Kitabı oku: «Любительская астрономия: люди, открывшие небо», sayfa 3

Глава III
Люди, расширившие границы Вселенной

Многих людей, совершивших крупные научные открытия и изменивших научную картину мира, с современной точки зрения можно считать астрономами-любителями. Они строили телескопы и другие инструменты на собственные средства и не получали (во всяком случае в начале своей деятельности) никакой оплаты за свой труд. Между тем их труды способствовали становлению всей научной картины мира.

1. Великий наблюдатель: Вильям Гершель

Он родился в 1738 году в Ганновере, в семье музыканта военного оркестра, и, как часто бывало в то время, продолжил дело отца: поступил на службу в военный оркестр (гобоистом) и в 1755 году в составе полка был командирован из Ганноверского куфрюршества⁷ в Англию (эти два государства в то время были связаны личной унией)⁸. В 1757 году ушёл с военной службы ради занятий музыкой. Он играл также на скрипке, клавесине и органе. Работал органистом и учителем музыки в Галифаксе, затем переехал в курортный город Бат, где стал распорядителем публичных концертов.

Вильям Гершель

Интерес к музыкальной теории привел Гершеля к математике и к знакомству с Джоном Мичеллом, священником из деревни Торнхиллл, бывшим в то же время видным естествоиспытателем и геологом. Мичелл занимался астрономией, оптикой, небесной механикой, будучи одновременно теоретиком и экспериментатором. Открыл, в частности, волноподобную природу землетрясений, осуществил целый ряд оригинальных исследований в области магнетизма и гравитации. Особенно стоит отметить, что Мичелл предвидел возможность существования объектов, схожих с теми, которые позже назовут черными дырами. Письмо от 27 ноября 1783 года, которое он послал в Королевское общество⁹, содержало концепцию массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света с расчётом, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов. Правда, «чёрная звезда» Мичелла не похожа на современные модели чёрных дыр, Мичелл не предполагал, что вещество в чёрных дырах может быть сжато до чудовищных плотностей.

Мичелл пробудил интерес Гершеля к астрономии, который окреп после знакомства с Невиллом Маскелайном, занимавшим в то время почетную должность Королевского астронома. Не имея денег на покупку крупного телескопа, Гершель стал изготавливать их самостоятельно, и с этих пор он тратил до 16 часов в день на шлифовку и полировку металлических зеркал. Гершель начал регулярные наблюдения в мае 1773 года, а 1 марта 1774 года начал вести астрономический журнал. Первые записи наблюдений в нем были посвящены Сатурну и Большой туманности Ориона.

Жизнь Гершеля теперь оказалась полностью посвящена двум главным делам: наблюдениям и созданию телескопов. За ночь он мог внимательно пронаблюдать несколько сотен объектов! А за всю свою жизнь он построил более четырехсот телескопов – как для себя, так и на продажу. Самым большим и самым известным из них был рефлектор с зеркалом диаметром 49,5 дюйма (1,26 м) и фокусным расстоянием¹⁰ 40 футов (12 м). В 1789 году, вскоре после начала работы с этим инструментом, Гершель открыл с его помощью спутники Сатурна Энцелад и Мимас – далекие и крохотные небесные тела, диаметр которых по современным данным всего 500 и 400 км соответственно! Правда, из-за огромных размеров телескоп был неудобен в управлении. Большинство наблюдений Гершель сделал на меньшем инструменте – с диаметром зеркала 47 см и фокусным расстоянием 6,1 м.

Интересы Гершеля в начале его работы сосредоточились на поиске пар звезд, которые на небе казались очень близкими друг к другу. Астрономы того времени ожидали, что изменения во взаимном расположении этих звезд в течение года дадут возможность измерить параллакс – кажущееся смещение близких звезд на фоне более далеких – и определить расстояние от звезд до Земли. Гершель начал систематический поиск и обнаружил множество двойных и кратных звезд.

В 1797 году Гершель произвел измерения повторно и обнаружил изменения в их относительных положениях, которые не могли быть объяснены параллаксом, вызванным орбитальным движением Земли. Гершель сделал новаторский вывод о существовании звёздных систем (прежде предполагалось, что двойные звёзды лишь случайно расположены на небе таким образом, что при наблюдении оказываются рядом). В целом же Гершель обнаружил более 800 систем, состоящих из двух или нескольких звезд. Почти все они действительно связаны силами тяготения. Его теоретическая и наблюдательная работа служит основой для современной астрономии двойных звезд.

В марте 1781 года, производя очередные наблюдения по поиску двойных звезд, Гершель заметил объект, который выглядел небольшим зеленоватым диском. Первоначально Гершель считал, что это была комета или звездный диск (он ошибочно полагал, что его инструменты могут показать реальные диски звезд). Он провел много наблюдений объекта и убедился, что тот перемещается по небу. Русский академик Андрей Иванович Лексель вычислил орбиту нового небесного тела и доказал, что оно является неизвестной ранее планетой, чья орбита лежит за орбитой Сатурна. Это был последний «гвоздь, забитый в крышку гроба» старых представлений о Солнечной системе.

Гершель назвал новую планету «Звездой Георга» в честь короля Георга III, который покровительствовал ему. Но название не прижилось. Теперь мы знаем эту планету под мифологическим именем Уран – в честь древнегреческого бога неба.

Не менее плодотворно работал Гершель над открытиями новых туманностей и звездных скоплений. В то время астрономам уже было известно немало объектов, которые имели вид тусклых туманных пятен. Шарль Мессье уже составил свой каталог туманностей, насчитывающий (с последующими добавлениями) 110 объектов. Правда, Мессье воспринимал туманности только как помеху при поиске новых комет, и не считал их объектами, представляющими самостоятельный интерес.

С 1782 по 1802 г., а наиболее интенсивно с 1783 по 1790 г., Гершель проводит систематические исследования в поисках туманностей. За исключением дублирующих и «потерянных» записей, в конечном счете Гершель обнаружил более 2400 объектов, определенных им как туманности. (В то время термин «туманность» применялся для любых астрономических объектов, которые были видны как туманное пятно, – ведь многие плотные звездные скопления еще не были разрешены на отдельные звезды, а природа галактик станет ясной лишь в начале XX века.)

Изучая собственное движение звезд, Гершель стал первым, кто понял, что Солнечная система движется в окружающем пространстве, и определил примерное направление этого движения – созвездие Геркулес.

Кроме того, изучив распределение звезд на небе, он сделал вывод о том, что Млечный Путь имеет форму диска, а Солнечная система находится внутри него. Правда, Гершель ошибся, считая, что Солнце находится вблизи центра диска. В действительности наша звезда расположена на периферии видимого диска Галактики, на расстоянии 26 тыс. световых лет от ее центра. Но стоит отметить, что по современным данным, нашу галактику окружает гало из темной материи, во много раз превосходящее по размерам ее часть, состоящую из звезд, газа и пыли. В таком случае, Солнце все-таки расположено близко к центру этой гигантской системы.

Работы Гершеля положили начало изучению неизвестных ранее видов излучения. Занимаясь исследованием Солнца, он искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. 11 февраля 1800 г. Гершель испытывал солнечные светофильтры. Определяя с помощью термометров температуру разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Один из термометров в опыте должен был измерять температуру за пределами полоски видимого спектра, по мысли Гершеля – температуру окружающего воздуха в помещении. Он был удивлен, когда этот термометр показал более высокую температуру, чем в видимом спектре. Дальнейшие эксперименты привели Гершеля к выводу, что должна быть невидимая форма излучения за пределами видимой области спектра. Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Совокупность всех этих открытий делает Гершеля основоположником такого раздела современной науки, как звездная астрономия.

2. Верная сестра

Говоря о Гершеле, невозможно не упомянуть еще о его сестре, Каролине Гершель.

Каролина была единственной девушкой среди пяти выживших детей военного музыканта Исаака Гершеля. Вопреки воле своей матери, которая предпочла бы, чтобы она была швеей, Каролина, как и ее братья, получила музыкальное образование и стала певицей.

Когда ей было 22, она переехала в Англию к брату (он был старше ее на двенадцать лет). В доме брата Каролина стала выполнять обязанности экономки, но в то же время он дал ей возможность выступить в качестве солистки в своих концертах. Она могла бы сделать большую музыкальную карьеру, если бы ее не заразила страсть брата к астрономии. Без сомнения, это была необычная семья, среди которых даже двойные таланты (музыка и астрономия), по-видимому, были скорее правилом: брат Гершеля Александр, тоже музыкант, также помогал Вильяму в изучении неба.

Каролина научилась шлифовать и полировать зеркала для телескопов, освоила математику, необходимую для астрономических расчетов.

После открытия Вильямом Урана, когда астрономия стала главным его занятием, Каролина Гершель стала перед выбором: продолжать ли свою карьеру в качестве певицы или «служить» своему брату в качестве его научного ассистента. Она выбрала последнее и была назначена судом в качестве квалифицированного помощника с зарплатой в 50 фунтов стерлингов в год – первая зарплата, которую женщина когда-либо получала за научную работу.

Теперь Каролина начала свои собственные астрономические исследования, сосредоточившись на поиске комет. Между 1786 и 1797 гг. она обнаружила восемь «хвостатых светил». Она также обнаружила четырнадцать туманностей, измерив положение еще более сотни, и составила каталог звездных скоплений и туманностей. Кроме того, она подготовила дополнительный каталог для звездного атласа Флемстида. За эту работу ее высоко ценили, в числе других ученых, великий математик Карл Фридрих Гаусс и астроном Иоганн Франц Энке. Несмотря на определенный успех в своих исследованиях, она оставалась очень скромной женщиной.

В 1822 году, через несколько недель после смерти своего брата, Каролина Гершель вернулась в свой родной город Ганновер, который она оставила почти пятьдесят лет назад. Знаменитые ученые искали теперь ее в простом доме на Marktstrasse (Марктшрассе, одна из улиц Ганновера). К 1828 году она закончила работу над каталогом 2500 туманностей и звездных скоплений, наблюдавшихся её братом, а также двумя дополнениями к нему. Впоследствии именно этот каталог вместе с данными наблюдений ее племянника – сына Уильяма, Джона Гершеля – послужит одним из основных источников для Нового общего каталога (NGC), составленного Дрейером в 1888 году.

Она была награждена многочисленными наградами: например, в 1828 году получила золотую медаль Королевского астрономического общества, в котором она была избрана почетным членом в 1835 г. В 1838 году Королевская Ирландская академия наук в Дублине избрала 88-летнюю Каролину Гершель в свои члены. И в 1846 году, в возрасте 96 лет, Каролина была награждена от имени короля Пруссии золотой медалью Прусской академии наук.

Ни одна из обнаруженных ее комет не была названа в честь нее, но кратер на Луне, а также один из астероидов увековечили ее имя на просторах Солнечной системы.

Судьбы Уильяма и Каролины Гершелей могут служить примером для тех, кто хочет найти свой путь как в науке, так и в жизни. Их не остановила ни смена профессии, ни, в случае с Каролиной, нетипичность таких занятий для женщин в те времена…

3. «Левиафан» и мир туманностей

Инструменты Вильяма Гершеля оставались самыми крупными в мире около полувека. В 1847 году вступил в строй новый гигантский для того времени телескоп с зеркалом диаметром 72 дюйма (1,87 м) и фокусным расстоянием 17 метров. За свои размеры он получил прозвище в честь библейского чудовища – «Левиафан». Он оставался крупнейшим телескопом в мире до начала XX века.

На строительство телескопа ушли огромные средства и, конечно, труд многих людей, изготовивших зеркало, трубу, и громадную конструкцию, служившую им опорой. Но главного инженера и одновременно спонсора этого строительства Уильяма Парсонса, третьего лорда Росса – тоже можно назвать астрономом-любителем. Ведь он удовлетворял прежде всего собственную страсть к астрономии и сам проводил наблюдения при помощи этого инструмента. Но для реализации своего смелого замысла ему пришлось не только купить дорогостоящие материалы и оборудование для мастерских, но и обучить окрестных крестьян оптике и механике, поскольку специалистов найти было очень трудно.

«Левиафан», телескоп лорда Росса

«Левиафан» получился поистине гигантским. Вес трубы вместе с металлическим зеркалом достигал 12-ти тонн. Управлять такой громоздкой махиной было тяжело. Приводилась она в движение системой платформ, подпорок и рычагов. Опорой для трубы и защитой от ветра служили две огромные каменные стены. Нижний конец 12-тонной трубы опирался на чугунный шарнир, верхний был закреплен на цепях. Свободно двигаться эта конструкция могла лишь по высоте (вверх и вниз). По азимуту (т. е. вправо и влево) труба смещалась лишь на 15 градусов. Следить за объектом, таким образом, можно было лишь сравнительно короткое время и только тогда, когда он оказывался в узком интервале доступных телескопу азимутов (то есть в узкой полосе неба, на которую он мог быть направлен). Такая конструкция исключала и применение фотографических методов наблюдения, которые уже начинали входить в астрономическую практику. «Левиафан» не мог удерживать объект в поле зрения в течение длительной выдержки.

Лорд Росс

У бронзовых зеркал, которыми оснащались тогда все телескопы-рефлекторы, имелись серьезные недостатки: они были тяжелы, прогибались под собственным весом, к тому же быстро тускнели и требовали повторной полировки.

Не самым удачным было и расположение гиганта: климат Ирландии не изобилует ясными ночами: их бывает всего 60–80 за год…

Однако, несмотря на все эти трудности, телескоп лорда Росса (и несколько меньших инструментов, построенных им же) сослужил хорошую службу науке. С его помощью в каталоги были внесены новые звездные скопления и туманности. Лорд Росс делал детальные зарисовки этих объектов. Ему принадлежит, например, авторство названия «Крабовидная туманность», под которым мы знаем самый известный на небе остаток сверхновой¹¹. Некоторые из туманностей, которые в приборах Гершеля казались лишь облачками, оказались для «Левиафана» тесными звездными скоплениями. У некоторых, например у Туманности Андромеды и туманности в Гончих Псах, выявилась спиральная структура. Но то, что одни туманности представляют собой газовые облака нашей галактики, а другие – сами являются далекими гигантскими звездными системами – галактиками – стало окончательно ясно лишь в XX веке.

Лорд Росс умер в 1867 году. После его смерти «Левиафан» оставался в строю еще около 30 лет. На нем проводил наблюдения сын его создателя, а также Джон Дрейер – составитель Нового общего каталога туманностей и звездных скоплений, объекты из которого знакомы любителям астрономии и профессионалам по сокращенному обозначению NGC – New General Catalogue.

В 1908 году телескоп был частично демонтирован, а в 1914 году зеркало с оправой передано в музей науки в Лондоне.

В 1994 году бывший инженер-строитель и астроном-любитель Майкл Табриди начал работу по восстановлению телескопа. Первоначальные чертежи были утеряны, и ему пришлось предпринять почти детективную работу, чтобы сопоставить между собой остатки телескопа, случайные комментарии в журналах наблюдений, а также фотографии инструмента, сделанные Мэри Росс, женой Уильяма. Восстановительные работы продолжались с начала 1996 года. До начала 1997 года было запланировано ввести в строй рабочее зеркало, но из-за бюджетных ограничений эту идею пришлось отложить для отдельного проекта.

Новое зеркало было установлено в 1999 году. В отличие от оригинального, которое было сделано из бронзы, и в отличие от современных зеркал, которые изготавливаются из стекла с алюминиевым или серебряным покрытием, это зеркало сделано из алюминия – как компромисс между достоверностью и полезностью в астрономических наблюдениях. Восстановленный телескоп лорда Росса – замечательный памятник науки.