Успехи наблюдательной астрономии

Триумфальное шествие теоретической астрономии тяготения вовсе не означало затишья или застоя в среде астрономов-наблюдателей. Наоборот, развивающаяся торговля, дальние плавания к новым рынкам в заморских странах требовали решения многих задач, побуждая ученых работать не из одной только любознательности и приверженности к науке.

Примерно в середине семнадцатого столетия в Центральной Европе астрономией заинтересовались государственные деятели. Интересы развития государств и прежде всего торговля требовали, чтобы решениями насущных астрономических задач занимались не отдельные любители, а специалисты, получающие жалованье за обязательную работу. А задач перед астрономами стояло множество. И вот в 1667 году король Франции Людовик XIV издает указ о постройке в Париже первой в Европе государственной обсерватории. Затем появилась обсерватория в Англии, на Гринвичских холмах, а некоторое время спустя — и в России... Конечно, сказать, что купцы и министры были озабочены доказательством истинности гелиоцентрической системы, было бы неверно. Но слишком много задач практического характера окружало эту проблему. Возьмите хотя бы штурманское дело. После эпохи великих морских путешествий дальние плавания стали делом обычным, хотя и продолжали оставаться опасным занятием. Штурманское дело по-прежнему считалось искусством. И на своевременное прибытие корабля в порт смотрели как на чудо. Причина этого заключалась в том, что с помощью угломерных инструментов и таблиц, обладающих приблизительной точностью, моряки умели определять по звездам лишь широту своего местонахождения. Об измерениях долготы, которая повысила бы надежность морских переходов, никто и понятия не имел.

Чтобы повысить надежность морских перевозок, надо было во что бы то ни стало, во-первых, научиться измерять долготу. Правительства разных стран назначали громадные премии за решение этой задачи. Немало выдающихся ученых отдавали этой практической проблеме свое время и силы. Но, как правило, неудачно. Для определения долготы в океане нужен был хронометр — точные часы, история изобретения которых двигалась медленно и была наполнена массой трагических событий.

В конце XVIII века хронометры и методы определения долготы появились. Но они были страшно громоздкими и неудобными. Лишь в 1849 году черноморский моряк корпуса флотских штурманов, поручик Михаил Александрович Акимов, объединив успехи, достигнутые штурманами разных стран, разработал и описал свой способ. Задача определения местонахождения корабля в открытом море была решена так изящно, что ряд положений этого решения по сей день сохранились в практике кораблевождения.

В XVII и XVIII веках астрономические вычисления уже велись с помощью законов Кеплера, Галилея и Ньютона — законов, выведенных для системы мира Коперника. Но доказательство движения Земли все еще не было найдено. Как наглядно показать людям, что, дескать, вот смотрите... «Это» может быть только в том случае, если Земля движется, а не стоит на месте. У противников коперникова учения «наглядных доказательств» неподвижности Земли было более чем достаточно. «Помилуйте, — говорили эти противники, — но ежели бы Земля двигалась, нам бы казалось, что более близкие неподвижные звезды описывают кружки на фоне удаленных светил». При этом они подносили палец к носу и, закрывая попеременно то один, то другой глаз, призывали убедиться в том, как «прыгает» из стороны в сторону неподвижный палец на фоне удаленных предметов. «Причина кажущихся смещений очевидна, — продолжали они, — мы наблюдаем палец из двух разных точек, разделенных расстоянием между глазами. Но если предположить, что Земля движется вокруг Солнца, то земной наблюдатель тоже каждые полгода будет видеть одни и те же звезды из двух разных точек, разделенных диаметром земной орбиты. Следовательно, и кажущееся положение этих звезд на фоне более далеких светил должно смещаться так же, как «смещается» палец, поставленный перед носом». И для доказательства чертили такой рисунок:

Гелиоцентрический параллакс звезды

...Угол P, под которым с любой звезды виден радиус земной орбиты, называется годичным параллаксом этой звезды. Казалось бы, как просто: измерить из двух положений Земли на орбите параллактическое смещение выбранной звезды на небесной сфере — и доказательство безостановочного кружения нашей планеты вокруг Солнца готово! Мало того, зная параллакс звезды, можно было бы определить и расстояние до нее.

Эти возможности были известны еще Копернику. Но как он ни бился, заметить смещение какой-нибудь звезды на фоне неба ему не удавалось. Впрочем, ошибки в наблюдениях Коперника были весьма велики из-за несовершенства самодельных инструментов. Они достигали десятков минут. Ведь пользовался почтенный каноник грубыми, деревянными инструментами, с делениями, нанесенными от руки. Сам Коперник объяснял неудачу тем, что размеры земной орбиты слишком; ничтожны по сравнению с радиусом «сферы неподвижных звезд».

Эстафету поисков параллакса подхватил Тихо Браге. Уж его-то наблюдения никто не сможет упрекнуть в неточности. Но и Тихо потерпел неудачу. Ошибки в его наблюдениях были порядка одной-двух угловых минут. Однако для «неуловимого параллакса» и этого было слишком много. Сейчас мы знаем, что расстояние даже до ближайшей к нам звезды в 270 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Из такой дали параллакс самой ближайшей из звезд составит всего три четверти угловой секунды. Попробуйте представить себе эту величину, если одна угловая секунда — это 1/324000 доля прямого угла!..

И тем не менее, параллакс необходим был астрономам. Не зная звездных расстояний, нельзя с уверенностью говорить о яркостях звезд, а значит — и о том, какая из них больше или меньше. Даже распределение звезд в пространстве и то зависело от знания параллакса.

В 1669 году за решение этой задачи принялся Роберт Гук. У себя дома, в Лондоне, он установил строго вертикально 36-футовую астрономическую трубу, закрепив объектив в крыше, а окуляр — в помещении нижнего этажа. Наиболее яркой звездой, проходившей возле зенита в лондонском небе, оказалась Гамма Дракона. Ее-то и стал наблюдать Гук, каждый день записывая расстояние ее изображения от отвеса в момент прохождения звезды через меридиан... Великолепная, совершенно правильная и плодотворная идея! Впрочем, Гук как раз этим и отличался. Все идеи его были великолепны, правильны и плодотворны. Но у него никогда не хватало времени и терпения довести их до конца. Нелепая неудача постигла Гука и в охоте за параллаксом. Четыре ночи спустя кто-то из домашних, а может быть, это был трубочист, разбил объектив телескопа. Гениально задуманный опыт на этом кончился.

Кажущийся параллактический эллипс, который открыл Брадлей

Было еще немало попыток измерить параллаксы различных звезд. Я остановлюсь только на одной из них.

14 декабря 1725 года к этой работе приступил английский астроном Джеймс Брадлей. За любовь к точности его уже в ту пору называли «Тихо Браге XVIII века». Брадлей воспроизвел полностью условия Гука в своей обсерватории. Он прикрепил трубу телескопа к стене, категорически запретив кому бы то ни было приближаться к инструменту. Прошло совсем немного времени — и астроном с радостью заметил, что в перекрестье микрометра звезда изменила свое положение. Правда, через несколько вечеров наблюдений первая радость погасла, сменившись недоумением. Избранное светило перемещалось, но... не в ту сторону.

Сэр Джеймс потерял покой. Целый год двигалась звезда по своему загадочному пути. И ровно 14 декабря 1726 года вернулась на старое место, описав эллипс с большой полуосью в 20,5 угловой секунды. Осторожный Брадлей понимал: одно-единственное наблюдение открытия не делает. Его следовало проверить. Можно представить себе разочарование, охватившее астронома, когда, перейдя к наблюдению других звезд, он обнаружил, что все звезды, и яркие, и слабые, то есть на каком бы расстоянии от Земли они ни находились, описывают эллипсы различной сплюснутости, но с одинаковой большой полуосью в 20,5 угловой секунды. При этом звезда, находящаяся в зените, описывала кружок, а та, что видна была на горизонте, двигалась взад-вперед, словно круг наклонили и смотрели на него с ребра. Брадлей принялся думать. Однажды он заметил, что вымпел на верхушке мачты суденышка каждый раз, когда лодка меняет курс, поворачивается относительно ее корпуса, следуя за постоянным направлением ветра. Брадлей тут же мысленно заменил ветер светом звезды, а лодку — Землей, движущейся вокруг Солнца. Получалось, что кажущееся положение звезды на небесной сфере определялось движением ее света относительно Земли. Звезда всегда ближе к той точке небосвода, к которой движется Земля. Так, например, даже в безветренный дождливый день капли ползут по стеклу движущегося поезда не вертикально вниз, а наискось. Свет звезды — тоже мельчайшие частицы, которые летят вертикально вниз. Но Земля не стоит на месте. И пока световые частицы пролетают от объектива до окуляра, телескоп успевает вместе с Землей немного подвинуться. Значит, для земного наблюдателя лучи света звезд должны казаться наклонными! Как капли дождя для пассажира поезда. Наша планета, облетая Солнце, движется, с точки зрения звезды, сначала в одну сторону, потом в другую. Значит, луч от любой звезды опишет в поле зрения телескопа маленькое подобие земной, орбиты — подобие, одинаковое для всех звезд. Это было открытие совсем нового явления, которому Брадлей дал название «аберрации света». Аберрация света имела огромное значение. Она доказывала движение Земли. Но расстояния до звезд по-прежнему оставались тайной. Должен был пройти почти целый век, прежде чем нескольким астрономам, почти одновременно, удалось найти параллаксы первых, ближайших к нам звезд. Сегодня эта характеристика считается одной из важнейших, и звездные каталоги содержат точные значения параллаксов для тысяч и тысяч далеких светил.