Полювання на планету: Нептун

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 61

Завдяки нахилу осі обертання планети до площини екліптики в 28 ° на Нептуні існує зміна часів року (період обігу планети навколо Сонця — 165 років, так що тривалість кожного сезону — більше 41 року), яку можна розглянути за допомогою орбітального телескопа «Хаббл». Зображення: «Популярна механіка»

Боротьба за виявлення Нептуна — останньої (восьмої) планети Сонячної системи, єдиної, яку не можна побачити з Землі неозброєним оком, — це справжній англо-французький детектив з інтригуючим сюжетом суперництва за науковий пріоритет.

Восьма і остання планета Сонячної системи вперше була зареєстрована через 65 років, 6 місяців і 10 днів після сьомої (Урану, відкритого Вільямом Гершелем у 1781 році). У стандартному викладі ця історія виглядає приблизно так. Існування трансуранової планети передбачили незалежно один від одного двоє фахівців з небесної механіки, англієць з Кембриджу і француз з Парижа, які вирахували її координати на небесній сфері. Житель туманного Альбіону першим завершив розрахунки і попросив астронома-співвітчизника пройтися телескопом по вказаному району. Однак той не сприйняв передбачення всерйоз і утримався від пошуків. У результаті пальма першості і всесвітня слава дісталися парижанину, який переконав німецького телескопіста негайно приступити до пошуків. Правда, сучасники незабаром у всьому розібралися і визнали заслуги талановитого британця, але його заслужений пріоритет був загублений.

Однак це лише перша апроксимація історичної істини. Тут втрачено конкретні факти, імена інших (і аж ніяк не другорядних!) учасників подій, хронологічні деталі, тонкі нюанси людських відносин і соціальних зв’язків — і багато, багато чого ще. Зараз, у Міжнародний рік астрономії, варто нагадати історію відкриття восьмої планети без будь-яких спрощень і перепусток.

Невловима планета

26 червня 1841 року 22-річний студент-математик кембриджського коледжу Святого Івана (St. John’s College) Джон Кауч Адамс зазирнув у книжкову лавку Джонсона, яку вельми шанували як учні, так і дони його університету. Риючись у книгах, він натрапив на опубліковану в 1832 році доповідь директора Кембриджської обсерваторії Джорджа Біделла Ері про прогрес астрономії в XIX столітті, представлений щойно створеної Британської асоціації на підтримку науки. Ері стверджував, що наука про небеса рухається вперед семимильними кроками і фактично не має невирішених проблем за винятком єдиної — дивної поведінки Урану. Будь-які спроби визначити характеристики його орбіти і на основі цього передбачити положення серед світил незмінно завершувалися невдачами. Через кілька років після чергового уточнення планета відхилялася від обчисленої траєкторії, і ці аберації накопичувалися з плином часу. Самі по собі вони були досить невеликі — близько однієї кутової хвилини. Однак астрономи вже тоді вміли обчислювати рухи інших планет з точністю до декількох секунд і ніколи не помилялися. А ось з Ураном явно відбувалося щось недобре.

Ця проблема особливо загострилася завдяки роботам французького астронома Алексіса Бувара. У 1821 році він опублікував найбільш обґрунтовані (природно, для того часу) таблиці майбутніх позицій Урану на небесній сфері. Вже через 4-5 років австрійські спостерігачі виявили невеликі розбіжності між реальним рухом планети і координатами Бувару. До 1830 року ці девіації досягли 30 кутових секунд, тож знехтувати ними виявилося неможливим. Тому Ері мав усі підстави вказати на цю аномалію у своїй доповіді.

Атмосфера Нептуна складається в основному з водню (80%), гелію (19%) і метану (1%). Саме спектральні характеристики розсіювання метану визначають характерний блакитний із зеленим відтінком колір планети, що гармоніює з її назвою. Зображення: «Популярна механіка»

Астрономи першої половини XIX століття намагалися пояснити девіації Урану його зіткненням з великою кометою, опором міжпланетного середовища, неточністю ньютонівського закону тяжіння і навіть арифметичними помилками укладача таблиць. Однак усі ці гіпотези були не надто переконливими. Тому в 1832-1841 роках як мінімум шестеро астрономів (в їх числі і сам Бувар) незалежно один від одного прийшли до висновку, що аномалії в русі Урану, цілком ймовірно, обумовлені тяжінням ще однієї дальньої планети (племінник Алексіса Бувара Ежен, теж астроном, навіть написав про це Ері, але співчуття не зустрів). Тож думка про існування трансуранової планети вже в 1830-х роках не те щоб носилася в повітрі, але пробивалася на поверхню. Більш того, директор Кенігсберзької обсерваторії Фрідріх Вільгельм Бессель з учнем Фрідріхом Флеммінгом навіть приступили до обчислень, які могли стати основою для її відкриття. Але Флеммінг раптово помер, а Бессель захворів на рак і залишив це завдання. Трапися інакше, Нептун, ймовірно, відкрили б на початку 1840-х.

Студент і викладач

Випадкова зустріч з книгою Ері стала для Адамса воістину доленосною. Судячи з усього, він відразу припустив, що на рух Урану впливає невідома планета, розташована ще далі від Сонця. У всякому разі, він вирішив після отримання диплома зайнятися аномаліями Урану і з’ясувати їх причину.

Будова НептунаМантія

— це стиснута гігантським тиском суміш водяного, аміачного і метанового льодів, що знаходяться в іонному стані («іонний океан»). У центрі імовірно знаходиться залізокам’яне або кам’яне ядро. Судити про структуру планети можна тільки виходячи з моделей, оскільки прямого сейсмічного вивчення не проводилося. Зображення: «Популярна механіка»

Поки Адамс навчався в Кембриджі, йому і справді було не до Урану. Наприкінці весни 1843 року він краще за всіх претендентів склав фінальний іспит за спеціальністю (mathematical tripos, потрібно для отримання відзнаки). Це було неабияке завдання — виконати 12 письмових робіт, на кожну з яких покладалося три години. Адамс загалом набрав більше 4000 балів і вдвічі випередив найближчого суперника. Такий блискучий результат укупі з престижною премією Сміта забезпечив йому академічну кар’єру. Адамса без зволікання обрали визнаним того самого кембриджського коледжу Святого Івана, де він провчився чотири роки. Перешкод для вивчення аномалій сьомої планети більше не існувало.

На літо Адамс поїхав у Корнуолл на батьківську ферму і там приступив до обчислень. Восени він повернувся в університет і зайнявся викладанням математики. У вільний час (а його було не так і багато) він наполегливо продовжував займатися Ураном, лише іноді відволікаючись на визначення кометних траєкторій.

Адамс почав свої калькуляції з двох спрощувальних припущень. Він припустив, що гіпотетична планета звертається навколо Сонця по правильній окружності, радіус якої заданий правилом Тіциуса-Боде і тому рівно вдвічі перевищує радіус орбіти Урану.

Розрахунки показали, що тяжіння такої планети принаймні якісно пояснює аномальну поведінку Урана. Тепер належало головне — визначити масу цього небесного тіла і з’ясувати, де слід шукати його на небесній сфері. Ці завдання Адамс зміг вирішити наприкінці літа 1845 року. Він дійшов висновку, що нова планета втричі важча від Урану і тому на земному небосводі всього лише вдвічі менша від нього (звідси випливало, що її можна бачити в будь-який хороший телескоп). Він вирахував також, що вночі 1 жовтня вона опиниться в сузір’ї Водолія поблизу кордону з сузір’ям Козерога.

Англійська трагедія

Вид на Нептун з найбільшого супутника планети — Тритона. Зображений художником з урахуванням даних, отриманих від Voyager 2. Віддалений від Сонця холодний (температура на поверхні -235 ° С) Тритон являє собою геологічно активний світ: гейзери рідкого азоту викидають киплячий газ вгору на 7-8 км. Зображення: «Популярна механіка»

А далі почалися дивацтва. Адамс добре знав Джеймса Челліса, наступника Ері на посаді директора Кембриджської обсерваторії (сам Ері в 1835 році був призначений королівським астрономом і автоматично очолив національну обсерваторію в Грінвічі). Челліс ще в лютому 1844 року письмово запросив у Ері всі доступні відомості про положення Урану за кілька десятиліть, підкресливши, що робить це на прохання свого юного друга Адамса, який працює над теорією руху цієї планети (і Ері негайно надіслав необхідні відомості).

Здавалося б, Адамсу потрібно було відразу переконати Челліса зайнятися пошуками нової планети. Однак він лише ознайомив колегу зі своїми висновками, але від прохання їх використовувати утримався. За його зізнанням, він не мав ані найменших надій, що астрономи-практики ось так відразу і повірять його викладкам. Такий скептицизм був цілком виправданий — у всякому разі, по відношенню до Челлісу. Той дійсно не захотів (у чому пізніше і зізнавався) шукати на небосвіді восьму планету, проте дав Адамсу рекомендаційний лист до Ері, датований 22 вересня. Через кілька днів Адамс сам завіз його в Грінвіч.

Тут його спіткало розчарування — королівський астроном перебував у Парижі на сесії Академії наук. Адамс залишив Ері листа і поїхав у батьківську садибу в Корнуолл. Ері після повернення написав Челлісу, що дуже зацікавлений вишукуваннями Адамса і хоче з ним зустрітися або ж прочитати письмовий звіт про його роботу.

Дізнавшись про це, Адамс на зворотному шляху знову заїхав до Грінвіча. 21 жовтня він прийшов в обсерваторію, але знову не застав директора на місці. Залишивши для Ері візитну картку і коротке резюме своїх результатів, написане всього на одному аркуші паперу, він пообіцяв зайти трохи пізніше. Повернувшись через годину, Адамс виявив, що Ері, якому чомусь не сказали, що гість з’явиться знову, вже пішов обідати. В результаті Адамс удостоївся бесіди з його дворецьким, який дав зрозуміти, що королівського астронома не належить відволікати від трапези. Наполягати Адамс не став і відразу відправився назад в Кембридж.

Невдалий візит міг би і не мати фатальних наслідків. Хоча Ері був зайнятий розбиранням скандалу, викликаного арештом одного з його співробітників, він відповів Адамсу вже 5 листопада. Ері не приховав, що не надто вірить у можливість обчислити траєкторію планети, яка імовірно обурює орбіту Урану, навіть якщо така існує. Однак він зовсім не відкинув заявку Адамса, а просто попросив роз’яснень. Його особливо цікавило, чи може Адамс пояснити не тільки розбіжності таблиць Бувару з реальним рухом Урана з небосводу, але і помилку у визначенні його радіус-вектора. Ері дав зрозуміти, що його ставлення до роботи Адамса буде залежати від з’ясування цього моменту.

Напевно, Адамсу слід було негайно відповісти на цей лист, але він цього не зробив. Чому саме — історія астрономії замовчує. Можливо, він визнав питання Ері тривіальним — коли скоро таблиці Бувара невірні в цілому, то і радіус-вектор дають з помилкою. Можливо, справа була в тому, що він тоді коригував свої обчислення і хотів почекати остаточних результатів. Як би там не було, відповіді Ері не отримав. Швидше за все, він визнав, що юний кембриджський математик знайшов серйозні дефекти у своїх розрахунках і не хоче в цьому зізнатися. Ері прибрав жовтневу записку Адамса в свій особистий архів і зрадив її забуттю. Він не тільки не намагався сам шукати нову планету в передбаченій Адамсом зоні (оскільки вже багато років тому практично припинив телескопічні спостереження), але і не втримав цього нікому зі співробітників обсерваторії.

Тим часом на континенті

Тим часом аномаліями Урана зацікавилися французькі астрономи. Наприкінці літа 1845 року Ежен Бувар ознайомив Академію наук з новою версією таблиць свого померлого двома роками раніше дядька, над якою той працював протягом десяти років. Природно, ці таблиці теж розходилися з даними спостережень. Тому директор Паризької обсерваторії, знаменитий астроном Франсуа Араго, вирішив, що з нав’язкою в зубах проблемою Урану пора покінчити. На його думку, для цієї мети як ніхто інший підходив 34-річний викладач Політехнічної школи Урбен Жан Жозеф Левер’є, відомий як блискучими роботами з небесної механіки, так і виключно кепським (і навіть схильним) характером.

Левер’є прийняв виклик і вже 10 листопада представив Академії першу роботу. Ні про яку трансуранову планету там ще не говорилося, а тільки було показано, що девіації орбіти Урана не можна пояснити одним лише гравітаційним впливом Сатурна і Юпітера. Варто нагадати, що Адамс до цього часу вирахував рух нової планети і повідомив про те Ері, Челліса і декількох кембриджських колег. На континенті, однак, про його праці ніхто не чув.

Британець і француз

Джон Кауч Адамс (1819-1892), британський математик і астроном, зробив внесок у теорію руху Місяця і розрахував орбіту метеорного потоку Леонід. Для вирішення завдань небесної механіки Адамс розробив математичні методи, що застосовуються і в даний час (так званий метод Адамса, різнісний метод чисельного інтегрування диференційних рівнянь).

Урбен Левер’є (1811-1877), французький математик і астроном, прославився передбаченням про існування восьмої планети і її становище (незалежно від Адамса). Після виявлення Нептуна намагався пояснити аномалії орбіти Меркурія існуванням ще однієї планети, але його припущення не підтвердилося (аномалії пояснені в 1915 році в рамках ОТГ Ейнштейном).

1 червня 1846 року Левер’є опублікував другу статтю про Урана, де остаточно розправився з усіма інтерпретаціями його аномалій, які не передбачали наявності зауранової планети. Він також вирахував її наближену траєкторію — по-іншому, ніж Адамс, але не менш переконливо. З його розрахунків випливало, що 1 січня 1847 року цю планету слід шукати на межі сузір’їв Водолія і Козерога (Адамс прийшов до аналогічного висновку роком раніше!). Левер’є визнав, що його координати потребують коригування, однак висловив упевненість, що не міг помилитися більш ніж на 10 градусів довготи.

Стаття Левер «є справила належне враження на астрономів всієї Європи. Її прочитав і Ері, від якого аж ніяк не сховалося, що висновки Левер’є і Адамса практично збігаються. 26 червня Ері написав Левер’є і попросив його, як свого часу і Адамса, прояснити проблему з радіусом-вектором Урана. Проте він жодним словом не згадав про роботу Адамса, хоча мав би це зробити за правилами наукової та людської етики. Цікаво, що тоді ж, на щорічній конференції наукових кураторів Гринвічської обсерваторії, що проходила під головуванням президента Королівського товариства, він дав сприятливий відгук на роботи обох вчених. Ері особливо відзначив майже повну ідентичність висновків Адамса і Левер’є і висловив упевненість, що трансуранова планета буде відкрита найближчим часом.

Лист у відповідь Левер’є дістався до Грінвіча 1 липня. Він повідомляв, що сподівається незабаром уточнити позицію нової планети і не сумнівається, що таким чином автоматично в робочому порядку буде вирішена і проблема радіуса-вектора Урану. Є всі підстави вважати, що такої ж думки з самого початку дотримувався і Адамс.

Невдалі мисливці

Отже, наприкінці червня 1846 року Джордж Бідел Ері нарешті повірив у правильність висновків Адамса. Здавалося б, як директор Грінвіча він повинен був турбуватися збереженням британського пріоритету на велике астрономічне відкриття і негайно розпорядитися приступити до пошуків нової планети. Але такого наказу Ері не віддав. Історики астрономії наводять цьому кілька можливих причин. Можливо, Ері не хотів відволікати персонал від рутинних обов’язків з моніторингу зірок і планет або ж вважав, що навіть найбільший грінвічський телескоп-рефрактор з 17-сантиметровою апертурою надто слабкий для такого пошуку (Адамс міг би його в цьому зневірити, але ж Ері з ним так і не зустрівся).

Як би там не було, Ері вирішив, що для полювання за новою планетою найкраще підходить збережений до наших днів 30-сантиметровий рефрактор Кембриджської обсерваторії, побудований на кошти герцога Нортумберленда і тому названий на його честь. Цю обсерваторію як і раніше очолював Джеймс Челліс, і 9 липня Ері спеціальним листом попросив його приступити до пошуків. Не отримавши відповіді від Челліса (той був у відпустці), він через чотири дні написав йому вдруге. Тон листа не залишає сумнівів, що Ері намагався спонукати кембриджського колегу не відкладати полювання на нову планету.

Незважаючи

на те, що Нептун знаходиться далеко від Сонця, він володіє дуже активною атмосферою, в якій вирують найпотужніші урагани. Нептун має внутрішнє джерело тепла (планета випромінює в простір в 2,6 рази більше тепла, ніж отримує від Сонця), природа якого поки не ясна (це може бути радіоактивний розпад, гравітаційний розігрів і т. п.), і завдяки цій енергії швидкість вітру в атмосфері може досягати величезних значень. У серпні 1989 року Voyager 2 виявив на Нептуні «Велику темну пляму» — гігантський шторм розмірами 13 000х8000 км, в області якого швидкість вітру досягала 2400 км/год. Зображення: «Популярна механіка»

Челліс відповів Ері 18 липня і обіцяв негайно виконати його прохання. Більш того, він повідомив про свій намір Адамсу, який відразу ж вирахував таблицю положень трансуранової планети з 20 липня по 8 жовтня. На жаль, Челліс не визнав за потрібне поділитися цими відомостями ні з ким з британських астрономів-аматорів, хоча деякі з них володіли першокласними телескопами. Будь інакше, планету напевно б виявили до настання осені. Можливо, Челліс просто хотів зберегти честь відкриття за собою і своєю обсерваторією.

Втім, сам він не втрачав часу. 29 і 30 липня і 4 серпня він сумлінно обшарив зазначену Адамсом ділянку небосводу. Оскільки умови для спостережень погіршилися, наступний сеанс відбувся лише 12 серпня. Челліс і пізніше повторював свої спроби неодноразово — але безрезультатно. 2 вересня він інформував Ері, що для пошуків Планети (так він її іменував у листі — із заголовної літери!) потрібно більше часу, ніж він може приділити до кінця року.

Найцікавіша (і найсумніша для престижу британської астрономії) обставина полягає в тому, що Планета йшла прямо Челлісу в руки. 12 серпня він визначив координати зірок у центрі поля зору свого телескопа і зіставив їх з даними від 30 липня. Він повторив цю операцію для 39 парних позицій, але так і не виявив жодних розбіжностей. Якби він взяв більше число пар, то побачив би, що світила, якому 12 серпня був присвоєний 49-й номер, два тижні тому не було на належному місці. Мораль стара як світ — всяку справу необхідно доводити до кінця.

Кільця Нептуна

В середині 1980-х астрономи звернули увагу на те, що при проходженні планети на тлі далеких зірок відбуваються додаткові «затемнення» перед проходженням і після нього. Остаточно вдалося підтвердити наявність кілець у 1989 році, коли Voyager 2 передав на Землю дані про околиці Нептуна. Зараз відомі шість кілець Нептуна, п’ять з них названі на честь астрономів, які брали участь у відкритті планети. Внутрішнє кільце носить ім’я Галле, потім йдуть кільця Левер’є, Ласселла, Араго, безіменне поки кільце і зовнішнє кільце Адамса, що складається з п’яти яскравих дуг, названих Fraternite, Egalite 1 і 2, Liberte і Courage («Братство», «Рівність» 1 і 2, «Свобода» і » Зображення: «Популярна механіка»

Нову планету цього ж літа шукали і спостерігачі Паризької обсерваторії. Однак Араго 4 серпня наказав не витрачати час даремно — швидше за все тому, що очікував від Левер’є більш точних вказівок. Націлювався на Планету і Сірс Кук Вокер з вашингтонської обсерваторії американського флоту. Однак суперінтендант обсерваторії відмовив Вокеру в телескопічному часі аж до самого жовтня.

Найбільший тріумф

31 серпня 1846 року Левер’є представив на суд Академії свою третю роботу. Там була обчислена нова позиція планети на 1 січня, зрушена відносно попередньої на півтора градуса по борготі. Левер’є оцінив її масу в дві з половиною маси Урану, а видимий розмір диска — в 3,3 кутової секунди. Більш того, він вирішив, що настав час перейти від обчислень до спостережень. Він звернувся до кількох астрономів, у тому числі і до редактора німецького журналу Astronomische Nachrichten Генріха Шумахера. Той порадив паризькому колезі самому зв’язатися з обсерваторіями, що володіють хорошими телескопами. Тут-то Левер’є згадав, що рік тому асистент Берлінської обсерваторії Йоганн Готфрід Галле надіслав йому копію своєї дисертації. Знаючи, що обсерваторія має в своєму розпорядженні чудовий дев’ятидюймовий рефрактор, Левер’є вирішив скористатися заочним знайомством. Галле отримав його лист 23 вересня і відразу ж переговорив з директором обсерваторії Йоганном Францем Енке, який санкціонував роботу з телескопом. При цій розмові був присутній студент-практикант Генріх д’Аррест, який попросився до Галле в помічники. Дочекавшись темряви, вони незабаром виявили не позначену в зоряному атласі точку, що світиться, зрушену відносно передбаченої Левер’є позиції приблизно на один градус. Галле і д’Аррест негайно сповістили Енке, який саме відзначав своє 55-річчя. Наступної ночі спільно з Енке вони провели повторні спостереження і переконалися, що світило пересунулося в точній відповідності з передбаченням Левер’є. Цього разу навіть вдалося виміряти діаметр диска, який склав 2,6 кутової секунди.

Ось таким чином і відбулося відкриття, з яким і Галле, і Енке тут же привітали Левер’є. Написав йому і Шумахер, який назвав відкриття восьмої планети найбільшим з відомих йому тріумфів наукової теорії. Далі були суперечки про її найменування (восторжествувало запропоноване Левер’є ім’я «Нептун») і про пріоритет відкриття, які велися як між астрономами, так і в пресі. Але це вже зовсім інша історія. Що до самих Адамса і Левер’є, то вони вперше зустрілися в червні 1847 року в Оксфорді і цілком дружньо обмінялися рукостисканнями.

Історія повторюється

Сьому планету, Уран, можна помітити без будь-якої оптики — треба тільки знати, куди дивитися. Але щоб визначити, що це саме планета, треба або розгледіти її диск (що неможливо без пристойного телескопа), або переконатися, що вона переміщується щодо нерухомих зірок — але для цього її потрібно відстежувати протягом тижнів або навіть місяців. До кінця XVIII століття цього ніхто так і не зробив, хоча Уран неодноразово бачили в свої телескопи астрономи з різних країн — в 1690, 1712 і 1715 роках англієць Джон Фламстід, в 1753 році його співвітчизник Джон Бредлі, три роки потому німець Тобіас Майєр і трохи пізніше, зате кілька разів — француз П’єр Шарль Лемоньє. Але через невезучість або недбалість цих вчених першовідкривачем сьомої планети став ганноверський музикант Фрідріх Вільгельм Гершель, який у 1757 році перебрався до Англії, ставши Фредеріком Вільямом. У 1770-х він зайнявся астрономією, пізніше став королівським астрономом, членом Лондонського Королівського товариства і був визнаний одним з провідних астрономів Європи. Навесні 1781 року Гершель натрапив на небесне тіло, яке він прийняв за комету. За порадою директора Грінвічської обсерваторії Невіла Маскеліна Гершель відправив повідомлення в Лондонське Королівське товариство. Незабаром інші астрономи вирахували орбіту нововідкритого небесного тіла, що виявилося новою планетою Сонячної системи. З Нептуном сталася схожа історія. У Галле, як колись у Гершеля, були попередники. Не виключено, що Нептун двічі спостерігав Галілей (у грудні 1612 року і в січні 1613 року), який вважав його звичайною зіркою. 10 травня 1795 року аналогічну помилку зробив відомий французький астроном Мішель Лаланд (на що на початку 1847 року незалежно один від одного звернули увагу Вокер і німецький астроном Адольф Петерсен). Не дарма ж кажуть, що все нове — це добре забуте старе.

Що до вердикту нащадків, то він винесений давно, хоч іноді і оскаржується. Джон Кауч Адамс і Урбен Жан Жозеф Левер’є передбачили існування восьмої планети абсолютно незалежно і неоднаковими методами. Адамс виконав це раніше, зате Левер’є вирахував її рух точніше (точка, на якій Галле і д’Аррест вперше помітили Нептун, відстояла від передбаченої Адамсом позиції на 12 градусів). Тому перед нами класичний приклад наукового відкриття з різними рівноправними авторами. В історії науки подібні події — аж ніяк не рідкість.