Первый этап и результаты развития телескопической астрономии – эпоха рефракторов

Часть 5.

ПЕРВЫЙ ЭТАП И РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗВИТИЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ – ЭПОХА РЕФРАКТОРОВ (XVII - ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XVIII вв.)

В XVII в. были организованы национальные академии наук — в Италии «Academia del Chimento» (Академия естествознания, или опыта) — 1657 г.; в Великобритании — Лондонское королевское общество (1662г.); во Франции Парижская академия наук (1666/7 г.). Тогда же были созданы крупнейшие государственные астрономические обсерватории: Парижская в 1667—72 гг. и Гринвичская в Лондоне (1676 г.). Последняя - для решения актуальной проблемы разработки более точных методов определения долготы на море. Из частных обсерваторий наиболее известной и плодотворно работавшей была Гданьская обсерватория Гевелия (построена в 1641 г., восстановлена к 1681 г. после пожара 1679 г., когда удалось спасти лишь рукописи Кеплера).

Начало телескопической астрономии характерно быстрым ростом числа астрономов. Напомним о главных действующих лицах этого периода: Ян Гевелий (1611-1687, Гданьск, Польша); Иеремия Хоррокс (1618-1641, Англия), первый продолжатель Кеплера и один из предшественников Ньютона; Джан Кассини (1625-1712), Флоренция, с 1669 г. во Франции, первый директор Парижской обсерватории (1671—1711 гг.), глава астрономической династии; Христиан Гюйгенс (1629—1695), Голландия, конструктор особо длиннофокусных рефракторов («воздушных труб»), заложил основы теории труб (теории геометрической оптики). В 1666—1681 во Франции, возвращение в Голландию (из-за гонений на протестантов). В. Гасконь (1612—1644, Англия), А. Озу (1640-1691, Франция), Р. Гук (1635-1703), Олоф Рёмер (1644-1710), Дания, в 1672-1681 гг. во Франции на Парижской обсерватории, возврат на родину (как протестанта). Джон Флемстид (1646—1719), Англия, первый директор Гринвичской обсерватории (основана в 1676 г.), т.е. королевский астроном. Э. Галлей (1656—1742), второй директор Гринвича (с 1720 г.). Джеймс Брадлей (1693-1762), третий директор Гринвичской обсерватории (с 1742 г.). Товия Майер (1723-1762), Германия, ученый-самоучка, профессор математики и директор обсерватории Гёттингенского университета.

После изобретения и введения в дело подзорной трубы Галилея (1609-1610), изобретения (1611, Кеплер) и реализации (1613, Х.Шейнер) первого рефрактора (с перевернутым, но действительным изображением и большим полем зрения) и изобретения параллактической монтировки телескопа (1618 — он же) еще на протяжении нескольких десятилетий продолжалось сосуществование с оптикой дооптических угломерных инструментов (квадранты, секстанты). Последний точный наблюдатель на них — Я. Гевелий, достигавший точности измерений с ошибкой менее 1', начал использовать и рефракторы, но лишь для рассматривания объектов. (В первой половине XVII в. рефракторы еще не имели приспособлений для точного наведения и измерении положения светила.) С введением таких приспособлений, особенно окулярного нитяного микрометра (независимо изобретен в 1640 г. Гаскойнем, затем Гуком и Озу), и кругов отсчета (в 1660—70-е гг. — Озу, Пикар, Шорт) телескопическая астрономия окончательно вытеснила наблюдения невооруженным глазом. XVII век стал первой эпохой развития рефракторов. Как правило, все выдающиеся астрономы XVII — начала XVIII вв. (Гевелий, Гюйгенс, Гук, Ньютон и др.) были искусными шлифовальщиками оптических стекол для телескопов. Борьба за увеличение изображения и уменьшение аберрации в однолинзовых рефракторах привела к изобретению чрезвычайно длиннофокусных телескопов — «воздушных труб» (до 60 — 70 м! объектив их крепился на высокой мачте и не был связан с окуляром жесткой оправой-трубой). Гюйгенсу принадлежит создание основ теории зрительных труб («Диоптрика», 1652). Он же изобрел сложный (двухлинзовый) окуляр («окуляр Гюйгенса»), исправлявший хроматическую аберрацию, кому и астигматизм (1662). Но изображение в нем было мнимым, и окуляр оказался неприменимым для точных измерений с нитяным микрометром. Олоф Рёмер, которого называли «Северный Архимед», изобрел свыше 50 новых инструментов и приборов, в том числе в 1689-90гг. пассажный инструмент и меридианный круг.

Флемстид первым оценил рефлектор Ньютона и преимущества параболического зеркала в нем. Но в практику рефлекторы вошли позже.

Глава 16. Успехи телескопической астрономии XVII - начала XVIII вв.

1. Открытия в Солнечной системе

Первыми стало открытие солнечных пятен и др. деталей на поверхности Солнца; открытие и измерение периода вращения Солнца (И. Фабрициус, 1611). Произошло и открытие Зодиакального света.

После первой и неизвестно на каком основании полученной в новое время оценки солнечного параллакса Кеплером (1', вместо 3', по Аристарху и Гиппарху) новое уточнение его получил Гевелий (40"); а затем Иеремия Хоррокс (в 1639 г. — по наблюдениям прохождения Венеры: 14", но это надолго осталось неизвестным). В результате оценки расстояния Солнца от Земли (а.е. -«астрономической единицы») в XVII в. быстро возрастали (сначала в расстояниях Луны): 20 (до Тихо Браге включительно), 60 (по Кеплеру), 86 (по Гевелию), 260 (у Хоррокса). Первое получившее известность и довольно точное определение солнечного параллакса в новое время было сделано в результате синхронных наблюдений Марса во время его противостояния в /672г. Дж. Кассини и Ж. Пикаром (в Париже) и Ж. Рише (в Кайенне близ экватора): 9,5". Это позволило Кассини оценить расстояние до Солнца (а.е.) в 140 млн. км (360 расстояний до Луны) и составить более точные таблицы видимого движения Солнца (1673). Кассини также составил более точные таблицы рефракции, сменившие таблицы Кеплера.

С 1642 г. Гевелий начал составление детальных карт лунной поверхности (с географическими названиями деталей). Результаты Гевелия по Луне вошли в его «Селенографию» (1647). Но затем итальянский ученый монах Дж. Риччоли в описании карты Луны, составленной им совместно с Ф.М. Гримальди, ввел удержавшийся поныне именной принцип наименований лунных кольцевых гор и дал свои «астрологические» имена лунным «морям» (в соч. «Новый Альмагест», 1651).

Детально изучалось движение Луны для составления более точных таблиц (Хоррокс, 30-е гг. XVII в.; Флемстид, составивший новые ее таблицы в

1673 г., которые вопреки его воле использовал Ньютон в теории тяготения). В 1693 г. Галлей открыл вековое ускорение Луны и, проведя с 1719 г. полный 18-летний цикл наблюдений Луны (за полный период движения узлов ее орбиты), составил новые лунные и планетные таблицы (опубликованы лишь в 1752 г.). Сын Дж. Кассини Жак Кассини предложил новый более точный метод определения долготы на море — по моментам покрытия звезд Луной.

В мире планет — Гевелий открыл фазы, аналогичные лунным, у Меркурия. По наблюдениям прохождения Венеры по диску Солнца начали уточнять значение а.е. (метод Галлея). Первые измерения периода вращения Марса по наблюдению деталей на нем провели Гук в 1665—66 гг. (24 ч.), а затем Дж. Кассини (24 ч. 37 м.). В1667 г. Гюйгенс открыл полярные шапки и одну полосу на Марсе, уточнив и период вращения планеты. Наблюдения ярчайшей планеты Юпитера принесли в XVII в. наибольшее число открытий, и не только в планетной астрономии: открытие затмений спутников Юпитера (Дж. Ходиерна, Сицилия, 1652); открытие «красного пятна» (Дж- Кассини, одновременно с Гуком, 1665); открытие вращения планеты (Гук, 1666) и измерение его периода (Дж. Кассини: 9 ч. 56 м., по современным данным — 9 ч. 55 м. 41 с.); составление первых точных таблиц движения его спутников с расчетом моментов их затмений (Кассини, 1668/1693). Гюйгенс отметил полосы на Юпитере.

В 1675 — по запаздыванию моментов начала затмений спутников Юпитера при наблюдении близ соединений планеты по сравнению с табличными данными, вычисленными в противостоянии, О. Рёмер открыл конечность скорости света. Его оценка (около 210 тыс. км/сек), уже верная по порядку величины, не только поражала своим чудовищным (но все же конечным!) значением, но и позволила ввести новую единицу измерений расстояний во Вселенной — световой год.

После Галилея велись интенсивные поиски новых спутников у планет (термин ввел Кеплер). Первым был открыт спутник у Сатурна, названный Титаном, и весьма точно измерен период его вращения (Гюйгенс, 1655). И уже на следующий год была открыта совершенно неожиданная деталь в планетной системе — чрезвычайно тонкое кольцо вокруг Сатурна (Гюйгенс, 1656), в котором Кассини в 1679 г. открыл первое деление («щель Кассини»). Он же открыл следующих четырех спутников Сатурна (1671 — Япет, 1672 — Рея, 1684 - Диана, 1684 — Тетис). Этим были исчерпаны возможности рефракторов XVII в. До 1781 г. не было сделано ни одного открытия нового спутника или планеты в Солнечной системе.

В XVII в. было открыто несколько комет (в том числе Гевелием комета 1682 г., будущая «галлеева»). Укреплялось мнение об их непрямолинейных, скорее параболических траекториях (Гевелий, Дёрфель, Галлей), для определения которых Галлей первым перешел от старого геометрического метода (им еще пользовался Ньютон) к алгебраическому.

Первой кометой, относительно которой был сделан вывод (Галлеем,) о ее периодичности, была, однако, не комета 1682 г. (названная галлеевой).а яркая комета 1680 г. Галлей оценил ее период — в 575 лет ("современные данные — более 8 тыс. лет) и смоделировал чрезвычайно вытянутую орбиту, перигелий которой располагался чрезвычайно близко к Солнцу. Выводы его признал убедительными Ньютон и включил их в свои «Начала» (1687). Комета 1680 г. сыграла существенную роль в истории планетной космогонии (В. Уинстон, за ним Бюффон) и в развитии представлений о физике самих комет (Ньютон — высказал идею нагрева и сублимации вещества кометы при сближении кометы с Солнцем; Эпинус в следующем веке сделал вывод о ледяном «окаменелом» состоянии тела кометы вдали от Солнца.). Галлей же впервые испробовал исторический метод отождествления астрономических событий, что способствовало открытию им и его другом периодической кометы (1682 г.), период которой в 75—76 лет позволял проверить теорию в обозримое для наблюдателей время.

Плодотворным путем получения неожиданных открытий стал путь многовековых поисков звездных параллаксов — видимых смещений звезд за счет орбитального движения Земли. На этом пути были открыты аберрация

(Брадлеем, 1728), нутация (он же, 1748), а в дальнейшем физическая двойственность звезд — двойные звезды (В. Гершель, 1802/1803).

С учетом нутации — верхняя граница звездных параллаксов оказывалась не более 0,5" (что соответствовало наименьшим межзвездным расстояниям не менее 6,5 св. лет). В дальнейшем это подтвердилось для северного полушария. Ближе к нам находится лишь α Сеп (в Южном полушарии).

Таким образом, привычная в течение веков и тысячелетий картина звездной сферы уступила место картине неизмеримой по глубине звездной Вселенной.

Глава 18. Туманности — новый объект астрономических наблюдений

Первым следствием утверждения ньютонианской гравитационной картины мира стало появление, уже в середине XVIII в., трех умозрительных космологических гипотез о сложности структуры звездной Вселенной (Райт, Кант, Ламберт).

Но этому предшествовало открытие и осознание важности совершенно новых космических объектов — «туманностей».

1. Первые шаги в мире «туманностей»

В 1610 г. Галилей разложил в звезды некоторые облака в Млечном Пути, что стало первым доказательством его звездного состава (подтвердив спустя тысячелетие догадки Демокрита), а также «туманную звезду» в Раке, и открыл, таким образом, первое звездное скопление (рассеянное) — «Ясли». В 1612 г. Симон Мариус отметил правильную, вытянутую форму и характерную слоистую структуру млечной Туманности Андромеды, остроумно сравнив ее с пламенем свечи, если его рассматривать через роговую пластинку. В 1687 г. Гевелий отметил и внес в свой звездный каталог на эпоху 1660 г. (опубл. в 1687 г.) 16 туманностей в созвездиях: Андромеды (1), Козерога (4) Лебедя (2), Геркулеса (3), Пегаса (1), Щита Собесского (1), Весов (1), Б. Медведицы (1), Скорпиона (2). Цизат (1619г.) открыл Светлую Туманность в Орионе (вокруг τ Ori в его поясе, в мече). Гюйгенс независимо в 1694 г. внес в свой дневник запись о таком же открытии и впервые высказал идею существования щели в сверхзвездные пространства Вселенной, заполненные огненной материей (в соответствии с картиной космоса по Библии).

В статье, опубликованной в 1715 г., Галлей сообщил об открытии или переоткрытии им шести туманностей: в Мече Ориона, Поясе Андромеды, Стрельце, Центавре (переоткрыл ее в 1677 г., она была отмечена еще в каталоге Птолемея); в Антиное (часть созвездия Орла) и Геркулесе (открыта Галлеем в 1714г.).

2. Рост интереса к туманностям как существенному элементу структуры и состава Вселенной. Первые гипотезы об их природе. В той же статье 1715 г. Галлей высказался о туманностях как о самосветящихся космических объектах, играющих существенную роль в структуре Вселенной. О масштабах туманностей Галлей писал, что ввиду отсутствия у них параллаксов «они не могут не занимать огромных пространств» и что размер их «быть может, не меньше, чем вся наша Солнечная система». Отсюда следовал его вывод — это очень перспективный материал для размышлений, особенно для астрономов.

1733 г. — Вильям Дерхем (1657—1735) публикует работу «Наблюдения среди неподвижных звезд явлений, называемых туманными звездами» [по результатам своих наблюдений с 8-футовым рефлектором]. Он отметил, что их много, и что они разбросаны в разных частях неба. Там же он поместил первый «каталог» из 16 туманностей на эпоху 1660 г. — из соч. Гевелия «Предвестник астрономии», упомянув еще шесть туманностей, описанных у Галлея. Одну (в Антиное) Дерхем отождествил со звездным скоплением, отметив, что она подобна Млечному Пути, другие же, имевшие совершенно однородный млечный вид, он посчитал скоплениями легких паров.

Дерхем первым отметил несколько сжатую, овальную форму многих туманностей. Из наблюдений звезд на фоне туманности Ориона он сделал вывод, что звезды эти значительно ближе к нам, а туманности так же далеки от звезд, как звезды от нас. Это привело его к заключению о колоссальных размерах туманностей и также к весьма странной идее «щели» (как и ранее Гюйгенса). В 1742 г. Пьер Луи Моро де Мопертюи (1698-1759) объяснил эллиптичность (сплюснутость) формы многих туманностей их вращением и заключил, что это должны быть единичные тела. Его заключения о вращении оказали в дальнейшем определяющее влияние на космологические построения Канта.