§ 4. Удачный поиск астронома Вильяма Гершеля

Представления людей о Солнечной системе претерпели, как мы видели выше, существенные изменения за время, прошедшее с момента открытия телескопа и до конца XVIII столетия. Одно лишь оставалось неизменным: число планет в Солнечной системе, равное шести. Сатурн считался самой далекой от Солнца планетой, и мало кто допускал, что за орбитой Сатурна блуждает в мировом пространстве по гелиоцентрической орбите еще одна планета. Эти представления о строении Солнечной системы показаны на рис. 8.

Рис 8. Солнечная система до открытия Урана

Но 13 марта 1781 года произошло событие, оказавшее огромное влияние на дальнейшее развитие астрономии. Один из самых знаменитых астрономов-практиков и столь же выдающийся конструктор астрономических телескопов, Вильям Гершель (1738-1822), открыл новую планету. Такие события бывают очень и очень редко, поэтому история открытия новой планеты, также как и личность открывателя, стоят того, чтобы о них рассказать более подробно.

Вильям Гершель родился 15 ноября 1738 года в Ганновере, в семье военного музыканта. Продолжая семейные традиции, он уже в четырнадцать лет становится хорошим скрипачом и гобоистом, а в семнадцать лет занимает место гобоиста в военном оркестре. Постоянно совершенствуя свой музыкальный талант, Гершель к тридцати годам становится ведущим исполнителем на скрипке, гобое и органе в английском городе Бате, куда он переехал несколькими годами раньше. Кроме того, он дает много уроков по музыке и постепенно завоевывает солидную репутацию учителя музыки среди горожан Бата. Еще в юности он с увлечением прочитал сочинение «Опыт о человеческом разуме» английского философа Джона Локка (1632-1704), а несколько позже изучил книгу Роберта Смита «Полная система оптики», из которой почерпнул много полезных сведений о конструкциях и назначении телескопов. Незаурядные разносторонние способности, увлеченность и громадная энергия давали возможность Гершелю ежедневно по много часов самостоятельно заниматься астрономией, математикой и философией. Влекомый тайнами Вселенной и получая большое удовольствие от занятий астрономией, Гершель пришел к мысли о конструировании собственного телескопа. В течение 1773 и начала 1774 года он построил свой первый зеркальный телескоп с фокусным расстоянием 2,1 м (500-кратное увеличение) и в марте 1774 года сделал первое астрономическое наблюдение. Вспомним, что год рождения Гершеля - 1738-й, так что астрономом-наблюдателем он стал в относительно немолодом для ученого возрасте, в 36 лет. Его безграничное стремление к познанию мира звезд, неистощимая энергия и огромная настойчивость в достижении цели привели к тому, что впервые в астрономической практике начались систематические наблюдения всей видимой в северном полушарии части небосвода. Целых семь лет прошли в напряженнейшей работе (днем - музыкальные уроки и работа по усовершенствованию телескопов, ночью - наблюдения), пока не наступил вечер 13-го марта 1781 года. В этот вечер Гершель наблюдал участок неба между созвездиями Тельца и Близнецов и между 22 и 23 часами он в телескопе заметил маленький светящийся кружочек. Гершель сразу понял, что он наблюдает не неподвижную звезду, которая представилась бы в телескопе светящейся точкой, а подвижное небесное светило. Наблюдения, сделанные 15 марта, показали, что светящийся кружочек действительно обладает собственным движением относительно звезд. Из этого факта Гершель заключил, что им открыта новая комета, хотя не наблюдался пи хвост, ни туманная оболочка, присущие кометам, не очень удаленным от Солнца. Об этом открытии Гершель сообщил в Гринвичскую обсерваторию и круг наблюдателей небесного странника значительно расширился. К лету 1781 года количество наблюдений стало достаточным, чтобы можно было вычислить параметры орбиты. Эти сложные и громоздкие вычисления выполнил петербургский академик Андрей Иванович Лексель (1740-1784), который нашел, что блуждающая звездочка Гершеля движется вокруг Солнца по почти круговой орбите на расстоянии в 19 раз большем расстояния Солнце - Земля. Лексель также определил период обращения вокруг Солнца, оказавшийся равным приблизительно 84 годам. Из этих вычислений однозначно вытекало, что Вильям Гершель открыл не комету, а новую неизвестную до тех пор планету, так как уже тогда было известно, что орбиты большинства комет - это вытянутые эллипсы с большими эксцентриситетами или даже гиперболы (более подробно это описано в следующем параграфе). Для сравнения укажем, что эксцентриситет орбиты Урана равен е=0,047, а эксцентриситет орбиты кометы Галлея равен 0,967. Зная большую полуось орбиты планеты «а» и ее эксцентриситет «е», можно вычислить наименьшее и наибольшее расстояния r_п, r_а от Солнца по формулам

r_п=а(1-е), r_а=а(1+е).

Из этих соотношений находим, что для Урана

r_п=18,3 а. е., r_a=20,1 а. е.,

а для кометы Галлея r_п=0,6 а. е., r_a=35,3 а. е. Отсюда вытекает, что орбита Урана имеет почти круговую форму, в то время как орбита кометы Галлея - очень вытянутый эллипс с перигелием внутри орбиты Венеры и с афелием за орбитой Нептуна.

Гершель предложил назвать новую планету звездой Георга в честь английского короля Георга III, но это название не получило распространения. Но предложению немецкого астронома Иоганна Воде (1747-1826) ей было присвоено наименование Уран, взятое из древнеримской мифологии и означавшее имя самого древнего из богов.

Это уникальное открытие занимает особое место в естествознании в целом и в астрономии в частности. Открытие Гершеля сделало несостоятельными старые, традиционные взгляды на размеры и структуру Солнечной системы и отодвинуло ее границы далеко за орбиту Сатурна. Солнечная система увеличилась в линейных размерах в два раза и теперь ее граница проходила по орбите Урана на расстоянии 19,2 а. е. от Солнца (рис. 9).

Рис. 9. Солнечная система после открытия Урана

После этого замечательного события слава Гершеля быстро распространилась не только в Англии, но и в Европе и Америке. В том же 1781 году он был избран членом Английской Академии наук - Королевского Общества, а годом позже король Георг III назначил Гершеля придворным астрономом. Новое положение в обществе позволило Гершелю целиком посвятить себя астрономии. Вместе с родной сестрой Каролиной (1750-1848), верной и постоянной помощницей во всех его начинаниях, Гершель покинул в августе 1782 года город Бат и через некоторое время переехал и окончательно поселился в местечке Слоу. До конца своей долгой жизни (он умер 25 августа 1822 года в возрасте 84 лет) Гершель сделал множество других замечательных открытий, относящихся как к Солнечной системе, так и к звездной вселенной. Например, он доказал, что Млечный Путь представляет собой «неизмеримый звездный слой», т. е. имеет звездную природу. Ему принадлежат уникальные наблюдения двойных звезд и фундаментальные исследования формы и структуры Галактики, о которых мы не имеем возможности рассказать, поскольку они далеко выходят за рамки нашей темы. Дальше мы изложим результаты его деятельности в области астрономии Солнечной системы.

В 1782-1783 годах Гершель построил новый, более мощный зеркальный телескоп с фокусным расстоянием 6,1 м и с диаметром зеркала 45 см, а несколько позже, в 1787-1789 годах, сконструировал телескоп с фокусным расстоянием 12,2 м. С помощью первого телескопа 11 января 1787 года он открыл два спутника Урана (Оберон и Титания), а с помощью второго - два спутника Сатурна. 28 августа 1789 года Гершель, первый из астрономов, наблюдал шестой спутник Сатурна, Энцелад, и двадцать дней спустя, 1,7 сентября - его седьмой спутник, Мимас. Эти спутники обращаются вокруг планеты на расстояниях 237 000 км и 185 000 км соответственно и находятся ближе кллапете, чем остальные пять спутников, открытых раньше: Япет, Титан, Рея, Диона и Тефия. Для знаменитого астронома сам Сатурн также был одним из любимых объектов для наблюдений. Между 1790 и 1806 годами он публикует около десяти работ, посвященных Сатурну. Им были определены величины экваториального и полярного радиусов планеты R_e и R_п, оказавшиеся равными 60400 и 54050 км. После их вычисления было найдено сжатие планеты α по формуле α=(R_e-R_П)/R_e, которое равно 0,105. Кроме того, он с очень большой точностью определил период вращения Сатурна вокруг своей оси, равный 10 часам 16 минутам (с погрешностью ±2 минуты) и период вращения кольца Сатурна, равный 10 часам 30 минутам, а также исследовал причины периодического изменения яркости некоторых спутников. Довольно распространенным в то время было мнение о существовании гор-великанов на Венере. Гершель, пользуясь своими уникальными телескопами, опроверг этот ошибочный вывод и заключил, что период обращения Венеры вокруг оси не может быть вычислен уверенно из-за наличия у последней плотной атмосферы, открытой в 1761 году М. В. Ломоносовым (1711-1765). Гершелю принадлежит также открытие периодического увеличения и уменьшения белых шапок у марсианских полюсов и многих других разнообразных явлений, происходящих на Солнце, планетах и спутниках.

Рис. 10. Сравнение орбит больших планет и орбиты кометы Галлея. (1) - комета Энке

Но среди многочисленных его открытий бесспорно одно из первых мест занимает открытие Урана и его вполне было бы достаточно, чтобы имя Гершеля навечно осталось в истории естествознания.