Великие астрометристы древности

В древности астрономия не делилась на более "узкие" специальности - слишком мал был общий объем знаний о Вселенной. Тем не менее, с современной точки зрения, древние астрономы по необходимости были астрометристами - главное их занятие заключалось в определении положения светил на небе и измерении времени. Редкие астрофизические явления вроде вспышек новых звезд и появления комет при всей их важности для будущего развития науки мало что давали для физического миропонимания неизвестных тогда еще объектов, осмыслить физическую суть которых было невозможно. Вот почему первых астрономов мы вправе считать астрометристами. Трое из них особенно заслуживают нашего внимания как искуснейшие наблюдатели древности - это Гиппарх, Улугбек и Тихо Браге.

О Гиппархе известно немного. Жил он во II в. до н. э. в Никее, но большую часть жизни провел на острове Родос, где и построил себе обсерваторию. К сожалению, из всех сочинений Гиппарха лишь одно, и притом второстепенное, дошло до наших дней. О главных его трудах известно из более поздних сочинений других авторов.

Гиппарх фактически рассчитал первые тригонометрические таблицы. Однако вместо современных синусов и тангенсов он приводил выраженные в долях радиуса окружности длины хорд соответствующих центральных углов. Используя эти таблицы, он решал задачи сферической тригонометрии, например, переводил экваториальные координаты светил в эклиптические, и обратно. То же относится и к другим астрономическим координатам. Сферическая тригонометрия есть основа сферической астрономии - важнейшего раздела астрометрии.

Еще за двести лет до Гиппарха определили, что Солнце движется по эклиптике неравномерно, хотя истинной причины этого явления (неравномерное обращение Земли вокруг Солнца) тогда не знали. Гиппарх составил таблицы, по которым можно было выяснить, где находится Солнце на эклиптике в любой момент времени. Он также открыл важное явление - предварение равноденствий. Оно выражается в том, что каждый год равноденствие случается несколько раньше, чем Земля совершит полный путь вокруг Солнца. Иначе говоря, точка весеннего равноденствия медленно смещается по эклиптике, завершая полный оборот за 26 000 лет. При этом наклон эклиптики к экватору остается почти неизменным.

Причина этих явлений, как мы теперь знаем, заключается в прецессии - медленном перемещении земной оси по конусообразной поверхности. (Прецессию можно наблюдать у любого волчка-достаточно слегка щелкнуть пальцем по его оси.) Гиппарх этого, конечно, не знал. Он открыл прецессию по изменению эклиптических координат звезд, вызванных перемещением начала отсчета - точки весеннего равноденствия. Гиппарх был отличным наблюдателем - ошибки его угловых измерений не превосходили нескольких минут дуги. Такая точность и позволила Гиппарху заметить, что вследствие прецессии координаты звезд, измеренные его предшественником Тимохарисом (III в. до н. э.), заметно изменились.

Движение Луны оказалось еще более сложным, чем видимое движение Солнца. Гиппарху удалось подметить важнейшие неправильности, или, как говорят, неравенства в этом движении, нашедшие себе объяснения спустя почти две тысячи лет. Еще более сложными и трудно объяснимыми показались Гиппарху движения планет.

Изучение звезд начинается с их переписи, т. е. с составления звездного каталога, в котором указаны координаты звезд, их кажущаяся яркость, цвет и другие особенности.

Около 355 г. до н. э. китайские астрономы Гань Гун и Ши Шэнь составили, по-видимому, первый в мире звездный каталог, где были даны сведения о 800 звездах, причем для 120 из них определялись эклиптические координаты. Каталог китайских астрономов, увы, не дошел до нас. Такая же участь постигла первой в Европе звездный каталог греческих астрономов Аристилла и Тимохариса (280 г. до н. э.). Да и о каталоге Гиппарха мы можем судить лишь по сочинениям Клавдия Птолемея (II в. н. э.).

Этот каталог содержал сведения о 1008 звездах 48 созвездий. Самые яркие из звезд, видимые невооруженным глазом, Гиппарх назвал звездами первой звездной величины, самые слабые - шестой. По классификации Гиппарха его каталог включал в себя 15 звезд первой величины, 45 - второй, 208 - третьей, 474 - четвертой, 217 - пятой и 49 - шестой. Разумеется, эта статистика не отражает действительного распределения звезд по их светимости. Но не будем строги к Гиппарху - ведь его каталог был одним из первых в истории астрономии. Примечательно, что понятие "звездная величина", введенная Гиппархом, сохранилась до наших дней.

Гиппарх был пионером и в наблюдении некоторых астрофизических явлений. В 134 г. до н. э. в созвездии Скорпиона он заметил новую, неизвестную ранее яркую звезду. Именно это событие, кстати, и побудило его составить звездный каталог.

Перенесемся теперь мысленно в XV в. н. э. Около 1425 г. в окрестностях Самарканда было завершено строительство величайшей в мире обсерватории. Она была создана по замыслу и под руководством внука знаменитого Тимура. Его звали Мухаммед-Тарагай. Впрочем, в истории он известен по своему прозвищу - Улугбек, что означает "великий князь". Жил Улугбек - выдающийся астроном и математик - с 1394 по 1449 г.

После долгой междоусобной борьбы в 1409 г. Улугбек становится правителем Мавераннахра, Хорезма и Ферганы.

Столицей всей этой обширной области Средней Азии стал древний Самарканд.

В отличие от деда, Улугбек не был склонен к ратным подвигам. Его больше увлекала наука. Он всемерно покровительствовал ученым, строил великолепные по архитектуре медресе (школы). Улугбек окружил себя учеными самых разных профессий, из которых наиболее привлекательной он считал астрономию.

Обсерватория Улугбека действительно уникальна. Цилиндрическое трехэтажное здание со множеством помещений имело высоту около 50 м. Его цоколь был украшен яркой мозаикой, а на внутренних стенах здания виднелись изображения небесных сфер и аллегорические фигуры "климатов". С крыши обсерватории виднелся открытый горизонт.

Главным инструментом обсерватории был исполинский квадрант, частично сохранившийся до наших дней. Он был укреплен в центральном широком проеме здания, строго в плоскости небесного меридиана (рис. 13), и имел радиус 40,2 м. В центре его дуги укреплялся основной диоптр, а на самой дуге по бронзовым рельсам наблюдатель передвигал визирные инструменты, с помощью которых фиксировалось направление на небесное светило. При наблюдении Солнца помещение квадранта затемняли, и луч Солнца, проходя через основной диоптр, давал "зайчик" на специальном белом диске, перемещавшемся по дуге инструмента.

Рис. 13. Обсерватория (общий вид - справа) и часть дуги и квадранта Улугбека (слева)

В те времена Самарканд стал астрономической столицей мира, а слава Улугбека перешагнула далеко границы Азии. На гравюрах XVII в. мы видим Улугбека в окружении самых знаменитых астрономов мира.

Улугбек одним из первых после Гиппарха решился составить новый звездный каталог. Он дошел до нас в главном труде Улугбека и сотрудников его обсерватории под названием "Новые астрономические таблицы" (1437-1449). Он содержал не только перепись звезд, но также сведения о различных системах летосчисления, основах сферической астрономии, данные, помогающие предсказать наступление солнечных и лунных затмений, и многое другое. Однако главной частью труда был звездный каталог, включающий сведения о 1018 звездах. Положение некоторых из них заметно изменилось со времен Ти-мохариса и Гиппарха, причем вызвано это было не только ошибками наблюдателей и прецессией. По-видимому, Улугбек, не сознавая этого, впервые зафиксировал реальные перемещения звезд в проcтранстве.

Точность измерения, достигнутая Улугбеком, оставалась непревзойденной более века. Но в 1546 г. в Дании родился мальчик, которому суждено было достичь еще больших вершин в дотелескопической астрономии. Звали его Тиге, но позже это имя латинизировалось, и в историю астрономии знаменитый датчанин вошел под именем Тихо Браге.

Тихо Браге был сыном своего века. Он верил астрологам и даже сам пытался предсказывать будущее по звездам. Однако научные интересы одержали победу над заблуждениями. В 1563 г. 17-летний Тихо приступил к первым самостоятельным астрономическим наблюдениям. Во время последовавшего затем трехлетнего путешествия Тихо встречался с известными немецкими астрономами и здесь же в Германии соорудил огромный квадрант радиусом 2 м. По возвращении на родину Тихо неожиданно увлекся алхимией, но в 1572 г. в созвездии Кассиопеи вспыхнула необычайно яркая новая звезда, сиявшая даже днем. Она вновь привлекла Тихо к астрономии. Он написал трактат о Новой звезде 1572 г., который принес ему широкую известность. Однако физическая природа этой звезды была для Тихо совсем непонятной.

В 1576 г. датский король отвел Тихо остров Вен около берегов Швеции для строительства там большой астрономической обсерватории. На средства, отпущенные королем, Тихо в 1584 г. соорудил две обсерватории, внешне похожие на роскошные замки. Одну из них Тихо назвал Ураниборг (т. е. замком Урании, музы астрономии), вторая получила наименование Стьернеборг ("звездный замок"). На острове Вен находились мастерские, где под руководством Тихо изготовляли изумительные по точности угломерные астрономические инструменты. В размерах они, конечно, уступали самаркандскому квадранту, но зато, будучи металлическими, допускали очень точную градуировку - ошибка при работе с ними не превосходила минуты дуги, а зачастую была даже меньшей.

На известной гравюре XVI в. (рис. 14) Тихо Браге изображен во время наблюдений на своем гигантском (радиусом 2 м) стенном квадранте.

Рис. 14. Тихо Браге и его стенной квадрант. Наблюдатель справа фиксирует положение визира на дуге квадранта, один помощник записывает данные наблюдений, а другой следит за показаниями часов

Двадцать один год продолжалась деятельность Тихо на острове Вен. Он был первым из астрономов, кто стал учитывать рефракцию - кажущееся смещение небесных светил к зениту из-за преломления лучей в земной атмосфере. Тихо удалось открыть новые, неизвестные ранее неравенства в движении Луны. Им составлены таблицы видимого движения Солнца и планет, более точные, чем раньше. Наконец, замечателен звездный каталог, на создание которого датский астроном затратил 7 лет. По количеству звезд (777) каталог Тихо уступает звездным каталогам Гиппарха и Улугбека. Но зато координаты звезд Тихо измерил с большей точностью, чем его предшественники. Тихо Браге достиг наибольшей точности угловых измерений на небе невооруженным глазом. Он не дожил всего лишь несколько лет до того момента, когда был изобретен телескоп, значительно расширивший возможности астоометоии.