14. А.А. Белопольский

Аристарх Аполлонович Белопольский был одним из пионеров астрофизики, ученым мирового масштаба. С 1879 г. он был ассистентом обсерватории Московского университета.

Хотя в первое время ему пришлось вести наблюдения на меридианном круге, но его увлекала только что возникшая астрофизика. Он продолжал начатое на обсерватории Цераским фотографирование Солнца и вел его до своего перехода в Пулково в 1888 г.

В Москве в 1883 г. Белопольский начал первые опыты по фотографированию звезд (раньше, чем они начались в Пулкове).

В Пулкове он продолжал исследование фотографий Солнца и вместе с Мориным выпустил каталог положения солнечных пятен за 1881—1888 гг. Но еще в 1887 г. Белопольский защитил магистерскую диссертацию «Пятна на Солнце и их движение», дополненную в 1888 г. другой работой, связанной с исследованиями Н.Е. Жуковского, который изучал движение твердого тела с полостями, наполненными капельной жидкостью. Это побудило Белопольского сделать такой опыт. Был взят стеклянный шар с жидкостью и с взвешенными в ней частицами. Приведя жидкость в равномерное вращение, он заметил движения частиц, сходные с описанными Жуковским и с теми движениями пятен, которые он заметил на Солнце. Это была одна из первых попыток применить к движению солнечной атмосферы законы гидродинамики.

Исходя из этого опыта и из теоретических соображений, Белопольский вывел такой же закон изменения угловой скорости вращения Солнца, какой он получил из своих фотографий солнечных пятен и факелов, тогда как Вильзинг в Германии ошибочно утверждал (1888), что, судя по факелам, Солнце вращается как твердое тело. (Определение вращения Солнца по факелам сам Белопольский произвел уже позднее.)

Белопольский одним из первых поставил специальные наблюдения для выяснения связи магнитных бурь на Земле с деятельностью Солнца и в 1892 г. заключил соглашение с Павловской магнитной обсерваторией о присылке телеграмм при наступлении магнитных бурь. В большинстве случаев магнитные бури совпадали с прохождением через центральный меридиан больших групп солнечных пятен.

Первостепенное значение в истории науки имеют спектральные исследования А.А. Белопольского и в числе их экспериментальное доказательство применимости к световым колебаниям принципа Допплера. В 1842 г. австрийский физик Х. Допплер установил, что при взаимном сближении источника колебаний и наблюдателя воспринимаемая последним частота звуковых колебаний меняется пропорционально скорости движения. При сближении наблюдателя и источника колебаний воспринимаемая наблюдателем частота колебаний увеличивается против истинной, т. е., например, тон звука становится выше, а при удалении — она уменьшается. Для звуковых колебаний справедливость принципа Допплера была вскоре подтверждена опытом.

Аристарх Аполлонович Белопольский (1854—1934)

Допплер считал, что подобное явление должно происходить и в отношении световых колебаний. Однако он не мог экспериментально проверить свое совершенно правильное в основе предположение и потому сделал ошибочный вывод. Так как цвет определяется длиной волны излучаемого света, то Допплер решил, что двойные звезды в действительности белые, и что их цвета (часто одна звезда желтая, другая голубоватая) обусловлены их орбитальным движением, при котором одна из них приближается к нам, а другая удаляется. Теперь известно, что цвета двойных звезд реально различаются лишь в тех случаях, когда у них разные температуры, которым цвета и соответствуют. К этому еще примешивается кажущееся изменение их цветов, вызванное контрастом, если звезды различной яркости. Кроме того, для такого изменения цвета, которое было бы заметно для глаза, источник света должен двигаться со скоростью, сравнимой со скоростью распространения света.

После Допплера было много споров по этому вопросу и много неудачных попыток экспериментальной проверки принципа. Когда началось применение спектрального анализа, французский физик Физо высказал предположение, что при движении источника ответа по лучу зрения должны смещаться линии в его спектре (по отношению к положению линий в спектре неподвижного источника света). Такое явление действительно было обнаружено. Начавшиеся в конце XIX в. уже надежные определения смещений линий в спектрах звезд, производившиеся многими астрофизиками, в том числе самим А.А. Белопольским, не были, однако, прямым подтверждением применимости принципа Допплера к свету. В самом деле, мы сейчас знаем много причин, производящих сдвиг спектральных линий, и истолкование этих сдвигов астрофизиками в конце XIX в. как эффекта движения светил по лучу зрения было недостаточно убедительным. Экспериментальная проверка принципа Допплера в лаборатории считалась невозможной — скорость движения на Земле слишком мала, чтобы вызвать заметные смещения линий спектра.

Белопольский еще в 1894 г. придумал остроумное приспособление для создания в лаборатории таких условий, при которых движение источника света дало бы заметный сдвиг линий спектра. Для этой цели он построил прибор, в котором луч света Солнца отражался последовательно от многих граней двух вращающихся барабанов, составленных из зеркал. Так, в 1899—1901 гг. Белопольский достиг скорости источника в 700 м/сек, при которой он смог измерить сдвиг линий спектра отраженного солнечного луча — сдвиг, находящийся в удовлетворительном согласии с теорией. Лишь с этих пор стало возможно экспериментально проверенный принцип Допплера с уверенностью применять к световым колебаниям. Измерение лучевых скоростей светил стало с этих пор одним из важнейших применений спектрального анализа и привело к неисчислимому количеству важнейших открытий, многие из которых были сделаны самим же Белопольским.

Рис. 82. Прибор А.А. Белопольского для экспериментальной проверки применимости принципа Допплера к свету.

Белопольским еще до 1900 г. был изобретен прибор для сравнительного измерения спектров — спектрокомпаратор; это изобретение ошибочно приписывалось немецкому ученому Гартману, который сообщил о нем только в 1904 г, Белопольский предложил также методику измерения лучевых скоростей в тех случаях, когда несколько спектральных линий сливаются в одну.

Деятельность Белопольского со времени его назначения астрофизиком Пулковской обсерватории (1891 г.) была посвящена применению спектрального анализа к астрономии, и в его руках этот метод стал мощным методом исследования. В 1892 г. он изучал замечательные и быстрые изменения в спектре новой звезды, неожиданно вспыхнувшей в созвездии Возничего. Эти катастрофически и не надолго вспыхивающие звезды, снова затем возвращающиеся к прежнему блеску, Белопольский с тех пор систематически изучал и собрал уникальную коллекцию спектров новых звезд, до сих пор еще не использованную полностью — так много ценного в себе она содержит. Белопольский определил скорости, с которыми выбрасываются в пространство газы с поверхности этих звезд во время их вспышки, и изучал строение широких ярких полос в их спектре, которое лишь в наши дни получило теоретическое объяснение. Позднее из анализа спектрограмм Белопольского удалось установить изменения радиуса и температуры новых звезд, связанные с колебаниями их блеска, плотности и другие физические характеристики их атмосфер. Применяя фотографию к изучению спектров звезд, Белопольский достиг наивысшей для своего времени точности в определении лучевых скоростей (±2,6 км/сек). Эта высокая точность позволила ему открыть новые явления в звездном мире и разработать новые способы изучения переменных звезд.

Измеряя сдвиги линий в спектрах разных звезд и определяя отсюда скорость их движения по лучу зрения, Белопольский обнаружил периодичность таких сдвигов у ряда звезд, изменявших свой блеск с тем же периодом. В 1893 г. он изучил звезду ß Лиры, которая, как он установил из анализа своих спектрограмм, является двойной, состоящей из двух крайне близких друг к другу звезд, почти одинаковой яркости и размеров. Эти звезды периодически затмевают друг друга и при таких затмениях для наблюдателя на Земле получаются периодические колебания видимого блеска системы. Это открытие значительно расширило представления о двойных звездах, затмевающих друг друга. Всего лишь тремя годами ранее измерение лучевых скоростей впервые позволило установить такую же причину изменений блеска звезды Алголь, компоненты которой отстоят друг от друга сравнительно далеко, и от которой звезды типа ß Лиры значительно отличаются тем, что их компоненты почти касаются друг друга и эллиптичны. Кроме того, Белопольский спектрально обнаружил существование невидимых спутников у нескольких звезд переменного блеска. С этих работ началось спектральное изучение таких затменно-двойных звезд, оказавшееся исключительно плодотворным для астрофизики, так как привело к подробнейшему изучению строения атмосфер некоторых звезд, к возможности изучать их плотности и независимо от других методов определять их температуру.

Рис. 83. А.А. Белопольский во время получения спектрограмм звезд на 30-дюймовом рефракторе.

В 1894 г. Белопольский впервые обнаружил периодические смещения линий в спектрах переменных звезд, называемых цефеидами. Периоды смещения линий и здесь совпадали с периодом изменения блеска звезд. Сначала он открыл это явление у звезды δ Цефея (1894), а затем у η Орла (1896) и у ζ Близнецов (1899), положив начало спектральному исследованию этих звезд, представляющих чрезвычайный интерес. Этот интерес обусловлен как трудностями в объяснении происходящих в них изменений, так и тем, что у цефеид, как потом было установлено, истинная сила света оказывается связанной с периодом изменения их блеска. Эта особенность цефеид дала возможность использовать их для определения расстояния далеких звездных систем, отстоящих от нас на миллионы световых лет. Цефеиды были обнаружены и в этих далеких системах. Зная из наблюдений период изменения блеска цефеиды, определяют на основании установленной зависимости ее светимость. После этого сравнительно легко установить, на каком расстоянии находится цефеида (а значит, и звездная система, к которой она принадлежит), если при данной светимости она представляется земному наблюдателю звездой такой-то величины. Исследования Белопольского сначала привели его к выводу, что цефеиды являются тоже спектрально-двойными звездами. Потом, однако, выяснилось, в согласии с гипотезой выдающегося русского физика Н.А. Умова (высказанной им в его выступлении при защите Белопольским в 1896 г. докторской диссертации, посвященной как раз изменениям лучевых скоростей δ Цефея), что цефеиды — пульсирующие звезды, периодически сжимающиеся и расширяющиеся. Таким образом, эти звезды действительно меняют свою светимость, в то время как у звезд типа Алголи изменяется только видимый блеск вследствие геометрической причины — затмений одного компонента другим, а светимость в действительности вовсе не меняется. В 1914 г. сотрудница Белопольского И, Н. Леман подтвердила подозревавшееся самим Белопольским изменение интенсивности спектральных линий у δ Цефея, что дослужило основанием для заключения о колебании температуры этих звезд при их пульсациях.

Белопольский подтвердил по периодическому раздвоению или смещению линий двойственность некоторых звезд постоянного блеска, в том числе менее яркого компонента двойной звезды Кастор (1896 г.), физическую двойственность которой доказал в свое время В. Струве. Так было установлено, что Кастор не двойная, а более сложная система, и Белопольский впервые установил в этой системе вращение большой оси орбиты с периодом в 2100 суток и высказал предположение о сильной сплюснутости главной звезды.

Для многих таких звезд Белопольский проследил изменения их орбит, вызванные не вполне шарообразной формой звезд или присутствием невидимых третьих тел значительной массы. В числе их он обстоятельно изучил Полярную звезду и ß Возничего. На основании наблюдений последней Белопольский заподозрил различие скорости света в межзвездном пространстве для разных длин волн.

Измерив изменения лучевых скоростей при орбитальном движении некоторых двойных звезд, Белопольский определил и расстояния до них.

Белопольский был одним из пионеров изучения звезд с «переменным» спектром. Он изучил загадочное изменение линий в спектрах спектрально-переменных звезд Р Лебедя, у Кассиопеи и а Гончих Псов, по типу которой была выделена делая группа таких звезд с особыми движениями и характерными магнитными явлениями в их обширных атмосферах. Белопольский впервые в мире обнаружил (в 1913 г.) спектрально-переменные звезды этого типа.

Наряду с далекими звездами, Белопольский изучал спектрографически и ближайшую из них — наше Солнце. С 1894 г. он при помощи спектроскопа изучал протуберанцы. Около 1900 г. он начал систематически определять спектральным методом скорость вращения различных зон Солнца. Как известно, Солнце вращается не как твердое тело. Точнейшие измерения Белопольского позволили не только изучить законы вращения Солнца гораздо полнее, чем это было известно раньше, но и впоследствии заподозрить систематическое замедление вращения. В 1915 г. Белопольский впервые определил по распределению энергии в спектре пятен их температуру, установив, что они лишь немного холоднее, чем остальная поверхность Солнца (по современным данным — на 1200—1500°) и кажутся черными лишь вследствие контраста с более ярким диском Солнца.

Белопольский наблюдал полные солнечные затмения и с особым искусством получал фотографии короны. Теория, развитая им в 1897 г., рассматривала корону как совокупность множества потоков вещества, выбрасываемых из Солнца и скрещивающихся между собой. Надо сказать, что и в настоящее время происхождение солнечной короны окончательно не выяснено и возможно, что теория Белопольского недалека от истины.

Особый интерес представляют исследования спектров планет, выполненные Белопольским с 1895 по 1903 г. В течение долгого времени период вращения Венеры принимался, в соответствии с мнением итальянского астронома Скиапарелли, равным периоду ее обращения вокруг Солнца. Отсюда следовало, что на одном полушарии Венеры царит вечный день и нестерпимая жара, а на другом полушарии — вечные холод и мрак. Белопольский остроумно применил для проверки этого заключения спектральный метод определения скорости вращения и пришел к выводу, что Венера вращается вокруг оси с периодом в 24 часа. Современная наука еще не установила точно период вращения Венеры и, хотя этот период, по-видимому, длиннее, чем находил Белопольский, он вое же должен быть сравнительно коротким, поэтому на Венере смена дня и ночи и выравнивание температур сходны с аналогичными явлениями на Земле.

Определяя в 1895 г. скорость вращения колец Сатурна, Белопольский установил большую линейную и угловую скорость вращения у внутренних частей кольца, подтвердив этим справедливость вывода о том, что кольцо не является сплошным, а состоит из множества мелких тел, как это и вытекало из теоретических расчетов.

В 1895 г. Белопольский впервые спектрально определил период вращения экваториальных областей Юпитера, видимая облачная поверхность которого не вращается как одно целое. Эта скорость оказалась несколько меньшей, чем скорость, определяемая непосредственно по перемещению пятен на его диске. Отсюда следовал вывод, что размеры видимого диска Юпитера преувеличены благодаря действию рефракции в мощной атмосфере этой планеты.

Для Белопольского, как и для других крупнейших ученых-экспериментаторов, не существовало «черной» работы. Он сам постоянно мастерил и ремонтировал приборы. К этому он был подготовлен тем, что еще студентом работал в железнодорожных мастерских и там приобрел конструкторские и производственные навыки.

Огромное количество работ, выполненных Белопольским за пятьдесят лет его научной деятельности, трудно даже перечислить. Они явились стимулом к разработке его методов и идей нашими и зарубежными учеными как среди его современников, так и среди последующих поколений. Белопольский создал школу русских спектроскопистов и основал (уже в советский период) солнечную лабораторию в Пулкове. С 1916 по 1919 гг. Белопольский возглавлял Пулковскую обсерваторию. В первом своем отчете о работах обсерватории он писал: «Мне хотелось бы, чтобы она сохраняла характер национального учреждения, чтобы пополнение убыли персонала производилось за счет окончивших курс в русских высших учебных заведениях... Я бы желал, чтобы новые научные приборы, при малейшей к тому возможности, строились бы пулковской мастерской или вообще в России. Силы для этого у нас есть, их нужно только поощрить». Будучи ученым с кипучей энергией, Белопольский в то же время тяготился своей административной деятельностью и поэтому вскоре оставил ее.

Белопольский, ученый с мировым именем, в своем лице осуществил ту связь, ту преемственность, которая существует между советской наукой и лучшими учеными дореволюционной эпохи. Свой опыт он передавал новым поколениям ученых, воспитанным революцией. Он умер в 1934 г., ослепнув до этого на один глаз, но не прекратив до последних дней свою работу по измерению спектрограмм под микроскопом.