Планета, открытая на кончике пера

Перед вами фрагмент звездной карты «Hora XXI», составленной немецкими астрономами Отто Розенбергером и Карлом Бремикером во второй четверти XIX века. С ее помощью в 1846 году молодые немецкие ученые Иоганн Галле и Генрих Д’Арре из Берлинской обсерватории открыли Нептун: эта планета стала первым небесным телом, существование которого установили не в результате непосредственных наблюдений, а на основе теоретического предсказания, сделанного французским ученым Урбеном Леверье.

Карандашом в нижней левой части карты отмечены положения Нептуна в ночь его открытия с 23 на 24 сентября 1846 года: квадратом — предсказанное, кругом — точка, в которой он фактически был обнаружен. Обратите внимание на подписи к этим отметкам в углу карты: berechet (нем. «рассчитанный») и beobachtet (нем. «наблюдаемый»). Эти карандашные отметки приписывают Галле, однако они были сделаны не в ночь открытия, а несколько позднее. Лист, изображенный на главной фотографии, хранится сейчас в библиотеке Потсдамского астрофизического института им. Лейбница — преемника Берлинской обсерватории. А стилизованный кусочек карты вокруг того места, где был обнаружен Нептун, стал эмблемой института.

Карта «Hora XXI» была частью масштабного проекта по картографированию звездного неба в области эклиптики, осуществленного в 1825–1859 годах по инициативе и под первоначальным руководством Фридриха Бесселя. Основной целью создания карт было открытие новых планет и уточнение положения уже известных планет и комет: существовавшие к тому моменту каталоги и карты звездного неба плохо подходили для этого, будучи недостаточно подробными.

Картографированию подлежала область вокруг эклиптики (от –15° до 15° эклиптической широты), которую разбили на 24 участка равной ширины: каждый участок покрывала отдельная карта. Работа, поделенная между несколькими десятками астрономов, среди которых были представители многих стран, занимала годы монотонного однообразного труда: ведь даже звезд 8-й звездной величины на каждом участке насчитывалось около двух-трех тысяч, а на карты следовало нанести все звезды вплоть до 9–10-й звездной величины. Поэтому не у всех хватало времени и усердия завершить начатую работу.

Так получилось и с картой «Hora XXI», которая изображала участок между 21 и 22 часами по прямому восхождению (hora — «час» в переводе с латыни). Розенбергер начал ее составление в 1826 году. Работа у него продвигалась очень медленно, и в 1840 году этот участок неба передали Бремикеру. Тому потребовался всего год, чтобы завершить дело, после чего еще четыре года ушло на проверку карты. Наконец, 9 ноября 1845 года, «Hora XXI» была отпечатана. До открытия Нептуна оставалось меньше года…

История его открытия, о которой пойдет речь дальше и в которой «Hora XXI» сыграла важную роль, представляет собой увлекательный научный детектив, действие которого разворачивалось на протяжении нескольких десятилетий. Началось оно в 1781 году, когда Уильям Гершель открыл седьмую планету Солнечной системы — Уран. Через некоторое время после открытия Урана были подмечены аномалии в его движении: наблюдаемое движение по орбите не вполне согласовывалось с расчетным. Часто пишут, что первым эти аномалии обнаружил российский астроном Андрей Лексель еще в 1783 году. Однако в докладе, сделанном в Санкт-Петербургской императорской Академии наук 11 марта 1783 года, Лексель, напротив, утверждал: «явственно доказывается как моими вычислениями, так и исследованиями многих других астрономов, что круговой путь с наблюдениями весьма согласуется».

Незначительные рассогласования Лексель отнес на счет погрешностей измерений. Любопытно здесь утверждение о «круговом пути»: ученый рассматривает несколько типов орбит — окружность, эллипс с ненулевым эксцентриситетом и параболу — и забраковывает последние два как не согласующиеся с измерениями (на самом деле орбита Урана эллиптическая, с эксцентриситетом примерно 0,044). По всей видимости, точности измерений не хватило, чтобы различить окружность и не слишком вытянутый эллипс.

Как видим, нет никаких оснований считать, что Лексель заметил аномалии в движении Урана. По-видимому, впервые научное сообщество обратило на них внимание только в 1788 году. Сперва эти аномалии отнесли на счет возмущений, действующих со стороны Юпитера и Сатурна. И действительно: в 1790 году французский астроном Жан-Батист Деламбр вычислил движение Урана с учетом таких возмущений, и оказалось, что оно довольно хорошо согласуется с наблюдениями. На несколько десятилетий проблема была снята.

Но после 1815 года наблюдаемое движение Урана стало сильно расходиться с таблицами Деламбра. В 1820-м или 1821 году другой французский астроном, Алексис Бувар, основываясь на методах французского математика, физика и астронома Пьера-Симона Лапласа, изложенных в его фундаментальном труде «Небесная механика», закончил составление новых, более точных таблиц положения Урана на много лет вперед. Наблюдения положения Урана с момента его открытия в 1781 году хорошо согласовывались с этими таблицами.

Казалось бы, проблема снова была решена. Однако к тому времени было установлено, что Уран неоднократно наблюдался учеными и до его открытия, просто они не смогли идентифицировать его как планету. Так вот, оказалось, что «старые» наблюдения 1690–1771 годов плохо соответствуют параметрам движения Урана, вычисленным Буваром. Более того: в середине 1820-х годов и новые наблюдения стали рассогласовываться с таблицами: Уран начал «убегать» вперед. В 1829–1830 годах он, казалось бы, «вернулся на место», но с начала 1830-х его движение опять стало отклоняться от расчетов, только уже в другую сторону: на этот раз Уран всё больше и больше отставал от положения, предсказываемого таблицами.

В начале 1830-х годов было выдвинуто несколько предположений, которые могли бы объяснить наблюдаемый эффект. Не будем перечислять все гипотезы, а остановимся лишь на двух. Одна из них состояла в том, что ньютоновский закон тяготения не вполне справедлив на таких больших расстояниях от Солнца. Сама по себе мысль о том, что теория тяготения Ньютона имеет свои границы применимости, совершенно справедлива, и в небесной механике можно найти ее наглядные подтверждения. Так, обнаруженное в 1859 году Урбеном Леверье загадочное поведение орбиты Меркурия — так называемое смещение перигелия (сохраняя свою плоскость, орбита медленно поворачивается вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости) — действительно невозможно объяснить, оставаясь в рамках ньютоновской механики. Решение этой проблемы, полученное в 1915 году, основывается на уравнениях общей теории относительности. Впрочем, забегая вперед, скажем, что причина аномалий в движении Урана заключалась не в этом.

Другая гипотеза, объяснявшая эти аномалии, предполагала наличие еще одной неизвестной планеты, влияющей на Уран. Справедливости ради скажем, что подобное предположение сделал еще Лексель в упоминавшемся докладе 1783 года, но базировалось оно не на конкретных наблюдениях, а на предположениях общефилософского характера: «Могут быть и многие другие планеты, описывающие пути свои в гораздо больших еще от Солнца расстояниях. Ибо ежели принять в рассуждение, что расстояние неподвижных звезд не имеет почти никакого чувствительного отношения к известным пространствам Планетной [Солнечной] Системы, ничто не воспрещает полагать мысленно, что пределы сей системы простираются во сто крат далее, нежели путь Сатурна, или далее и далее, если угодно».

К середине 1830-х годов эта гипотеза стала главенствующей. Среди других ее придерживался и английский астроном Томас Хасси. В ноябре 1834 года он написал письмо Джорджу Эйри (директору Кембриджской, а впоследствии Гринвичской обсерватории), в котором изложил свои взгляды на проблему и на то, как можно было бы осуществить поиск неизвестной планеты: «Моя первая идея заключалась в том, чтобы установить эмпирически некоторое приближенное положение на небе этого предполагаемого тела, а затем приняться с моим большим рефлектором за работу, просматривая вокруг все слабые звезды».

Предлагаемый подход был весьма разумен. Но дальше Хасси жаловался на то, что не смог справиться с первой частью работы, то есть с аналитическим предсказанием положения неизвестной планеты. Само по себе это не было большой бедой: по словам Хасси, Бувар обещал ему выполнить нужные расчеты, когда у него окажется для этого достаточно времени. Однако в ответном письме Эйри написал: «Это головоломная задача, и я без колебаний высказываю мнение, что сейчас еще нет ни малейшей надежды выяснить природу внешнего воздействия. Если же таковое вызвано наличием неизвестной планеты, то я очень сомневаюсь в возможности определить ее положение».

Эйри полагал, что проблему не удастся разрешить, пока Уран не совершит несколько оборотов вокруг Солнца (а это несколько сотен лет!). Возможно, его скептицизм объяснялся тем, что он вообще не очень верил в существование еще одной планеты, придерживаясь альтернативной гипотезы — о неточном выполнении закона Ньютона. После такого ответа Хасси потерял всякий энтузиазм и вскоре вовсе отошел от занятий астрономией. Три года спустя Эйри аналогичным образом «отвадил» от исследований проблемы Урана Эжена Бувара, племянника Алексиса.

Однако через несколько лет эстафету подхватил студент Кембриджского университета Джон Адамс. По иронии судьбы ему помог в этом сам Эйри: в 1841 году Адамс прочел его статью 1832 года, посвященную аномалиям в движении Урана, и загорелся этой проблемой. Третьего июля 1841 года он записал в своем дневнике: «Принял решение… приступить как можно скорее после получения степени [бакалавра] к исследованию неправильностей в движении Урана, которые еще до сих пор не объяснены. Моя цель — установить, можно ли их приписать действию не обнаруженной еще планеты за Ураном, определить приближенно элементы ее орбиты и пр., что приведет, вероятно, к открытию планеты».

Задача, за которую взялся Адамс, по сути заключалась в определении параметров орбиты неизвестной планеты. Приступив к работе летом 1843 года, за два года Адамс получил несколько решений задачи, каждое из которых считал более точным, чем предыдущее. Сложно сказать, так ли это было на самом деле, но, по-видимому, последнее решение действительно являлось самым точным. Параллельно с этим Адамс еще и улучшил таблицы Бувара, исправив некоторые ошибки в его выкладках. Осенью 1845 года Адамс ознакомил директора Кембриджской обсерватории Джеймса Чэллиса со своим последним решением; Чэллис нашел его заслуживающим внимания и посоветовал показать Эйри. Однако череда недоразумений привела к тому, что Адамсу не удалось подробно ознакомить Эйри со своими результатами. Поиск планеты в указанной Адамсом области так и не начался.

Тем временем в заочную гонку включились ученые по другую сторону Ла-Манша: летом 1845 года Франсуа Араго, директор Парижской обсерватории, предложил Урбену Леверье (о котором мы уже упоминали как о первооткрывателе смещения перигелия Меркурия) заняться проблемой Урана. Об исследованиях Адамса французы ничего не знали: ведь тот не публиковал свои расчеты. За год Леверье независимо от Адамса получил примерно аналогичные результаты: вычислил параметры орбиты неизвестной пока планеты и на их основании указал точку небесной сферы, в которой эта планета в данный момент находилась.

Однако английская история в каком-то смысле повторилась: французские астрономы высоко оценили работу Леверье, но отнеслись к ней без должного практического интереса и не поспешили начать поиски планеты в указанном месте. Тогда Леверье отправил свои результаты Джорджу Эйри (шел июнь 1846 года). Но тот повел себя странно: впечатлившись работой Леверье (сам Эйри позже писал: «до сих пор я считал, что всё же остается место для сомнений… но после этой статьи я поверил в вычисления и Адамса, и Леверье»), он тем не менее ответил вежливым отказом, мотивировав его необходимостью скорого отъезда (до которого на самом деле оставалось еще больше месяца), и ничего не сообщил ни Леверье о работах Адамса, ни Адамсу о том, что его результаты нашли независимое подтверждение. Однако сразу после этого тайком от Леверье Эйри инициировал поиски планеты, начавшиеся под руководством Чэллиса. Впрочем, из-за неудачного плана наблюдений и некоторых случайностей они оказались безуспешными, хотя Чэллис и был очень близок к тому, чтобы первым обнаружить новую планету: во время поисков Нептун несколько раз попадал в поле его зрения, однако Чэллис не идентифицировал его как планету.

А что же Леверье? Его выручили немцы: на просьбу француза живо откликнулся Иоганн Галле из Берлинской обсерватории. Получив письмо Леверье, он в тот же вечер, 23 сентября 1846 года, вместе со студентом Генрихом Д’Арре приступил к поискам. Директор обсерватории Иоганн Энке не очень одобрил эту идею, но всё же, поддавшись на уговоры, дал разрешение на поиски. Как же Галле и Д’Арре было обнаружить новую планету? Можно было сделать два наблюдения с интервалом в один или несколько дней и, зафиксировав координаты всех небесных тел в предполагаемом районе поиска, выбрать из них то, которое за это время сместится относительно звезд. Но ждать не хотелось. Можно было воспользоваться информацией о размере видимого диска: по данным Леверье, угловой диаметр новой планеты составлял чуть больше трех угловых секунд (в действительности эта оценка оказалась немного завышенной, но порядок величины Леверье определил верно). Однако имевшийся в распоряжении исследователей телескоп-рефрактор «Merz und Mahler» не давал достаточного увеличения.

Тогда Д’Арре предложил третий способ: сравнить видимую картину звездного неба с его подробной картой. По счастью, в обсерватории имелась только что изданная подробная карта «Hora XXI», с рассказа о которой началась статья (кстати, ни у британских, ни у французских ученых ее не было: карту еще не успели разослать в другие обсерватории). Галле стал по очереди называть звезды (их положение и блеск), а Д’Арре отмечал их на карте. И спустя 15 минут после полуночи астрономы обнаружили «звезду», которой не было на карте! Она находилась на расстоянии всего 1° от точки, предсказанной Леверье.

На следующий вечер наблюдения повторили с помощью более мощного телескопа: удалось и разглядеть диск нового небесного тела, и обнаружить его движение относительно звезд (смещение за сутки составило около четырех угловых минут). Сомнений в том, что открыта новая планета, более не оставалось.

Написав Леверье об открытии следующим же утром, 25 сентября, Галле предложил для новой планеты имя «Янус», но Леверье в ответном письме сообщил, что Бюро долгот (французская научная организация, специализирующаяся на навигации и небесной механике) уже придумало название «Нептун» и символ в виде трезубца. Скорее всего, это было неправдой, и предложение так назвать планету исходило от самого Леверье. Через несколько дней на заседании Французской академии наук Франсуа Араго выступил с пламенной речью, в которой настаивал на том, чтобы дать планете имя ее первооткрывателя — под которым он подразумевал своего соотечественника Леверье, а вовсе не Галле с д’Арре: ведь основная сложность была в том, чтобы рассчитать элементы орбиты новой планеты и определить ее примерное местоположение (не зря за Нептуном, по меткому выражению всё того же Араго, закрепилась слава «планеты, открытой на кончике пера»). «Кометы называют именами их первооткрывателей; почему же мы не следуем этому правилу применительно к гораздо более важным событиям — открытиям новых планет, и в особенности этой, обнаруженной столь восхитительным и беспрецедентным способом?» — вопрошал Араго в своем выступлении (распространена версия, согласно которой сам Леверье, предложивший сначала название «Нептун», через несколько дней передумал и пожелал назвать планету уже в свою честь — по понятным причинам попросив Араго подать это предложение от своего имени).

Вскоре в обсуждение названия новой планеты включились другие европейские астрономы, предложившие немало названий: «Океан», «Вулкан», «Гиперион», «Минерва», «Эреб», «Посейдон»… Но уже через несколько месяцев научное сообщество склонилось к варианту «Нептун»: ключевую роль в этом сыграла позиция двух авторитетных ученых — Энке и Василия (Вильгельма) Струве, директора Пулковской обсерватории

На этом история открытия Нептуна завершилась — чтобы через несколько десятилетий в каком-то смысле повториться. (Кстати, открытие могло состояться гораздо раньше: Галилео Галилей наблюдал планету еще в 1612 и 1613 годах, однако принял ее за звезду.)

Началось всё достаточно похоже: продолжая наблюдения за движением Урана, астрономы снова озаботились тем, что оно несколько отличается от расчетного (хотя и меньше, чем раньше). Все уже знали, что в таком случае нужно делать: искать следующую планету, которая оказывает возмущение! Результатом этих поисков, которые продолжались много лет, стало открытие Плутона в 1930 году. Правда, позже оказалось, что он ни при чем: обнаружение в 1978 году его крупнейшего спутника, Харона, помогло уточнить массу Плутона и понять, что она слишком мала, чтобы вносить в движение Урана наблюдаемые аномалии. Их истинной причиной оказалась недооценка массы Нептуна, выявленная в 1989 году во время пролета «Вояджера-2» мимо планеты.

Тем не менее ложное предположение стимулировало поиски Плутона и тем самым способствовало его открытию. История, кстати, повторилась еще и в том, что Плутон также наблюдался до открытия: после 1930 года в архивах обнаружилось более десятка фотографий 1909–1927 годов, на которых его можно видеть. Подобное явление не редкость в астрономии. Оно даже получило специальное название — «наблюдение до открытия». Помимо Нептуна и Плутона до своего открытия наблюдались Уран, Паллада, Эрида и многие другие небесные тела.

История открытия Нептуна стала не просто любопытной главой в истории астрономии, но и триумфом науки Нового времени. Да, она была не первой демонстрацией предсказательной силы ньютоновской механики: еще в начале XVIII века Эдмунд Галлей, опираясь на законы Ньютона, предсказал возвращение к Земле кометы, позже получившей его имя. Но впервые в истории существование небесного тела было установлено не в результате непосредственных наблюдений, а на основе теоретического предсказания, опирающегося на современные представления об устройстве Вселенной и точные законы небесной механики. Чэллис писал по этому поводу: «Постановка вопроса о проведении наблюдений только на основании теоретических выводов представлялась новой и необычной». А немецкий астроном Генрих Шумахер написал Леверье в своем поздравительном письме: «Ваше блестящее открытие явилось самым величественным триумфом теории из всех, какие мне известны».

В наше время подобный ход научного прогресса представляется вполне обычным и естественным. И этим современная наука не в последнюю очередь обязана Леверье, Адамсу, Галле и Д’Арре.

Изображение с сайта aip.de и из статьи D. Krajnović, 2021. «That Star Is Not on the Map»: The German Side of the discovery.

Алексей Деревянкин

от mejor meta

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *