Феликс Зигель - Астрономы наблюдают

Природа наградила нас глазами — этими изумительными органами восприятия мира. Лучи света, преломляясь в хрусталике, естественной двояковыпуклой линзе, создают на сетчатке изображения предметов. В нормальном, здоровом глазе они всегда четкие — ведь хрусталик способен к аккомодации, то есть к изменению своей кривизны так, чтобы изображения на сетчатке были в «фокусе». Светочувствительные нервные клетки (колбочки и палочки) составляют поверхность сетчатки и благодаря им изображение внешних предметов переходит в восприятие.

Глаз человека — необыкновенно чувствительный приемник излучения. В некоторых условиях он способен различать даже квантовую природу света. Невооруженный глаз видит на всем небе около 6000 звезд, причем самые слабые из них принадлежат к звездам 6-й звездной величины. Правда, в исключительных случаях, например, в горах, в очень чистые, прозрачные ночи некоторые люди с очень острым зрением различали звезды 8,5 звездной величины. Таких звезд на всем небе уже десятки тысяч!

Отдавая должное разным достоинствам глаза, не следует, однако, забывать и о его недостатках. Яркие звезды, например, выглядят лучистыми, причем с поворотом головы иллюзорные лучи меняют свое расположение. Вызван этот недостаток зрения тем, что свет, попадающий в наш глаз, рассеивается в хрусталике и в так называемом стекловидном теле — студенистой массе, заполняющей внутренность глаза.

Глаз видит далеко не все. Наш орган зрения чувствителен лишь к очень небольшой доле всех электромагнитных излучений, существующих в природе. От 400 до 760 миллимикрон — вот границы длин волн тех лучей, которые доступны глазу. Все остальное мы не видим.

Вся история изучения Вселенной есть, в сущности, поиски и находки средств, улучшающих человеческое зрение. До начала XVII века невооруженный глаз был единственным оптическим инструментом астрономов. Вся астрономическая техника древних сводилась к созданию различных угломерных инструментов, как можно более точных и прочных. Уже первые телескопы сразу резко повысили разрешающую и проницающую способность человеческого глаза. Вселенная оказалась совсем иной, чем она казалась до тех пор. Постепенно были созданы приемники невидимых излучений и в настоящее время Вселенную мы воспринимаем во всех диапазонах электромагнитного спектра — от гамма-лучей до сверхдлинных радиоволн.

Более того, созданы приемники корпускулярных излучений, улавливающие мельчайшие частицы-корпускулы (в основном ядра атомов и электроны), приходящие к нам от небесных тел. Если не бояться аллегорий, можно сказать, что Земля стала зорче, ее «глаза», то есть совокупность всех приемников космических излучений, способны фиксировать объекты, от которых до нас лучи света доходят за многие миллиарды лет.

Подумать только, благодаря телескопам и другим инструментам астрономической техники человек за три с половиной века проник в такие космические дали, куда свет — самое быстрое, что есть в этом мире — может добраться лишь за миллиарды лет! Это означает, что радиус изучаемой нами части Вселенной растет со скоростью, в огромное число раз превосходящей скорость света!

Эта книга повествует об увлекательной истории развития астрономической техники. Мы больше будем говорить о методах и инструментах, чем о результатах исследования. Но ведь путь бывает подчас не менее интересен, чем конечная цель.

Автор выражает глубокую благодарность доктору физико-математических наук Петру Владимировичу Щеглову, внимательно просмотревшему рукопись и сделавшему ряд весьма ценных замечаний.

Попробуйте представить себя в роли древнего наблюдателя Вселенной, полностью лишенного каких-либо инструментов. Много ли в таком случае можно увидеть на небе?

Днем обратит на себя внимание движение Солнца, его восход, подъем до максимальной высоты и медленное нисхождение к горизонту. Если такие наблюдения повторять ото дня ко дню, можно легко заметить, что точки восхода и захода, а также наибольшая угловая высота Солнца над горизонтом непрерывно меняются. При длительных наблюдениях во всех этих переменах можно подметить годовой цикл — основу календарного летосчисления.

Ночью небо гораздо богаче и объектами и событиями. Глаз легко различит узоры созвездий, неодинаковые яркость и окраску звезд, постепенное в течение года изменение вида звездного неба. Особое внимание привлечет Луна с ее изменчивостью внешней формы, сероватыми постоянными пятнами на поверхности и очень сложным движением на фоне звезд. Менее заметны, но, несомненно, привлекательны планеты — эти блуждающие немерцающие яркие «звезды», порой описывающие на фоне звезд загадочные петли.

Спокойная, привычная картина ночного неба может быть нарушена вспышкой «новой» яркой незнакомой звезды, появлением хвостатой кометы или яркого болида, или, наконец, «падением звезд». Все эти события, несомненно, возбуждали интерес древних наблюдателей, но о действительных их причинах они не имели ни малейшего представления. На первых порах предстояло решить более простую задачу — подметить цикличность в небесных явлениях и по этим небесным циклам создать первые календари.

По-видимому, первыми это сделали египетские жрецы, когда примерно за 6000 лет до наших дней они подметили, что предутреннее появление Сириуса в лучах зари совпадает с разливом Нила. Для этого не нужны были какие-либо астрономические инструменты — требовалась лишь большая наблюдательность. Зато и ошибка в оценке продолжительности года была велика — первый египетский солнечный календарь содержал в году 360 суток.

Нужды практики заставляли древних астрономов совершенствовать календарь, уточнять продолжительность года. Предстояло разобраться и в сложном движении Луны — без этого счет времени по Луне был бы невозможен. Надо было уточнить особенности движения планет и составить первые звездные каталоги. Все перечисленные задачи предполагают угловые измерения на небе, числовые характеристики того, что до сих пор описывалось лишь словами. Так возникла нужда в угломерных астрономических инструментах.

Самый древний из них гномон (рис. 1). В простейшем варианте он представляет собой вертикальный стержень, отбрасывающий тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона L и измерив длину I отбрасываемой им тени, можно найти угловую высоту h Солнца над горизонтом по современной формуле:

Древние использовали гномоны для измерения полуденной высоты Солнца в различные дни года, а главное в дни солнцестояний, когда эта высота достигает экстремальных значений. Пусть полуденная высота Солнца в день летнего солнцестояния равна Н, а в день зимнего солнцестояния h. Тогда угол ε между небесным экватором и эклиптикой равен

а наклон плоскости небесного экватора к горизонту, равный 90°—φ, где φ — широта места наблюдения, вычисляется по формуле

С другой стороны, внимательно следя за длиной полуденной тени, можно достаточно точно подметить, когда она становится самой длинной или самой короткой, то есть иначе говоря, зафиксировать дни солнцестояний, а значит, и продолжительность года. Отсюда легко вычислить и даты солнцестояний.

Таким образом, несмотря на простоту, гномон позволяет измерять очень важные в астрономии величины. Эти измерения будут тем точнее, чем крупнее гномон и чем, следовательно, длиннее (при прочих равных условиях) отбрасываемая им тень. Так как конец тени, отбрасываемой гномоном, не бывает резко очерчен (из-за полутени), то на некоторых древних гномонах сверху укрепляли вертикальную пластинку с маленьким круглым отверстием. Солнечные лучи, пройдя сквозь это отверстие, создавали четкий солнечный блик на горизонтальной плоскости, от которого измеряли расстояние до основания гномона.

Еще за тысячу лет до нашей эры в Египте был построен гномон в виде обелиска высотой в 117 римских футов. В царствование императора Августа гномон перевезли в Рим, установили на Марсовом поле и определяли с его помощью момент полдня. На Пекинской обсерватории в XIII веке н. э. был установлен гномон высотой 13 м, а знаменитый узбекский астроном Улугбек (XV век) пользовался гномоном, по некоторым сведениям, высотой 55 м. Самый же высокий гномон работал в XV веке на куполе Флорентийского собора. Вместе со зданием собора его высота достигала 90 м.