12. Астрофизические работы В.К. Цераского

До сих пор сохраняют свое научное значение первые работы Цераского, выполненные 75 лет тому назад, когда он впервые направил свой фотометр на звездное небо.

При всей своей разнообразной и плодотворной деятельности в качестве педагога, популяризатора, организатора научной работы и преобразователя Московской обсерватории, Цераский и в области своей научной работы был весьма разносторонним ученым. 92 его печатных труда охватывают вопросы наблюдения различных небесных явлений, изучения Солнца, ночных светящихся (так называемых серебристых) облаков, многие вопросы практической астрономии, практической оптики и, главным образом, звездной фотометрии.

В своих работах В.К. Цераский стоял на материалистических позициях, а в блестяще написанных научно-популярных статьях выступал как пропагандист материалистического мировоззрения. Для характеристики научных взглядов В.К. Цераского приведем некоторые из его высказываний. Так, он писал, что свои знания о вселенной человеческий ум «...увидел не в мечтах, и угадал не волхвованием, не априорным построением, но исследовал, измерил и завоевал столетними тяжелыми трудами, непосредственным наблюдением и математическими размышлениями».

Ученый-экспериментатор, он правильно понимал значение опыта: «Развить основы спектрального анализа можно на основании опытов, а это очень важно, ибо опыт прямо и непосредственно понятен и убедителен для всякого, это голос и слова самой природы».

В.К. Цераский принадлежал к ученым, которые большое внимание уделяют разработке точных методов исследования и сами являются авторами новых конструкций приборов. Мы остановимся здесь только на астрофизических работах Цераского.

Витольд Карлович Цераский (1849—1925)

Цераский всегда живо интересовался редкими небесными явлениями. Для наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца в 1874 г. он вычислил с большой точностью моменты различных контактов, видимых из многих пунктов в России.

Рис. 80. Прибор В.К. Цераского для определения скорости метеоров.

Чтобы пронаблюдать это прохождение, он поехал в далекую Кяхту, несмотря на слабое здоровье и трудности путешествия. К сожалению, облачная погода помешала ему получить достаточное число фотографий для вывода солнечного параллакса.

Небольшая статья Цераского «О числе звезд в Плеядах» была опубликована им в 1889 г. В ней рассматривается важный вопрос о принадлежности звезд к скоплению и предлагается остроумный метод для отделения звезд фона от звезд скопления.

Цераский не раз обращался к наблюдениям метеоров и, начиная с 1878 г., посвятил им семь статей. Он предложил находить координаты радианта не обычным способом — графически, а более точным, аналитическим, определяя радиант как точку, для которой сумма квадратов длин перпендикуляров, опущенных из нее на траектории метеоров, является минимальной. Для более точных фотографических наблюдений метеоров, которые становятся все успешнее, этот метод, по-видимому, наиболее рационален. Затем Цераский составил карту области неба в созвездии Персея для нанесения на нее путей метеоров потока Персеид. Карта эта широко использовалась наблюдателями, так как она удобна для сравнения со звездным небом, а при рассматривании ее на просвет видна координатная сетка, позволяющая легко отсчитывать координаты начала и конца метеорного следа. Эта карта была издана дважды.

В 1898 г. Цераский предложил остроумный инструментальный метод определения угловой скорости метеоров. Угловая скорость метеоров из обычных наблюдений не может быть определена достаточно точно, а фотографирование метеоров с прерывателем экспозиции перед объективом, начатое Элкиным в 1896 г., тогда давало еще мало практических результатов. Прибор, основанный на сравнении скорости действительных метеоров со скоростью движения блика на стекле, состоял из двух частей. Перед наблюдателем помещалось в раме большое квадратное стекло, сквозь которое наблюдались метеоры. За наблюдателем помещался очень короткий маятник, к которому прикреплялась длинная и легкая штанга с маленькой электрической лампочкой на конце. При колебании маятника отражение лампочки мелькало в стекле на фоне звезд подобно метеору. Частично экранируя диафрагмой путь лампочки и меняя величину размахов маятника, можно было добиться полной аналогии между этим «искусственным» метеором и настоящим и, следовательно, вычислить угловую скорость метеора.

С.А. Казаков и Б.П. Модестов в 1896 г. провели наблюдения Персеид с этим прибором, построенным в мастерской Московской обсерватории. Из их наблюдений Цераский вывел среднюю угловую скорость метеоров, равную 5° за 0,064 сек.

В 1906 г. Цераский изобретает простой окуляр для детального изучения солнечных пятен, который дает возможность наблюдать не диафрагмируя объектив и не снижая этим его разрешающей силы. Перед положительным окуляром, снабженным нейтральным темным клином, эксцентрично помещается металлический диск с набором ограничивающих диафрагм по его периферии. Между ним и объективом укреплен асбестовый круг с диафрагмой, слегка превышающей наибольшую из диафрагм вращающегося круга. С этим окуляром Цераский наблюдал в 15-дюймовый рефрактор тонкие детали строения солнечной поверхности.

В прошлом столетии еще не был решен вопрос о величине сжатия Солнца и предполагалось, что форма его по временам изменяется. Для решения этого вопроса Цераский придумал и построил хранящийся на обсерватории специальный гелиометр.

Наконец, широкую известность получили опыты Цераского по оценке температуры Солнца, проведенные им в 1895 г. В то время разные исследователи приходили к весьма различным результатам при попытках определения температуры Солнца. Цераский для этого воспользовался большим вогнутым зеркалом, диаметром в 1 м и с фокусным расстоянием в 1 м., которое было приобретено Политехническим музеем. Несмотря на громадную светосилу, оно, по отзыву Цераского, было настолько хорошо выполнено, что позволяло видеть лунные кратеры. Цераский рассудил, что в фокальном изображении Солнца температура должна быть не выше температуры самого Солнца, а потому, установив температуру в фокусе такого зеркала, направленного на Солнце, можно тем самым установить нижний предел температуры Солнца. Производя подобные опыты весной, когда воздух особенно прозрачен и меньше поглощает энергию солнечных лучей, Цераский нашел, что в том месте, где получалось изображение Солнца, даваемое зеркалом, плавились кусочки любого вещества, которые только можно было достать в минералогическом кабинете университета. Отсюда он оценил температуру в фокусе зеркала, которую можно было считать нижним пределом температуры поверхности Солнца, в 3500°¹.

Через несколько лет после этого Шейнер в своей книге «Излучение и температура Солнца» (Лейпциг, 1899) вывел из опытов Цераского температуру Солнца равной 6600°. При этом он принял температуру воздуха (не отмеченную Цераским) в 15° С, а температуру электрической дуги, которую для сравнения тоже изучал Цераский, в 3500°.

О полученном из опытов Цераского результате Шейнер писал: «Это так хорошо согласуется с другими определениями, что ввиду большой естественной неточности этого метода можно лишь удивляться этому согласию».

Наибольшую известность В.К. Цераский получил как пионер русской астрофотометрии. В то время инструментальная фотометрия еще только зарождалась и вследствие недостаточной разработки методики точность ее была невысока. Пройдя хорошую астрометрическую школу, Цераский ее точность и строгость перенес в свои астрофотометрические исследования. В первую очередь он заинтересовался методами фотометрических наблюдений.

Приступая к работе на Московской обсерватории, он нашел там поляризационный фотометр системы Целльнера, сделанный фирмой Аусфельд. Изучив его конструкцию в действии, Цераский подверг обстоятельной критике работы с этим фотометром, проведенные Целльнером и Зейделем в Германии, а самый фотометр усовершенствовал, и в 1887 г. построил новый фотометр, основанный на том же принципе.

Рис. 81. Фотометр Целльнера — Цераского.

Много внимания Цераский уделял методу обработки фотометрических наблюдений и созданию фотометрической системы, — того, что мы теперь называем «стандартами звездных величин».

В процессе работы Цераскому много забот и неприятностей причинял... керосин, горевший в лампе, служившей в фотометре источником сравнения блеска наблюдаемых звезд. В наше время повсеместного распространения устойчивого электрического освещения трудно себе представить все неудобства, связанные с использованием громоздких керосиновых ламп, пламя которых колебалось от ветра и от изменения концентрации и свойств примесей. Керосиновые лампы были немногим лучше, чем стеариновые свечи, приводившие в свое время (в конце первой половины XIX в.) в отчаяние французского ученого Араго при его опытах по астрофотометрии. Цераский тщательно изучил свойства керосиновой горелки и ее пламени. Под руководством проф. В.В. Марковникова университетскими химиками был разработан способ очистки керосина, позволявший лампе гореть 50—60 часов без изменения свойств пламени. Образец этого керосина, прозрачного как вода, хранится в Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга.

Существенным усовершенствованием фотометра было введение Цераским бокового окуляра, в котором свет искусственной звездочки наблюдался непосредственно, а свет ярких звезд — отраженным от стеклянной пластинки. Это ослабляло свет звезд на 4,7 зв. величины и давало возможность расширить диапазон блеска, в котором можно было бы применять фотометр. Таким образом, Цераский мог наблюдать все звезды ярче 9-й зв. величины. Убедившись в потере точности при наблюдении звезд разного цвета и в трудности подгонки цвета искусственной звезды к разным цветам настоящих звезд при помощи пластинки из горного хрусталя, Цераский вместо нее ввел светофильтр из голубого стекла, делающий цвет керосинового пламени белым.

Из своих исследований Цераский выяснил существование систематической ошибки, зависящей от того, как относительно друг друга и горизонта расположены сравниваемые звезды, — наблюдаемая и искусственная. Эта ошибка имеет физиологическое происхождение, и впоследствии акад. П.П. Лазарев подробно исследовал подобные физиологические особенности зрения, играющие немалую роль в фотометрических наблюдениях. Цераский первый указал на необходимость выяснения и изучения этих ошибок и предложил меры к их устранению. В 1917 г. им была опубликована краткая, но чрезвычайно важная статья «О личном уравнении в фотометрических наблюдениях», в которой Цераский обращает особое внимание наблюдателей на большое значение личного уравнения, сказывающегося при различном расположении наблюдаемой звезды относительно искусственной.

Для лабораторного исследования фотометра Цераский придумал особый фотометрический коллиматор, который ослаблял свет искусственной звезды с помощью оригинального приспособления.

Определяя блеск звезд, Цераский решил создать фундаментальную фотометрическую систему как совокупность целого ряда звезд, многократно сравненных друг с другом, звездные величины которых вычислены из разной комбинации наблюдений. Такая же система фундаментальных звезд принята и сейчас в качестве международного стандарта звездных величин. В качестве фундаментальных Цераский выбрал 58 звезд 5^m,5 — 8^m,0, расположенных севернее 75° склонения и потому всегда видимых над горизонтом средних широт нашего полушария. Потом эти звезды были связаны с Полярной, для которой было принято значение звездной величины 2^m,12. (Теперь мы знаем, что блеск Полярной несколько меняется.) Цераский разработал также основанную на трудах московского математика П.А. Некрасова методику увязки попарных сравнений этих звезд друг с другом и решения системы полученных циклических уравнений. Позднее Цераский распространил свои фотометрические исследования на звездные скопления χ и h в Персее (в 1891—1893 гг.) и на скопления в Волосах Вероники (1897—1901 гг.). Дополнительный список звездных величин ряда вновь наблюденных звезд был опубликован в 1917 г. В этих работах, как и в остальных, в противоположность некоторым ученым, публикующим свои результаты в такой форме, что их никак нельзя проверить, Цераский публиковал свои наблюдения и их обработку полностью. Свой звездный фотометр, по справедливости называемый фотометром Целльнера — Цераского, Цераский применил и к измерению поверхностной яркости атмосферного ореола, видимого вокруг Солнца. В ноябре 1906 г. он нашел этим способом, что ореол слабее солнечного края всего лишь в 31—38 раз (в разные дни).

Определение звездной величины Солнца в 1903 г. является вершиной экспериментального фотометрического искусства и изобретательности В.К. Цераского. При проведении этой работы Цераский не раз совещался с С.Н. Блажко.

Для сравнения блеска Солнца с блеском Венеры на башне метеорологической обсерватории университета, в 150 ж от наблюдателя, находившегося на территории астрономической обсерватории, был установлен теодолит. Вместо объектива на его трубе был укреплен 40-сантиметровый черный диск, в центре которого была наклеена плоско-выпуклая линза с радиусом кривизны 30 мм. Своим фотометром Цераский измерял блеск Венеры, видимой днем в трубу фотометра, и блеск блика Солнца, создаваемого линзой. При этом теодолит постепенно поворачивали так, чтобы отражение происходило от разных частей поверхности линзы. Подбором радиуса кривизны линзы и отверстия трубы у фотометра было достигнуто приближенное равенство блеска двух сравниваемых светил. Как известно, именно громадное различие в истинном блеске Солнца и Венеры и является препятствием к их сравнению с желаемой точностью.

После введения всех нужных поправок из нескольких серий наблюдений, Цераский получил отношение блеска Солнца к блеску Венеры равным 1:483000000, что дает для видимой звездной величины Солнца в Потсдамской фотометрической шкале — 26^m,89.

В 1905 г. Цераский дополнительно связал Солнце с Полярной, Проционом и Сириусом, получив соответственно среднее взвешенное — 26^m,50. Позднее Рессел получил отсюда значение звездной величины Солнца — 26^m,72. Кейпер в 1938 г., переведя эти данные в систему международных фотовизуальных величин, получил значение — 26^m,64, тогда как простое среднее из определений Цераского, Целльнера, Фабри и В. Пиккеринга дало — 26^m,77, а среднее из двух фотовизуальных методов определения той же величины — 26^m,60. Пользуясь еще радиометрическими данными и сравнением Солнца с Луной, Кейпер за взвешенное среднее из всех определений принял величину — 26^m,84 ± 0^m,04.² Из всего этого видно, с какой высокой точностью была определена В.К. Цераским звездная величина Солнца. Эта его работа не утратила своего научного значения и сейчас, спустя полвека.

Таково разнообразное научное наследство Цераского, одного из пионеров инструментальной фотометрии и основоположника школы московских фотометристов, которые в советский период, в других условиях и в других масштабах идут по разведанным Цераским путям точной астрофотометрии.

Примечания

1. Заметим, что с 1949 г. Московский Планетарий, пользуясь зеркалом старого военного прожектора, с успехом повторяет опыты Цераского и демонстрирует их посетителям. Такой опыт более чем что-либо иное дает наглядное представление об условиях, существующих на поверхности Солнца.

2. Выведенная З.В. Карягиной в 1952 г. по 10 исследованиям, включая работы В.К. Цераского, звездная величина Солнца оказалась равной —26^m,77 + 0^m,05.