В XIX веке большинство ученых принимало модель Лапласа, однако в XX веке от нее отказались, так как в ее рамках нельзя было объяснить тот факт, что 99% вращательного момента Солнечной системы приходится на планеты. Тем не менее идея о вращающемся газовом шаре по существу верна. Современные астрономы наблюдают вокруг молодых звезд и протозвезд (объектов, из которых формируются звезды) диски из рассеянной материи. Считается, что планеты формируются в этих дисках в результате уплотнения материи в сгустки под воздействием гравитационных сил. Однако эта теория не объясняет образования газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн.
В 1801 году французский астроном и популяризатор науки Жозеф Жером Лефрансуа де Лаланд (1732–1807) издал каталог, содержащий более 47 тыс. звезд. К тому времени он уже был знаменитостью, и, возможно, настал подходящий момент, чтобы передохнуть от потока научных подробностей и поговорить о его личности, поскольку это был довольно интересный человек. Вот описание его внешности:
«Он был очень уродлив и гордился этим. Голова в форме баклажана и всклокоченная копна волос, следовавшая за ним подобно хвосту кометы, делали его любимцем портретистов и карикатуристов. Он утверждал, что его рост составляет пять футов, однако при всей точности, с которой он вычислял космические расстояния, его оценка собственного роста на Земле, похоже, была преувеличена. Он любил женщин, в особенности женщин яркого ума, поддерживая их на словах и на деле»
.
Лаланд также опубликовал «Словарь атеистов», в котором писал: «Дело ученых — распространять свет науки, чтобы однажды они смогли обуздать этих чудовищных правителей, поливающих землю кровью, иными словами, поджигателей войны. А поскольку религия породила столь многих из них, нам стоит надеяться, что и ей тоже придет конец». Забавно его замечание, что он стал атеистом в отместку Богу за то, что тот сделал его таким уродцем
.
Вначале Наполеон разрешил Лаланду включить в словарь статью о себе. Но затем император осознал, что нуждается в поддержке церкви, и попытался натравить на астронома цензуру в лице Института Франции. Однако Лаланд отказался прекратить бравировать своими атеистическими взглядами. Даже в период диктатуры Франция могла гордиться высокой степенью интеллектуальной свободы.
Но вернемся к науке. В 1802 году английский физик и химик Уильям Волластон (1766–1828) наблюдал темные линии в солнечном спектре. Они получили название линий Фраунгофера в честь немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера (1787–1826), который исследовал их в 1814 году. Спустя почти полвека немецкий физик Густав Кирхгоф (1824–1887) и немецкий химик Роберт Бунзен (1811–1899) провели параллель между линиями Фраунгофера и светлыми линиями, наблюдаемыми в эмиссионных спектрах различных элементов при их нагревании.
Так появился метод спектрального анализа, в дальнейшем превратившийся в важнейший инструмент, с помощью которого астрономы научились определять химический состав звезд и межзвездной среды. Гелий, второй элемент таблицы Менделеева, был назван так потому, что, прежде чем он был найден на Земле, его впервые обнаружили по линиям поглощения в солнечном спектре.
Механизм возникновения линейчатых спектров был открыт только в 1913 году, когда Нильс Бор рассчитал спектр атома водорода, воспользовавшись новой квантовой теорией (см. главу 5). На самом деле линейчатые спектры были масштабной аномалией, необъяснимой в рамках волновой теории света, что в итоге привело к развитию квантовой механики.
Между тем с началом спектрального анализа звезд универсальный характер законов физики подтвердился. Ньютон совершил первый огромный шаг в этом направлении, когда вывел свой закон всемирного тяготения. Прежде считалось, что на Земле действует один свод законов, а в небесах — совершенно другой. Однако Ньютон предположил, что яблоко падает с дерева, а Луна вращается вокруг Земли под воздействием одной и той же силы. Когда ученые обнаружили, что спектральные линии звезд аналогичны спектральным линиям горячих газов, получаемым в лабораториях на Земле, это стало подтверждением универсальности законов физики. На протяжении всей Вселенной физика неизменна.
Функции Бесселя хорошо знакомы студентам, изучающим физику, математику и технические дисциплины. Хотя это понятие впервые ввел физик Даниил Бернулли (1700–1782), названы они были в честь астронома Фридриха Вильгельма Бесселя (1784–1846). По образованию Бессель был бухгалтером и работал в судоходной компании. Интерес к навигации привел Бесселя в астрономию, ив 1810 году в возрасте 25 лет он стал директором Кёнигсбергской обсерватории в Пруссии.
Бессель первым использовал параллакс для измерения расстояния до звезды. В 1838 году он сообщил, что 61-я Лебедя расположена на расстоянии 10,4 светового года от Земли (1 световой год равен 9,46∙1012 км). По современной оценке это расстояние составляет 11,4 светового года. Позже в том же году Фридрих Вильгельм фон Струве (1793–1864) и Томас Хендерсон измерили соответственно параллакс Беги (расстояние 25 световых лет) и Альфы Центавра (расстояние 4,4 светового года).
На рис. 4.1 показано, как применять параллакс. Наблюдения звезды проводят дважды с перерывом шесть месяцев. Расстояние до звезды рассчитывается (с малоугловым приближением, которое обеспечивает достаточную точность вычислений) по формуле d = 2r/B, где r — радиус земной орбиты, в — разность между двумя углами обзора в радианах.
Рис. 4.1. Как использовать параллакс для измерения расстояния от Земли до звезды или другого астрономического объекта. Звезда А в определенный момент находится в точке В, а 6 месяцев спустя — в точке С. Если радиус земной орбиты равен r (расстояние до Солнца), а измеряемый параллакс равен θ, то расстояние от Земли до звезды d = 2r/ θ. Угол θ в реальности намного меньше изображенного здесь, поэтому для расчетов можно использовать малоугловое приближение. Авторская иллюстрация
Таким образом люди начали вычислять огромные расстояния, разделяющие Землю и звезды. Ближайшая к нам множественная звездная система — Альфа Центавра. Разумеется, не считая Солнца, которое находится на расстоянии 147 млн. км, или 1,55∙10-5 светового года (8,17 световой минуты) от Земли. Во времена, когда это расстояние было измерено впервые, наиболее удаленной от Солнца планетой считался Уран. Хотя Уран наблюдали еще в далекой древности, из-за того что он очень тусклый, его не считали планетой до 1781 года, когда Гершель убедительно это доказал. Расстояние от Урана до Солнца в наиболее удаленной точке орбиты равно 3 млрд. км, или 0,000317 светового года (2,78 светового часа).
Поговорим о следующей планете — Нептуне. Галилей наблюдал Нептун дважды, в 1612 и 1613 годах, однако считал его неподвижной звездой, хотя, согласно последним данным, не исключено, что он замечал движение звезд. В начале XIX века французский астроном Алекс Бувард (1766–1843) измерил отклонения орбиты Урана от траектории, описанной в таблицах, впоследствии ставших стандартными. Он предположил, что отклонение орбиты вызвано влиянием восьмой планеты Солнечной системы, находящейся дальше Урана. Британский астроном Джон Куч Адамс (1819–1892), используя различные источники данных, представил несколько оценок вероятного местоположения новой планеты.
