§ 2. Солнечная система в старых границах

Сначала уточним, что мы подразумеваем под термином «Солнечная система в старых границах». Это прежде всего та ее часть, которая наблюдалась с древнейших времен и наблюдается в наше время невооруженным глазом, без привлечения астрономических инструментов. Она умещается в пределах орбиты Сатурна и включает в себя известные с незапамятных времен планеты Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер, Сатурн, могучее, дарующее всему жизнь Солнце, и вечную спутницу Земли Луну. Но этим нецелесообразно ограничиться. Ведь с момента изобретения телескопа и до замечательного открытия В. Гершеля, описанного в § 4, прошло около 170 лет, в течение которых астрономы-практики, не выходя за границы орбиты Сатурна, сделали много уникальных открытий, существенно обогативших наши представления об окружающем нас космическом пространстве.

Хотя небесные светила являются предметом созерцания и восхищения людей на протяжении многих и многих тысяч лет, объективные знания о них человечество стало добывать не так давно (если сравнить этот срок с историческим периодом развития человечества) и этот процесс интенсивно продолжается в наши дни, и, конечно, будет еще интенсивнее продолжаться в будущем. Это вполне понятно и объяснимо. Астрономическая наука за это время пережила сначала период наивного, романтического развития, после которого наступило время длительного застоя, далее - период зрелого возмужания и на последнем этапе - период подлинно научного расцвета, продолжающийся и поныне.

Никто не может назвать точную дату зарождения астрономии как науки по той простой причине, что определение даты зарождения какой-либо науки содержит в себе много неопределенностей. Можно лишь утверждать, что астрономия - древнейшая из наук и первые астрономические сведения наряду с простейшими правилами счета появились раньше сведений и фактов, имеющих отношение к другим наукам. Величавое небо с миллионами и миллиардами звезд, ослепительное Солнце и нежная Луна всегда потрясали человеческое воображение п это грандиозное создание природы стало предметом астрономии. Вероятно, с тех далеких времен, когда человек научился мыслить, он обратил внимание па красоту и величие неба и начал пытаться проникнуть в его тайны и понять его сущность. Другими словами, объекты астрономических исследований всегда были «налицо» и это, в частности, определило более раннее развитие астрономии по сравнению с другими областями знаний.

Конечно, найдется мало знатоков истории астрономии, которые возразили бы против утверждения, что в период жизни великого астронома древнего мира Гиппарха (11 век до пашей эры) астрономические исследования составляли в совокупности явление, называемое нами наукой. Действительно, астрономия уже тогда имела в своем распоряжении не только предмет для исследования, по п достаточно хорошо развитые методы исследования. А может быть, следует считать, что исследования неба оформились в науку в Древнем Вавилоне, Египте или Китае (III-IV тысячелетия до н э.), когда придворные жрецы научились определять продолжительность года и месяца и на основе этого составляли лунные и солнечные календари. Конечно, необходимость в измерении интервалов времени появилась прежде всего у народов, достигших определенного уровня социальной и общественной организации. В первую очередь это относится к странам, где было развито земледелие. В наше время точный отсчет времени может быть сделай с помощью атомных часов и для этого нам не нужно наблюдать небо, но в античную эпоху, когда было установлено, что наступление н продолжительность сезонов связано с положением Солнца и Луны относительно звезд, регулярные наблюдения небесных светил были жизненно необходимы.

Но был еще более древний этап в развитии человечества, когда люди подметили, что небосвод, хотя и вращается как единое целое с периодом, равным суткам, тем не менее не все светила на нем ведут себя «спокойно». Десять тысяч, а может быть и большее количество лет назад, люди заметили, что имеется семь светил, нарушающих порядок и спокойствие величественного зрелища мира звезд. Именно в это время появилась простейшая, но столь необходимая для начала развития астрономии классификация светил на две группы: многочисленная группа, состоящая из нескольких тысяч неподвижных светил, казалось бы, навечно прикрепленных к небесной сфере, и малочисленная группа, состоящая всего из семи светил, блуждающих по замысловатым кривым среди первых. Таким образом, выделился мир звезд и мир планет, к которому, кроме пяти планет, видимых на небе как немерцающие звездочки, причисляли Солнце и Луну.

Планеты привлекали к себе внимание астрономов с самых древних времен не только тем, что они являлись более яркими небесными светилами по сравнению со звездами, но, главным образом, сложностью, кажущейся загадочностью своих движений. Звезды казались неподвижными друг относительно друга, поэтому структура мира звезд не вызывала у древних ученых забот. Они их, так сказать, прикрепили к поверхности некоторой неизменной сферы звезд и оставили их служить как бы символом постоянства и вечности. Сейчас-то мы понимаем, насколько это наивно, знаем, что звезды очень и очень непостоянны, что сейчас именно звезды и системы звезд привлекают ученых сложнейшими физическими процессами, происходящими па их поверхности и в их недрах, своими сложнейшими движениями в пространстве. Но тогда самыми интересными объектами были планеты. Они все время перемещаются по небу между звездами, описывая сложные пути. Отсюда и название «планета» - по-гречески «блуждающая звезда». Большую часть своего видимого пути планеты перемещаются между звездами с запада на восток, как и Солнце, но через определенные промежутки времени описывают петли и зигзаги, причем каждый раз разные.

На рис. 1-3 приведены видимые пути Сатурна в 1953, 1959 гг. и Марса а 1952 году. Эти рисунки охватывают соответствующие участки неба по склонению δ и прямому восхождению α (α, δ - наиболее часто употребляемые небесные координаты небесных светил. Прямое восхождение α отсчитывается а часах или градусах вдоль небесного экватора. Склонение δ отсчитывается в градусах в направлении, перпендикулярном к небесному экватору)). На них отмечены положения планет через каждые 16 дней, эклиптика - видимый путь Солнца на небе между звездами и наиболее яркие звезды (до 4,5 зв. величины). Сразу виден различный характер петель, описанных Сатурном в 1953 м в 1959 годах. Видно также, что скорость перемещения планеты неодинакова: длины отрезков пути, проходимые каждый за 16 дней, различны. Вот эта наблюдаемая сложность движении плагет и привлекала, заставляла еще древнегреческих ученых искать им объяснение. Так было и так бывает в науке всегда. Именно изучение процессов в их изменении приносит новые фундаментальные научные данные. Чем сложнее эти процессы, тем труднее их исследовать, по тем более ценными чаще всего оказываются результаты.

Рис. 1. Видимый путь Сатурна па небосводе в период с 30 декабря 1952 года по 15 ноября 1953 года. Цифрами 1, 2, 3 обозначены яркие звезды созвездия Девы. Пунктиром помечена эклиптика

В эпоху расцвета античной греческой и римской культуры этим блуждающим светилам - планетам, были присвоены названия, взятые из античной мифологии: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн.

Рис. 2. Видимый путь Сатурна в период с 16 января по 18 декабря 1959 года. На этом участке неба нет ярких звезд. Эклиптика выходит за рамки рисунка

Античная и средневековая астрономия имела и своем распоряжении только метод визуальных (невооруженным глазом) наблюдений, поэтому и количество наблюдаемых в то время небесных объектов не превышало нескольких тысяч. Но уже в античную эпоху древние астрономы сделали большой шаг вперед. Они развили классификацию небесных светил, объединив их в созвездия, и, по-видимому, тогда же появилась классификация светил, основанная на оценке их блеска. Именно об этой классификации необходимо более подробно рассказать, так как она часто понадобится в дальнейшем.

Рис. 3. Видимый путь Марса в период с 13 января по 24 августа 1952 года. 1, 2, 3, 4, 5 - яркие звезды созвездий Девы и Весов

Древние астрономы делили все визуально наблюдаемые звезды па шесть групп, приписывая каждой группе соответствующую звездную величину. Самые яркие звезды считались звездами 1-й величины, самые слабые - звездами 6-й величины. Всем остальным приписывалась 2-я, 3-я, 4-я или 5-я величина. Сравнение блеска звезд, принадлежащих двум смежным группам (1-й и 2-й, 2-й и 3-й и т. д.) показало, что блеск звезды последующей группы приблизительно в 2,5 раза меньше блеска звезды предшествующей группы. В 1856 году английский астроном Норман Погсон (1829-1851) предложил считать, что отношение блеска двух звезд, имеющих смежные звездные величины, равно не 2,5, а равно 2,512, что оказалось очень удобным в вычислениях. Дело в том, что lg2,512=0,4, а это означает, что блеск звезды 6-й величины ровно в 100 раз меньше блеска звезды 1-й величины (другими словами, звезды шестой величины в 100 раз слабее звезд первой величины).

Для ясности приведем соотношение, связывающее блеск звезд с их звездными величинами. Пусть I₁ и I₂ - соответственно блеск двух звезд, а m₁ и m₂ - их видимые звездные величины. Тогда согласно Погсону можем написать, что

(I₁/I₂)=2,512^(m₂-m₁) (1)

или, логарифмируя, будем иметь

(lgI₁/I₂)=0,4 (m₂-m₁). (2)

С помощью формул (1), (2) легко вычислить, что блеск звездочки 11-й величины (обозначается +11^m) в 10000 раз меньше, 16-й -в 1000000 раз меньше, 21-й - в 100 млн. раз меньше блеска звезды 1-й величины. Но формулы позволяют определить лишь относительный блеск (относительную яркость) звезд, а не абсолютный. Иными словами, необходимо определить еще начало отсчета блеска (или, как иначе говорят, нуль-пункт шкалы блеска). Согласно международному соглашению основная шкала блеска звезд была разработана в результате тщательных измерений звездных величин 96 звезд, расположенных в окрестности Полярной звезды, и образующих так называемый Северный Полярный Ряд.

По этой шкале Солнце имеет звездную величину, равную -26^m,8, а звездная величина полной Луны равна - 12^m,7. Если теперь сравнить блеск Солнца и Луны с блеском звезды 1-й величины, то получим, что Солнце в 100 млрд. раз ярче, а Луна - в 250000 раз ярче.

Видимая величина звезды полностью определяется ее блеском и расстоянием от Земли и не зависит от ее расположения относительно Солнца. Иную ситуацию мы имеем в случае планет. Последние светят отраженным солнечным светом, и, следовательно, их блеск в первую очередь зависит от их гелиоцентрического, геоцентрического расстояний (расстояния от Солнца и от Земли) и от угла, образованного направлениями на планету и на Солнце. Простые соображения показывают, что внешние планеты (планеты, удаленные от Солнца дальше Земли) будут наиболее яркими (т. е. будут иметь наименьшую звездную величину) в моменты оппозиций пли противостояний, когда Земля находится между Солнцем и внешней планетой. Точнее, Солнце, Земля и внешняя планета располагаются почти на одной прямой, так как планеты движутся вокруг Солнца не в одной, а в различных плоскостях. Именно в эти моменты времени расстояния от Земли до внешних планет являются наименьшими, а доля отраженного ими света в направлении Земли является наибольшей (рис.4).

Рис. 4. Взаимное расположение планет на орбитах. Р₁- оппозиция внешней планеты; M₁ - нижнее соединение внутренней планеты; P₂, М₂ - верхние соединения; M₃, М₄ - элонгации внутренней планеты; Т - положение Земли на орбите

По другому обстоит дело с внутренними планетами, Венерой и Меркурием. Эти планеты находятся на минимальном расстоянии от Земли в моменты нижних соединений, но в эти моменты они обращены к Земле неосвещенной частью, поэтому их наблюдения очень затруднительны. Когда они обращены к Земле наибольшей освещенной частью, они находятся за Солнцем, поэтому их наблюдать также невозможно. Отсюда следует, что мы видим Венеру и Меркурий наиболее яркими в периоды времени, когда они находятся недалеко от элонгации. Максимальная элонгация Меркурия - 28°, Венеры - 48°.

Приведем ниже таблицу видимых звездных величин планет Солнечной системы в те моменты, когда они наиболее яркие, а также Солнца и Луны.

Приведенная таблица объясняет, почему с самых древних времен наблюдались первые пять планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн). Они хорошо видны невооруженным глазом, так как по сравнению со звездами достаточно ярки. Для сравнения скажем, что видимая величина Полярной звезды равна +2^m,2. Звездная величина Урана тоже находится в пределах видимости невооруженным глазом, но следует иметь в виду, что звездную величину +5^m,4 он имеет в оппозиции. В других положениях на орбите звездная величина Урана больше, поэтому он не наблюдался невооруженным глазом. Можно также добавить, что если бы Уран был звездой, а не планетой, то весьма вероятно, что он наблюдался бы намного раньше, чем он был открыт Гершелем.

Естественно, что на первоначальном этапе планеты существовали в сознании людей как отдельные, не связанные друг с другом объекты и потребовалось весьма продолжительное время, чтобы блуждающие светила были объединены человеком в систему светил. Для такого вывода необходимо было выполнить многочисленные наблюдения, открыть неравномерности в движениях планет относительно звезд, наконец найти периодические явления в мире космоса, а для этого наверняка было необходимо не одно тысячелетие. Наивные представления о строении мира неизбежно обусловили период наивного развития астрономии. Было время, когда вся Вселенная представлялась в таком виде: Земля - плоская поверхность, служащая фундаментом мира, небо - вращающийся, светящийся свод, упирающийся в Землю, от которого отражаются световые лучи. Курьезными кажутся представления древнейших астрономов о размерах Вселенной. В IV тысячелетии до нашей эры египтяне считали, что Луна находится от Земли на расстоянии всего 330 км, Солнце - 500 км, самая дальняя планета, Сатурн, - на расстоянии 660 км. Жрецы древней Персии допускали, что звезды ближе к Земле, чем Солнце и даже Луна. Но не все древнейшие астрономические данные были столь ошибочны и курьезны.

Уже в III тысячелетии до нашей эры египтяне знали, что год состоит из 365,25 суток, умели вычислять моменты наступления солнечных и лунных затмении. Древние вавилоняне четко представляли, что Луна - ближайшее к Земле небесное светило и совершает свой оборот вокруг Земли в самый короткий промежуток времени не потому, что обладает наибольшей скоростью, а потому, что ее орбита мала, что ее затмения вызываются земной тенью. Конечно, первые крупицы истинных знании о небе сочетались и сосуществовали с различными мистическими и фантастическими вымыслами, которые всегда «вмешиваются» в дела науки на первых порах ее развития.

Большого развития достигла астрономическая наука в эпоху расцвета античной культуры в странах Средиземноморья во второй половине последнего тысячелетия до нашей эры и в первые два столетия нашей эры. Именно в это время жил самый знаменитый математик античного мира Пифагор (VI век до нашей эры) и многочисленные его последователи и ученики, образовавшие так называемую пифагорейскую школу, влияние которой чувствовалось несколько столетий. Пифагору принадлежит довольно убедительное доказательство шарообразности Луны, гипотеза о шарообразности Земли, впоследствии многократно доказанная его учениками.

К этому времени достаточно глубоко укоренилось мнение, что небосвод представляет собой сферу, к которой прикреплены все светила, и она вращается вокруг Земли как единый механизм со скоростью одного оборота в сутки. Пифагор, по-видимому, впервые приписал каждой планете, Солнцу и Луне по сфере, на которых происходило их движение, так что число сфер достигло восьми.

Такие ученики Пифагора как Филолай (470-399 гг. до нашей эры), Евдокс Книдский (408-355 гг. до нашей эры), Аристарх Самосский (310-230 гг. до пашей эры), были последовательными сторонниками гелиоцентрической доктрины, приписывая Земле движение вокруг неподвижного Солнца. Последний также разработал весьма оригинальный метод определения расстояния от Земли до Солнца в единицах расстояния Земля-Луна. По его расчетам Солнце находится от Земли на расстоянии, в двадцать раз превышающем расстояние Земля - Луна. Астрономическая единица, т. е. расстояние Земля - Солнце, на самом деле примерно в 400 раз больше расстояния Земля - Луна и такая большая погрешность объясняется не дефектами метода Аристарха Самосского, а неумением древних астрономов точно фиксировать момент наступления полулуния.

Огромное влияние п абсолютный авторитет не только в древнем мире, но и в средние века имели знаменитые ученые-философы Платон (428-347 гг. до нашей эры) и Аристотель (384-322 гг. до нашей эры). Их концепция, состоящая в том, что все движения в природе сводятся к равномерным круговым движениям, как самым естественным и незаменимым, стала настолько распространенной, что все серьезные математики и астрономы, начиная с Гиппарха и кончая Коперником, считали эту догму абсолютной истиной и строили кинематические модели для планетных движений на основе равномерных круговых орбит. Можно заключить, что античная астрономия достигла наибольшего расцвета именно в кинематическом описании Солнечной системы, венцом которого является геоцентрическая система мира, предложенная Клавдием Птолемеем (II век до нашей эры), господствовавшая как единственная наука о небе вплоть до середины XVI столетия. Древние греки достаточно точно знали угол наклона эклиптики к экватору (23°,5) и настолько хорошо изучили движения Солнца и Луны относительно звезд (прежде всего благодаря Гиппарху), что могли предсказать с точностью до одного-двух дней моменты наступления солнечных и лунных затмений на многие годы вперед. Они лишь не умели определять истинные расстояния между телами Солнечной системы, поэтому им не были известны ее реальные размеры. Следует заметить, что геоцентрическая модель Солнечной системы в принципе не может быть использована для определения планетных расстояний и это одни из се существенных пороков.

Со смертью Птолемея кончается расцвет древней астрономии. Наступает период мрачного средневековья. Птолемеева система мира становится религиозной и государственной догмой, а все, что с ней не согласуется, объявляется еретичным и противобожественным. Вера в неподвижность Земли, хорошо согласующаяся с человеческими обыденными ощущениями, была преобладающей и, казалось, так будет вечно. Но диалектика нас учит тому, что феодализм должен был в конечном итоге уступить место новой общественной формации, капиталистической, а появление нового общественного строя неизбежно обусловило быстрое развитие многих областей познания, в том числе и астрономии.

Человечество вступает в эпоху Возрождении, а астрономия получает в лице Николая Коперника (1473-1543) гениального реформатора и мыслителя, творца гелиоцентрической системы мира. Создав цельное и стройное учение о Солнечной системе, в центре которой он ставит Солнце с вращающимися вокруг него планетами, Коперник совершил революционную перестройку всего естествознания и древнейшей части его - астрономии. Пользуясь современной терминологией, можно образно сравнить учение Коперника с тем могучим начальным импульсом, который позволил естествознанию преодолеть догматизм и теологию и вывел его на орбиту всестороннего расцвета.

Бессмертное сочинение Коперника «О вращениях небесных сфер» увидело свет в год смерти ее автора, в 1543 году. Сравнивая уровень астрономических знаний в этот период с уровнем астрономической пауки в античную эпоху, мы усматриваем огромную эволюцию во взглядах на окружающую людей Вселенную. Вместе с тем объекты для наблюдений оставались те же: Солнце, Луна, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн) и звезды. Правда, иногда появлялись на небосводе кометы, но последние не считались членами Солнечной системы, а лишь таинственными творениями бога, предвещавшими стихийные бедствия и войны.

Положение коренным образом изменилось с изобретением телескопа. Первый телескоп построил голландский оптик Ганс Лшшерсгейм в 1608 году и когда это известие дошло до Галилея, тот сразу оценил, какие безграничные возможности открываются перед наблюдательной астрономией. 7 января 1610 года Галилей впервые увидел в окуляре своего телескопа, дававшего увеличение в семь раз, три спутника Юпитера, а 13 января он наблюдал и четвертый спутник. Эти четыре спутника стали впоследствии называться галилеевыми спутниками и получили названия Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Замечательное открытие Галилея показало всем, что количество объектов в Солнечной системе намного больше, чем привыкли люди думать с древних времен, и опровергло старую антропоцентрическую концепцию, выдвинутую Аристотелем и поддержанную Птолемеем, о том, что Земля является единственным центром вращений во Вселенной. Оказалось, что другие планеты также могут быть центрами вращательных движений, и в этом смысле Земля ничем не отличается от других планет. Кроме того, Галилей в течение 1610 года открыл фазы Венеры и пятна на Солнце, с помощью которых доказал вращение Солнца вокруг своей осн.

Внедрение телескопа в астрономическую практику получало все большее распространение в различных странах. Значительно расширились наши знания о лунной поверхности, были уточнены периоды обращения галнлеевых спутников, с помощью которых Олаф Рёмер (1644-1710) впервые в 1676 году измерил скорость света. Выдающийся вклад в астрономическую науку внес знаменитый голландский ученый Христиан Гюйгенс. С помощью телескопа, дававшего увеличение в 92 раза, он открыл кольца Сатурна, а в 1655 году - самый большой спутник Сатурна, Титан. Одно из самых замечательных изобретений Гюйгенса - это маятниковые часы, позволившие существенно повысить точность измерения времени, а следовательно, и точность астрономических наблюдений. Одновременно с Гюйгенсом жил директор Парижской обсерватории Джованни Доменик Кассини, также много сделавший для расширения человеческих знаний о Солнечной системе. Телескоп Парижской обсерватории, первым директором которой был Джованни Кассннп, обладал 150-кратным увеличением. На этом инструменте Касснни открыл четыре спутника Сатурна: Япет в 1671 году, Рею в 1672 году, Диону и Тефшо в 1684 году. Кроме того, детальные исследования кольца Сатурна показали, что оно состоит из двух колец, отделенных друг от друга щелью, получившей впоследствии название щели Кассини. Кассини был первым астрономом, который определил расстояние от Земли до Солнца с погрешностью менее 10%. По его определениям расстояние Земля - Солнце равнялось 140 млн. км, в то время как до него оно считалось равным 8 млн. км и было определено еще Аристархом Самосским (для сравнения укажем, что астрономическая единица равна 149 600 000 км). Читателю теперь ясно, что только после определений Кассини среднего расстояния от Земли до Солнца астрономы получили возможность оценить реальные размеры Солнечной системы.

В 1705 году английский королевский астроном Эдмунд Галлей (1656-1742) издал сочинение «Очерк кометной астрономии», в котором доказывал, что кометы, появлявшиеся на небосводе в 1456, 1531, 1607 и 1682 годах, тождественны и представляют на самом деле одну и ту же комету, движущуюся вокруг Солнца по очень вытянутой эллиптической орбите с периодом, равным 76 годам. Исследования Галлея убедили людей в том, что но крайней мере некоторые кометы являются такими же равноправными членами семьи Солнца, как и планеты, и в этом смысле они не являются таинственными и загадочными объектами.

К 80-годам XVIII столетия Солнечная система представляется нам богатым семейством небесных тел, насчитывающим 18 членов: Солнце, планеты Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, десять спутников (Луна, четыре галилеевых спутника Юпитера - Ио. Европа, Ганимед, Калл пето и пять спутников Сатурна - Титан, Япет, Рея, Днона и Тефия), кольцо Сатурна. К ним следует добавить комету Галлея, также получившую права гражданства в солнечной семье.