Изобретая рефлектор, Ньютон ставил своей задачей избавиться от хроматической аберрации – цветных ореолов вокруг изображения, возникающих в телескопах-рефракторах как раз из-за того, что лучи разного цвета преломляются линзой по-разному. Действительно, зеркало, которое не преломляло, а отражало свет, позволяло этого добиться. Однако после у зеркальных телескопов обнаружилось еще множество преимуществ. В частности, до сих пор невозможно создать линзовый объектив (и, соответственно, телескоп-рефрактор) диаметром более 1 м – а все из-за того, что стекло деформируется под собственным весом – поэтому все крупные телескопы являются исключительно рефлекторами[6].
Рефрактор Кеплера
Рефлектор Ньютона
Зеркальнолинзовый телескоп Кассегрена
Копия телескопа, сделанного Ньютоном
Глава III
Люди, расширившие границы Вселенной
Многих людей, совершивших крупные научные открытия и изменивших научную картину мира, с современной точки зрения можно считать астрономами-любителями. Они строили телескопы и другие инструменты на собственные средства и не получали (во всяком случае в начале своей деятельности) никакой оплаты за свой труд. Между тем их труды способствовали становлению всей научной картины мира.
1. Великий наблюдатель: Вильям Гершель
Он родился в 1738 году в Ганновере, в семье музыканта военного оркестра, и, как часто бывало в то время, продолжил дело отца: поступил на службу в военный оркестр (гобоистом) и в 1755 году в составе полка был командирован из Ганноверского куфрюршества[7] в Англию (эти два государства в то время были связаны личной унией)[8]. В 1757 году ушёл с военной службы ради занятий музыкой. Он играл также на скрипке, клавесине и органе. Работал органистом и учителем музыки в Галифаксе, затем переехал в курортный город Бат, где стал распорядителем публичных концертов.
Вильям Гершель
Интерес к музыкальной теории привел Гершеля к математике и к знакомству с Джоном Мичеллом, священником из деревни Торнхиллл, бывшим в то же время видным естествоиспытателем и геологом. Мичелл занимался астрономией, оптикой, небесной механикой, будучи одновременно теоретиком и экспериментатором. Открыл, в частности, волноподобную природу землетрясений, осуществил целый ряд оригинальных исследований в области магнетизма и гравитации. Особенно стоит отметить, что Мичелл предвидел возможность существования объектов, схожих с теми, которые позже назовут черными дырами. Письмо от 27 ноября 1783 года, которое он послал в Королевское общество[9], содержало концепцию массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения (вторая космическая скорость), равна или превышает скорость света с расчётом, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов. Правда, «чёрная звезда» Мичелла не похожа на современные модели чёрных дыр, Мичелл не предполагал, что вещество в чёрных дырах может быть сжато до чудовищных плотностей.
Мичелл пробудил интерес Гершеля к астрономии, который окреп после знакомства с Невиллом Маскелайном, занимавшим в то время почетную должность Королевского астронома. Не имея денег на покупку крупного телескопа, Гершель стал изготавливать их самостоятельно, и с этих пор он тратил до 16 часов в день на шлифовку и полировку металлических зеркал. Гершель начал регулярные наблюдения в мае 1773 года, а 1 марта 1774 года начал вести астрономический журнал. Первые записи наблюдений в нем были посвящены Сатурну и Большой туманности Ориона.
Жизнь Гершеля теперь оказалась полностью посвящена двум главным делам: наблюдениям и созданию телескопов. За ночь он мог внимательно пронаблюдать несколько сотен объектов! А за всю свою жизнь он построил более четырехсот телескопов – как для себя, так и на продажу. Самым большим и самым известным из них был рефлектор с зеркалом диаметром 49,5 дюйма (1,26 м) и фокусным расстоянием[10] 40 футов (12 м). В 1789 году, вскоре после начала работы с этим инструментом, Гершель открыл с его помощью спутники Сатурна Энцелад и Мимас – далекие и крохотные небесные тела, диаметр которых по современным данным всего 500 и 400 км соответственно! Правда, из-за огромных размеров телескоп был неудобен в управлении. Большинство наблюдений Гершель сделал на меньшем инструменте – с диаметром зеркала 47 см и фокусным расстоянием 6,1 м.
Интересы Гершеля в начале его работы сосредоточились на поиске пар звезд, которые на небе казались очень близкими друг к другу. Астрономы того времени ожидали, что изменения во взаимном расположении этих звезд в течение года дадут возможность измерить параллакс – кажущееся смещение близких звезд на фоне более далеких – и определить расстояние от звезд до Земли. Гершель начал систематический поиск и обнаружил множество двойных и кратных звезд.
В 1797 году Гершель произвел измерения повторно и обнаружил изменения в их относительных положениях, которые не могли быть объяснены параллаксом, вызванным орбитальным движением Земли. Гершель сделал новаторский вывод о существовании звёздных систем (прежде предполагалось, что двойные звёзды лишь случайно расположены на небе таким образом, что при наблюдении оказываются рядом). В целом же Гершель обнаружил более 800 систем, состоящих из двух или нескольких звезд. Почти все они действительно связаны силами тяготения. Его теоретическая и наблюдательная работа служит основой для современной астрономии двойных звезд.
В марте 1781 года, производя очередные наблюдения по поиску двойных звезд, Гершель заметил объект, который выглядел небольшим зеленоватым диском. Первоначально Гершель считал, что это была комета или звездный диск (он ошибочно полагал, что его инструменты могут показать реальные диски звезд). Он провел много наблюдений объекта и убедился, что тот перемещается по небу. Русский академик Андрей Иванович Лексель вычислил орбиту нового небесного тела и доказал, что оно является неизвестной ранее планетой, чья орбита лежит за орбитой Сатурна. Это был последний «гвоздь, забитый в крышку гроба» старых представлений о Солнечной системе.
Гершель назвал новую планету «Звездой Георга» в честь короля Георга III, который покровительствовал ему. Но название не прижилось. Теперь мы знаем эту планету под мифологическим именем Уран – в честь древнегреческого бога неба.
Не менее плодотворно работал Гершель над открытиями новых туманностей и звездных скоплений. В то время астрономам уже было известно немало объектов, которые имели вид тусклых туманных пятен. Шарль Мессье уже составил свой каталог туманностей, насчитывающий (с последующими добавлениями) 110 объектов. Правда, Мессье воспринимал туманности только как помеху при поиске новых комет, и не считал их объектами, представляющими самостоятельный интерес.
С 1782 по 1802 г., а наиболее интенсивно с 1783 по 1790 г., Гершель проводит систематические исследования в поисках туманностей. За исключением дублирующих и «потерянных» записей, в конечном счете Гершель обнаружил более 2400 объектов, определенных им как туманности. (В то время термин «туманность» применялся для любых астрономических объектов, которые были видны как туманное пятно, – ведь многие плотные звездные скопления еще не были разрешены на отдельные звезды, а природа галактик станет ясной лишь в начале XX века.)
Изучая собственное движение звезд, Гершель стал первым, кто понял, что Солнечная система движется в окружающем пространстве, и определил примерное направление этого движения – созвездие Геркулес.
Кроме того, изучив распределение звезд на небе, он сделал вывод о том, что Млечный Путь имеет форму диска, а Солнечная система находится внутри него. Правда, Гершель ошибся, считая, что Солнце находится вблизи центра диска. В действительности наша звезда расположена на периферии видимого диска Галактики, на расстоянии 26 тыс. световых лет от ее центра. Но стоит отметить, что по современным данным, нашу галактику окружает гало из темной материи, во много раз превосходящее по размерам ее часть, состоящую из звезд, газа и пыли. В таком случае, Солнце все-таки расположено близко к центру этой гигантской системы.
Работы Гершеля положили начало изучению неизвестных ранее видов излучения. Занимаясь исследованием Солнца, он искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. 11 февраля 1800 г. Гершель испытывал солнечные светофильтры. Определяя с помощью термометров температуру разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, «за видимым преломлением». Один из термометров в опыте должен был измерять температуру за пределами полоски видимого спектра, по мысли Гершеля – температуру окружающего воздуха в помещении. Он был удивлен, когда этот термометр показал более высокую температуру, чем в видимом спектре. Дальнейшие эксперименты привели Гершеля к выводу, что должна быть невидимая форма излучения за пределами видимой области спектра. Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.
