Первый этап и результаты развития телескопической астрономии – эпоха рефракторов

Решающую роль на этом этапе развития астрономии сыграл великий английский астроном (немецкого происхождения) Вильям (Фридрих Вильгельм) Гершель (1738—1822). Музыкант по первоначальным занятиям, исследователь и глубокий философ по природе, он пришел в астрономию от изучения теории музыки — путем самообразования. Его научным дебютом, принесшим ему мировую известность, стало открытие первой за всю историю астрономии телескопической (недоступной невооруженному глазу) большой планеты — Урана. Гершель прославился и как выдающийся конструктор уникальных, гигантских для его эпохи телескопов-рефлекторов с диаметрами зеркал до 1,2 м. Рабочими инструментами Гершеля были его 20-футовые (фокусное расстояние) ньютоновские рефлекторы с объективами до 0,5 м. Его наибольший, 40-футовый (длина трубы) рефлектор с рабочим объективом в 1,2 м был однозеркальной системы, независимо изобретенной и впервые реализованной им. Главное (и единственное) зеркало в нем было немного наклонено и давало изображение на краю трубы без излишнего поглощения света вторичным зеркалом.

Гершель проявил себя как искусный и самоотверженный наблюдатель и глубокий мыслитель. Он сделал целый ряд выдающихся открытий в Солнечной системе, начиная с открытия Урана (1781). Но главной заслугой В. Гершеля было то, что он заложил фундамент нового большого раздела астрономии — став родоначальником звездной (а по существу и внегалактической!) астрономии. Он по существу открыл и первым стал исследовать безграничный мир неразложимых в звезды даже для его телескопов «млечных» туманностей (и долгое время все их считал далекими звездными системами — другими «млечными путями»).

Гершель положил начало наблюдательному изучению и самой Галактики. Он впервые установил, что это самостоятельная изолированная в пространстве звездная система, и дал первую оценку ее параметров. Даже при сравнительно небольшом объеме доступной ему и измеренной им части Галактики (Гершель сначала принимал ее, конечно, за целое) наша звездная Вселенная поражала своими гигантскими размерами по сравнению с Солнечной системой и даже со всей областью звезд, видимых невооруженным глазом (850x200 единиц, против 7 ед. для радиуса области звезд, доступных простому глазу, то есть до 7-й звездной величины). Впервые им была дана реалистическая оценка сжатия Галактики (ок. 1/5). Недаром в эпитафии В. Гершеля сказано: «Сломал засовы небес».

Задуманная Гершелем небывалая программа глобальных обзоров неба с дерзкой целью — не пропустить ни одного нового объекта и впервые поставленная не менее смелая исследовательская цель таких обзоров — изучение строения и развития (!) Вселенной, заполнила свыше трех десятилетий его жизни.

Гершель ввел в астрономию, по существу, современное нам понятие неполного, но представительного материала — выборки, для выявления общих закономерностей строения окружающей Вселенной. В астрономию прочно вошел его знаменитый статистический метод «звездных черпков».

3. Открытия в мире «туманностей»

Гершель открыл свыше 2,5 тысяч туманностей (составив три их каталога: 1786, 1789, 1802 гг.), среди них — множество двойных и кратных, отметив особо туманности с перемычками (взаимодействующие). Из примерно 200 открытых им двойных и кратных туманностей около половины оказались действительно двойными и кратными галактиками, а 19 — взаимодействующими. Он первым попытался оценить расстояния и размеры туманностей — сначала разложимых для него круглых (шаровых скоплений) , а затем и млечных, часто овальных , бесструктурных, имевших обычно лишь более яркий центр. Несмотря на сильнейшее занижение расстояний в первые годы (в дальнейшем его оценки размеров самой Галактики выросли до десятков тысяч, а расстояний млечных туманностей — до миллионов световых лет), уже отношения этих величин убедительно рисовали картину именно островных вселенных: расстояния существенно превосходили размеры объектов. Более того, Гершель впервые обратил внимание на вытекающий из его оценок невообразимо большой возраст туманностей и на главное следствие этого — наблюдая их, мы как бы путешествуем во времени на миллионы лет назад, в далекое прошлое Вселенной.

Уже после открытия первых сотен млечных туманностей Гершель отметил в 1784 г. главные черты строения мира туманностей — их стремление к скучиванию в небольшие группы —«пакеты» и к образованию еще более крупномасштабных объединений — «пластов», пересекающихся между собою. Наиболее заметный пласт туманностей, проходящий по созвездиям Волос Вероники и Девы перпендикулярно плоскости Млечного Пути и названный Гершелем «пластом Волос Вероники», оказался экваториальной зоной нашей Местной Сверхгалактики. Гершель сделал вывод о возможности у них и разного состава, и разного возраста. В наблюдавшейся им картине пластообразного распределения туманностей Гершель усматривал аналогию с картиной геологических пластов, в которых как бы раскрывалась история Земли и такую же эволюционную историю допускал и у Вселенной.

5. Разделение туманностей на «истинные» (из диффузной материи) и ложные (звездные системы). Звездно-космогоническая гипотеза В. Гершеля (1791) и его концепция общего развития материи в Космосе (1811-1814).

Наблюдая колоссальное разнообразие вида скоплений звезд и отдельных туманностей, различную степень видимой концентрации звезд в одних и света в других, Гершель уже в самом начале своих исследований строения неба понял, что перед ним не застывшая, мертвая пустыня Космоса, а огромная «Лаборатория Природы», как он назвал открывшийся ему мир звезд и туманностей.

Размышляя над причинами столь удивительного разнообразия, Гершель пришел к идее «сада», допустив, что эти объекты мы видим на разных стадиях их жизни и развития, подобно деревьям. (Сходную идею высказал несколько ранее Эпинус при объяснении происхождения лунных кратеров, см. ниже).

В 1785 г. Гершель опубликовал свою первую концепцию эволюции звездной Вселенной, рассматривая неправильные скопления как формирующиеся около случайных мест, где пространственная плотность звезд случайно оказывалась большей, что вызывало появление здесь эффекта «скапливающей силы». Гершель впервые смог правильно оценить относительный возраст скоплений, посчитав наиболее старыми шаровые. При этом саму их упорядоченность он объяснял длительными неупорядоченными взаимными возмущениями звезд, движущихся в скоплении по своим, временами близким друг к другу орбитам, в чем можно видеть зачатки звездной динамики.

Но он допускал одновременное наличие и противоположного процесса — расслоения огромных звездных «пластов» на более мелкие, что подсказывал ему вид нашего звездного «острова» — Млечного Пути.

В 1791 г. Гершель пришел к неожиданному заключению, что некоторые туманности, по всей вероятности, не могут быть скопищами звезд. Речь шла о, некоторых представителях так называемых «планетарных» (термин Гершеля) туманностях, которые он выделил в особый класс, поскольку они имели вид маленьких зеленоватых дисков и почти однородную по всей площади яркость, напоминая открытую им планету Уран. Но при этом у некоторых из них в центре наблюдалась яркая точка. Особенно наглядный пример с весьма ярким центром и еле заметной нежной равномерно светящейся «шевелюрой» (термин Гершеля) представляла туманность в Персее (NGC 1514), В 1791 г. у Гершеля сформировалась идея, что в подобных объектах был налицо процесс продолжающегося и в наше время формирования звезд путем сгущения из диффузного вещества.

В серии статей 1791—1811 гг. он развил на этих основаниях более полную и широкую звездно-космогоническую гипотезу и общую концепцию эволюции различных форм космической материи — от рассеянной диффузной до сформированной в звезды и их системы различных форм и масштабов. Однако под влиянием этой идеи Гершель временно отошел от своих первоначальных более правильных заключений о природе и, следовательно, о масштабах туманностей и принял многие млечные туманности с одним или несколькими яркими ядрами, соответственно, за одиночные протозвезды или их группы. Но при всей ошибочности такой интерпретации для большинства маленьких млечных туманностей гипотеза Гершеля сыграла в принципе прогрессивную роль в развитии астрономической картины мира. В последние годы своей жизни Гершель и сам вновь пришел к выводу, что среди маленьких млечных туманностей, которые даже в его гигантский 40-футовый телескоп оказывались на пределе видимости, имеются и далекие «млечные пути», то есть другие звездные вселенные.

Его главные идеи — о продолжающемся и в наше время звездообразовании путем сгущения диффузной материи в отдельные звезды или целые их группы; эволюционная трактовка форм скоплений (рассеянные — молодые, шаровые — старые), прочно вошли в современную астрономию и звездную космогонию.

Ломоносов в числе других молодых петербургских ученых, впоследствии академиков, входил в круг учеников известного астронома Ж.Н. Делиля (1688—1768), первого в России академика-астронома, приглашенного Петром I из Франции. С именем Делиля связано зарождение петербургской астрономической (а по существу уже астрофизической!) школы хотя первые успехи ее связаны не с его именем, а с именами его выдающихся учеников, каким и был Ломоносов. Убежденный в единстве физической природы небесных и земных тел и явлений, Ломоносов в своих исследованиях в области физики ставил широкие задачи.

Занимаясь опытами по только что открытому тогда Б. Франклином (1752) атмосферному электричеству, он, по-видимому, первым высказал

идею электрической природы полярных сияний, первым заподозрил такую же природу свечения кометных хвостов. Одна из важных и наиболее общих идеи, составляющих основу современной астрономической картины мира — идея множественности обитаемых миров — получила первое физическое основание в главном астрономическом открытии Ломоносова — атмосферы на другой планете — Венере. По своему философскому значению это открытие сходно с открытием земноподобного рельефа поверхности Луны Галилеем.

Свое открытие Ломоносов сделал 25 мая (6 июня по новому стилю) 1761 г. во время прохождения Венеры по диску Солнца.

В 1761—1762 гг. Ломоносов создал прообраз современного горизонтального солнечного телескопа с сидеростатом и независимо изобрел однозеркальную систему рефлектора — с наклонным (на 4") зеркалом. (Такая система была позднее независимо сконструирована и с успехом впервые использована В. Гершелем, см. выше).

Вселенную Ломоносов представлял бесконечной, что опять-таки нашло отражение в его поэзии.

2. Эволюционные идеи о Луне (лунном вулканизме. 1781 г., Ф.У.Т. Эпинус. Г.К.Лихтенберг) и о кометах (идея ледяного тела, 1759/1783 гг., Эпинус)

Начало формирования астрофизического и космо-геологического аспектов астрономической картины мира. Глобальный подход в объяснении свойств различных областей земного шара позволил Эпинусу предсказать одно из крупнейших географических открытий — существование Антарктиды. Эпинусу принадлежит наиболее раннее исследование и эволюционное объяснение происхождения характерных кольцевых гор (цирков) на Луне. В 1781 г. он опубликовал свою вулканическую гипотезу происхождения лунных кольцевых гор в сочинении (на русском и немецком языках) «О строении поверхности Луны и о происхождении неровностей оныя от внутренняго огня». Работа Эпинуса стимулировала появление в том же 1781 г. аналогичного сочинения Г.К. Лихтенберга (узнавшего еще до ее публикации от А.И. Лекселя об идеях Эпинуса, на которого и сослался). Ставшая в дальнейшем на некоторое время общепризнанной (после наблюдений В. Гершелем ярких точек на затененной части Луны, которые он принял за извергавшиеся вулканы, 1783—1787 гг.), теория лунного вулканизма (как мы видели выше) вызвала к жизни одну из первых гипотез космического источника метеоритов. Но основное достоинство исследования Эпинуса было в том, что он впервые серьезно обосновал новую предпосылку в изучении других планет - их геологическое, а следовательно, и эволюционное родство с Землей.