто. Иными словами, Койпер не верил в существование пояса Койпера!

После того как вскрылся этот исторический казус, многие астрономы, в особенности европейские, стали называть указанную область «поясом Эджворта – Койпера». Но исторические изыскания на этом не закончились. Выяснилось, что идею о существовании множества тел за орбитой Нептуна первым высказал даже не Эджворт, а американский астроном Фредерик Леонард (Leonard F. C., 1896–1960), причем сразу же после открытия Плутона. В «Записках Тихоокеанского астрономического общества» («Leaflets of the Astronomical Society of the Pacific», 1930, № 30) он утверждал, что Плутон лишь первый, но далеко не последний обитатель пространства за Нептуном.

Несмотря на очень высокий и вполне заслуженный авторитет Койпера, его сомнения в существовании пояса Койпера разделяли далеко не все астрономы. В 1960-е гг. наличие занептунового резервуара комет отстаивал знаменитый гарвардский астроном Фред Уипл (Whipple F. L., 1906–2004), автор известной гипотезы о ядрах комет как

о «грязных снежках». Его коллега Эл Камерон независимо от Уипла тоже обосновывал идею занептунового кольца малых тел. Эту идею поддерживали своими исследованиями и другие астрономы, в том числе и советские (Е. И. Казимирчак-Полонская, Б. Ю. Левин, Р. И. Киладзе). Малая масса и нетипичная для планеты орбита Плутона многих подводила к мысли о том, что он первый представитель нового класса объектов. По существу, Койпер оказался единственным, кто отрицал возможность существования современного пояса Койпера! Но его имя было столь популярным, особенно среди американских астрономов (а он действительно много сделал в планетных исследованиях), что без особых сомнений этим именем стали называть область ново-открытых малых тел за Нептуном.

Стоит ли теперь, когда история восстановлена, настаивать на смене названия? Такое мнение существует. Например, некоторые предлагают изменить ставшее уже привычным название на новое – «пояс Уипла» или «пояс Леонарда – Уипла», указывая, что именем Койпера и так уже названы кратеры на Луне, Марсе и Меркурии, самолет-обсерватория, астероид и т. п. Другие предлагают никого не обижать и сменить «пояс Койпера» на «пояс ЛЭджКУип» (LEdgeKWhip belt), объединив в этом изящном термине имена сразу четырех персонажей (Leonard + Edgeworth + Kuiper + Whipple). Поскольку это предложение доводит идею переименования до абсурда, можно не сомневаться, что имя Койпера уже навсегда останется в истории связанным с Плутоном и его семьей. В конце концов, «пояс Койпера» – это всего лишь символ, идентификатор, указывающий на определенную область Солнечной системы и напоминающий нам о замечательном ученом, которого однажды подвела интуиция.

Плутон и его братья

В главе 4 мы уже познакомились с объектами пояса Койпера и прочими ТНО, с историей их открытия и основными подгруппами (плутино, кьюбивано и др.). Хотя исследования этой далекой области еще только разворачиваются, ясно уже, что объекты там очень разнообразны. Например, диаметры обнаруженных тел лежат в пределах от 2500 км у планеты-карлика Эриды до 1 км у самого маленького из зарегистрированных пока объектов, который был замечен телескопом «Хаббл» в декабре 2009 г. Вообще-то яркость этого малыша оценивается в 35^m, т. е. он в 100 раз тусклее, чем способен увидеть «Хаббл». Как же его заметили? Его выдала тень! Объект на мгновение заслонил собой звезду, устроив для «Хаббла» маленькое звездное затмение. Оно обнаружилось при анализе данных со звездных датчиков телескопа, помогающих ему поддерживать точную ориентацию в пространстве. Оказалось, что и эти чисто технические устройства могут послужить для разведки далеких планет. Правда, чтобы сделать это открытие, астрономам Калифорнийского технологического института пришлось проделать огромную работу: проанализировать многолетние непрерывные записи звездных датчиков, чтобы заметить единственное затмение, длившееся ¹/₃ секунды!

Можно не сомневаться, что с появлением более мощных телескопов за Нептуном будут открыты и более мелкие объекты, а возможно, и более крупные. Кстати, не удивляйтесь, обнаружив в разных публикациях заметно различающиеся данные о размерах «транснептунят»: различить их диски от Земли очень сложно – например, Плутон виден под углом менее ОД?. Поэтому пока их размер оценивают разными методами. К примеру, сразу после открытия Квавара размер его изображения на снимках «Хаббла» оценивался в 0,04?, что давало диаметр этой планетки 1 300 км и делало ее крупнейшим объектом, обнаруженным в Солнечной системе после открытия Плутона. Но затем был использован фотометрический метод, давший существенно иной результат. Суть метода проста: падающий на планету солнечный свет частично отражается от ее поверхности, а частично поглощается и переизлучается в инфракрасном диапазоне.

Рис. 7.6. Слева: наилучшее изображение Квавара, собранное из 16 снимков, полученных в 2002 г. космическим телескопом «Хаббл». Справа: Эрида и ее спутник Дисномия (внизу слева) размером порядка 100 км. Спутник движется вокруг Эриды по круговой орбите радиусом 36400 км с периодом 15,77 сут. Фото: HST NASA

Зная расстояние до объекта и измерив его излучение в широком диапазоне спектра – от видимого до ИК, легко вычислить, сколько солнечных лучей он перехватывает, а значит – каков его размер (предполагается, что собственных источников тепла у маленького тела нет). Используя данные наземных и космических ИК-обсерваторий, включая «Спитцер» (NASA), астрономы оценили диаметр Квавара примерно в 850 км. Даже учет некоторых тонких эффектов позволяет сейчас «натянуть» размер Квавара максимум до 900 км. По этой причине Квавар пока не включают в группу планет-карликов, а считают лишь кандидатом в нее.

Похожая история произошла и с Седной: первоначально ее размер предполагался около 1700 км, а позже был снижен до 1200?1600 км. Еще больше неопределенность у Варуны: за пять лет (2002–2007 гг.) оценка ее диаметра уменьшилась с 1000 до 500 км. Казалось бы, такие различия размеров не очень важны, но дело в том, что у многих крупных ТНО обнаружены спутники, наблюдение за движением которых позволяет очень точно определить массу главного тела. Если же мы ошибаемся при измерении его размера, скажем, на 30 %, то вдвое ошибаемся при вычислении объема, а значит, и средней плотности. А ведь именно средняя плотность характеризует состав и даже внутреннюю структуру твердого тела: 5?6 г/см³ – у тела есть металлическое ядро, 3?4 г/см³ – каменистое тело типа астероида, 1?2 г/см³ – льдистое тело типа ядра кометы. Иногда встречаются тела с плотностью менее 1 г/см³; их структура, по всей видимости, пористая. Пример – спутник Сатурна Гиперион, похожий на губку и имеющий плотность 0,57 г/см³.

Единственная транснептунная планета-карлик, размер которой удалось измерить весьма точно и даже получить грубое изображение поверхности, – это Плутон.

Рис. 7.7. Наиболее четкое изображение Плутона, полученное по снимкам космического телескопа «Хаббл». Пока трудно судить, что представляют собой эти пятна на поверхности. Загадочное яркое пятно в центре, судя по цвету, покрыто замерзшей окисью углерода. Детали поверхности Плутона мы увидим в 2015 г., когда к нему приблизится зонд «New Horizons» (NASA).

В этом существенно помогли прохождения Харона на фоне Плутона, наблюдавшиеся в 1985–1991 гг.: закрывая часть диска планеты, спутник помог просканировать ее и по вариациям яркости и цвета восстановить размер и вид поверхности. Очень ценными оказались и снимки с космического телескопа. Правда, диск Плутона занимает всего несколько пикселей на ПЗС-матрице «Хаббла». Чтобы получить изображение, имеющее более высокое разрешение, нежели размер пикселя, был использован метод субрастрирования (dithering). Для этого получают несколько последовательных изображений, каждый раз сдвигая приемник на известное расстояние, меньшее размера пикселя. Комбинация полученных снимков дает изображение с «субпиксельным» разрешением. Но для его восстановления понадобилось 4 года непрерывной работы 20 компьютеров. Исходные снимки Плутона были сделаны «Хабблом» в 2002–2003 гг., а итоговое изображение впервые опубликовано лишь в 2010 г. (см. рис. 7.7 и с. 10 цветной вкладки).

Только точное измерение размера и массы тела позволяет вычислить его среднюю плотность, узнать характерный состав и решить, можно ли зачислить это тело в группу планет-карликов. Расчеты показывают, что ледяные тела принимают округлую форму при диаметре более 400 км, а льдисто-каменистые тела типа Цереры – при диаметре более 900 км. По этим параметрам в Солнечной системе пока насчитывается 5 карликовых планет (табл. 7.4 и 7.5), но нет сомнения, что их намного больше: за Нептуном, вероятно, обнаружатся сотни льдистых тел размером более 400 км. Уже обсуждается несколько кандидатов в карликовые планеты. Сейчас в списке первоочередников около дюжины объектов размером более 650 км, среди которых Седна, Варуна, Квавар, Иксион (Ixion), Орк (Orcus), Веста, Паллада, Гигия и другие крупные объекты пояса астероидов и ТНО.

Таблица 7.4

Планеты-карлики: параметры орбиты (Q и q — расстояние в афелии и перигелии; i – наклонение орбиты к эклиптике)

Таблица 7.5

Планеты-карлики: физические параметры

Глядя на с. 13 цветной вкладки, вы наверняка удивитесь: как это яйцеобразная Хаумея попала в карликовые планеты? Действительно, ее форма отнюдь не сферическая. По результатам измерения телескопа «Кек», Хаумея – это трехосный эллипсоид с длиной осей 1960х1518х х996 км. Как видим, у этого эллипсоида большая ось вдвое длиннее короткой! Казалось бы, тело такого размера должно было придать себе гидростатическую, а значит, круглую форму. А вот и нет! Мягкое тело в состоянии гидростатического равновесия принимает форму шара только в том случае, если не вращается. А вращение придает такому телу форму эллипсоида, сжатого вдоль оси вращения. Именно эту форму имеют планеты-гиганты и даже Земля. Однако при быстром вращении, когда центробежная сила становится сравнима с гравитационной, форма тела может стать более причудливой: например, эллипсоид может стать трехосным, вытянутым, что и произошло с Хаумеей. Ведь она вращается очень быстро, с периодом чуть менее 4 часов. При средней плотности тела около 3 г/см³ это почти на грани разрыва! Что вынудило Хаумею вращаться так быстро, доподлинно не известно, но есть основания предполагать, что это был мощный удар.

Различие характерных свойств в группе планет-карликов не больше, чем у планет земной группы. Их размеры различаются менее чем в 3 раза, а массы – менее чем в 20 раз (примерно таково различие между Землей и Меркурием). Остальные параметры еще ближе: так, ускорение свободного падения вблизи поверхности карликовых планет составляет 0,3?0,8 м/с², т. е. сила тяжести там приблизительно в 20 раз меньше, чем на Земле. В этом смысле планеты-карлики – просто идеальные объекты для будущих космических экспедиций. Вторая космическая скорость у их поверхности составляет около 1 км/с, что даже меньше, чем на Луне: посадка и взлет там не представляют серьезной проблемы. По этой же причине, вследствие малой скорости убегания, планеты-карлики практически лишены атмосферы: имея температуру поверхности 30?45 К (лишь у Цереры она составляет 167 К), эти планетки не могут удержать легкие газы, а тяжелые газы там замерзают.

Впрочем, некоторые планеты-карлики обладают удивительной способностью замораживать и размораживать свою атмосферу. Это явление уже наблюдалось у Плутона. Вообще-то Солнце там греет слабо. Если бы мы оказались на поверхности Плутона, то не смогли бы различить диск Солнца: при наблюдении невооруженным глазом Солнце казалось бы нам ослепительной звездой, тускло освещающей поверхность планеты. Впрочем, этого освещения было бы достаточно для телевизионной съемки и даже для чтения. Но температура на Плутоне низкая, 33?55 К. Двигаясь по эллиптической орбите, он заметно меняет свое расстояние от Солнца – от 30 до 49 а. е. При этом почти втрое меняется поток солнечного тепла, падающий на его поверхность. Эффект усиливается еще и оттого, что таяние снега, как правило, делает поверхность более темной и поглощающей больше тепла. В результате в течение долгого плутонианского года меняется и температура. Большую часть года температура низкая и летучие вещества лежат на поверхности в виде снега, но в районе перигелия температура возрастает, и они оттаивают. Так было сравнительно недавно: в 1989 г. Плутон проходил перигелий и с 1979 по 1999 гг. был даже ближе к Солнцу, чем Нептун. В этот период значительная часть замерзших газов (в основном метана и азота) перешла с поверхности в атмосферу. В 1988 г. наблюдалось покрытие Плутоном звезды: ее яркость убывала постепенно, в течение нескольких секунд, что несомненно указывало на довольно плотную атмосферу. Ее давление у поверхности оценивается в 0,3 Па, что, конечно, в сотни тысяч раз ниже, чем на Земле.

Рис. 7.8. Орбита Седны, кандидата в планеты-карлики.

Еще заметнее сезонные колебания температуры должны проявляться у Седны, которая подходит к Солнцу на 76 а. е., а затем удаляется на 961 а. е. Это повторяется с периодом около 12 тыс. лет, причем в течение двух столетий пролета через перигелий температура поверхности может подниматься выше 35,6 К, когда в вакууме азот из твердого состояния переходит в газообразное. Такому росту температуры способствует весьма темная красноватая поверхность Седны; своим цветом она напоминает марсианскую, хотя состав имеет существенно иной. Спектр Седны указывает на присутствие водяного, метанового и азотного льда, а значит, в середине лета у Седны может возникать азотная атмосфера. Кроме того, в спектре есть признаки высокой концентрации аморфного углерода и органических веществ – метанола и др.

Узнав о планетах с временными атмосферами, мы, естественно, должны задуматься: а чем же в таком случае отличаются кометы от астероидов? До недавних пор астрономы могли четко указать отличие астероидов от комет. Кометы движутся по вытянутым, произвольно ориентированным орбитам, а с приближением к Солнцу окутываются обширной атмосферой – комой – и отращивают газово-пылевые хвосты, за что и получили прозвище летающих айсбергов. В отличие от них астероиды движутся по орбитам, значительно более близким к окружности и лежащим вблизи основной плоскости Солнечной системы, и состоят из тугоплавких веществ, не испаряющихся даже при сближении с Солнцем. Однако эта простая классификация больше не годится, поскольку обнаружены объекты со свойствами, характерными как для астероидов, так и для комет.

Рис. 7.9. Строение Солнечной системы по современным представлениям. Кометы в облаке Оорта слабо связаны с Солнцем и подвержены гравитационному влиянию окружающих звезд и других массивных объектов. Поэтому они часто покидают Солнечную систему, но эти потери компенсируются кометами из значительно более населенного облака Хилса, иначе называемого поясом Хилса или внутренним облаком Оорта.

Первые два из них были найдены еще в 1996 г. Тогда в Европейской южной обсерватории (ESO) открыли объект Р/1996 N2 (Elst-Pizarro) с кометным хвостом, хотя двигался он по типично астероидной орбите. А почти одновременно найденный американскими астрономами объект 1996 PW хоть и был лишен хвоста, но двигался по очень вытянутой орбите, как комета. А в 1997 г. европейские астрономы добавили к ним третью «комету-астероид», получившую из-за своего хвоста кометное обозначение Р/1997 ТЗ. Открытие состоялось в ходе исследования астероидов-троянцев, сопровождающих Юпитер в его орбитальном движении двумя группами – вблизи точек Лагранжа L₄ и L₅ (см. с. 185–186). Это открытие отлично демонстрирует интернациональный характер работы астрономов.

Детальное изучение района точки L₄ начали Герхард Хан, Стефано Моттола, Магнус Лундстрем и Ури Карсенти из Института планетных исследований (Берлин) и Клаес-Ингвар Лагерквист из Уппсальской обсерватории (Швеция). В ходе «Троянского обзора» на телескопе системы Шмидта ESO Гвидо и Оскаром Пизарро были получены фотографии области вокруг точки L₄ Юпитера, покрывшие 900 квадратных градусов небесной сферы. Изучивший их К.-И. Лагерквист нашел около 400 астероидов, большинство из которых не было известно ранее. К их изучению обратились и другие астрономы. В октябре 1997 г. Андреас Натуес с помощью 60-сантиметрового телескопа обсерватории Ла-Силья (Чили) получил изображение одного из новых астероидов 19^m, на котором У. Карсенти обнаружил у объекта небольшой хвостик. Детально изучив находку с помощью 3,5-метрового Телескопа новой технологии (NTT), астрономы убедились, что это направленный в сторону Солнца пылевой хвост длиной 1,5?, а ядро объекта окутано слабой пылевой комой. Его орбита оказалась умеренно вытянутой (e = 0,36) со средним расстоянием от Солнца 6,67 а. е. и периодом около 17 лет. Следовательно, это был не «троянец», поскольку Юпитер движется вокруг Солнца на расстоянии 5,2 а. е. с периодом 11,86 лет.

Можно было бы отнести этот объект к группе кентавров, но возникло немало вопросов. Например, почему эта странная комета имеет только направленный к Солнцу аномальный хвост, состоящий из крупных пылинок, нечувствительных к давлению солнечных лучей. Где же обычный для комет газовый хвост, повернутый от Солнца? И что представляют собой другие астероиды, движущиеся по вытянутым орбитам: быть может, при рассмотрении в мощные телескопы у них тоже обнаружатся хвостики и кома? До сих пор неясными остаются строение и эволюционный статус «комето-астероидов»: особые ли это тела, или под поверхностью многих астероидов находятся залежи льда, который при сильном нагревании или соударении с другим астероидом имитирует кометное поведение?

Тайна «комето-астероидов» стала приоткрываться только в октябре 2009 г., когда на поверхности астероида 24 Фемида с помощью ИК-телескопа NASA (Мауна-Кеа, о. Гавайи) американские астрономы Эндрю Ривкин, Джошуа Эмери, Умберто Кампинс и их коллеги обнаружили снег, в котором довольно много органического вещества, включая полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Фемида – крупное тело диаметром около 200 км, она движется в диапазоне от 2,7 до 3,5 а. е. от Солнца. Температура ее поверхности – около -114 °C. Учитывая расстояние от Солнца, это довольно высокая температура; она объясняется темной поверхностью Фемиды, которая отражает менее 7 % света, напоминая своей чернотой поверхность Луны или свеженакатанный асфальт. Удивительно, как при таком поглощении тепла Фемида смогла сохранить на поверхности водяной лед. Однако наблюдения показывают, что слой замерзшей воды покрывает всю поверхность астероида. Толщина этого слоя неизвестна. Он может испаряться и постоянно подпитываться из недр; тогда запасы воды велики. Но, возможно, обнаруженная вода «синтезируется» в тонком поверхностном слое из бомбардирующих его протонов солнечного ветра и атомов кислорода, входящих в состав окислов грунта. Авторы открытия считают, что льда на астероиде много и что он не единственный такой. Льдистым астероидам уже придумали название – кометы Главного пояса (main-belt comets, MBCs). Возможно, члены именно этого семейства занесли когда-то на Землю воду и органику. Нужны новые наблюдения и новые открытия.

Это относится и к планетам-карликам. Их исследования продвигаются медленно, поскольку требуются гигантские телескопы с фантастическим качеством изображений. Новое поколение телескопов диаметром 20?50 м сможет разрешить многие проблемы, над которыми бьются сейчас астрономы. Внешняя граница пояса Койпера располагается на расстоянии около 50 а. е., где существует орбитальный резонанс 2:1 с Нептуном; далее число объектов резко уменьшается, в основном там присутствуют члены рассеянного диска, имеющие вытянутые и сильно наклоненные орбиты.

Объекты за Нептуном пока трудно отнести к какому-либо классу – к каменистым астероидам или к ледяным ядрам комет. Новооткрытые тела в большинстве своем имеют темную красноватую поверхность, что указывает на ее древний состав и возможное присутствие органических соединений. С помощью гигантских телескопов можно будет детально изучить спектры этих тел, выяснить их состав и, может быть, даже получить четкие изображения поверхности. К наиболее интересным из них нужно будет отправлять зонды.

Однако пояс Койпера, рассеянный диск и группа обособленных объектов с большими перигелиями (detached objects) – это еще не последние рубежи Солнечной системы. Далеко за ними на основе изучения комет предполагается существование объектов облака Хилса (Hills cloud objects) и еще более далеких объектов облака Оорта (Oort cloud objects), о которых почти ничего не известно. Так что для разведчиков далеких планет еще осталось много белых пятен даже в пределах нашей родной Солнечной системы.

8. Планеты-спутники

«Семья Солнца» – так в русском переводе называется книга известного американского астронома Фреда Уипла, имеющая подзаголовок «Планеты и спутники Солнечной системы» (М.: Мир, 1984). Сегодня, окидывая взглядом это множество космических «родственников», хочется назвать их не семьей, а племенем, в котором несколько семей совместно живут в одной деревне под руководством верховного вождя. Разумеется, вождь – это Солнце; в его лучах греются окружающие: лучше других согреваются приближенные, но и далеким кое-что достается. Гравитация Солнца поддерживает общий порядок и сплоченность племени, не вмешиваясь, однако, с мелочной опекой в семейные дела. А семьи, как вы поняли, – это планеты с их спутниками. Среди них нет двух одинаковых, хотя у них есть нечто общее – иерархия.

Вниз по иерархической лестнице

В мире гравитации царствует иерархия: большинство космических тел объединено в связанные системы различного масштаба. Их члены находятся в постоянном движении, но при этом никогда – или очень долго – не покидают областей, границы которых определены энергией их движения. Давайте окинем взглядом «древо» гравитационно-связанных систем, переходя от самых больших масштабов Вселенной к меньшим. На высшей ступени этой иерархии мы встречаем скопления галактик, поскольку объединяющие их сверхскопления не являются связанными системами: они почти свободно расширяются по закону Хаббла. Следующая ступень – малонаселенные группы, нередко обитающие на периферии скоплений и состоящие из нескольких звездных систем. В одну из таких групп, Местную группу, входит и наша Галактика, но доминирует в ней Туманность Андромеды. Гравитация этих двух гигантов управляет движением остальных членов группы, причем каждый из гигантов удерживает свою свиту, а это уже следующая ступень иерархии.

Опустимся еще на одну ступень – внутрь Галактики, где звезды образуют различные структуры. Наиболее крупные из них, такие как спиральные рукава и бары дисковых галактик, – это фазовые агрегаты, волны, бегущие по «звездному морю». Ни одна звезда не задерживается в них надолго, а рисунок на теле галактики сохраняется лишь благодаря согласованному движению миллиардов звезд. На нашей «лестнице» этим структурам нет места. Галактика безжалостно перемалывает слишком рыхлые звездные агрегаты, остатки которых – звездные ассоциации, движущиеся скопления – иногда обнаруживаются в потоках звезд.

Рис. 8.1. Одна из высших ступеней космической иерархии – скопление галактик. Слева – центральная часть известного скопления в созвездии Персей, в котором доминирует активная галактика NGC 1275 (левее центра). Следующая ступень иерархии – отдельные галактики и их кратные системы. Справа – одиночная галактика NGC 7320 (левее центра) и группа галактик из так называемого Квинтета Стефана (NGC 7317-19). Фото: HST, NASA, ESO, CFHT.

Но достаточно плотные звездные коллективы все же способны противостоять разрушающим силам Галактики: это звездные скопления – непременные жители любой крупной звездной системы. Некоторые звездные скопления – шаровые – содержат сотни тысяч и даже миллионы звезд, другие же, рассеянные, – от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч светил.

На первый взгляд, в звездных скоплениях царит полный хаос. Но это не так. Выбрав наугад звезду и приблизившись к ней (хотя бы с помощью телескопа), мы заметим, что иерархическая лестница не оборвалась: оказывается, внутри скоплений звезды редко живут поодиночке, многие из них объединены в двойные системы. А вне скоплений, где не так тесно, есть и тройные, и четырехкратные, и еще более сложные звездные семьи. При этом большинство из них тоже иерархично: даже простейшая тройная система содержит два уровня иерархии – плотная пара плюс удаленный спутник (см. рис. 6.10). В более населенных системах может быть еще больше уровней иерархии. Разумеется, существуют и «одиночные» звезды, рядом с которыми мы не видим светил сравнимой яркости. Однако даже те звезды, которые не имеют рядом с собой ярких спутников, часто сопровождаются небольшими тусклыми телами – коричневыми карликами, или же вообще не самосветящимися телами – планетами; хотя их нельзя считать совершенно холодными, но все же это не звезды (см. главу 6).

Рис. 8.2. В галактиках часть звезд объединена в звездные скопления, похожие на Плеяды (слева). В бедных скоплениях, содержащих до дюжины звезд, их движение носит регулярный характер: относительное расположение соседей сохраняется. В крупных скоплениях звезды движутся хаотически, но при этом они часто объединены в пары и иногда могут обмениваться веществом, как это наблюдается у гигантской звезды Мира в созвездии Кита и ее соседа – белого карлика (справа).

Итак, спускаясь по иерархической лестнице, мы достигли уровня планетных систем. Казалось бы, это последняя ступень, ибо в планетной системе есть «главный дирижер и оркестр»: вокруг доминирующей по массе звезды обращается скопище значительно меньших тел – планет, астероидов, комет. Звезда полностью подчиняет себе их движение, и любая «самодеятельность» здесь кажется невозможной. Однако это не так! У гравитации есть два важнейших свойства: она ничем не экранируется и сильно зависит от расстояния. Поэтому каждый достаточно уединенный объект способен контролировать вокруг себя некоторую область. Такая область влияния есть вокруг любой планеты, и в ней могут удерживаться еще менее массивные тела – спутники.

Мы так долго спускались по иерархической лестнице гравитационно связанных систем, что уже невольно ожидаем встретить на ней и следующие ступени. Но их нет! Выясняется, что у спутников планет нет своих естественных спутников. Во всяком случае, до сих пор они не были обнаружены. Похоже, что планета и ее спутник или спутники – это самая нижняя ступень космической иерархии.

Впрочем, не будем торопиться. В астрономии действует правило: никогда не говори «этого не существует». Лет 20 назад астрономы очень удивились бы, узнав, что спутники есть… у астероидов. Но в 1993 г. стало известно, что они действительно есть. Причем не только одиночные, такие как Дактиль у астероида Ида (243 Ida) или «Маленький принц» у астероида Евгения (45 Eugenia).

Рис. 8.3. Астероид Ида (243 Ida) размером 54x24x15 км и его спутник Дактиль (Dactyl) размером около 1,5 км, сфотографированные в 1993 г. в момент пролета мимо них межпланетного зонда «Галилео» (NASA), направлявшегося к Юпитеру. Общий снимок получен с расстояния 10 500 км, а снимок Дактиля (на врезке) с расстояния 3900 км. Фото: NASA, JPL, USGS.

Очень скоро обнаружились и системы спутников: например, у астероида Сильвия (87 Sylvia) их два – Ромул и Рем. По сравнению с самой Сильвией размером 385x265x230 км они крохи: Ромул в поперечнике 18 км, а Рем – 7 км. Кстати, недавно и у Евгении нашелся второй спутник, вдвое меньший «Маленького принца»; название для него пока не придумали, я бы назвал его «Барашком». Сегодня число астероидов со спутниками уже далеко перевалило за сотню. В большинстве случаев размер орбиты спутника всего лишь в несколько раз больше размера материнского астероида.

Кроме маленьких спутников, сопровождающих большие астероиды, в последние годы были открыты и двойные астероиды с компонентами примерно одинакового размера. Например, астероид Антиопа (90 Antiope) на самом деле представляет собой два 110-километровых близнеца, обращающихся по круговой орбите на расстоянии 170 км друг от друга; минимальное расстояние между их поверхностями около 60 км (см. с. 14 цветной вкладки). Астероид Патрокл (617 Patroclus), относящийся к юпитерианским троянцам, тоже состоит из двух почти одинаковых тел размерами 122 и 113 км, разделенных расстоянием около 690 км. Кроме того, обнаружились спутники и у карликовых

планет, и у сравнительно небольших объектов пояса Койпера. Поэтому не станем делать поспешных выводов: не исключено, что и у спутников планет когда-нибудь будут открыты свои спутники.

В мире множества лун

В 1982 г. Борис Силкин опубликовал книгу именно под таким названием – «В мире множества лун», посвященную естественным спутникам планет. Тогда было известно всего 44 спутника, причем 10 из них были открыты в 1979–1980 гг., что и подтолкнуло Бориса Исааковича к созданию книги. Из упомянутых в ней спутников по одному имеют Земля и Плутон (он тогда считался планетой), по два – Марс и Нептун. За Юпитером числилось 16 спутников и подозревалось существование еще одного; в 2000 г. подозрение подтвердилось. У Сатурна насчитывалось 17 спутников и еще 5 числилось за Ураном.

В начале 1980-х гг. астрономы гордились возросшим поголовьем спутников, не догадываясь, какой демографический взрыв предстоит в этом «стаде» в ближайшие годы. Ведь как раз в начале 1980-х гг. на обсерваториях начался переход от фотопластинок к ПЗС-матрицам, которые существенно повысили зоркость телескопов и обеспечили прямой ввод изображения неба в компьютер. Стало возможно быстро осматривать большие области неба и выявлять подвижные объекты.

Прежде для исследования небольшого кусочка неба астроному требовалось на одном и том же телескопе с перерывом в несколько суток получить два снимка этой области на больших стеклянных фотопластинках, которые затем нужно было в специальных растворах проявить, промыть, закрепить, промыть, высушить… и при этом не разбить. А когда фотографии были готовы, начиналось их длительное и кропотливое исследование с помощью специального прибора, блинк-компаратора, позволяющего смотреть на два изображения либо одновременно, либо попеременно, быстро переводя взгляд с одной пластинки на другую. Это помогало заметить крохотные смещения быстро движущихся объектов Солнечной системы на фоне гораздо более далеких «неподвижных» звезд.

С появлением ПЗС-матриц стало возможным последовательно получать множество кадров, не экономя дорогие фотопластинки и не перегружая себя работой по их проявлению и просматриванию. Теперь компьютер сам сравнивает последовательные кадры (см. рис. 4.11) и обнаруживает на них близкие объекты по их смещению на фоне звезд порою всего за полчаса. Затем положение этих объектов компьютер сравнивает с рассчитанным на момент съемки положением всех уже известных объектов Солнечной системы и решает, новые это объекты или уже известные.

Рис. 8.4. Блинк-компаратор Ловелловской обсерватории производства фирмы «Карл Цейсс» (Германия), за которым Клайд Томбо провел 700 часов в поисках новой планеты. На фото, сделанном около 1950 г., Томбо демонстрирует, как он открывал Плутон в 1930 г.

В главе 4 мы узнали, как новые технологии ускорили обнаружение астероидов (см. рис. 4.10); в не меньшей степени ускорилось и обнаружение новых спутников планет (рис. 8.5).

Но не стоит думать, что поиск новых спутников планет уже стал рутинным занятием. О том, насколько это интересная и непростая «охота», можно судить по истории открытия двух первых внешних спутников Урана – Калибана и Сикораксы. Его совершили две группы астрономов: американцы Ф. Никольсон, Дж. Барнс, Б. Марсден, Г. Уильямс, У. Оффутт и их канадские коллеги Б. Глэдман и Дж. Кавелаарс. Используя 5-метровый рефлектор Паломарской обсерватории (США), они в сентябре 1997 г. обнаружили два небольших спутника Урана, удаленные от него значительно дальше, чем любой из уже известных тогда 15 спутников этой планеты.

Этого открытия ждали давно: ранее неоднократно предпринимались попытки найти далекие спутники Урана, чтобы доказать единство строения спутниковых систем у планет-гигантов. В результате пролета в 1979–1989 гг. зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» мимо Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна выяснилось, что каждая из этих массивных планет окружена кольцом, в котором или рядом с которым движутся крохотные спутники, как правило, размером несколько десятков километров.

Рис. 8.5. Количество спутников планет, обнаруженных к указанному году.

Дальше от планеты движутся массивные спутники типа нашей Луны. А еще дальше планету сопровождают маленькие «неправильные» спутники. Их называют так за особенности орбит: если близкие к планете спутники движутся по круговым орбитам, лежащим в плоскости экватора планеты, то далекие спутники движутся по «неправильным» орбитам – заметно вытянутым и тяготеющим не к экватору планеты, а к плоскости ее орбиты. Так проявляет себя гравитационное влияние Солнца, которое на большом расстоянии от планеты уже сравнимо с ее собственным притяжением.

Исключение из этой стройной картины представлял тогда лишь Уран, лишенный, как казалось, неправильных спутников. Все его 15 лун, известных к сентябрю 1997 г., обитали сравнительно близко от планеты, обращаясь в плоскости ее экватора, которая, как известно, почти перпендикулярна плоскости орбиты планеты (часто в шутку говорят, что Уран «лежит на боку»). Но с обнаружением двух новых лун все стало на свои места: они оказались типичными неправильными спутниками. У них небольшой размер, порядка 100 км, и движутся они по весьма вытянутым орбитам, лежащим ближе к орбитальной плоскости планеты, чем к ее экватору. Ожидания астрономов, привыкших искать гармонию в строении Солнечной системы, подтвердились и на этот раз.

Однако возникает резонный вопрос: а почему эти спутники Урана не были открыты раньше? Действительно, интерес к их поиску возник давно, Паломарский 5-метровый телескоп работает уже полстолетия, чего же не хватало? А не хватало чувствительных электронных приемников света (ПЗС-матриц) и быстрых компьютеров для автоматического поиска движущихся объектов на оцифрованных изображениях. Только воспользовавшись этими приборами, сделавшими старый Паломарский телескоп значительно более зорким, астрономы смогли глубоко и детально несколько раз «прочесать» большую область вокруг Урана, угловой размер которой (20?х20?) почти равен размеру лунного диска. На этой площади содержится бесчисленное количество слабых звезд и галактик, изображения которых в принципе ничем не отличаются от слабеньких пятнышек ожидавшихся спутников. Но среди всех этих «гор пустой породы» компьютер смог выделить те немногие изображения, которые за время между экспозициями (около 1 часа) чуть-чуть передвинулись среди звезд из-за относительного движения Земли и Урана с семейством его спутников.

Но процесс открытия на этом не завершился, а только начался. Необходимо было подтвердить существование новых членов Солнечной системы, измерить их характеристики и определить орбиты. Пока орбита нового тела неизвестна и его положение нельзя предвычислить на несколько дней вперед, это тело вполне может быть потеряно (что уже неоднократно бывало в истории астрономии), например, из-за нескольких дней плохой погоды, не позволяющей проводить наблюдения. Поэтому в работу немедленно были включены большие и средние телескопы разных обсерваторий – в Калифорнии и Нью-Мексико, на островах Гавайи и Пальма. Кроме этого были просмотрены все ранее полученные изображения области неба вокруг Урана в надежде отыскать на них следы новых спутников. Как всегда, они нашлись: не так уж трудно сделать находку, когда точно знаешь, где и что нужно искать. Но для авторов этих старых снимков, пытавшихся многие годы назад сделать свое открытие и «проморгавших» его, подобное известие прозвучало весьма драматически. Можно представить огорчение американского астронома Дейва Крукшенка, сделавшего в 1984 г. неудачную попытку фотографически обнаружить эти же спутники Урана, когда оказалось, что на его фотопластинках изображения спутников все же были зарегистрированы, но не опознаны.

Впрочем, в истории астрономии и это тоже происходит не впервые. Хрестоматийный пример – Галилео Галилей, «проморгавший» новую планету Нептун. Изучая движение открытых им в 1610 г. спутников Юпитера, Галилей систематически зарисовывал в своей рабочей тетради их положение на фоне неподвижных звезд. Как выяснили современные астрономы, в 1612 г. Галилей отметил положение неизвестной тогда планеты Нептун, приняв ее за одну из звезд. Лишь спустя два с лишним столетия Урбен Леверье открыл Нептун «на кончике пера», и по его указанию Галле и Д’Арре нашли новую планету на небе. Хорошо, что Галилей об этом уже не узнал – ведь он был честолюбив. Впрочем, его случайное наблюдение не пропало для науки: использовав не очень точное, но зато удаленное по времени положение Нептуна, отмеченное Галилеем, астрономы смогли построить высокоточную теорию движения этой планеты. Нашему современнику Дейву Крукшенку остается утешать себя примером Галилея: положение новых спутников Урана в 1984 г. помогло астрономам выяснить особенности движения этих любопытных объектов. Именно характер их движения даст возможность понять историю происхождения спутников, тесно связанную как с эволюцией Солнечной системы в целом, так и с формированием «микропланетной» системы Урана.

Эпоха «великих географических открытий» в Солнечной системе еще далека от завершения. Но уже сейчас приятно посмотреть на богатое семейство спутников планет. Если брать в расчет все спутники, принадлежащие большим планетам, карликовым планетам и астероидам, то в 2010 г. их насчитывалось около 340 с точно определенными орбитами. Еще порядка 150 мелких тел замечено в кольцах Сатурна, но их орбиты пока не определены. Как видим, с 1980 г. «множество лун» значительно возросло. Правда, за прошедшие 30 лет так и не были обнаружены спутники у Меркурия и Венеры, «не обзавелись» новыми спутниками Земля и Марс, а Плутон вообще был выведен из состава планет. Зато у четырех планет-гигантов вместо 41 теперь известно 165 спутников. Этим четырехкратным ростом в некоторой степени мы обязаны космонавтике (особенно зондам «Вояджер-2» и «Кассини»), но основная заслуга все же принадлежит наземной астрономии. Гигантские телескопы с адаптивной оптикой, а также космический «Хаббл» помогли обнаружить не только новые спутники планет, но и спутники карликовых планет – два новых у Плутона, два у Хаумеи и один у Эриды. К тому же более сотни спутников обнаружено у астероидов и около шестидесяти – у объектов за орбитой Нептуна.

Как видим, число спутников нарастает подобно лавине. По мере детального исследования колец вокруг планет-гигантов число спутников у этих планет вообще может превысить разумный предел. Дело в том, что до сих пор не проведена нижняя граница размера «спутника планеты», а кольца – это мириады камней всевозможного размера. Если не установить нижнюю границу размера тел, называемых спутниками, то каталоги спутников станут безразмерными.

Любопытно, что с похожей проблемой столкнулись в последние годы исследователи переменных звезд: чем выше точность фотометрических измерений, тем большее число звезд демонстрирует переменность блеска. Еще недавно несколько тысяч переменных звезд умещалось в одном каталоге, а после создания космических телескопов с большим полем зрения и высокой фотометрической точностью чуть ли не каждая звезда стала проявлять себя как переменная. Составители «Общего каталога переменных звезд» уже не в состоянии обрабатывать поступающий к ним гигантский поток данных. Такие же трудности грозят и исследователям спутников планет. Похоже, что в ближайшее время придется ввести новую категорию тел, более мелких, чем спутники, назвав ее, например, «околопланетный мусор» (более удачные названия принимаются).

Специалисты считают, что в ближайшем будущем придется отказаться от того, чтобы давать имена очень маленьким спутникам. Из-за стремительно растущего темпа их открытия приходится расширять используемые категории имен для спутников Юпитера и Сатурна, которые пока берутся из греко-римской мифологии. Раньше спутникам Юпитера давали имена возлюбленных Зевса/Юпитера, однако сейчас в банк названий включили также имена потомков Зевса. Спутники Сатурна пока что называют в честь греко-римских титанов и их потомков – гигантов. Чтобы расширить «национальный состав», сейчас используются также имена гигантов и монстров из других мифологий – галльской, инуитской и норвежской. Но и эти имена когда-то закончатся, а количество спутников лишь увеличивается.

Из сотен зарегистрированных сегодня спутников только Луна была известна с глубокой древности, а остальные открыли с помощью телескопов и космических зондов. Конечно, Луну трудно не заметить: в полнолуние ее блеск достигает почти -13^m. Спутники других планет недоступны невооруженному глазу, и только четыре галилеевых спутника Юпитера могли бы быть видны как звездочки 5^m, если бы не соседство яркого Юпитера. Люди с особо острым зрением способны заметить присутствие спутников вблизи Юпитера (я этому свидетель), но верно интерпретировать увиденное, вероятно, может только человек, заранее знающий о существовании этих тел. Без труда спутники Юпитера различаются в полевой бинокль, по характеристикам близкий к первым телескопам Галилея.

Именно галилеевы спутники Юпитера были открыты первыми сразу после изобретения телескопа. А затем, по мере совершенствования астрономической оптики, становились известными все более мелкие и далекие спутники (см. табл. 3.1 на с. 99). Применение фотографии еще дальше продвинуло эту работу, позволив обнаруживать рядом с ближайшими планетами-гигантами спутники размером 10–20 км. Наконец, запуск космических зондов и использование ПЗС-камер на телескопах 10-метрового калибра сделали возможным обнаружение совсем крохотных тел размером до 1 км.

Неудивительно, что неспециалисту многочисленные спутники планет кажутся «все на одно лицо». Лишь упоминание Луны вызывает у несведущего человека интерес и некоторые ассоциации. А со спутниками других планет не связаны легенды и предания, в их честь не совершали жертвоприношения, древние народы не использовали их для счета времени. Однако для специалиста-планетолога каждый спутник – это уникальный мир, не менее важный и интересный, чем наша вечная соседка Луна. Более того, система спутников каждой планеты – это своеобразный аналог Солнечной системы, со своими закономерностями в распределении спутников по орбитам и их физическим свойствам. Поэтому поиск новых спутников будет продолжаться как вглубь – ко все более мелким телам, так и вширь – охватывая все большую область вокруг каждой планеты. В связи с этим зададимся вопросом: каков максимально возможный размер спутниковой системы?

Поскольку спутником мы называем объект, постоянно сопровождающий планету, то максимальный размер системы спутников определяется областью гравитационного контроля планеты. Хотя она и не совсем сферическая, ее принято называть сферой Хилла. Если отвлечься от деталей, то на границе этой области, очевидно, должно наступать равенство двух сил: силы притяжения спутника к планете (F) и силы, действующей со стороны Солнца и старающейся «оторвать» спутник от планеты (f). Силу f обычно называют приливной, поскольку именно она, действующая со стороны Луны и Солнца, вызывает приливы в океанах и теле Земли. Найдем эти силы в расчете на единицу массы спутника. Пусть M и m — массы Солнца и планеты, R и r – расстояние планеты от Солнца и спутника от планеты, G – постоянная тяготения. Тогда

и

Полагая, что R >> r, мы легко преобразуем выражение для f (отбросив малые величины) к виду

Тогда радиус сферы Хилла (r) определится равенством F=f и составит

Эта формула не учитывает характера движения спутников, но для оценок она годится. Поскольку нас в основном интересуют системы спутников планет-гигантов (R >> 1 а. е.), то угловой радиус их сфер Хилла для земного наблюдателя составит

Например, для Юпитера (М/т ?1000) получим ? = 4,5°. А в противостоянии, когда Земля и Юпитер сближаются на минимальное расстояние и поиск спутников наиболее продуктивен, это значение возрастает до 5,6°. Следовательно, астроному приходится вести поиск в круге диаметром 11,2°, что по площади равно 500 лунным дискам! Для Сатурна диаметр зоны спутников составляет 6°, для Урана и Нептуна – около 3°. Именно таковы наблюдаемые с Земли предельные размеры спутниковых систем планет-гигантов.

А насколько исчерпаны эти области? Насколько близки к их границам наиболее далекие известные спутники планет? Самый удаленный спутник Юпитера (S/2003 J2) в противостоянии планеты отходит от нее для земного наблюдателя на 3,3°. То есть до границы остается еще 2,3° – изрядная область для поиска неизвестных объектов. В системе спутников Сатурна самый далекий (Бестла) виден на расстоянии 1,6° от планеты: до границы еще 1,4°. Внешний спутник Урана (Фердинанд) удаляется на 0,6°, а внешний спутник Нептуна (Несо) – на 1°. Как видим, у всех этих планет осталось большое пространство в сфере Хилла, где могут прятаться неизвестные спутники. Разумеется, вблизи границ этих областей движение спутников неустойчиво и связь с планетой очень слаба. Уже найденные там объекты движутся хаотически, но все же они могут жить там довольно долго. Возможно, эти спутники иногда теряют связь с планетой, а затем они – или им подобные – возвращаются в ее гравитационные объятия. Там их и надо искать.

Кстати, на периферии сферы Хилла могут прятаться не только отдельные спутники, но даже кольца планет! Так, в мае 2009 г. удалось обнаружить ранее неизвестное кольцо Сатурна, самое большое среди планетных колец: для земного наблюдателя его угловой размер составляет около 1°, вдвое больше лунного диска! К сожалению, наблюдать этот колоссальный объект в оптическом диапазоне невозможно из-за его крайней разреженности. Глазом его не увидеть, даже находясь непосредственно в нем. Как же оно было открыто? Новое кольцо в основном состоит из частиц пыли и льда, температура которых около 80 К. Именно из-за такой сравнительно высокой температуры его заметил космический телескоп «Спитцер», наблюдающий в дальнем инфракрасном диапазоне (см. с. 15 цветной вкладки).

Инфракрасное кольцо Сатурна начинается на расстоянии примерно 6 млн км от планеты и тянется еще на 12 млн км. Для сравнения, ширина крупнейшего видимого кольца этой планеты – кольца В – составляет 25 500 км. Толщина нового кольца около 1,2 млн км, тогда как толщина того же кольца В составляет от 5 до 15 м. В центре нового кольца располагается спутник Феба. Похоже, что именно Феба служит основным источником вещества, образующего кольцо. Весьма вероятно, что наличием этого кольца объясняется загадка другого спутника Сатурна – Япета. Как известно, одна его половина заметно темнее другой. Скорее всего, это потемнение вызвано падением на поверхность спутника материала кольца. Япет покрыт светлым льдом, поэтому оседающая на нем темная пыль хорошо видна (рис. 8.6).

Возвращаясь к заголовку этого раздела, давайте прочитаем его немного иначе: «В мире – множество лун». И это верно! Но справедливо ли, что все они несут на себе налет неполноценности? Мол, спутник – это не планета, а так, довесочек. Окинув взглядом семейство спутников планет, мы увидим среди них крупные самобытные объекты, имеющие сфероидальную форму, проявляющие геологическую активность, а иногда даже обладающие могучей атмосферой! Ну чем не планеты? Лишь тем, что они движутся в плену более массивных тел? Тогда назовем их не просто спутниками, а планетами-спутниками! И будем надеяться, это название со временем приживется.

Раз создано новое семейство, то нужно определить его членов – спутников со свойствами планет. Как мы знаем, важнейшим признаком планеты служит ее способность силой собственного тяготения придать себе сфероидальную форму. На это способны только крупные тела – льдистые диаметром более 400 км и каменистые диаметром более 900 км. Для надежности примем пограничное значение равным 1000 км и все более крупные спутники определим в группу планет-спутников (табл. 8.1).

Рис. 8.6. Спутник Сатурна Япет – один из самых необычных: одна его половина – черная как уголь, а вторая – белая как снег. Япет обращается по орбите так же, как Луна вокруг Земли, – всегда одним и тем же полушарием вперед. Именно это полушарие загрязнено темным веществом, вероятно, из самого внешнего кольца Сатурна, открытого в 2009 г. Фото: «Кассини», NASA.

Таких тел оказалось 16, и все они действительно имеют сферическую форму. Однако и среди спутников меньшего размера тоже могут найтись достаточно пластичные объекты, способные сферизовать себя собственными силами. Это возможно, если в составе небольшого спутника много льдов. Поэтому спутники диаметром от 400 до 1000 км мы назовем кандидатами в планеты-спутники; таких оказалось три (табл. 8.2). Два из них сферические, а наименьший – Протей – угловатый. Возможно, нижняя граница диаметров планет-спутников близка к 450 км, но это еще предстоит уточнить.

Как видим, планеты-спутники нашлись рядом с каждой планетой-гигантом, а также у одной планеты земной группы и одной карликовой планеты. Любопытно, что в Солнечной системе нет ни одной планеты-спутника диаметром от 500 до 1000 км. Причину этого странного разрыва еще предстоит понять. Любопытно также, что все без исключения планеты-спутники и даже кандидаты обращаются по орбитам синхронно со своим суточным вращением, как Луна, постоянно демонстрируя планете-хозяину одно и то же свое полушарие. Причина синхронного вращения Луны известна – приливное влияние Земли. Несомненно, и у других планет-спутников причиной их синхронного движения служат приливы. Однако не ясно, почему все они располагаются в том диапазоне расстояний от планеты-хозяина, где приливы, очень быстро ослабевающие с расстоянием, оказались достаточно интенсивными для синхронизации их движения. Возможно, в этом есть какой-то космогонический смысл. Вот только какой?

Таблица 8.1 Планеты-спутники

Таблица 8.2 Кандидаты в планеты-спутники

Итак, мы определили планету-спутник как тело, способное своими силами изменить свою форму и за счет собственной гравитации обеспечить эволюцию своих недр. Именно в этом смысле мы называем такое тело «планетой». Но вторая часть термина – «спутник» – говорит о том, что в своем движении этот объект пленен более крупным телом: планетой-хозяином. Если иметь в виду осевое вращение планет-спутников, то это, без сомнения, так: все они находятся в полном подчинении у своей планеты, поскольку вращаются синхронно с обращением вокруг нее. О таких спутниках говорят, что они «приливно захвачены» (по-английски tidally-locked), то есть их осевое вращение и орбитальное обращение взаимно синхронизованы под влиянием гравитационного приливного эффекта со стороны планеты.

Однако перемещение планеты-спутника в пространстве требует отдельного анализа. Является ли планета-хозяин безоговорочным хозяином своих спутников? Нет ли у нее конкурентов? Действительно ли планеты-спутники находятся в гравитационном плену у своих более массивных соседей? Насколько крепок этот плен, да и плен ли это в прямом смысле слова? Может быть, это просто «мирное сосуществование» двух планет – худой и толстой, – их совместная «прогулка» по Солнечной системе? Чтобы оценить «уровень самостоятельности» объектов, которые мы назвали планетами-спутниками, давайте сравним гравитационное притяжение, действующее на них со стороны двух конкурентов – Солнца и планеты-хозяина (табл. 8.3). Используя ранее введенные обозначения, найдем ускорение спутника в сторону планеты:

и в сторону Солнца:

Очевидно, «уровень самостоятельности» планеты-спутника как члена Солнечной системы определяется отношением этих величин:

Если это отношение заметно меньше единицы, значит, спутник в плену у своей планеты. Если же оно больше единицы, то спутник движется в основном под влиянием Солнца, как нормальная планета Солнечной системы, а роль планеты-хозяина состоит лишь в том, чтобы синхронизовать движение самой планеты и ее спутника по близким околосолнечным орбитам. Такое движение – не плен, а скорее совместная прогулка. Из равенства  легко найти радиус так называемой сферы тяготения планеты, внутри которой доминирует ее гравитация:

Как видим (табл. 8.3), среди всех спутников-планет только у Луны  больше 1: Луна находится вне сферы тяготения Земли, она вдвое сильнее притягивается к Солнцу, чем к Земле! С этой точки зрения Луна – планета, а не спутник. Если внезапно остановить Землю, то Луна «бросит» ее и продолжит свой обычный путь вокруг Солнца. В чем причина такой уникальности Луны? Возможно, своим происхождением она отличается от других планет-спутников?

Таблица 8.3

Гравитационное влияние планеты-хозяина и Солнца на планету-спутник, включая кандидатов

Не на все вопросы удается немедленно дать ответ. Над некоторыми еще предстоит размышлять и автору этой книги, и ее читателям. Иногда поставить вопрос не менее важно, чем найти на него ответ. Мы даже не знаем пока, есть ли смысл в объединении планетообразных спутников в отдельную группу, что общего между ними и в чем каждый их них неповторим. До сих пор только одно из этих тел, Луну, посетили астронавты и роботы и еще на одном, Титане, недолго пора-

ботал спускаемый аппарат. С некоторыми спутниками сближались зонды, другие они изучали издалека, а визит к Харону еще только предстоит. Поэтому не будем забегать вперед и познакомимся с теми планетами-спутниками, о которых уже многое известно.

Луна – окно в прошлое и будущее Земли

Лунная ночь – это больше, чем просто ночь. Лунная ночь – это прогулка вдвоем по берегу моря, теплый весенний вечер, силуэты стогов на скошенном поле, тихая гладь реки с серебристой лунной дорожкой… Лунная ночь – это поэзия. Земля и Луна – космические соседи; они постоянно взаимодействуют, но не создают друг другу проблем. Иное дело – Солнце. Это опасный сосед: оно может согреть, а может и убить. Недаром у жителей пустынь есть казнь Солнцем: человека зарывают в песок по горло и оставляют на солнцепеке медленно умирать… В отличие от Солнца, Луна – наш друг и помощник. Она не греет, но и не убивает; с ней светло и не одиноко по ночам. Любуясь Луной, любитель астрономии делает свой первый «шаг» во Вселенную, а нередко – и в большую науку. Вооружившись биноклем или подзорной трубой, юный ученый ловит в объектив лунный свет и замирает от восхищения: перед ним иная планета, совсем рядом, с горами и долинами, с круглыми цирками и россыпями мелких кратеров.

Рис. 8.7. Изобразив Луну в одном масштабе с нормальной планетой (Меркурий), карликовой планетой (Церера) и крупным астероидом (Веста), мы понимаем, что по своим физическим параметрам Луна принадлежит к группе планет.

Рис. 8.8. Планета-спутник Луна сопровождает Землю миллиарды лет.

Ему еще предстоит узнать, что его простенький оптический прибор, наведенный на Луну, превращается в машину времени и «переносит» своего хозяина на миллиарды лет назад, в ту далекую эпоху, когда сформировалась и навсегда застыла в почти неизменном виде поверхность Луны.

Сегодня мы видим на поверхности Луны следы событий, происходивших миллиарды (!) лет назад. Повторяю – мы не обнаруживаем их с помощью хитроумных научных приборов, а просто видим, глядя на Луну в маленький телескоп, в простой бинокль и даже невооруженным глазом. Ничего подобного нельзя сказать о Земле и большинстве других планет: их лик изменчив. Только поверхности Меркурия и отчасти Марса «помнят» свое далекое прошлое, которое неразделимо с прошлым Солнечной системы. Этим они и интересны.

Разумеется, даже у таких «замороженных» тел, как Луна и Меркурий, поверхность понемногу эволюционирует под действием ударного вскапывания микрометеоритами. Оценки показывают, что верхний сантиметр лунного грунта перемешивается примерно за 10 млн лет, а слой толщиной в 1 м – за 1 млрд лет. Если это так, то на глубине всего нескольких метров залегают слои возрастом в миллиарды лет! Конечно, такое счастье ждет планетологов не в любом месте лунной поверхности, а лишь там, где в ближайшие эпохи не падали крупные метеориты, разрушающие порядок слоев лунной коры.

Все, что происходило в космосе в окрестности Земли, неминуемо отражалось и на Луне: изменение активности Солнца, периоды интенсивной метеоритной бомбардировки, эволюция орбиты – все это Луна «помнит» лучше, чем Земля. На нашей родной и очень активной планете дождь и ветер, вулканы и движение материков быстро стирают следы космического влияния; на лунной поверхности эти следы сохраняются почти вечно. Недаром единственный геолог, побывавший на Луне, астронавт Харрисон Шмитт, назвал Луну «пыльным окном в прошлое Земли». Это, конечно, верная, но не полная характеристика нашего спутника. Исследования Луны позволяют нам заглянуть не только в прошлое, но отчасти и в будущее Земли.

Например, обладая менее сильной гравитацией, чем Земля, Луна не смогла удержать у своей поверхности летучие вещества – атмосферу и гидросферу. Такая же участь ожидает и Землю. Пока еще темп утечки невелик: Земля теряет около 3 кг водорода и 50 г гелия (два легчайших газа) в секунду; но даже такая струйка может стать существенной за геологический период, а в будущем, когда светимость Солнца заметно возрастет, темп потери газов станет значительно выше. В то же время остывающие недра Земли уже не будут выбрасывать на поверхность столько газа. Через несколько миллиардов лет земная поверхность станет такой же сухой и незащищенной, как лунная.

Присутствие Луны рядом с Землей существенно влияет на эволюцию нашей планеты. Луна стабилизирует положение земной оси и своим приливным влиянием тормозит суточное вращение Земли. Но и Земля не остается в долгу: ее момент импульса за счет того же приливного эффекта передается Луне и понемногу увеличивает радиус ее орбиты. Сейчас Луна удаляется от Земли со скоростью около 4 см/год (примерно с такой же скоростью у нас растут ногти). В будущем Луна продолжит удаляться от Земли, но всё медленнее и медленнее. Через 5 млрд лет радиус ее орбиты достигнет максимального значения – 463 тыс. км, а продолжительность земных суток составит 870 часов, или 36 современных суток. В этот момент скорости вращения Земли и Луны станут равными: Земля будет смотреть на Луну одной своей стороной, так же как Луна сейчас смотрит на Землю. Их взаимное движение синхронизируется, как это уже случилось у Плутона и Харона. Казалось бы, приливное трение при этом должно исчезнуть. Однако солнечные приливы будут продолжать тормозить Землю. Теперь уже бег Луны по орбите начнет опережать вращение Земли, и приливное трение будет тормозить движение Луны. В результате Луна станет приближаться к Земле, правда, очень медленно, так как сила солнечных приливов невелика.

Если небольшая Луна способна в будущем так заметно изменить вращение Земли, то значительно превосходящая ее по массе Земля уже давно решила эту задачу – затормозила вращение Луны. Об этом известно с незапамятных времен: к Земле всегда ориентирована видимая сторона Луны и никогда не бывает видна ее обратная сторона. А недавно мы узнали, где и когда произошел этот захват. Наблюдения за искусственными спутниками Луны позволили определить гравитационное поле Луны и ее фигуру. Если сглаженную поверхность Земли называют геоидом, то фигуру Луны естественно назвать селеноидом. Он был бы шаром, если бы Луна не вращалась и не испытывала внешнего влияния. Но селеноид – не шар: на нем отчетливо видно увеличение высоты поверхности уровня над шаром в сторону Земли на 400 м и свыше 300 м – на обратной стороне Луны. То есть фигура Луны вытянута вдоль направления на Землю. Ясно, что это результат приливного влияния Земли. Но расчеты показывают, что при современном расстоянии до Луны приливный эффект Земли на порядок меньше необходимого! Но ведь мы знаем, что Луна отдаляется от нас, значит, в прошлом она была ближе к нам, и приливный эффект был сильнее современного. Если бы Луна была ближе в 2,7 раза, то приливным влиянием можно было бы объяснить наблюдаемую вытянутость селеноида в сторону Земли. Зная современную скорость удаления Луны, легко оценить, что это было несколько миллиардов лет назад. Значит, уже тогда вращение Луны и ее обращение вокруг Земли были синхронны!

Впрочем, все это события далекого будущего и далекого прошлого, а наш нынешний интерес к Луне в значительной мере вызван современными проблемами. Сегодня она представляется источником полезных ископаемых, космическим портом для экспедиций к далеким планетам, научной базой, военным полигоном, инструментом политической борьбы… Первые лунные экспедиции – самая романтическая страница в истории космонавтики. Полеты человека на Луну стали в полном смысле слова легендой, которую многие теперь стали воспринимать как фантазию, а некоторые – как мистификацию. Кто бы мог подумать 40 лет назад, что в XXI веке придется доказывать реальность лунных экспедиций и искать их следы на поверхности Луны (рис. 8.9)?

Рис. 8.9. Следы пилотируемой экспедиции «Аполлон-17» (слева, в центре кадра – посадочная ступень лунного модуля) и автоматического «Лунохода-2», сфотографированные спутником Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) в 2009 г.

До сих пор все посадки на поверхность Луны – людей и автоматов – происходили на ее видимой стороне. Бесспорно, это стало огромным техническим достижением, демонстрацией целеустремленности и мужества людей и обычно воспринимается как первый шаг в исследовании иных планет. Но я хочу напомнить о более раннем событии, которое, на мой взгляд, было более значимым, чем посадки на Луну. Странно, что сейчас об этом событии помнят немногие, и даже его юбилей в 2009 г. не был отмечен.

Чуть более 500 лет назад цивилизованный мир узнал о самом грандиозном открытии на Земле: на «обратной» стороне нашей планеты обнаружился гигантский материк – Америка. А 50 лет назад столь же грандиозное открытие состоялось в космосе: люди впервые увидели обратную сторону Луны. Кстати, там тоже оказался – по терминологии астрономов – гигантский материк.

Это открытие совершил маленький космический аппарат «Луна-3», созданный советскими инженерами. Сейчас об этом мало кто помнит. Но, оценивая все космические открытия прошедшего полувека, следует признать, что снимки обратной стороны Луны, переданные нашим зондом, – это единственный научный результат, который в принципе не мог быть добыт с помощью наземной или даже околоземной аппаратуры.

Рис. 8.10. Автоматическая межпланетная станция «Луна-3», впервые сфотографировавшая обратную сторону Луны (1959 г.).

Фотографии далеких планет, переданные космическими зондами, сегодня с успехом получают и наземные телескопы. Но увидеть обратную сторону Луны никто и никогда не смог бы, не отправив за Луну космического робота. Отечественная наука смогла сделать это первой, намного опередив коллег-конкурентов из других стран. 4 октября 1959 г. к Луне стартовала ракета, а 7 октября радиоантенны в Крыму приняли изображения невидимой стороны Луны.

Это важное событие в истории нашей науки и техники, и о нем следует помнить. Тем более, что незаслуженно забытым оказался не только его юбилей, но и 50-летие первого в истории человечества межпланетного перелета: 14 сентября 1959 г. аппарат «Луна-2» достиг поверхности Луны. Всего два года отделяло эти первые межпланетные экспедиции от запуска первого спутника. Сейчас даже трудно представить, какие сложные научные и технические проблемы пришлось решить за это короткое время ученым и инженерам в еще не восстановленной после разрушительной войны стране. Но они были решены, порою весьма остроумно и неординарно (см. книгу «Путешествия к Луне», М.: Физматлит, 2009). Именно эти достижения убедили мир в том, что отечественные ученые способны создавать не только мощные ракеты-носители для ядерных бомб, но и совершенные научные зонды для разведки дальнего космоса. Именно это подняло престиж нашей науки, заставило западные страны переводить на свои языки нашу научно-техническую литературу, перекраивать по нашим образцам свои школьные и вузовские программы, заставило их догонять… И они догнали. И перегнали. Теперь наш черед догонять. Ну что же, возможно, догоним. Если не будем забывать, что 50 лет назад были впереди.

После окончания первой «лунной гонки», завершившейся кратковременными пилотируемыми экспедициями на Луну, наступил довольно долгий период затишья и разговоров о необходимости создания постоянной научной базы на Луне. В начале XXI в. к Луне отправилось несколько автоматических аппаратов, но возможность строительства на ее поверхности постоянной обитаемой базы рассматривается уже не так оптимистично. Затраты на ее создание и поддержание кажутся администраторам астронавтики слишком большими, а ожидаемый эффект (в первую очередь политический) видится не столь уж значительным. Руководителей NASA и Роскосмоса все сильнее привлекает идея пилотируемого полета на Марс. Разумеется, даже однократное посещение Марса человеком произвело бы больший эффект, чем длительная работа ученых на Луне. К примеру, 100 лет назад покорение Южного полюса стало столь значимым событием, что об этом до сих пор говорят и пишут, а часто ли сегодня обсуждается постоянная и очень полезная работа сотен ученых в Антарктиде? Но целесообразность пилотируемого полета на Марс выглядит сейчас весьма сомнительной. А что касается лунной базы, то ее создание на основе международной кооперации было бы вполне естественным очередным шагом на пути продвижения человека в космос. Без лунной базы нам не приобрести опыт освоения других планет. В ближайшие годы полет человека на Марс – авантюра, преследующая лишь политические цели, а отказ от лунной базы – неоправданная заминка в развитии космонавтики.

Титан – планета в плену гиганта

Титан – крупнейший спутник Сатурна и второй, после Ганимеда, в Солнечной системе. Впрочем, если измерять Титан вместе с его атмосферой, то он оказывается больше Ганимеда. По всем своим параметрам Титан наиболее близок к нормальным планетам: размером он превосходит Меркурий, его плотная атмосфера толще, чем у Земли, а поверхность – в географическом смысле – почти такая же живая, как у нашей планеты.

Наземные наблюдения еще до начала космической эры показали, что Титан имеет плотную атмосферу; по сути, это единственная планета-спутник с полноценной атмосферой. Пролетая в 1981 г. через систему Сатурна, «Вояджер-2» обнаружил, что основной компонент атмосферы Титана – азот (N₂); в ней присутствуют также метан (СН₄) и другие углеводороды. Данные космического телескопа «Хаббл» и наземных телескопов позволили в 1995 г. заподозрить существование на поверхности Титана значительных площадей, покрытых жидким метаном. Но подтвердилось существование этих углеводородных озер лишь после того, как к интенсивным исследованиям приступил первый искусственный спутник Сатурна – «Кассини», с борта которого 14 января 2005 г. на поверхность Титана опустился зонд «Гюйгенс». Экспедиция «Кассини – Гюйгенс», организованная NASA, ESA (Европейским космическим агентством) и ASI (Итальянским космическим агентством), началась 15 октября 1997 г., но лишь в середине 2004 г. аппарат прибыл в систему Сатурна и приступил к работе (см. с. 16 цветной вкладки).

Рис. 8.11. Межпланетный зонд «Кассини» во время испытаний в Космическом центре.

Титан без малого вдвое массивнее Луны и наполовину больше нее. Поэтому на его поверхности сила тяжести почти лунная: она в 7 раз меньше земной (на Луне – в 6 раз). Вторая космическая скорость на поверхности Титана – 2,6 км/с, на Луне – 2,4 км/с, однако взлетать с Титана будет намного сложнее, чем с Луны: помешает плотная атмосфера. Состав атмосферы Титана известен теперь детально: у поверхности 95 % азота и около 5 % метана, а в стратосфере 98,4 % азота и 1,4 % метана. Давление у поверхности в 1,45 раза выше нормального атмосферного давления на Земле. Но если вспомнить, что сила тяжести там в 7 раз меньше, чем у нас, то ясно, что масса газового столба над единицей поверхности Титана в 10 раз больше, чем на Земле. Поскольку размер Титана в 2,5 раза меньше земного, площадь его поверхности меньше земной примерно в 6 раз, а значит, полная масса атмосферы Титана в 1,5 раза больше массы земной атмосферы! Вероятно, поэтому на поверхности Титана очень мало метеоритных кратеров: мелкие метеориты тормозятся и разрушаются в атмосфере, а следы падения крупных быстро уничтожаются дождями и ветром.

Рис. 8.12. Сборка зонда «Гюйгенс» на предприятии Daimler-Benz Aerospace. Над зондом – тепловой экран, защищающий его при входе в атмосферу Титана.

Мощная и чрезвычайно протяженная атмосфера Титана облегчила посадку на него космического аппарата. Отделившись от «Кассини», зонд «Гюйгенс» три недели двигался в сторону Титана в дремлющем состоянии, а затем стал готовиться к спуску. Посадка «Гюйгенса» на Титан – уникальная операция; вот ее основные этапы (часы: минуты по среднеевропейскому времени): 06:51 – включается электропитание приборов.

Рис. 8.13. Поверхность Титана, сфотографированная зондом «Кассини» 26 октября 2004 г. с расстояний от 300 тыс. до 650 тыс. км. Это мозаика из 9 лучших снимков, наиболее четко демонстрирующих детали поверхности, не закрытые в момент съемки облаками и туманом. Наилучшее разрешение в центре диска (координаты – 15° ю. ш. и 156° з. д.) – 2 км/пиксел. Внизу отчетливо видны яркие облака вблизи южного полюса. Правее центра – светлая область Ксанаду, левее и выше центра – темная область Шангрила.

11:13 – начало входа в атмосферу на высоте 1270 км со скоростью 6 км/с. Торможение осуществляется лобовым теплозащитным экраном.

11:17 – высота 180 км, скорость 400 м/с, раскрыт вытяжной парашют диаметром 3 м. Через 2,5 секунды он вытягивает основной парашют диаметром 8,3 м.

11:18 – высота 160 км. Сброшен лобовой экран. Начали исследовать атмосферу газовый хроматограф и масс-спектрометр. Производится сбор и испарение аэрозолей. Камера передает панораму облаков.

Рис. 8.14. Мозаика из фотографий поверхности Титана, полученных «Гюйгенсом» при спуске на парашюте. Вверху – светлая гористая местность, пронизанная руслом реки с притоками. В нижней части – более темная плоская низменность, куда впадает «река». В момент съемки русло было сухим. Вероятно, в периоды редких, но мощных дождей его заполняют потоки метана.

11:32 – высота 125 км. Сброшен основной парашют и раскрыт тормозной диаметром 3 м, чтобы ускорить падение и успеть приземлиться до полной разрядки батарей (заряд 1,8 кВт-ч). Расстояние до «Кассини» 60 тыс. км.

11:49 – высота 60 км. Включен радар-альтиметр; до этого работой управлял таймер. Камера начинает снимать панораму поверхности. Измеряется скорость ветра (по доплер-эффекту передатчика), температура и давление воздуха, электрическое поле (проверяется наличие молний). На высоте нескольких сотен метров от поверхности включена белая лампа для спектрального анализа поверхности. Сонар и радар измеряют неровности грунта. Спуск «Гюйгенса» в атмосфере Титана занял около 2,5 часа.

13:34 – касание грунта со скоростью 4,5 м/с. Работают камера, микрофон, акселерометры и сонар для измерения глубины жидкости, если бы посадка произошла в море. Но грунт под аппаратом оказался надежным, по механическим свойствам похожим на мокрый песок или глину. Аппарат при ударе углубился в грунт примерно на 15 см. В течение 2 часов он передал данные с поверхности со скоростью 8 кбит/с.

15:44 – «Кассини» уходит за горизонт. Конец передачи данных. «Кассини» разворачивается антенной к Земле и начинает трансляцию записанных с «Гюйгенса» данных.

Рис. 8.15. На изображении Титана (слева), переданном с борта «Кассини», черным прямоугольником показана область посадки аппарата «Гюйгенс». Справа – фото, переданное «Гюйгенсом» с поверхности Титана. Цифры указывают расстояние от фотокамеры. Судя по всему, отдельные валуны – это куски водяного льда; при температуре -180 °C они тверды как камень.

Зонд опустился немного южнее экватора, на краю ледяных холмов в середине огромного песчаного моря. На фото окружающего ландшафта вдали видна пара длинных дюн, но само место посадки больше похоже на русло потока, заваленное булыжниками поверх песка. Температура у поверхности Титана очень низкая: -180 °C. Эта температура близка к тройной точке метана, подобно тому, как температура земной поверхности близка к тройной точке воды. При такой температуре сосуществуют газовое, жидкое и твердое состояния вещества. Подобно тому, как в природе Земли происходит круговорот воды, на Титане должен происходить круговорот метана. Фактически метан (в смеси с этаном и другими углеводородами) там играет ту же роль, что вода на Земле: он испаряется из озер, образует облака, выпадает в виде осадков, прокладывает русла по долинам и вновь стекает в озера.

Изучение снимков показывает, что ландшафт Титана частично сформирован ливнями и быстрым течением жидкости по поверхности. Но, в отличие от Земли, этот гидрологический цикл на Титане доведен до экстремального состояния. На Земле солнечного тепла достаточно для испарения примерно одного метра воды в год. Но атмосфера может удержать только пару сантиметров осажденной влаги до конденсации облаков и выпадения дождя, поэтому для земной погоды характерны легкие дожди, выливающие по нескольку сантиметров воды с промежутком в неделю или две. На Титане недостаток солнечного тепла приводит к испарению всего лишь около 1 см жидкого метана в год, а его мощная атмосфера способна удержать в газообразном виде количество метана, соответствующее примерно 10 м осажденной жидкости. Поэтому для Титана должны быть характерны редкие проливные дожди, рождающие бурные потоки, а в промежутках между этими потопами – вековые периоды засухи. Вполне вероятно, что на месте посадки «Гюйгенса» некоторое время назад тоже было половодье. Специалисты по климату считают, что мощные погодные циклы Титана – это экстремальная версия того, что может случиться на Земле в результате глобального потепления. По мере нагрева земной тропосферы она сможет удерживать все больше влаги, поэтому ураганы и засухи у нас станут более интенсивными.

Итак, Титан – это замерзший вариант Земли, где метан вместо воды, вода вместо камня, а погодные циклы длятся столетиями. Весьма вероятно, что атмосфера Титана напоминает атмосферу юной Земли в период зарождения на ней жизни. Более того: средняя плотность Титана (1,88 г/см³) указывает, что он наполовину состоит из камня (ядро), наполовину из воды (мантия и кора) и покрыт углеводородами. Математические модели предсказывают, что толщина ледяной коры составляет около 50 км, а ниже лежит океан жидкой воды, возможно, с аммиаком. Глубина этого «нашатырного» океана должна достигать сотен километров. Некоторые ученые полагают, что там может быть жизнь.

Запланировано, что работа аппарата «Кассини» продолжится до 2017 г. С июля 2004 г. по сентябрь 2010 г. он совершил 72 пролета вблизи Титана, передавая радиолокационные изображения его поверхности и снимки в ИК-диапазоне. Когда исследователей заинтересовал источник смога в атмосфере Титана, «Кассини», пролетая сквозь верхние слои его атмосферы, на высоте около 1000 км, собрал и проанализировал образцы этого тумана. Ученые ожидали, что туман состоит из легких углеводородов, таких как этан с молекулярной массой 30. Но «Кассини» обнаружил неожиданное обилие тяжелых органических молекул, включая бензол, антрацен и макромолекулы с массой 2000 и более. Эти вещества формируются из атмосферного метана под действием солнечного света. Вероятно, они постепенно конденсируются в более крупные частицы и опускаются на поверхность, но детали этого процесса не ясны.

Как видим, замечательная маленькая планета Титан становится все интереснее. Принципиальных трудностей при исследовании Титана не предвидится. Для экспедиций к нему уже разрабатываются «титаноходы», а также плавающие и летающие зонды. Увлекательное занятие для космических инженеров!

Энцелад – долина супергейзеров

Среди всех спутниковых систем именно система Сатурна наиболее богата планетами-спутниками: их 5 или 6 (если включить Энцелад), и они чрезвычайно разнообразны. В то время как огромный Титан занимает в группе планет-спутников одну из верхних ступеней, скромный Энцелад расположился на одной из нижних, возможно – на самой низкой ступеньке. Но это не означает, что он наименее интересен, скорее наоборот!

Невысокая средняя плотность Энцелада (1,6 г/см³) говорит о преимущественно водном составе его недр. На это же указывает идеально сферическая форма этого весьма небольшого тела. Действительно, вся его поверхность покрыта льдом, причем очень чистым, прекрасно отражающим солнечный свет, не хуже, чем свежевыпавший снег. Кстати, по этой причине там очень холодно, почти -200 °C на поверхности. Поразительной особенностью Энцелада является неоднородное распределение метеоритных кратеров по его поверхности: северное полушарие покрыто ими довольно густо, а южное почти лишено кратеров. Учитывая, что метеориты не падают прицельно, остается заключить, что ледяная поверхность южного полушария в геологическом смысле более молодая, т. е. существуют процессы, «стирающие» там кратеры.

Все это было известно довольно давно. Высказывались даже предположения, что несколько сотен миллионов лет назад на Энцеладе происходили извержения ледяных вулканов, выбросы которых омолодили поверхность. Однако никто не ожидал, что в наши дни на поверхности спутника бьют фонтаны. Тем не менее это так. Наблюдения с борта «Кассини» показали, что струи воды (в виде пара и льдинок) взмывают над поверхностью Энцелада с такой силой, что частично даже улетают в космос.

Рис. 8.16. Титан (справа) и Энцелад из системы Сатурна. Этот снимок довольно точно передает соотношение их размеров (10:1). Фото получено аппаратом «Кассини» 5 февраля 2006 г., когда расстояние от него до Энцелада составляло 4,1 млн км, а до Титана – 5,3 млн км.

Эти струи были открыты на изображениях, переданных зондом «Кассини» в момент, когда, пролетая мимо Энцелада, он получил команду посмотреть назад, в направлении Солнца. Энцелад при этом был виден аппарату с ночной стороны, а небольшая часть его дневного полушария выглядывала из ночной тьмы как тонкий полумесяц. Устраивая наблюдение при «контровом» освещении, ученые ожидали, что рассеивающие солнечный свет частицы, выброшенные с поверхности Энцелада, будут хорошо видны. И действительно, на полученных изображениях видно несколько струй, вылетающих из тех мест, где раньше были обнаружены разломы поверхности – «тигровые полосы». Здесь поверхность выглядит в геологическом смысле намного моложе, чем в соседних областях. В июле 2005 г. «Кассини» обнаружил увеличенный поток частиц из этих областей, а в ноябре 2005 г. ему удалось сфотографировать и сами «гейзеры». «Кассини» регулярно сближается с Энцеладом; 9 октября 2008 г. он прошел на расстоянии всего 25 км от поверхности и прямым анализом доказал, что фонтаны водяные. В составе пара 91 % воды, 4 % азота, 3,2 % двуокиси углерода и 1,7 % метана.

Рис. 8.17. Значительная часть фонтанирующей воды покидает Энцелад и распределяется вдоль его орбиты, образуя кольцо Е Сатурна. Фото: «Кассини».

Рис. 8.18. Ледяные гейзеры в южной полярной области Энцелада. Некоторые из выбросов видны даже на ночной стороне. Фото: «Кассини».

Рис. 8.19. Энцелад, несмотря на небольшой диаметр (504 км), имеет сферическую форму и вполне может считаться планетой-спутником. В его южной полярной области (на снимке внизу) видны длинные разломы коры – «тигровые полосы» (tiger stripes). Их температура выше, чем у окружающей ледяной поверхности: здесь из недр выходит жидкая вода. Фото «Кассини».

На переданных аппаратом снимках мы видим мелкие частицы льда, в который превратилась вода, вырвавшись из-под поверхности Энцелада в космический вакуум. Вероятно, эти струи выбрасываются из «карманов», заполненных водой при температуре около О °С. Вскипая при уменьшении давления, вода стремительно расширяется и выплескивается наружу, как в обычных гейзерах на Земле. Большая ее часть, разумеется, падает на поверхность и замерзает. Но поскольку вторая космическая скорость на поверхности Энцелада всего около 240 м/с, часть выброшенного вещества устремляется в космос.

Эта находка уникальна тем, что прямо демонстрирует присутствие жидкой воды у поверхности небесного тела. Уже многие годы обсуждается подповерхностный океан, обнаруженный на спутнике Юпитера Европе. Но нужно помнить, что существование этого океана пока лишь подозревается: на Европе о наличии внутреннего океана свидетельствуют геологические особенности поверхности, тогда как на Энцеладе прямо наблюдается вода, выбрасываемая из источников, близких к поверхности. До недавних пор астрономы знали только три объекта, где наблюдается активный вулканизм: это Ио (спутник Юпитера), Земля и в незначительной степени Тритон (спутник Нептуна). Четвертым членом этого «закрытого клуба» стал Энцелад с его водно-ледяными вулканами, которые принято теперь называть криовулканами. Впрочем, точнее было бы называть эти фонтаны гейзерами по аналогии с их земными прототипами.

Существование воды на Энцеладе открывает перед исследователями заманчивые перспективы. Данные, переданные «Кассини», убеждают в том, что запасы жидкой воды находятся на глубине всего нескольких десятков метров под поверхностью Энцелада, и они должны быть намного доступнее, чем, например, внутренний океан Европы, скрытый многокилометровой толщей льда. Жидкая вода на Энцеладе открывает перспективы для поиска внеземной жизни. Фактически это открытие существенно раздвигает границы, в пределах которых в Солнечной системе существуют условия, приемлемые для живых организмов. Наряду с Титаном Энцелад теперь стал приоритетным объектом исследований в системе Сатурна и одним из самых притягательных мест в Солнечной системе для экзобиологов.

* * *

Эта книга подошла к концу, но разведка далеких планет продолжается. А если говорить серьезно – она еще только начинается. Невозможно даже представить себе, какие открытия ждут нас впереди. Где еще мы побываем в XXI веке? Кто знает… До встречи, друзья!

9. Путевой блокнот

Толковый словарик

АДАПТИВНАЯ ОПТИКА (АО) – методика исправления в реальном времени атмосферных искажений астрономического изображения. Проходя сквозь неоднородную и нестабильную атмосферу, плоский волновой фронт света теряет свою форму, отчего изображение в телескопе становится нерезким и дрожащим. Для восстановления плоской формы волнового фронта обычно используется небольшое «мягкое» зеркало, управляемое компьютером и с высокой частотой (до 2 кГц) изменяющее свою форму. Управляющая программа с помощью детектора волнового фронта анализирует изображение одиночной звезды и, регулируя форму мягкого зеркала, добивается того, чтобы изображение этой звезды имело идеальный, точечный вид. Если это удается, то автоматически становятся более четкими изображения и всех других объектов, наблюдаемых вблизи этой звезды в пределах области изопланатизма, т. е. всех объектов, лучи света от которых проходят сквозь те же ячейки атмосферной неоднородности, что и лучи опорной звезды. Для работы системы АО нужна яркая звезда, а такие редко встречаются на небе. Поэтому в некоторых системах АО укрепленный на телескопе лазер создает в верхних слоях атмосферы «искусственную звезду» – маленькое яркое пятно, постоянно присутствующее в поле зрения телескопа.

АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ЕДИНИЦА (а. е.) – единица длины, практически равная среднему расстоянию между центрами Земли и Солнца. 1 а. е. = 149 597 870 км. Обычно используется в астрономии при указании расстояний между объектами Солнечной системы и между звездами в двойных системах.

ДВОЙНАЯ ПЛАНЕТА (double planet) – два тела планетного типа, сравнимых по массе и обращающихся вокруг общего центра масс. Как пример двойной планеты обычно указывают систему Земля-Луна, а как пример двойной карликовой планеты – систему Плутон – Харон. Некоторые авторы считают необходимым признаком двойной планеты расположение барицентра системы вне тел планет. Этому требованию не удовлетворяет система Земля – Луна, поскольку ее барицентр находится внутри Земли. Однако с физической точки зрения такое требование едва ли можно считать оправданным, поскольку факт двойственности прежде всего проявляется во взаимном влиянии тел, а выход барицентра из-под поверхности планеты происходит при удалении компонентов друг от друга, уменьшающем их взаимное влияние. Как раз это и происходит в системе Земля – Луна. Термин «двойная планета» пока не формализован и в научной литературе официально не принят, хотя нередко используется.

ЗВЕЗДНАЯ ВЕЛИЧИНА – «ступенька» в шкале яркости небесных светил: при увеличении звездной величины на 1 яркость звезды уменьшается примерно в 2,5 раза. Это обратная шкала: когда яркость звезды уменьшается, значение звездной величины возрастает. Очень яркие звезды, такие как Вега и Арктур, имеют блеск примерно нулевой звездной величины; в 2,5 раза менее яркие, например Альдебаран и Капелла – звезды первой величины, и т. д. В Ковше Большой Медведицы каждая из звезд имеет блеск около 2 звездной величины. Для краткости записи вместо слов «звездная величина» астрономы ставят вверху за цифрой индекс т (от лат. magnitudo величина). Например, фраза «звезда второй звездной величины» выглядит как «звезда 2^m». Несколько исключительно ярких звезд имеют отрицательную звездную величину. Это следует понимать так: звезда -1^m в 2,5 раза ярче звезды 0^m.

При более аккуратном определении уточняют, что на самом деле, когда разница в блеске двух звезд составляет ровно 1^m, потоки света от них различаются не в 2,5 раза, а ровно в  = 2,5118864… раза. Астрономы прошлого считали, что это удобно. Например, 100 звезд 1^m освещают Землю так же, как одна звезда 2^m. Так или иначе, но к шкале звездных величин астрономы привыкли и отказываться от нее пока не собираются.

КЕНТАВР (centaur) – малое тело Солнечной системы, движущееся между орбитами Юпитера и Нептуна (существуют и немного иные определения). Первый представитель семейства кентавров был обнаружен в 1977 г. и как астероид получил очередной номер 2060. Но уверенности в том, что это именно астероид, не было, поскольку на таком расстоянии от Солнца даже ледяные ядра комет не испускают газ. Поэтому объект назвали Хироном (Chiron) в честь легендарного кентавра. Когда в 1988 г. Хирон проходил перигелий, у него действительно появились газовая кома и хвост.

В семействе кентавров уже более сотни членов. Орбиты многих из них вытянуты и проходят вблизи орбит больших планет, поэтому движение кентавров подвержено сильным возмущениям; характерное время их существования в области планет-гигантов – несколько миллионов лет. Плоскости их орбит заметно наклонены к эклиптике; некоторые кентавры имеют обратное движение вокруг Солнца, например, 20461 Диоретса (Dioretsa, перевернутое слово asteroid). Размеры большинства обнаруженных кентавров превышают 100 км.

КЬЮБИВАНО (cubewano), или классический объект пояса Койпера, – это объект пояса Койпера, орбита которого расположена за орбитой Нептуна и движение которого не находится в резонансе с движением Нептуна. Большие полуоси орбит кьюбивано лежат в диапазоне от 40 до 50 а. е., и, в отличие от Плутона, они не пересекают орбиту Нептуна. Типичный кьюбивано – Квавар. Широко известны также Макемаке, Хаумея и Варуна. Слово «кьюбивано» родилось в связи с прототипом этой группы тел – первым транснептуновым объектом (не считая Плутона с Хароном), открытым в 1992 г. и получившим обозначение 1992 QB1. Возможно, здесь не обошлось без реминисценции из киноэпопеи «Звездные войны», в которой одного из героев зовут Оби-Ван Кеноби.

ЛЮКИ КИРКВУДА – узкие области в пределах пояса астероидов, где обнаруживается значительно меньше малых планет, чем в соседних с ними областях. Впервые существование этих «провалов» в распределении средних расстояний астероидов от Солнца подметил в 1857 г. американский астроном Дэниел Кирквуд (1814–1895), определив, что орбитальное движение частиц в люках происходит в резонансе с движением Юпитера. Особенно заметны люки Кирквуда, в которых отношение орбитального периода к периоду Юпитера составляет 1: 2, 1: 3, 1: 4, 2: 5, 3: 7. В то же время в области резонанса 2: 3 наблюдается избыток астероидов (группа Гильды), а в резонансе 1:1с Юпитером (т. е. по его орбите) движутся две многочисленные группы астероидов-троянцев. Природа люков Кирквуда до сих пор не вполне ясна.

МАЛОЕ ТЕЛО COЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ (small Solar system body, SSSB) – объект Солнечной системы, не являющийся планетой, спутником планеты или планетой-карликом (dwarf planet). Термин принят MAC в 2006 г. Таким образом, к числу малых тел Солнечной системы попали все кометы, все классические астероиды (за исключением Цереры, отнесенной к планетам-карликам), все кентавры (centaur), движущиеся между орбитами планет-гигантов, все троянцы, движущиеся по орбитам планет синхронно с ними, а также почти все объекты за орбитой Нептуна (trans-Neptunian object), кроме объектов, отнесенных к планетам-карликам (Плутон, Эрида и др.). Все малые тела теперь делятся на две основные группы – движущиеся внутри орбиты Нептуна (cis-Neptunian objects) и вне его орбиты (trans-Neptunian objects, TNOs). Между до-нептуновыми и за-нептуновыми объектами также обнаружились малые тела. Речь идет не о спутниках Нептуна, а об «условно-свободных» телах – троянцах Нептуна. Но чтобы не усложнять классификацию, троянцев Нептуна отнесли к первой группе. Если не принимать во внимание астероиды Главного пояса, то нынешняя классификация малых тел выглядит так:

Cis-Neptunian objects

Centaurs

Neptune Trojan

Trans-Neptunian objects (TNOs)

Kuiper belt objects (KBOs)

– Classical KBOs (Cubewanos)

– Resonant KBOs – Plutinos (2:3 Resonance)

– Scattered disc objects (SDOs)

Detached objects Oort cloud objects (OCOs)

Объекты в орбите Нептуна

Кентавры

Троянцы Нептуна

Объекты за орбитой Нептуна

Объекты пояса Койпера

– Классические («кьюбивано»)

– Резонансные

– Плутино (резонанс 2:3)

Объекты рассеянного диска

Обособленные объекты

Объекты облака Оорта

МЕ3ОПЛАНЕТА (mesoplanet) – объект планетного типа размером меньше Меркурия, но крупнее Цереры, т. е. примерно от 1000 до 5000 км. Термин был предложен А. Азимовым в конце 1980-х гг., но пока не получил признания. Вообще говоря, понятие «мезопланета», опирающееся только на размер/массу тела, охватывает более широкий класс объектов, чем понятие «планета-карлик», поскольку не ограничивается членами Солнечной системы и относится также и к спутникам планет.

МЕТОД УДАЧНЫХ ЭКСПОЗИЦИЙ (lucky imaging, lucky exposures) – один из методов астрофотографии, позволяющий улучшить качество изображения. Состоит в том, что производится киносъемка объекта с частотой десятки кадров в секунду. Затем из полученной серии снимков отбираются самые качественные кадры (1–2 % из всех) и суммируются друг с другом со смещением, компенсирующим атмосферное дрожание изображения как целого. Полученное изображение по качеству приближается к дифракционному пределу данного телескопа.

НУЛЬ-ИНТЕРФЕРОМЕТР – система из двух или более телескопов, способная за счет эффекта интерференции сильно ослаблять свет яркого источника, позволяя обнаруживать рядом с ним слабые объекты. При наблюдении оптические пути от каждого телескопа до их общей фокальной плоскости подбираются так, чтобы световые волны от объекта, лежащего строго на оптической оси системы, когерентно складывались в изображении и взаимно гасили, «обнуляли» друг друга. При этом яркость источников, не лежащих на оптической оси, почти не меняется, поскольку их световые волны складываются с иным сдвигом фазы.

Нуль-интерферометр особенно перспективен для изучения экзопланет. Если яркость звезды, лежащей на оптической оси, будет сильно подавлена (но не полностью, из-за конечного размера ее изображения), то рядом с ней будет легче заметить ее планеты. При однократном наблюдении нуль-интерферометр дает интерференционную картину источников. Получив множество интерференционных картин при различных положениях телескопов, можно синтезировать двумерное изображение планетной системы с «обнуленным» изображением центральной звезды. При этом на ней могут быть и ложные изображения планет, возникающие из-за неполного заполнения общей апертуры телескопами в их различных положениях.

ПАРАЛЛАКС – видимое смещение более близкого объекта на фоне более далеких при перемещении наблюдателя с одного конца некоторой базы на другой ее конец. Например, перемещение Земли по орбите вызывает заметный годичный параллакс у близких звезд, не превышающий, однако, 1?. Если угол параллакса р мал и выражен в радианах, а длина перпендикулярной к направлению на объект базы составляет В, то расстояние до объекта равно D = B/p. При фиксированной базе сам параллактический угол может служить мерой расстояния до объекта. Базой годичного параллакса служит расстояние 1 а. е.

ПАРСЕК – расстояние до объекта, годичный параллакс которого равен 1? (отсюда и название – параллакс + секунда). В старых книгах слово «парсек» сокращали как «пс». После перехода к системе СИ, чтобы не путать с обозначением пикосекунды, парсек сокращают как «пк». 1 пк = 3,26 св. года = 206 265 а. е. = 3,086 · 10¹⁶ м. В международных работах стандартное обозначение парсека – «рс».

ПЛАНЕТА-КАРЛИК (dwarf planet) – новый класс объектов Солнечной системы, введенный 24 августа 2006 г. решением XXVI Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза (14–25 августа 2006 г., Прага). Планета-карлик удовлетворяет следующим условиям:

– обращается вокруг Солнца;

– не является спутником планеты;

– обладает достаточной массой, чтобы сила тяжести превосходила сопротивление вещества, и поэтому тело карликовой планеты пребывало в

состоянии гидростатического равновесия (а значит, имело форму, близкую к сферической);

– обладает не настолько большой массой, чтобы быть способной расчистить окрестности своей орбиты.

Прототипом планет-карликов стал Плутон (Pluto, диаметр 2300 км), а самым крупным представителем этого класса сейчас является Эрида (Eris, 2400 км), объект пояса Койпера. Третьим членом этой группы стала Церера (1 Ceres, 975x909 км), ранее считавшаяся крупнейшим астероидом Главного пояса.

ПЛУТИНО (plutino) – транснептуновый объект, движущийся в резонансе 2:3с Нептуном, как Плутон. В группу плутино входят сам Плутон со своими спутниками, Оркус (90482 Orcus), Иксион (28978 Ixion) и др. Плутино образуют внутреннюю часть пояса Койпера и составляют примерно четверть всех известных (2010 г.) объектов пояса Койпера.

ПЛУТОИД (plutoid) – небесное тело, обращающееся вокруг Солнца с орбитальным периодом больше, чем у Нептуна, и имеющее достаточную массу для того, чтобы его собственная гравитация преодолевала жесткость вещества и, поддерживая гидростатическое равновесие, придавала ему округлую форму. Плутоид не доминирует на своей орбите, т. е. не способен своим гравитационным влиянием расчистить от других объектов пространство вдоль нее. Фактически плутоиды – это карликовые планеты за орбитой Нептуна. В 2010 г. к плутоидам относили Плутон, Эриду, Макемаке и Хаумею, и еще около дюжины транснептуновых тел были кандидатами в эту группу.

ПОЯС АСТЕРОИДОВ, или ГЛАВНЫЙ ПОЯС АСТЕРОИДОВ, – область Солнечной системы шириной около 0,5 а. е. между орбитами Марса и Юпитера, где движется большинство астероидов. Первый объект (Церера) обнаружен там в 1801 г., а к 2010 г. найдено уже около 0,5 млн объектов.

ПОЯС КОЙПЕРА, или ПОЯС ЭДЖВОРТА-КОЙПЕРА, – область Солнечной системы за орбитой Нептуна, на расстоянии от 30 а. е. до приблизительно 55 а. е. от Солнца, населенная несколькими планетами-карликами (Плутон, Хаумея и др.), а также множеством объектов относительно небольшого размера типа астероидов и ядер комет. Судя по оценкам, это скопление малых тел в сотни раз массивнее Главного пояса астероидов, но уступает по массе гигантскому кометному облаку Оорта, простирающемуся на тысячи астрономических единиц от Солнца.

Созвездия

1. Созвездия в алфавитном порядке русских названий

Телескопы

2. Крупнейшие телескопы-рефракторы (с объективами от 30 дюймов)^[8]

3. Крупнейшие телескопы-рефлекторы (эквивалентный диаметр от 4 м)^[9]

4. Крупнейшие зеркально-линзовые телескопы (камеры Шмидта)

Указан диаметр коррекционной пластинки (меньшее число) и зеркала.

Планеты

5. Элементы орбит планет Солнечной системы

Гелиоцентрические оскулирующие (моментальные) элементы орбит планет для начала 2001 г. (JD = 2451920,5) по отношению к средней эклиптике и точке равноденствия эпохи]2000.0

* Тропический год = 365,242190 сут. по 86 400 с СИ.

** Данные для Земли относятся к барицентру системы Земля – Луна.

6. Физические характеристики планет Солнечной системы

** На уровне атмосферного давления 1 бар.

Примечание: параметры сидерического вращения вокруг оси указаны на 0,0 января 2001 г. Периоды указаны в сутках длительностью 86 400 с СИ. Для Юпитера и Сатурна указан период вращения в системе III (связанной с магнитным полем). Знак периода указывает направление вращения. Блеск и угловой диаметр планет даны для наблюдателя на Земле. Блеск верхних планет (Марс – Плутон) указан в их среднюю оппозицию.

Примечание: гравитационное ускорение на поверхности равно GM/R²_e. Критическая (вторая космическая) скорость дана на уровне твердой поверхности или (для газовых гигантов) на уровне атмосферного давления 1 бар и без учета сопротивления атмосферы.

7. Условия солнечного облучения и средняя продолжительность солнечных суток на планетах

Указатель имен

Адамс, Джон Коуч 174–176,178,196

Азимов, Айзек 280

Андуайе, А. 192

Арат 21–22

Арбузов, Б. А. 178

Аристотель 242

Аскарьян, Г. А. 232,234

Бааде, Вальтер 136

Бабине, Жак 196,203

Байер, Иоганн 24,33

Барнард, Эдуард Эмерсон 35–36,253–254

Барнс, Дж. 299

Барч, Якоб 24

Белл, Джоселин 273

Бер, Вильгельм 72

Бессель, Фридрих Вильгельм 173–174

Бисбрук, А. 36,256

Блэк, Д. 254

Боде, Иоганн Элерт 24, 27, 49,160– 61, 163–164

Бок, Барт 58

Бонд, У. и Дж. 99-111, 103

Боне, Шарль 159

Бопп, Томас 44, 54,147

Борисяк, Андрей 63–64

Боттки, Уильям Ф. 216

Браун, Майкл 188

Бредфилд, Уильям А. 73

Бруно, Джордано 242

Бувар, Алексис 173 Бурритт, И. 27

Бэбкок, Хоррес Уэлкам 36,138

Бэйлес, М. 256

Бэкон, Роджер 93

Бюйс-Балло, Христофор 195

Вафф, К. 176

Вест, Рихард 54

Вивальди, Антонио 44

Вокрухлицкий, Давид 216

Вольта, Алессандро 27

Вольф, Максимилиан 166–167,186

Вольцжан, Алекс 257

Вулли, Ричард 56–58

Гадлей см. Хэдли

Галилей, Галилео 8, 49, 93–95, 99-100, 199–200,301

Галле, Иоганн Готфрид 49,176–177,201, 302

Галлей, Эдмунд 44, 54

Гартман, Иоганнес Франц 40

Гаусс, Карл Фридрих 162–163,165

Гевелий, Ян 24, 96

Гейтвуд, Дж. 255

Генке, Карл Людвиг 165

Георг III 27,157

Герцшпрунг, Эйнар 40, 275

Гершель, Вильям 3, 48–49, 68–70, 72, 74, 99-100,102,156–158,160,162,172

Гершель, Джон 13, 44

Гершель, Каролина 69

Гёте, Иоганн 88

Гинан, Пьер Луи 102

Глазенап, С. П. 63–64

Глэдман, Б. 299

Гог, Винсент ван 53

Гомер 20

Горребов 192

Грегори, Джеймс 98–99

Гровер, Чарльз 108

Гроссман 198 Гук, Роберт 98

Гуляев, А. П. 31

Гусев, М. М. 44

Гюйгенс, Константин 96

Гюйгенс, Христиан 96–97, 99

Д’Арре, Генрих Луи 176–177, 302

Декарт, Рене 95

Деламбр, Жан 172

Дельпорт, Эжен 32

Джюит, Дейвид 187

Дикке, Роберт 194,198

Долгошеин, Б. А. 232

Доллонд, Джон 102

Дрэпер, Генри 58, 72

Дурда, Дэниэл 218–219

Евклид 53 Ефимов, Ю. С. 53

Ефремов, И. А. 53

Житомирский, С. В. 22

Зелигер, Хуго 195, 198

Икейя, Каору 68

Иоаннисиани, Б. К .115

Кавелаарс, Дж. 299

Казимирчак-Полонская, Е. И. 283

Камерон, Эл 283

Камильери, Пол 74

Камп, Питер ван де 254–255

Кампинс, Умберто 291

Каптейн, Якобус Корнелиус 36, 44

Карл 127

Карнеги (фонд) 113

Карпенко, Ю. А. 45,48

Карсенти, Ури 290

Картрайт, Ч. 115

Кассегрен, Гийом Н. 99,110–111,115,119

Кассини, Джованни 99,192

Квон Ю Ен, Уильям 68

Кейзер, Питер Диркзоон 24

Киладзе, Р. И. 283

Кирквуд, Дэниел 195, 330

Кларк, Алван 174,336

Клэптон, Эрик 53

Когоутек, Лю баш 54

Койпер, Джерард 168,187–188,243,246, 282–284,292,298

Коллерстром, H. 176

Королев, С. П. 44

Коуэл, Чарльз 184

Кромеллин, А. 22

Крукс, В. 208

Крукшенк, Дейв 301–302

Куликовский, П. Г. 66, 82

Лабейри, А. 140

Лагерквист, Клаес-Ингвар 290–291

Лагранж, Жозеф Луи де 186,192, 202

Лакайль, Никола Луи де 24

Лаланд, Ж. 49

Ламберт, И. Г. 192

Лармор, Дж. 212

Ласселл, Уильям 99-100,103,192

Лебедев, П. Н. 211–212,228

Леверье, Урбен Жан Жозеф 49,174–179, 190–191,194-196

Левин, Б. Ю. 283

Лексель, А. И. 49,157

Ленин, В. И. 53

Леннон, Джон 53

Леонард, Фредерик 283

Леонардо да Винчи 88

Лин, А. 256

Липперсгей, Ганс 93

Ловелл, Персиваль 50–51,179–183

Ломоносов, М. В. 100,222

Лоренц, Хендрик 209

Лундстрем, Магнус 290

Луу, Джейн 187

Людовик XIV 27

Маанен, Адриан ван 36

Маанен, Андриан ван 44

Магеллан, Фернан 23

Майкельсон, А. 114

Маккартни, Пол 53

Максвелл, Джеймс Клерк 209

Максутов, Д. Д .119

Марий, Симон 99

Марсден, Б. 299

Маруа, К. 261

Маундер, Е. 22

Медичи 49

Мёдлер, И. 72

Мейер, А. 192

Мейол, Н. У. 127

Менделеев, Д. И. 208

Мерсенн, Марен 95, 98

Мессер, Яков 34

Мессье, Шарль 54

Мециус, Яков 93

Михайлов, А. А. 30

Монбаррон 192

Монтень 192

Моттола, Стефано 290 Мур,

Патрик 157

Мураками, Шигеки 68

Наполеон 27

Натуес, Андреас 291

Несмит, Джеймс 111,116–117

Никольсон, Ф. 299

Ньюком, Саймон 193,198

Ньютон, Исаак 39, 88, 98–99,177,197

Овенден, М. 22

Олкок, Джордж 74

Ольберс, Генрих Вильгельм 162–165

Ом, Георг Симон 39

Оорт, Ян Хендрик 40, 290, 292

Ориани 161

Орлов, С. В. 164

Оффутт, У. 299

Палмер-Дрэпер, Анна 73

Паннекук, Антони 199

Парсонс, Уильям 70–71,104

Пелтье, Лесли 147

Перельман, Я. И. 87

Петрю, Вэнс 68

Пиацци, Джузеппе 161–162,274

Пиз, Фрэнсис 114

Пизарро, Гвидо и Оскар 290

Пикассо, Пабло 53

Пикеринг, Уильям Генри 99-100,181,183

Пифагор 47

Пласкетт, Хэрри Хемли 36

Пойнтинг, Джон Генри 204,215

Портер, Р. У. 112

Правдо, Стивен 255

Пржевальский, H. М. 39

Птолемей 22,33

Пуанкаре, Анри 209

Пур, Чарльз Лейн 198

Пшибыльский, Антонин 56–60

Радзиевский, В. В. 214

Рассел, Генри Норрис 40,275

Рахманинов, С. В. 44

Ребер, Грот 73

Редикер 192

Рейссиг, Корнелий 25

Ривкин, Эндрю 291

Ритц, Вальтер 197

Ричи, Джордж 114,136–137

Робертсон, Г. П. 204,215 Рой, А. 22

Росс, лорд см. Парсонс, Уильям Рубинкам, Дэйвид 214

Рэлей III, лорд (Рассеивающий) 88

Рэлей IV, лорд (Атмосферный) 89

Саффолк, Г. 254

Силкин, Б. И. 298

Скиапарелли, Джованни 179

Слайфер, Весто 180

Смолуховский, Мариан 88

Снайдер, Дуглас 68

Спитэйл, Джозеф 216

Станислав II27

Старр, Ринго 53

Стендиш, Майлс 184

Столетов, А. Г. 208

Стравинский, И. Ф. 44

Стретт, Джон Уильям см. Рэлей III, лорд

Стретт, Роберт Джон см. Рэлей IV, лорд

Стробант 192

Стронг, Дж. 115

Струве, В. Я. 103

Тейлор, Дж. X. 235

Теодори, Петрус 24

Тиссеран, Ф. 192

Титов, Г. С. 41

Тициус, Иоганн Даниель фон Виттенберг 159–160,163

Томбо, Клайд Уильям 50–51,179–184,299

Торн, Кип 242

Трухильо, Чедвик 188

Уатт, Джеймс 39,108

Уилсон, Эдгар 68

Уильямс, Г. 299

Уильямс, Р. 115

Уипл, Фред Лоуренс 212, 283, 294

Уцуномия, Сиого 68

Фабриций, Иоганн 199

Фаринелла, Паоло 216

Флемстид, Джон 34,39

Фонтана, Франческо 192

Фраунгофер, Йозеф фон 102–103,105

Фрейл, Дейл 257

Фридрих II 27

Фуко, Леон 104

Хаббл, Эдвин 114

Халс, Р. А. 235

Хан, Герхард 290

Хардинг, Карл Людвиг 163

Харрисон, Джордж 53

Хартманн, Уильям 216

Хвольсон, О. Д. 237

Хёггинс, Уильям 72

Хейл, Алан 54,147

Хейл, Джордж Эллери 112–113,115

Хейл, Уильям 114

Хелл, Максимиллиан 27

Хемд, Дж. Э. 165

Хилл, Г. 304–306

Хиле, Джек 290

Хинд, Д. 165

Холл, Асаф 99,192

Холл, Честер Мур 102

Хоутман, Фредерик де 23

Хукер, Дж. 114

Хьюиш, Энтони 272

Хэдли, Джон 99,104

Цах, Франц Ксавер фон 161–162

Цукки, Николло 96, 98

Челлис, Джеймс 176

Чжан, Дацин 68

Шадурский, Ян 204

Шайн, Г. А. 127

Шаклан, Стюарт 255

Швабе, Генрих 72

Шварцшильд, Карл 117–118

Шеберле, Мартин 174

Шейн, Дональд 127

Шейнер, Кристоф 95

Шемар, С. 256

Шиллер, Юлиус 27

Шихан, У. 176

Шкловский, И. С. 225

Шмидт, Бернхардт 40,117

Шмитт, Харрисон 313

Шнайдер, Жан 247

Шорт, Джеймс 99,102,192

Штейнгейль, Карл Август фон 104

Шугаров, С. Ю. 64–65

Эддингтон, Артур 236

Эджворт, Кеннет 187, 282–283

Эйкин, Р. Г. 39

Эйлер, Леонард 88

Эйнштейн, Альберт 89,197–198, 236

Эллиот, Джеймс 238–239

Эмери, Джошуа 291

Эпик, Эрнст 213–214

Эратосфен 222

Эри, Джордж 174–175

Юнг, Томас 27

Янсен, Захария 93

Ярковский, И. О. 204–217

Аберрации оптические 93–98,105,107, 117

Предметный указатель

Аберрация света 203–204

Адаптивная оптика 134–135,137-142

Активная оптика 129–131,133

Актюаторы 131

Анализатор волнового фронта 130–131

Астеризмы 13,15

Астероиды

– имена 52–53

– крупнейшие 274

– обозначение 169–171

– открытие 161–163

– потерянные 171

Астроклимат 143–152

Атмосфера Земли, влияние на астрономические наблюдения 88–89, 91

– поглощение света 90–91

– рассеяние света 89

Белые карлики, открытие 174

Бинокль

– выбор 76–78

– наблюдения 78

Блинк-компаратор 182,298–299

Визуальные наблюдения 85–88, 100–102

– боковое зрение 85

– механизм адаптации глаза к освещенности 86

– острота зрения человека 85

Вулкан (гипотетическая планета) 196,

198–202,220 Вулканоиды 203, 217–220

Геминиды 171–172

Гиперион (гипотетическая планета) 196

Гиперион (спутник Сатурна) 99-100,103, 285

«Горячий юпитер» 258–259,264

Гравитационная линза 236–238

Гравитационные волны 232–234,236

Гравитоскоп Ярковского 209

«Греки» (астероиды) 185–186

Европа (спутник Юпитера) 326

Закон гравитации (модификация) 197

Звездный интерферометр 249 Звезды

– имена 16–17,32-33,35–37

– мерцание 269–274

– обозначения переменных 36

– продажа имен 37–43

Зеркало телескопа

– алюминирование 115–116

– конструкция 124–125

– параболическое 96, 98–99

– проверка сферической формы 104

– серебрение 104 Зодиак 8-10,16,23

Зодиакальные знаки 22–23

Интрамеркуриальная планета 194

Камера Максутова 119

Камера Шмидта 117–118

Карликовая планета см. Планета-карлик

Кассета Ричи 136

«Кассини», зонд 323–326

Качество изображения 145–146

Кентавры (астероиды) 185,329

Кольцо Эйнштейна 238

Кометы

– Главного пояса 292

– имена 53 Кометы-астероиды 290–292

Коричневые карлики 243–244

Крест Эйнштейна 238

Криовулканы 326

– см. также Ледяные гейзеры (на спутниках)

Куде (оптическая схема) 110–111,115, 117

Кьюбивано 329

Ледяные гейзеры (на спутниках) 323–326

Летающая обсерватория 239-240 Луна

– видимое движение 8-10

– гравитационное взаимодействие с Землей 313–315

– продажа участков 44

– эволюция орбиты 313–314

Любители астрономии 62–68

– оборудование 76–81

– организации 74–76,152

Марс

– атмосфера 91–92

– великие противостояния 21

– каналы 136,179

Мезопланета 280,331

Меркурий, смещение перигелия 197–198

Метод наименьших квадратов 162

Наименования астрономических объектов 45

Нейтринные детекторы 229–232

Нейтрино 229–232

Нейтронные звезды 235,242,253, 256–257,273

Нептун

– открытие 175–178

– спутники 298, 305, 308, 310, 326

«Нож Фуко» 104,136

Нуль-интерферометр 331–332

Нутация 19

Облако Оорта 40, 188–189, 292, 331, 333

Облако Хилса 292

Обсерватория 119–123

Объективы

– апертура 110

– ахроматические 102,107

– рефракторы, максимальный размер 109

Открытие (куда сообщить) 81–82

Параллакс 9-10, 332

Парсек 332

Планета Ольберса см. Фаэтон

Планеты

– видимое движение 10

– внесолнечные см. Экзопланеты

– имена 46–52

– конфигурации 271

– неправильности движения 184

– определение 243,245

Планеты-карлики, определение 52, 245–246,330

Планеты-спутники 307–310

Плутино 188

Плутоиды 333

Плутон

– открытие 50–51

– природа и внешний вид 286–288

– прототип планет-карликов 277–281

– размер 278

Поглощение света в атмосфере 144–145

Покрытия звезд

– Луной 68, 75, 223–226

– планетами 238–239 Полюс мира 20

Пояс Койпера (Эджворта-Койпера) 3,

52,184–185,187-190,243,246, 280–284,292,298, 329,331,333

Предельная звездная величина (при визуальных наблюдениях) 101

Прецессия земной оси 19–21

Радиус когерентности волнового фронта 138

Сатурн

– кольца 97,300, 302–303,306-307

– спутники 300, 306, 308, 310

Световое загрязнение ночного неба 146–151

Созвездия

– древние 21–22

– зодиакальные 9-10

– имена и границы 11–13,15

– новые 23–27

Солнце, сжатие в связи с вращением 194-195

Спеклы 140

Спутник Венеры, поиск 192–193

Спутники астероидов 296–297

Сфера Хилла 304–306

«Татуинские планеты» 265

Телескоп

– «воздушный» 96–97

– Галилея 93–95

– Гершеля 69–70

– «длинный» 95–97, 99

– зеркало см. Зеркало телескопа

– Кеплера 95

– крупнейшие в мире 114–115, 124–129

– лорда Росса 70

– любительский 78–80

– монтировка 107,110,114–115,122, 127–128,130

– альт-азимутальная 122

– экваториальная 122

– оптические схемы 98–99

– поколения 128

– угловое разрешение 138,141–142, 224–225

– фокусы 111

– широкоугольный 117–118,168

– эволюция 93–95,102–119

Термомеханический эффект 211 Титан

– состав атмосферы 318

– характер поверхности 320–322

Тонгва (индейское племя) 189

Точки Лагранжа 186

Транзиты см. Экзопланеты, методы поиска, метод прохождений

«Троянцы» (астероиды) 185–187

Уран

– кольца 238–239, 300

– орбитальное движение, воздействие Нептуна 172–174

– открытие 27, 48–49,154,156–157

– спутники 99-100, 301, 308, 310

Фаэтон (гипотетическая планета) 163–165,167, 169, 171–172

Циклопы (гипотетические объекты) 203

Черенковское излучение 228 Черные дыры 242

Широкий атмосферный ливень (частиц) 229

Экзопланеты 246

– методы поиска 247–261

– доплеровский метод 258

– метод прохождений 249, 258

– свободно плавающие 246, 249

– статистика 245–246

– у нейтронных звезд 256, 258

Эклиптика 8-10,17,19–23

Энцелад 323–326

– присутствие воды 324–326

Эфир 197, 206,208

Эфирное давление 207

Эффект Пойнтинга-Робертсона 204

Эффект Ярковского 210–217

Юпитер, спутники 49, 99, 298, 303–304, 308, 310

Примечания

1

См.: Шихан У., Коллерстром H., Вафф К. Дело о потерянной планете //В мире науки. 2005. № 3. С. 52–59.

(обратно)

2

Подробнее см. в книге «Марс: великое противостояние», М.: Физматлит, 2004.

(обратно)

3

Роузвер H. Т. Перигелий Меркурия. От Леверье до Эйнштейна. М.: Мир, 1985, с. 116.

(обратно)

4

Берри А. Краткая история астрономии. М.: Изд. И. Д. Сытина, 1904, с. 220.

(обратно)

5

См. http://lunar-occultations.com.

(обратно)

6

exoplanet.eu/catalog-imaging.php.

(обратно)

7

exoplanet.eu/catalog.php.

(обратно)

8

Более полный список:

en.wikipedia.org/wiki/List_of_largest_optical_refracting_telescopes

(обратно)

9

Более полный список:

en.wikipedia.org/wiki/List_of_largest_optical_reflecting_telescopes

(обратно)

Оглавление

Отправляясь в разведку

1. Карта Солнечной системы и ее окрестностей

  Пути планет на фоне звезд

  Имена и границы созвездий

  Видимость созвездий и планет

  Древние созвездия

  Новые созвездия

  Демаркация небес

  Имена и обозначения звезд

  Звезды на продажу

  Астрономическая номенклатура

2. Подготовка к путешествиям

  Как сделать открытие?

  Небесные любители и профессионалы

  Что любят любители?

  Выдающиеся «дворовые астрономы»

  Небесные единомышленники

  Что нужно любителю астрономии?

  Я сделал открытие!

3. Небо и телескоп

  Небо дневное и ночное

  Небо разных эпох и разных планет

  Рождение телескопа

  Глаз и телескоп

  Эволюция телескопа

  Где живет телескоп?

  Современный телескоп

  Активная оптика

  Адаптивная оптика

  Астроклимат

4. Поиск планет в Солнечной системе

  Уран – находка Гершеля

  «Закон» Тициуса – Боде

  Фаэтон, или Планета Ольберса

  Нептун, открытый «на кончике пера»

  Плутон – наследие Ловелла

  Кентавры, троянцы и пояс Койпера

  Вулкан – возмутитель Меркурия

  Меркурий и Эйнштейн

  Ищем Вулкан!

  Вулканоиды – родственники Вулкана

  Жизнь и идеи инженера Ярковского

  Эффект Ярковского в действии

  В стратосферу за вулканоидами

5. Планеты-телескопы

  Экран размером в тысячи километров

  Земля – фильтр, мишень, детектор

  Мертвая звезда – генератор стандартных сигналов

  Гравитационная фокусировка

  Звезды-зонды

6. Недоступные планеты

  Многообразие планет

  Методы поиска экзопланет

  Открытия экзопланет

  Впереди – самое интересное

7. Планеты-карлики

  За пределом Большой восьмерки

  Как отличить планету от прочих небесных светил?

  Как планеты стали карликами

  Пояс Койпера?

  Плутон и его братья

8. Планеты-спутники

  Вниз по иерархической лестнице

  В мире множества лун

  Луна – окно в прошлое и будущее Земли

  Титан – планета в плену гиганта

  Энцелад – долина супергейзеров

9. Путевой блокнот

  Толковый словарик

Созвездия

Телескопы

Планеты

Указатель имен

Предметный указатель

Наш сайт является помещением библиотеки. На основании Федерального закона Российской федерации "Об авторском и смежных правах" (в ред. Федеральных законов от 19.07.1995 N 110-ФЗ, от 20.07.2004 N 72-ФЗ) копирование, сохранение на жестком диске или иной способ сохранения произведений размещенных на данной библиотеке категорически запрешен. Все материалы представлены исключительно в ознакомительных целях.

Copyright © UniversalInternetLibrary.ru - электронные книги бесплатно