Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

Немецкое астрономическое общество организовало сотрудничество между тринадцатью обсерваториями (позже их число увеличилось до шестнадцати) в различных частях мира. Каждой из них была отведена своя зона склонений к северу и к югу от экватора с охватом всего неба между обоими полюсами. (Например, одна обсерватория получила склонения от 20° до 25°, а другая – от –35° до –40°.) Это явилось основой для продолжения программы измерения собственных движений, которая, как того и следовало ожидать, становилась со временем все более качественной. Когда стали появляться первые результаты такого сотрудничества, перекрестные проверки между координатами одних и тех же звезд, полученными на разных обсерваториях, выявили многочисленные расхождения и неожиданные ошибки. Некоторые из наиболее серьезных ошибок оказались привнесенными часами. Если взглянуть на историю, то астрономы всегда были заняты вопросами усовершенствования методов отсчета времени. Маятник Репсольда, маятник Шорта, а также атомные и кварцевые часы представляют собой примеры успехов, достигнутых в течение последних двух столетий благодаря участию астрономии. Гринвич и другие национальные обсерватории были главными блюстителями временных стандартов. И здесь снова долго ощущалось непосредственное влияние Бесселя, поскольку именно он привлек внимание к тому факту, что следует со всей серьезностью отнестись к личным ошибкам в момент регистрации времени, поскольку они неизбежны, но поддаются систематической оценке. Вспыльчивый Эри не уволил бы своего помощника, чьи записи наблюдений отличались от его собственных, отдавай он себе отчет в неминуемости «личного уравнения», то есть физиологической задержке в регистрации какого-либо показателя, которая варьируется от человека к человеку.

Наиболее выдающееся достижение Бесселя – измерение расстояния до звезды относительно прямыми, тригонометрическими методами, то, что астрономы безуспешно пытались сделать в течение столетий. Мы уже упоминали о том, как Брэдли надеялся зарегистрировать смещение положения звезды в результате движения Земли, в частности когда она перемещается из одной крайней точки своей орбиты в диаметрально противоположную крайнюю точку. Движение в этом направлении привело его к открытию аберрации света, но не обычного параллакса. И именно Брэдли снабдил астрономов информацией о том, насколько малым должно быть параллактическое смещение, которое они надеялись обнаружить, – никак не больше половины секунды дуги. В период с 1808 по 1814 г. Джон Бринкли, первый Королевский астроном Ирландии, объявил об открытии параллакса у небольшого количества ярких звезд в пределах 2″ дуги, но Джон Понд из Гринвича в течение многих лет оспаривал его открытия. Внимание уже было приковано к измерению положений звезд относительно гораздо более слабых, а потому, скорее всего, и гораздо более далеких. Как мы видели, занимаясь этим, Гершель тоже открыл нечто отличное от того, что он надеялся обнаружить, а именно – физически связанные пары звезд. Тем самым он, как и другие, постепенно начинал допускать существование множества слабых звезд с большим собственным движением.

После всего этого Бессель сделал допущение: большое собственное движение является более надежным признаком близости к Земле, чем яркость, поэтому он сосредоточил свое внимание на звезде 61 Лебедя, которая обладала наибольшим известным тогда собственным движением – 5,2″ в год. (На самом деле, это двойная звезда с расстоянием между компонентами 16″, поэтому линия, соединяющая эту пару, представляет собой полезный вектор на небе при производстве измерений.) Он наблюдал 61 Лебедя в течение восемнадцати месяцев, соотнося ее с двумя располагающимися неподалеку гораздо более слабыми звездами, и к концу 1838 г. обнаружил искомое параллактическое смещение. Он нашел, что оно меньше одной трети секунды дуги (0,314″ ± 0,020″; это значение указано как наименьшая граница интервала). В астрономических единицах, половинах диаметра земной орбиты, это расстояние равно примерно 657 000.

В течение следующих одного-двух лет другие параллаксы были найдены Ф. Г. В. Струве в Дерпте и Томасом Хендерсоном в обсерватории мыса Доброй Надежды. Хендерсон обнаружил, что звезда α Кентавра обладает параллаксом более чем в два раза превышающим параллакс 61 Лебедя, то есть расстояние до нее должно составлять менее половины расстояния до 61 Лебедя. На деле, его измерения были сделаны в 1832–1833 гг. для других целей, но не использовались для выведения параллакса, пока Бессель не заявил о своем открытии.

Инструмент, использованный Бесселем для измерения малых угловых расстояний, отделяющих 61 Лебедя от опорных звезд, представлял собой гелиометр конструкции Джона Доллонда, но изготовленный в данном случае Йозефом Фраунгофером. Этот инструмент получил такое название, поскольку он использовался для измерения диаметра Солнца. Принцип работы гелиометра прост: объектив телескопа разрезается на две полукруглые половины, которые могут скользить боковыми сторонами (на величину, измеряемую по шкале верньера) друг относительно друга. Изображение первой звезды наблюдается через одну половину линзы, а изображение второй – через другую. Затем компоненты разрезанной линзы сдвигаются друг относительно друга таким образом, чтобы оба изображения совпали, а необходимое для этого перемещение легко переводится в угловую меру.

ОПТИКА И НОВАЯ АСТРОНОМИЯ

В результате серьезных осложнений, поразивших английскую оптическую промышленность в конце XVIII в., Германия снова перехватила коммерческую инициативу. Имя Йозефа Фраунгофера стало синонимом возникшей в итоге новой и очень важной научной деятельности. В 1806 г. этот сын стекольщика поступил на службу в мюнхенскую кампанию Утцшнайдера, Рейхенбаха и Либхерра. Сначала, с 1809 по 1813 г., он работал с Гинаном, совершенствуя качество различных сортов оптического стекла. Для шлифовки и полировки компонентов ахроматических объективов большинство предыдущих мастеров отбирали заготовки, используя метод проб и ошибок, но в 1814 г. Фраунгофер подошел к этому вопросу с научной точки зрения и научился прогнозировать оптические свойства стекла, используя в качестве источника света яркие желтые линии в спектре пламени. Он производил точные измерения углов, под которыми свет входил и выходил из призмы, приспособив для этого обычный теодолит. Действуя таким образом, он создал то, что сегодня является стандартной частью лабораторного оборудования, – спектрометр.

Изучение цвета звезд с помощью спектроскопов не было чем-то новым. Уже в 1798 г. Уильям Гершель сравнил спектры шести ярчайших звезд неба, отметив, что они существенно различаются по пропорциям и интенсивности различных цветов. И конечно, он был не в состоянии объяснить увиденное. Подход Фраунгофера, сосредоточенный на спектре Солнца, оказался бесценным, поскольку открыл доступ к рассмотрению всей этой темы в целом. В ходе сравнения спектра от пламени со спектром, полученным с помощью призмы от солнечного света, он обратил внимание на исчерченность последнего бесчисленным количеством темных линий. (На деле, некоторые из них были зарегистрированы Уильямом Хайдом Волластоном в 1802 г.) Отдельные темные линии, как он позже осознал, имели аналоги в спектрах, полученных от пламени в лаборатории, и, несмотря на большое сходство спектра Солнца со спектрами других ярких звезд, между ними существуют и тонкие различия. В течение следующих десятилетий эти наблюдения служили исследовательским базисом для множества физиков вплоть до революционной интерпретации спектра, предложенной в 1859 г. Кирхгофом и Бунзеном. Эта интерпретация ознаменовала собой ни много ни мало рождение современной астрофизики – астрономической спектроскопии.

191

Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) на восточногерманской марке, выпущенной в честь стопятидесятилетней годовщины его рождения

Роберт Вильгельм Бунзен был одним из ведущих химиков-экспериментаторов столетия, в то время как Густав Роберт Кирхгоф – выдающимся физиком-теоретиком, присоединившимся к Бунзену в Гейдельберге в 1854 г. Джон Гершель и У. Г. Фокс Тальбот в 1823 и 1826 гг. соответственно активно поддерживали химический анализ, совершаемый на основе спектрального наблюдения, и к 1850‐м гг. этот метод был широко известным, хотя и редко используемым. Бунзен экспериментировал с данными методами при изучении солей, а именно используя окрашивание пламени, где они сжигались, как в том случае, когда соли натрия делали