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 8m, 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 9,5m. 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 14,5m. 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 20m, причем для 1811 из них удалось определить орбиты. Поскольку вычисления проводились на Лейденской обсерватории, этот обзор назвали «Паломар-Лейденским обозрением».

За последнее десятилетие электронные приемники света полностью вытеснили фотопластинки и значительно облегчили труд «охотников за астероидами». Теперь монотонную работу по поиску малых тел Солнечной системы осуществляет компьютер. Появились даже автоматические телескопы – наземные и космические, – вообще не требующие ночного труда наблюдателя. Теряется романтика профессии, астроном-наблюдатель превращается в инженера-программиста, но результаты впечатляют: к февралю 2010 г. число зарегистрированных астероидов перевалило за 482 420; количество астероидов с надежно вычисленными орбитами и, следовательно, получивших порядковые номера, вплотную приблизилось к 232 000, 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. 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.

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 17m. Каждую ночь Томбо фотографировал различные участки неба, а днем изучал их, используя специальный двойной микроскоп, блинк-компаратор, позволявший за долю секунды переключать взгляд с одной пластинки на другую. Клайд сравнивал изображения одних и тех же участков, полученные в разные ночи, с интервалом от 2 до 7 дней, надеясь заметить медленное перемещение одной из сотен тысяч звездочек на фоне остальных светил: верный признак того, что это неизвестная далекая планета. Работа была тяжелая. На каждой пластинке размером 36x43 см было в среднем 160 000 изображений звезд (от 100 до 400 тысяч, в зависимости от участка неба) и все их надо было просмотреть, причем каждый раз одновременно на двух пластинках, решая классическую головоломку «найди отличие».

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

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

Как бы то ни было, после года кропотливого просмотра пластинок Клайд Томбо наконец обнаружил планету. Это случилось 18 февраля 1930 г. Сравнивая фотопластинки за 23 и 29 января, на которых была снята область близ звезды 8 Близнецов, Клайд заметил смещение слабого звездообразного объекта 14,5m. Последующие наблюдения подтвердили, что это новая планета. Официально об открытии девятой планеты Солнечной системы – Плутона – было объявлено 13 марта 1930 г., в день 75-летия Ловелла.

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

 

Кентавры, троянцы и пояс Койпера

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

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

Тем не менее поиск Трансплутона продолжался. О его присутствии на окраине Солнечной системы говорили некоторые косвенные факты: отдельные «неправильности» в движении известных планет, мелкие «странности» в траекториях полета автоматических станций «Пионер», небольшие «особенности» в распределении кометных орбит. В ходе этих поисков настоящая крупная планета до сих пор не открыта. Более того: в 1993 г. астроном Лаборатории реактивного движения Майлс Стендиш, используя точные значения масс планет, полученных из наблюдений за межпланетными зондами, пришел к выводу, что в движении Урана и Нептуна никаких наблюдаемых отклонений от теоретических расчетов нет. Однако астрономы не жалеют о времени, потраченном на поиски десятой планеты, ведь за орбитой Юпитера обнаружилось 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 18,5m, 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».

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.

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°× 15° и 8°× 25°. На этих фотографиях имеются сотни слабых звезд (вплоть до 10m), 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.