Удивительная космология - Лев Шильник

Гелиоцентрическая система Коперника

После Гиппарха и Птолемея в астрономических науках наступил застой. Стагнация продолжалась свыше полутора тысяч лет, вплоть до начала XVI века, когда польский священник Николай Коперник предложил новую модель мироздания с неподвижным Солнцем в центре, получившую название гелиоцентрической. Согласно этой модели, планеты вращались вокруг Солнца по правильным окружностям, а их число уменьшилось до шести (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн). Луна же, строго говоря, потеряла статус полноценной планеты и превратилась в естественный спутник Земли. Хотя модель Коперника была значительно проще птолемеевой и давала несколько лучшие результаты, ее на протяжении почти 100 лет серьезно не воспринимали. Перелом произошел в XYII веке, когда сначала итальянский астроном Галилео Галилей сумел разглядеть в телескоп (который он же сам и изобрел в 1608 году) спутники Юпитера, а вслед за ним великий Иоганн Кеплер внес поправки в схему Коперника. Проанализировав блестящие наблюдения Марса, выполненные его учителем, датским астрономом Тихо Браге, Кеплер пришел к выводу, что единственная геометрическая фигура, которая идеально отвечает этим наблюдениям, – эллипс. Итак, в модифицированной модели Коперника планеты стали обращаться вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а Солнце переместилось в один из фокусов этого эллипса.

Иоганн Кеплер

Более того, Кеплер обнаружил, что между средними расстояниями планет от Солнца и периодами их обращения существует простое математическое соотношение. Таким образом, стало возможным вычислить относительное расстояние между Солнцем и любой из планет. К сожалению, это мало что давало, потому что у схемы, предложенной Кеплером (вполне надежной и замечательно согласующейся с наблюдениями), напрочь отсутствовал масштаб. Можно было сказать, что, скажем, Сатурн расположен от Солнца в 10 раз дальше Земли, но чему равно это расстояние в километрах – тайна, покрытая мраком. А вот если бы удалось каким-то способом вычислить расстояние между Землей и любой из планет, у астрономов сразу бы появился в руках необходимый масштаб. Дело было за малым – придумать такой способ.

Для определения расстояний между небесными телами используют явление параллакса. Параллакс – очень простая штука. Если рассматривать свой собственный палец на фоне пестрых обоев правым и левым глазом поочередно, легко убедиться, что в тот момент, когда вы закрываете один глаз и открываете другой, палец смещается на некоторое расстояние относительно фона. Чем ближе расположен к глазам палец, тем больше будет это смещение. Суть явления лежит на поверхности: поскольку глаза разнесены на некоторое расстояние друг от друга, вы смотрите на предмет каждым глазом под определенным углом.

Тот же самый подход без труда применим и к небесным телам. Разумеется, поочередно моргать глазами, глядя, скажем, на Луну, совершенно бессмысленно, поскольку она расположена слишком далеко. А вот если два астронома, разделенные расстоянием в несколько сотен километров, будут одновременно наблюдать наш естественный спутник на фоне звездного неба, лунный параллакс легко обнаружится. Нужно только договориться, относительно какой звезды будут вестись наблюдения, и тогда первый астроном увидит край лунного диска на одном угловом расстоянии от заранее выбранной звезды, а второй, соответственно, – на ином. Дальше – уже дело техники: если известны смещение Луны относительно звездного фона и расстояние между обсерваториями, то с помощью несложных тригонометрических функций можно рассчитать расстояние до Луны.

В ходе таких наблюдений было установлено, что величина лунного параллакса составляет 57 минут дуги, или около 1 градуса дуги (полная окружность насчитывает 360 градусов; в одном градусе содержится 60 минут, а в минуте – 60 секунд). Смещение в 57 минут дуги измерить очень легко, так как оно равняется примерно двум видимым диаметрам полной Луны. Расстояние, вычисленное с помощью параллакса, показало хорошее совпадение с цифрами, полученными старым проверенным методом – по земной тени во время лунного затмения.

А вот с планетами вышла неувязка. Беда в том, что они расположены слишком далеко, поэтому параллактическое смещение столь незначительно, что его не удавалось измерить вплоть до начала XVII столетия. Задача была успешно решена после изобретения телескопа в 1608 году. Во второй половине XVII века два французских астронома, Жан Рише и Джованни Кассини (итальянец по происхождению), вычислили параллактическим методом расстояние от Земли до Марса. Наблюдения проводились одновременно в Париже и Французской Гвиане. Модель Кеплера получила наконец вожделенный масштаб, после чего можно было без труда рассчитать все остальные расстояния внутри Солнечной системы. В частности, Кассини определил, что расстояние от Земли до Солнца составляет 140 миллионов километров. Для XVII века это очень неплохая точность, так как он ошибся всего на 10 миллионов километров. Техника не стояла на месте, и в первой половине XVIII века результат Кассини был подправлен до 152 миллионов километров (современное значение – 149,6 миллиона километров). Эту величину впоследствии назвали астрономической единицей (а. е.) и стали широко применять в качестве своего рода межпланетной версты.

Планеты Солнечной системы

Солнечная система приобрела впечатляющие размеры: например, расстояние от Солнца до Сатурна составляет почти полтора миллиарда километров, чуть ли не вдесятеро больше, чем до Земли. А когда английский астроном Вильям Гершель открыл в 1781 году Уран (невооруженным глазом эта планета не видна, поэтому древние ничего не знали о ее существовании), Солнечная система сразу же подросла почти вдвое (между Ураном и Солнцем лежит около 3 миллиардов километров). В 1846 году французский астроном Урбан Жозеф Леверье обнаружил Нептун, а американец Клайд Томбо в 1930-м – Плутон, девятую и последнюю планету. Таким образом, Солнечная система снова увеличилась в два раза, ибо Плутон отделяют от Солнца почти 6 миллиардов километров, или около 40 астрономических единиц. А ее диаметр будет соответственно равняться 12 миллиардам километров (80 а. е.). Лучу света, который пролетает 300 тысяч километров в секунду и добегает за секунду с четвертью до Луны и за 8 минут до Солнца, потребуется около 12 часов, чтобы пересечь ее из конца в конец.

Попробуем более наглядно представить себе относительные масштабы Солнечной системы. Если изобразить Солнце в виде бильярдного шара (примерно 7 сантиметров в диаметре), тогда до Меркурия – ближайшей к Солнцу планеты – будет в таком масштабе почти три метра (280 сантиметров), а до Земли – чуть больше семи с половиной метров. Планета-гигант Юпитер отодвинется на расстояние около 40 метров, а до Плутона придется совершить приличную прогулку, поскольку он будет лежать в 300 метрах от Солнца. Размеры Земли в этом масштабе составят всего 0,5 миллиметра, так что разглядеть такую пылинку сможет только человек с неплохим зрением. Поэтому лучше ее сделать немного побольше: пусть величина Земли будет соответствовать размеру стандартных наручных часов. Тогда в этом масштабе поперечник Солнца будет равняться удвоенному среднему человеческому росту, а расстояние между Землей и Солнцем составит 400 метров. Плутон же будет и вовсе не разглядеть, поскольку он удалится на расстояние в 15 километров.

Однако орбита Плутона – отнюдь не самая далекая точка Солнечной системы. Когда в 1684 году великий английский ученый Исаак Ньютон открыл свой знаменитый закон всемирного тяготения, согласно которому тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, модель Кеплера приобрела математическое обоснование. Ученые получили в руки надежный инструмент, позволяющий вычислять любые орбиты, даже если тело наблюдается на небольшом отрезке своей траектории. Астрономов давно занимали кометы – хвостатые гостьи, время от времени появляющиеся на небосводе. Друг и современник Ньютона Эдмунд Галлей усмотрел в поведении некоторых комет отчетливую периодичность и предположил, что они движутся вокруг Солнца по очень сильно вытянутым орбитам (эллипсам с большим эксцентриситетом, как говорят астрономы). Галлей рассчитал орбиту одной из таких комет и предсказал, что она вновь вернется в 1758 году. Через 16 лет после его смерти предсказание Галлея сбылось: комета действительно появилась на небе в указанный им год и с тех пор носит его имя, регулярно возвращаясь каждые 75 или 76 лет.

В точке своего перигелия (ближайшей к Солнцу) комета Галлея оказывается внутри орбиты Венеры, а в афелии (точке максимального удаления от Солнца) уходит далеко за орбиту Нептуна – на 5 с лишним миллиардов километров. Однако существуют так называемые долгопериодические кометы, которые обращаются по таким вытянутым орбитам, что возвращаются к Солнцу раз в несколько столетий, а то и тысячелетий. В середине прошлого века голландский астроном Ян Хендрик Оорт высказал предположение, что далеко за орбитой Плутона лежит огромное облако комет, откуда они время от времени проникают в окрестности Солнца. В таком случае диаметр Солнечной системы может достигать 1000 миллиардов километров и даже больше, или десятков тысяч астрономических единиц. В наши дни гипотеза Оорта практически превратилась в теорию. Подробный рассказ о планетах Солнечной системы и небесных телах, лежащих за орбитой Плутона, вы, читатель, сможете найти в главах «Кольцо вокруг Солнца» и «Девять или десять?».