Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Рис. 8.3. Часть сообщения Парижской Академии, содержащая доклад Рёмера об открытии конечной скорости распространения света.
Открытие Брадлеем аберрации света решило этот вопрос. Исходя из скорости Земли на орбите и наблюдаемого изменения видимого положения звезды Этамин, Брадлей смог вычислить скорость света — результат почти совпал с измерениями Рёмера. Эти два совершенно разных наблюдения убедили научное сообщество в конечности скорости света. Если бы скорость света была бесконечной, аберрация была бы нулевой.
Технический прогресс.Ньютон скептически смотрел на возможность создания линзовых объективов, лишенных цветовых погрешностей. Но в XVIII веке оптики смогли их изготовить. Одним из них был Джон Доллонд из Лондона, получивший около 1757 года первый патент на изобретение ахроматического объектива. Сначала он состоял из двух линз, но позже сын Джона, Питер, сделал трехлинзовый объектив. Внешние линзы были выпуклые, из обычного стекла типа крон, а между ними была вставлена двояковогнутая линза, изготовленная из сильно преломляющего стекла типа флинт. При такой конструкции лучи света разных цветов фокусируются почти в одной точке фокальной плоскости.
Вначале ахроматические объективы были малы, меньше ю см в диаметре. И только в 1799 году франко-швейцарский ремесленник и любитель оптики Пьер Луи Гуинанд научился делать большие диски из флинта хорошего качества, а затем изготовил из них и ахроматические объективы; самый большой из них был диаметром 35 см. Вначале Гуинанд держал свой метод в секрете. Но в 1805 году он переехал в Мюнхен, где начал сотрудничать с Йозефом Фраунгофером. Так искусство изготовления линз Гуинанда объединилось с искусством механика Фраунгофера, что заметно сказалось на развитии науки.
Йозеф фон Фраунгофер (1787–1826) осиротел в и лет и был вынужден пойти работать. Его взял к себе подмастерьем мастер по изготовлению зеркал, который, к сожалению, умер через три года в результате несчастного случая в мастерской. Пострадал при этом и Фраунгофер, но это не сказалось на его карьере. Он смог поступить на работу к Йозефу фон Утцшнайдеру (1763–1840), владевшему фирмой по изготовлению оптических приборов. Необразованный, но талантливый юноша быстро продвинулся, стал помощником Утцшнайдера и принялся изучать свет и оптику. Их фирма, состоявшая из более чем полусотни человек, вышла в мировые лидеры по изготовлению точных приборов для геодезии, навигации и астрономии.
Наряду с оптикой развивались и прочие части телескопа. Мы уже рассказывали о нитяном микрометре (спасибо пауку!), необходимом для точных позиционных измерений. Другим полезным для астрономии прибором стали часы. Как было сказано в главе 7, Гюйгенс создал первые маятниковые часы. Они преобразили и наш быт, и науку и тут же нашли применение в астрономии.
Звездное небо вращается с постоянной скоростью, поэтому, чтобы узнать, где искать звезду, нужно знать время. Или наоборот, если наблюдать звезду, когда она пересекает на юге меридиан, то момент пересечения дает координату долготы этой звезды на небе («прямое восхождение»). Если быть точным, то речь идет о сидерическом времени, которое отличается от нашего обычного солнечного времени, потому что звездное небо вращается немного быстрее Солнца. Причина в том, что в дополнение к суточному вращению Земли она еще обращается и вокруг Солнца. Это приводит к тому, что звездное небо совершает один «лишний» поворот за год, и поэтому сидерическое (звездное) время течет быстрее солнечного на 4 минуты в сутки (24 4/365 сут = 4 мин). Используя направленный к югу меридианный инструмент и точные часы, астрономы измерили точные значения координат для тысяч звезд, создав базу для первых успешных определений звездных параллаксов.
Возрождение метода Галилея.Измерения аберрации показали, что годичный параллакс звезд значительно меньше аберрации и что звезды расположены гораздо дальше, чем казалось. Это вынудило астрономов развивать новые, более точные методы наблюдения и стараться угадать перспективные, наиболее близкие звезды, параллаксы которых были бы достаточно велики и доступны для измерения.
Вильям Гершель (подробно мы расскажем о нем в другом месте) стал первым, кто попытался применить метод относительных параллаксов Галилея при наблюдении реальных звезд. Он составил список сотен звездных пар на небе и выбрал для измерения те пары, в которых одна из звезд была заметно менее яркой. Если считать, что эта тусклая звезда расположена гораздо дальше яркой, ее можно использовать как звезду сравнения, относительно которой измеряется параллактический сдвиг более яркой и близкой звезды. Заметим, что у обеих звезд в паре аберрация практически одинаковая, поэтому ее можно не учитывать.
Когда Гершель попытался использовать метод Галилея для определения параллакса при помощи своего телескопа, он неожиданно обнаружил на небе большое количество звездных пар. Сначала он думал, что пары состоят из звезд, расположенных на разных расстояниях от нас, и что они случайно оказались видны рядом при наблюдении с Земли. Но их огромное количество заставило его предположить, что некоторые пары могут быть действительно близкими в пространстве звездами, физически двойными. Позднее он убедился в этом, наблюдая звезду Кастор в созвездии Близнецов. Кастор состоит из двух компонентов, и Гершель установил, что они обращаются друг вокруг друга. Предполагая измерить параллаксы, Гершель открыл двойные звезды! Это открытие по важности не уступает открытию Галилеем спутников Юпитера: гравитация оказалась универсальным явлением, как и предполагал Ньютон.
Гонка за звездными расстояниями.За свою короткую жизнь Йозеф Фраунгофер сделал очень многое для улучшения телескопов. Он создал штатив, на котором телескоп мог вращаться в экваториальной плоскости вокруг оси, направленной к северному полюсу. Штатив был снабжен часовым механизмом, обеспечивающим необходимую скорость вращения, так что интересующие ученого звезды постоянно оставались в поле зрения, и астроном мог точно определять их положение. Фраунгофер изготовил также специальный тип рефрактора, так называемый гелиометр, очень удобный для точного измерения углового расстояния между двумя звездами.
Мастерство Фраунгофера в изготовлении приборов позволило Фридриху Бесселю (1784–1846) впервые надежно измерить параллакс звезды. Директор Кёнигсбергской обсерватории Бессель был человеком, выбившимся из низов; его юношеской мечтой было отправиться в торговую экспедицию в Китай и Ост-Индию. Готовясь к этой поездке, он решил ознакомиться со способами наблюдения на море. Постепенно от навигации он перешел к астрономии, а от астрономии — к математике.
Фраунгофер построил первый гелиометр для обсерватории Бесселя. Но сборка была завершена только после смерти мастера-оптика в 1829 году. Бессель знал о высоком качестве инструмента, но только в 1837 году начал серьезно заниматься проблемой параллакса. В отличие от Гершеля, он решил не использовать яркость звезды как критерий ее расстояния. Он полагал, что те звезды, которые быстро перемещаются по небу относительно других звезд, должны быть более близкими. За век до этого британский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742) показал, что звезды не закреплены на небесной сфере, а медленно передвигаются. Например, со времен Птолемея Сириус сместился на полградуса (диаметр Луны). Эти собственные движения отражают и перемещение нашего Солнца в пространстве, и истинное движение самой звезды. В любом случае, ожидается, что далекая звезда имеет небольшое собственное движение, в то время как близкая звезда кажется быстрее движущейся (например, когда вы мчитесь в поезде, вам кажется, что близкие предметы за окном перемещаются быстро, а далекий ландшафт еле ползет). В соответствии с этим критерием Бессель выбрал довольно неприметную звезду 61 Лебедя, на «заднем крае крыла» созвездия Лебедь. Эта звезда — настоящий спринтер среди звезд: она смещается более чем на три диаметра полной Луны за тысячу лет. А рекордсменом, как выяснилось позже, является звезда Барнарда в Змееносце, смещающаяся на один диаметр Луны за 180 лет. И действительно, она на втором месте среди ближайших к нам звезд.
В течение года Бессель измерял угловое расстояние звезды 61 Лебедя от трех других тусклых звезд сравнения. Тщательный анализ этих измерений показал ему, что звезда имеет параллакс 0,3136 ± 0,0202 секунды дуги. Как известно, параллакс в одну секунду дуги соответствует расстоянию в 206 265 радиусов земной орбиты (врезка 8.1). По результатам Бесселя звезда 61 Лебедя оказалась расположена на расстоянии примерно в 650 000 раз дальше, чем Земля от Солнца. Отметим, что возможная неточность результата Бесселя («плюс/минус») была вычислена уже в наши дни способом, который предложил математик Карл Фридрих Гаусс, показавший, как из наблюдений можно не только найти среднее значение измеряемой величины, но и оценить вероятную ошибку. Современные измерения дают для параллакса звезды 61 Лебедя значение 0,299 ± 0,0045 секунды дуги, так что результат Бесселя был весьма близок к истинному.
