3. Астрометрические работы на обсерваториях

До второй половины XIX в., т. е. до возникновения современной астрофизики, основная задача астрономии состояла главным образом в обслуживании практических запросов reoдезии и картографии и в исследовании движения небесных светил. До конца XIX в. работы, в которых делались попытки изучить строение звездного мира и выяснить общие закономерности в движении звезд, являлись редкими исключениями, так как материала для таких работ было еще мало и методы исследования звездного мира только начинали разрабатываться.

Изучение движений небесных светил исходит из точнейшего определения направлений, по которым они видны. Определение этих направлений, т. е. положений светил в проекции на небесную сферу, и разработка нужных для этого методов составляют важнейшую задачу астрометрии. Сравнение наблюденных в разное время положений светил позволяет выяснить законы их движения. В конце XVIII и в первой половине XIX вв. небесная механика достигла большого развития и оказалась в состоянии объяснить подавляющее количество известных из наблюдений «неравенств» в движении Луны, планет и их спутников. Путем сравнения результатов наблюдений с выводами небесной механики были сделаны такие выдающиеся открытия, как открытие Нептуна и спутников Сириуса и Проциона. Сравнение положений звезд в разные эпохи привело еще в начале XVIII в. к открытию собственных движений звезд, а анализ этих движений привел в конце XVIII в. к открытию движения солнечной системы в пространстве. Все это побуждало астрономов совершенствовать методы астрометрии, уточнять и расширять программу своих наблюдений, и в этой области перспективы были необозримы. Каждый искусный наблюдатель мог здесь внести заметный вклад в науку, тогда как исследования в области теоретической астрономии¹ и небесной механики требовали глубоких математических познаний.

Кроме того, как мы видели, основная задача, стоявшая всегда перед русскими астрономами, состояла в обслуживании ими народнохозяйственных и военных нужд государства, а методика решения этой задачи тесно переплеталась с разными методами астрометрии. Вот почему русские обсерватории, возникавшие в XIX в., прежде всего стремились установить астрометрические инструменты и поставить соответствующие наблюдения. Помехой на пути развития этих работ, как мы не раз уже отмечали, была малочисленность штатных работников университетских обсерваторий, загруженных к тому же педагогической и другой работой. Характерно, что помимо Пулкова наиболее успешно вели стационарные астрометрические работы преимущественно те обсерватории, которые лучше были обеспечены наблюдателями.

Наблюдения положений тел солнечной системы на русских обсерваториях проводились сравнительно редко, чему в основном препятствовало северное положение большинства обсерваторий (из числа хорошо оборудованных). При таких условиях планеты могли наблюдаться лишь невысоко над горизонтом; к тому же малое число ясных ночей и белые ночи препятствовали получению длинных рядов непрерывных наблюдений. Поэтому наблюдения планет ставить во главу программы обсерваторий не было смысла, хотя иногда они и проводились. В основном русские астрометристы стремились к составлению каталогов положений звезд, определенных с высокой точностью. Такие каталоги дают материал для определения собственных движений звезд, знать которые нужно не только для выяснения закономерностей в звездном мире, но и для учета при определении по конкретным звездам географических широт и точного времени, т. е. для практических нужд.

Работы по составлению звездных каталогов очень трудоемки и кропотливы. Звездные каталоги — фундамент и основной критерий практики, на который астрономы лишь и опирались до развития астрофизических наблюдений. Однако труды астрометристов мало заметны для постороннего наблюдателя, и их труднее описать в интересной форме, чем результаты наблюдений астрофизических. Следует отметить, что астрономами еще мало сделано для популяризации достижений астрометрии. До сих пор советскими специалистами по астрометрии не только не описано значение тех или иных каталогов, их влияние и их применение в науке, но даже не дано удовлетворительной сводки астрометрических работ, выполненных на русских обсерваториях. Сами астрометристы в лучшем случае ограничиваются перечнем производившихся измерений, без всякого их анализа. Лишь работы Пулковской обсерватории — правда, наиболее обширные и целеустремленные — получили в нашей исторической литературе удовлетворительное освещение. Поэтому наш очерк астрометрических работ на русских обсерваториях отражает содержание только самых основных работ.

Успех работы астрометриста зависит не только от присущего ему искусства наблюдений, но и от методики их проведения, от глубокого понимания их теории, от знания инструментов, от совершенства этих инструментов, т. е. от искусства мастеров, их создавших, и от умения выявить и исключить или учесть все ошибки инструментов и условия наблюдения.

Мы уже упоминали, что деления на кругах для отсчетов не могут быть нанесены идеально точно, а сами круги сидят на оси не вполне центрально, оси их не вполне круглы, имеют при установке некоторый (хотя бы и очень незначительный) наклон относительно требуемого направления, который может меняться (например, при оседании фундамента инструмента), труба телескопа немного изгибается и т. д. На состояние инструмента влияют ветер и температура. Необходимо учесть, что истинное направление на светило искажено действием рефракции, т. е. изменением направления световых лучей в атмосфере, и действием аберрации, происходящей от сочетания скорости наблюдателя вместе с Землей и скорости света. Перемещения направления земной оси в пространстве, проявляющиеся в форме прецессии и нутации, необходимо изучать и учитывать для сравнения координат светил, полученных в разное время, так как они меняют положение самой системы отсчета прямых восхождений и склонений.

Впервые наиболее интенсивные и точные работы по каталогизации звезд в XIX в. были поставлены Ф. Бесселем в Кенигсберге и В.Я. Струве на Дерптской обсерватории. Струве в Дерпте определял прямые восхождения ярких звезд для расширения известного звездного каталога Пиацци. Об этих и других астрометрических работах Дерптской обсерватории кратко говорилось в очерке ее истории.

С гораздо большей полнотой Струве развернул астрометрические работы на Пулковской обсерватории. В начале века Бессель в Кенигсберге установил впервые систему учета различных факторов, указанных выше и влияющих на точность определяемых координат; до этого же в работе западноевропейских обсерваторий культивировалось «искусство» наблюдений, оставлявшее в неизвестности систематические ошибки, зависящие от личных особенностей наблюдателя и от недостаточного или произвольного учета искажающих факторов. Поэтому разные ряды наблюдений в прошлом плохо сходились друг с другом, и в этих ошибках «тонули» важнейшие астрономические явления, проявляющиеся в едва уловимых истинных изменениях координат светил.

В.Я. Струве в Пулкове поднял составление звездных каталогов на еще более высокую ступень, культивируя вместо одного лишь «искусства» наблюдений «науку о наблюдениях». Он детально разработал на многие годы план и программу наблюдений, разработал теорию инструментов и новые специальные конструкции их, организовал коллективную работу многих ученых, направленную к единой цели.

В то время как Эри, — современник Струве, директор Гриничской обсерватории, сам выдающийся астрометрист, обезличил работу своих сотрудников, сведя их роль к роли простых исполнителей своих предначертаний, и ориентировал их на получение возможно большего числа наблюдений, Струве стремился к повышению качества наблюдений, а от своих сотрудников требовал глубокого изучения инструментов и улучшения методики работы с ними; он отлично умел также и подбирать способных сотрудников.

Рис. 77. Большой пассажный инструмент Пулковской обсерватории.

Струве разделил задачу определения абсолютных склонений и прямых восхождений звезд. Определение абсолютных координат требует установления положения на небе точек равноденствия и линии небесного экватора, что возможно сделать лишь путем совместных дневных наблюдений положения Солнца и ярчайших звезд, что, понятно, нелегко. Это требует также точнейшего учета всех погрешностей наблюдения и независимости от результатов, полученных на других обсерваториях. Задачу определения абсолютных координат решали, а часто решают и сейчас, при помощи одного лишь меридианного круга. Струве решил определять абсолютные прямые восхождения на пассажном инструменте, а абсолютные склонения — на вертикальном круге. Такое разделение задачи позволило наблюдателям сосредоточиться на одной проблеме, отчего точность результатов сильно возросла. Точнейшие координаты сравнительно небольшого числа звезд, полученные таким способом, образовали так называемую фундаментальную систему. Меридианный же круг Струве предназначил для определения координат остальных звезд программы относительно положений звезд фундаментальной системы.

Успех пулковских наблюдений связан был еще и с тем, что Струве ввел отсчеты разделенных кругов при помощи микроскопов, которыми до тех пор не пользовались из-за трудности освещения кругов при отсчетах. Введенные Струве длиннофокусные коллиматоры-«миры» (с фокусным расстоянием 170 м), воспроизводившие неподвижные искусственные звезды, позволяли с исключительной точностью следить за тем, не меняется ли установка приборов с течением времени. Эти нововведения были потом заимствованы другими русскими и иностранными обсерваториями.

В конце XIX в. в Пулковской обсерватории стал применяться безличный микрометр, при помощи которого прохождение звезды через меридиан регистрируется автоматически. Это позволило исключить так называемую личную ошибку наблюдателя, которая получается в результате того, что каждый наблюдатель отмечает момент прохождения звезды с некоторым опозданием, различным для разных наблюдателей. В результате точность астрометрических работ Пулковской обсерватории превзошла точность аналогичных работ Гриничской, Парижской и других крупнейших обсерваторий Европы и Америки, для которых астрометрические задачи тоже были основными. Поэтому крупнейшие иностранные ученые всегда давали высокую оценку пулковским работам. Эри писал уже в 1847 г.: «Ни один астроном не может считать себя вполне усвоившим современную наблюдательную астрономию в ее наиболее разработанной форме, если он не познакомился с Пулковской обсерваторией во всех ее особенностях». Французский ученый Био, ученик Лапласа, писал в 1848 г. о Струве: «Ни одно астрономическое учреждение никогда не было так широко задумано, так обдуманно устроено, так богато снабжено, как Пулковская обсерватория. Теперь Россия имеет научный памятник, выше которого нет на свете».

Рис. 78. Пассажный инструмент в первом вертикале (Пулковская обсерватория).

О точности пулковских наблюдений Эри говорил: «Я ничуть не сомневаюсь в том, что одно пулковское наблюдение стоит по меньшей мере двух, сделанных где бы то ни было в другом месте». Через полвека крупнейший американский астроном С. Ньюкомб писал еще резче: «В руках Х. Петерса одно наблюдение с пулковским вертикальным кругом имело такой же вес, как 20, 30 и чаще 40 наблюдений, сделанных рутинными наблюдателями с меридианным кругом».

Август Федорович Вагнер (1828—1886)

В 1896 г. Международная конференция приняла для постоянной годичной аберрации величину 20″,47. Эту величину Ньюкомб вывел как среднее из определений Пулковской обсерватории и примерно десятка иностранных обсерваторий. При этом выяснилось, что одно пулковское определение втрое точнее остальных. Позднее оказалось, что это значение аберрации гораздо ближе к наиболее вероятному значению аберрации 20″,50, чем среднее из всех остальных определений того времени.

По плану Струве каталоги фундаментальных звезд с координатами, определенными абсолютными методами на упоминавшихся выше инструментах (построенных Эртелем по идее Струве) через каждые 20 лет должны были пересоставляться для установления собственных движений звезд и учета изменений, происшедших в инструментах. В фундаментальный каталог вошли звезды ярче 4-й зв. величины от 15° южного склонения до полюса. Повторяя и постепенно расширяя эту программу, пулковские астрономы составили фундаментальные каталоги 1845 г. (Б.Я. Швейцер, Е.Н. Фусс, Г. Линдгаген, А.Ф. Вагнер и главным образом Х.И. Петере), 1865 г. (А.Ф. Вагнер, Г. Гюльден, М.О. Нюрен), 1885 г. (М.О. Нюрен), 1905 г. и 1930 г., содержавшие примерно по 500 звезд. В конце XIX и в начале XX в. в этих работах участвовали М.О. Нюрен, А.А. Иванов, С.К. Костинский, А.С. Васильев, Б.П. Остащенко-Кудрявцев, Ф.Ф. Ренц, О.А. Баклунд, И.В. Бонсдорф, Л.Л. Маткевич. Таким же способом были составлены каталоги координат около 1½ тысяч более слабых звезд в 1900, 1905 и 1925 гг.

Магнус Олаевич Нюрен (1837—1921)

На Международной конференции 1909 г. Баклунд предложил список звезд для абсолютных каталогов, установленный в Пулкове, принять за международный список фундаментальных звезд. Это предложение было принято. Дополненный списком звезд южного неба, составленным директором обсерватории на мысе Доброй Надежды Хофом, он стал называться списком Баклунда—Хофа и был принят как международный. Звезды этого списка наблюдались до 1925 г. в Пулкове (начиная с каталога 1900 г.) и в других обсерваториях мира — в Англии, в Южной Африке, в США и т. д.

Герман Яковлевич Ромберг (1834—1894)

При помощи меридианного круга был составлен выпущенный в 1889 г. каталог 3542 звезд. Он включал звезды до 6-й зв. величины в зоне, установленной для фундаментальных каталогов. Наблюдения для этого каталога вели Е.Е. Саблер, В.К. Деллен, А.Ф. Виннеке, А.И. Громадзский. В 1877 г. был выпущен каталог так называемых дополнительных звезд (А.И. Громадзский, М.О. Нюрен, В.Е. Фусс, И.Е. Кортацци, Г.Я. Ромберг); В 1891 г. Г.Я. Ромберг выпустил каталог положений 5634 звезд (двойных и служивших опорными при определении положения комет и т. п.). Последующие его наблюдения 7000 звезд были обработаны Я.М. Зейботом к 1909 г.

Яков Мартынович Зейбот (1855—1916)

Три небольших каталога околополярных и зодиакальных звезд были затем составлены M. Н. Мориным, В.В. Серафимовым и М.П. Диченко. Я.М. Зейбот в 1916 г. опубликовал еще перенаблюдение 8800 звезд из каталога Шельерупа в зоне +15°, —15° по наблюдениям М.П. Диченко и А.С. Васильева, а остальные звезды этого каталога наблюдали M. Н. Морин и А.А. Кондратьев. В 1909 г. наблюдения всех звезд Шельерупа были закончены, и в 1938 г. их результаты опубликовал обрабатывавший их В.В. Серафимов.

С 1909 г. Морин и Кондратьев определили еще координаты 3396 опорных звезд для Гельсингфорсской зоны фотографической карты неба. Обработка каталога была закончена M. Н. Мориным к 1933 г.

Кроме этих больших и наиболее точных каталогов, в Пулкове был составлен и выпущен ряд других звездных каталогов, совершенствовалась методика и техника наблюдений и их обработка, вводились хронографы, безличные микрометры и т. д. Однако даже простое перечисление всех этих работ увело бы нас далеко за рамки этой книги.

Михаил Николаевич Морин (1861—1933)

В заключение укажем лишь на то, что пулковские каталоги лежат в основе всех современных сводных фундаментальных звездных каталогов, таких, как каталоги Босса, GC и FK3, который с 1940 г. принят за международный стандарт.

По сравнению с систематическими и непрерывными работами Пулковской обсерватории и ее южных филиалов вклад университетских обсерваторий в астрометрию был невелик. Их работы по звездным каталогам были упомянуты при описании истории обсерваторий. Наибольшую ценность и объем имели каталоги положений звезд, составленные в Казани, Москве и Варшаве.

Александр Семенович Васильев (1868—1947)

Все эти каталоги уточнили положения звезд, наблюдаемых для геодезических целей, явились опорой для изучения движения планет и комет и дали материал для вывода собственных движений звезд. Изучение этих движений, которыми занимались многие русские астрономы, и в настоящее время используется для определения расстояний до звезд, для выяснения строения и динамики звездного мира.

Из астрометрических наблюдений были выведены и значения важнейших астрономических постоянных. Было выведено упоминавшееся выше значение постоянной аберрации. Постоянную аберрации определяли также С.П. Глазенап и М.О. Нюрен. В 1842 г. О.В. Струве определил значение постоянной прецессии, которое принималось в науке в течение почти 60 лет, и оно, повидимому, ближе к истине, чем введенная впоследствии величина ее, данная Ньюкомбом.

Значения важнейших астрономических постоянных, установленные русскими учеными, в сравнении с современными данными таковы:

Значения астрономических постоянных, установленные русскими учеными, были общеприняты до 1896 г.

Таблицы рефракции, составленные Гюльденом, использовались и другими обсерваториями, хотя там были иные атмосферные условия. Рефракцию и ее влияние на вывод астрономических постоянных изучали С.П. Глазенап и М.А. Ковальский.

Кроме наблюдений для фундаментальных звездных каталогов, астрономы Пулковской и других русских обсерваторий определяли положения планет, астероидов, Луны и появляющихся комет при помощи микрометра на рефракторе, а иногда и меридианным кругом, опираясь на известные координаты звезд точных каталогов. О микрометрических измерениях двойных звезд, получивших в России большое развитие благодаря трудам В.Я. и О.В. Струве, говорится в главе о звездной астрономии, а также в описании истории обсерваторий. Некоторые астрономы систематически проводили наблюдения моментов покрытий звезд Луною для проверки теории ее движения и определяли моменты контактов во время солнечных затмений.

Об исключительном ряде наблюдений либрации Луны, послуживших и для выводов о ее фигуре, мы говорили при описании казанских обсерваторий.

Необходимо сказать еще о русских работах по исследованию колебаний широт, которое ожидалось теоретически на основе работ Эйлера.

В 80-х годах было замечено, что широты обсерваторий в небольших пределах периодически меняются, причем так, что это свидетельствует о перемещении оси вращения Земли внутри нее самой с периодом, большим того, который предсказывал Эйлер (305 суток). Несоответствие периодов объясняется тем, что Земля не является абсолютно твердым телом (средняя упругость вещества Земли равна упругости стали).

В 1842—1843 гг. Петере в Пулкове впервые обнаружил из своих наблюдений на вертикальном круге изменение широты. В 1872—1875 гг. его вывод (в Пулкове же) подтвердил Нюрен. С 1890 г. колебание широты продолжали изучать в Пулкове на вертикальном круге Б. Ванах и С.К. Кобинский, с 1892 по 1901 г. М.А. Грачев — в Казанской обсерватории, в 1895—1896 гг. Д.Д. Гедеонов — в Ташкенте. Классическая работа П.К. Штернберга (1892—1903 гг.) была посвящена определению изменений широты Москвы в связи с недавно перед этим открытым движением земных полюсов. Его работа отличалась скрупулезным вниманием к возможным ошибкам при пользовании приборами. Штернберг установил сложность движения полюсов и пришел к выводу о необходимости организовать постоянные обсерватории для систематического определения широт в разных точках Земли. В 1895—1898 гг. в порядке международного соглашения было решено построить шесть международных станций, расположенных вдоль параллели 39°8′, снабженных однотипными инструментами — зенит-телескопами. Перед станциями ставилась задача определения своих широт. Эти определения производились по наблюдениям околополярных звезд в каждую ясную ночь одним и тем же методом (по способу Талькотта). Колебания широт не превосходят ±0″,4, и поэтому такие наблюдения требуют особой тщательности. Одна из этих станций была построена в Чарджуе (в Средней Азии) и начала наблюдения в сентябре 1899 г. Она была по времени второй из шести станций, начавших работу. Чарджуйская станция была организована при содействий Ташкентской обсерватории, и наблюдатели на ней назначались военным ведомством.

Рис. 79. Зенит-телескоп.

В Пулкове с 1904 г. также велись наблюдения специально установленным зенит-телескопом работу Фрейберга-Кондратьева. С.К. Костинский в Пулкове впервые предложил формулу, позволяющую по изменениям широты нескольких обсерваторий установить изменения в положении полюса на Земле и обратно, и его формулой широко пользуются сейчас. В результате всех этих работ оказалось, что явление колебания широт сложнее, чем это предполагалось ранее, и что помимо долгого периода (около 430 суток) оно заключает в себе и более кратковременные изменения.

Примечания

1. Теоретическая астрономия — вычисление орбит без учета возмущений.