Глава 3. Браге, Галилей и Кеплер

 

Но жребий брошен; я пишу свою книгу. Прочтут ли ее мои современники или потомки, это неважно – она дождется своего читателя.

ИОГАНН КЕПЛЕР. ГАРМОНИЯ МИРА

 

 

Есть миф, что Коперник избавился от эпициклов в гелиоцентрической системе мира. Есть миф, что телескоп изобрел Галилео Галилей. При этом забывается долгая история, предшествующая этим событиям. Нам легче осознавать историю, если разбить ее на некие периоды, выделить в ней поворотные моменты, которые словно возникли из ниоткуда. К сожалению, это неправильный взгляд на реальный исторический процесс. История культуры, и науки в частности, больше похожа на паутину, чем на прямую дорогу из желтого кирпича.

Но так как мы занимаемся не историей науки, давайте все же упростим наш рассказ и остановимся на трех ученых из бесчисленного ряда астрономов XVI–XVII веков, которым мы обязаны окончательным утверждением гелиоцентризма: это Тихо Браге (1546–1601), Галилео Галилей (1564–1642) и Иоганн Кеплер (1571–1630). Научный мир в те времена был весьма замкнутым, все более или менее крупные ученые знали друг друга. Жизни и научные достижения Браге, Кеплера и Галилея так переплелись, что невозможно рассказать об одном, не рассказав о двух других. Браге прославился высокоточными наблюдениями, на основании которых Кеплер вывел знаменитые три закона движения планет, и именно благодаря наблюдениям в телескоп Галилея гелиоцентрическая картина мира стала общепризнанной.

Кеплер родился в городке Вайль-дер-Штадт на юге Германии. Его увлечение астрономией началось еще в детские годы. В своих воспоминаниях он описал два ярких эпизода из детства: как он вместе с матерью с холма наблюдал комету в ночном небе и как чуть позже, тоже с матерью, – лунное затмение. Всю свою жизнь Кеплер испытывал трепетную любовь к матери, она играла в его жизни одну из главных ролей. Пройдет много лет, и ее обвинят в колдовстве и посадят в тюрьму. Кеплер, не видя иной возможности спасти мать, сам выступит ее адвокатом. Благодаря его уму, таланту и выдержке он добьется успеха и она избежит костра. Но выйдя из тюрьмы уже совсем старой и больной женщиной (ей было тогда 74), она не проживет и года.

 

Иоганн Кеплер

 

Судьба сыграла с Кеплером злую шутку. В шестилетнем возрасте он заболел оспой. К счастью, он выжил, однако болезнь сказалась на зрении. Сильная близорукость и монокулярная полиопия (или множественное зрение, при котором одиночный предмет воспринимается как несколько) остались с ним навсегда. Тем не менее это не помешало ему стать великим астрономом.

В 1591 году Кеплер поступил в университет в Тюбингене, где смог учиться благодаря стипендии, назначенной ему за успешное обучение в школе. В университете на Кеплера оказал большое влияние Михаэль Местлин, астроном и один из первых последователей Коперника. Вслед за учителем Кеплер становится сторонником гелиоцентризма.

После окончания университета, будучи с детства крайне набожным, он должен был стать священнослужителем. Но преподаватели вовремя заметили выдающиеся способности юноши, и его планам не суждено было сбыться. В год окончания университета Кеплера приглашают в Грац на должность математика в протестантской школе.

Мироощущение Кеплера с самого молодого возраста было бурлящей смесью религиозности, любви к астрономии и приверженности к неоплатонизму. Отправной точкой его рассуждений стало убеждение в том, что Бог создал мир геометрически совершенным. В итоге Кеплер всю жизнь потратил на поиски высшей гармонии. Его религиозность была совсем не похожа на ту, о которой любят говорить в школах, обвиняя в невежестве Средневековье, – она представляла собой скорее духовное путешествие. И именно мистическое мироощущение сподвигло его на занятия астрономией – наукой, претендующей на способность объяснить устройство небес. Кеплер задавался вопросами, которые в прошлые столетия старались обходить стороной: почему орбиты планет именно такие, какие есть, а не иные? почему планет именно шесть (столько было известно в его время), а не больше или меньше? Ответы на эти вопросы означали для него разгадку замысла самого Бога. И в конце концов путь Кеплера привел его к тому, что он был не понят и отвергнут даже братьями по протестантской вере.

Следующее за окончанием университета лето 1595 года Кеплер проводит в поисках закономерностей размеров орбит известных светил. После тщательных раздумий и бесчисленных попыток связать вселенскую гармонию с геометрией ему в голову приходит прекрасная идея о том, что между размерами орбит и пятью платоновыми многогранниками[20] есть связь: «Орбита Земли есть мера всех орбит. Вокруг нее опишем додекаэдр. Описанная вокруг додекаэдра сфера есть сфера Марса. Вокруг сферы Марса опишем тетраэдр. Описанная вокруг тетраэдра сфера есть сфера Юпитера. Вокруг сферы Юпитера опишем куб. Описанная вокруг куба сфера есть сфера Сатурна. В сферу Земли вложим икосаэдр. Вписанная в него сфера есть сфера Венеры. В сферу Венеры вложим октаэдр. Вписанная в него сфера есть сфера Меркурия»23. Для наглядности он даже поместил Солнце в центр мира, что означало возвращение отвергнутых Коперником эквантов. Но это пустяки по сравнению с тем, что его система отвечала на вопрос, почему орбиты планет имеют именно такой радиус, а не другой, и почему планет именно шесть.

 

 

Кеплер снова и снова, дни и ночи напролет тщательно проверяет свои расчеты. Почти все сходится, а остальное он списывает на неточности измерений. Он вдохновлен и счастлив. В 1596 году Кеплер публикует книгу, где повествует о своих открытиях. Она называется «Тайна мироздания».

Вот что писал Кеплер о своей первой книге спустя много лет: «Словно оракул с небес продиктовал мне главы этой книжки, так все они, по общему признанию, были превосходны и отвечали истине… Мне самому, в течение вот уже 25 лет работающему над преобразованием астрономии (начатым знаменитым благородным датским астрономом Тихо Браге), главы этой книжки не раз освещали путь. Почти все астрономические труды, которые я опубликовал за это время, берут свое начало в той или иной главе моей первой работы и поэтому могут рассматриваться как более подробное или более полное изложение этих глав»24.

«Тайна мироздания» пользовалась большим успехом, породив как волны восторгов, так и потоки критики. Во втором издании Кеплер совершенствует свою систему, исправляет некоторые ошибки, допущенные в первом издании, и точнее подгоняет теорию под наблюдения.

В 1596 году один из экземпляров своей книги Кеплер посылает Галилео Галилею, другой – тогда уже знаменитому астроному Тихо Браге. Галилей в ответном письме похвалил этот труд, хотя, по-видимому, читал его не очень внимательно. Также он написал, что на руках у него есть доказательства истинности гелиоцентризма, но он не решается их публиковать, ибо запуган судьбой Коперника, осмеянного и отверженного (и не зря: через четыре года на костре святой инквизиции будет сожжен ярый последователь Коперника Джордано Бруно, вклад в астрономию которого сомнителен, а многие мировоззренческие утверждения и вовсе абсурдны, но все же этого явно не достаточно, чтобы поплатиться жизнью).

В отличие от Галилея, Браге в ответном письме Кеплеру выразил сожаление о потраченном молодым человеком времени на бесплодное следование системе Коперника. Возможно, тут сказался тот факт, что Браге создал свой вариант системы мироустройства. (Недовольство системой Птолемея было повсеместным. Почти каждый уважающий себя астроном создал в те годы свою модель мира.) Согласно этой системе все планеты вращаются вокруг Солнца, но само Солнце вращается вокруг Земли, находящейся в состоянии покоя. И все же, несмотря на научные разногласия, Браге высоко оценил математические способности Кеплера и, отчаянно нуждаясь в талантливом помощнике, предложил ему сотрудничество. Он звал его дважды. В первый раз Кеплер отказался, но во второй согласился, потребовав жалование, достаточное для переезда и обеспечения семьи. В это время в Граце начались гонения на протестантов, и церковь поставила Кеплеру ультиматум: или он примет католическую доктрину, или его ждет изгнание из города. Таким образом, предложение Браге оказалось весьма кстати, и в 1600 году ученые начали совместную работу в Праге.

Тихо Браге родился через три года после смерти Коперника. Известность он получил благодаря книге, в которой смог убедительно доказать, что вспышка, осветившая небо в 1572 году, – всего лишь звезда, а не комета или какое-либо божественное знамение. Это была первая за более чем полтысячи лет сверхновая, взорвавшаяся в нашей галактике. Следующая вспышка произойдет через 32 года, в 1604 году, – позже ее назвали сверхновой Кеплера. Именно сверхновая 1572 года вдохновила Браге возобновить занятия астрономией, от которой он отошел, увлекшись алхимическими опытами. И вскоре его авторитет среди астрономов вырос настолько, что в 1574 году датский король пригласил Браге читать лекции в Копенгагенском университете, а через два года специальным указом пожаловал ему в пожизненное пользование остров Вен. На этом острове Браге построил первую в Европе обсерваторию[21], которую назвал «Ураниборг», что значит «Небесный замок». Браге был деспотичным хозяином острова: слуги и рабочие часто страдали от жестоких наказаний за свои провинности, а сотрудники и ученики – за ошибки в расчетах. Но жизнь в обсерватории была довольно комфортной. Там, помимо помещений, из которых велись астрономические наблюдения, располагались библиотека, столовая, комнаты для ученого и членов его семьи, гостей, сотрудников и учеников, жилые помещения для рабочих и прислуги. А еще в Ураниборге имелся водопровод. Этого чуда техники в то время не было даже у самого короля.

По прошествии чуть более 20 лет датский король умер и финансирование обсерватории прекратилось. Браге был вынужден искать себе нового покровителя, которым в итоге стал Рудольф II, в те времена император Священной Римской империи. Его резиденция находилась не в столице империи – Вене, а в Праге. Потомок Габсбургов, Рудольф II стал одним из символов столицы Богемии. Как правитель он уделял политике и войне меньше внимания, чем коллекционированию произведений искусств, изучению алхимии и астрономии. Собирая в своем дворце картины, скульптуры, научные приборы и тратя на них головокружительные по тем временам средства, он стремился сделать Прагу культурной столицей мира. При его дворе находили теплое местечко лучшие ученые. Хорошо разбираясь во многих искусствах и науках, но все же являясь любителем, он старался окружить себя настоящими профессионалами своего дела. Великолепную картину торжества разума и эстетики омрачал лишь тот факт, что в XVI веке не видели большой разницы между астрологическим знанием и астрономическим, между алхимией и естествознанием. Толпы авантюристов и откровенных шарлатанов стекались в Прагу и неплохо там обосновывались. Однако же съезжались сюда и талантливые художники, скульпторы, механики, конструкторы и астрономы. В 1598 году в Прагу прибыл и приглашенный Рудольфом II Тихо Браге.

Всю свою жизнь Браге вел астрономические наблюдения. Инструменты, созданные по его чертежам, и усовершенствованные методы наблюдений давали поразительную, недостижимую до этого точность. (Еще более точные наблюдения буду проведены только через полтора столетия, когда Гершель построит свои великолепные телескопы. Среди инструментов Браге же телескопов не было.) Накопленные наблюдения, конечно же, подлежали анализу. И именно для этого Браге был нужен Кеплер. В 1601 году они начали работу над астрономическими таблицами, названными в честь императора Рудольфовыми. Но Браге не успел завершить начатый труд: он скоропостижно скончался в этом же году. Последние его слова были: «Надеюсь, жизнь прожита не зря». Кеплер занял его должность при дворе, получил в свое распоряжение все данные наблюдений и астрономические инструменты. Единственным условием стало продолжение работы над Рудольфовыми таблицами, которую Кеплер завершил лишь через 26 лет, попутно открыв законы движения небесных тел. Значение этих таблиц было настолько велико, что еще не одно столетие ими пользовались мореплаватели и астрономы.

В октябре 1604 года в созвездии Змееносца зажглась новая звезда – примерно в 20 000 св. лет от Солнца взорвалась сверхновая (мы называем ее SN  1604). Кеплер не сразу, а лишь через неделю приступил к наблюдениям за ней, которые продолжались в течение всего года. Результаты этих наблюдений он изложил в книге «О новой звезде в ноге Змееносца», изданной в 1606 году в Праге. В историю эта звезда вошла как «сверхновая Кеплера».

Работая над Рудольфовыми таблицами, Кеплер, используя только результаты наблюдений, открыл три закона движения планет. Первый закон описывает геометрию орбит планет и формулируется так: каждая планета Солнечной системы движется по эллипсу, причем Солнце располагается в одном из фокусов этого эллипса. Если по каким-то причинам вы не помните, что такое эллипс или фокус эллипса, то представьте себе следующую картинку: в дощечку на некотором расстоянии друг от друга вбиты два гвоздика, соединенные ниткой, причем длина нитки больше расстояния между гвоздиками. Если карандашом зацепить нитку и обвести им гвоздики, держа нитку в постоянном натяжении, то очерченная фигура окажется эллипсом, а два гвоздика станут его фокусами. Сумма расстояний от фокусов до любой точки эллипса, таким образом, есть величина постоянная. Не сложно заметить, что окружность – это частный случай эллипса, когда фокусы находятся в одной точке.

Двигаясь по эллиптической орбите, планета находится то ближе к Солнцу, то дальше от него. Также меняется ее скорость – чем больше расстояние между планетой и Солнцем, тем меньше скорость орбитального движения планеты. Второй закон Кеплера гласит: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, за равные промежутки времени «заметает» равные площади (см. рис. 8).

 

Рисунок 8. Эллиптическая орбита планеты. Закрашены равные площади, «заметаемые» радиус-вектором за равные промежутки времени

 

Третий закон Кеплера связывает геометрические характеристики орбит с характеристиками движения. Звучит он так: квадраты периодов обращения планет (T) вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет (a):

 

 

Конечно, выводы Кеплера распространялись только на Солнечную систему. Действительно, утверждать, что вокруг других звезд могут обращаться планеты и что законы, которым они подчиняются, совпадают с законами, действующими в нашей системе, было смертельно опасно: в воздухе еще пахло костром, на котором недавно сгорел Бруно. Кеплер не раз говорил о законе тяготения, который управляет движением планет. Но выразить этот закон в математической форме ему не удалось. Только к концу века Ньютон докажет, что особенности движения планет, сформулированные Кеплером, могут быть выведены из закона всеобщего тяготения.

Первые два закона Кеплер вывел на основании данных о движении Марса, доставшихся ему от Тихо Браге. Не располагая достаточным математическим аппаратом, Кеплер скрупулезно пытался найти кривую, правильным образом описывающую орбиты планет. В конце концов он полностью отказался от эпициклов и эксцентриков и пришел к выводу, что Марс движется по эллиптической орбите. Эти два закона Кеплера впервые были опубликованы в книге «Новая астрономия»[22] в 1609 году. Позже он доказал, что все известные ему планеты подчиняются этим законам. В 1612 году император Рудольф II умер, и Кеплер покинул Прагу. Он перебрался в город Линц, в котором жил до самой смерти. Третий закон был опубликован Кеплером в 1619 году в книге «Гармония мира».

До конца жизни Кеплер не отрекся от своих юношеских представлений о Боге-геометре, и в последних сочинениях он вновь обращается к теме многогранников и делает ряд открытий. В книге «Гармония мира» он описывает свое представление об устройстве мира. Кеплер считал, что Земля имеет душу, и эта душа может чувствовать души других планет. Ученый посвятил много страниц описанию музыки, которую издают планеты, обращаясь по орбитам вокруг Солнца. По его представлениям, каждой планете соответствует своя нота, и чем дальше от Солнца находится планета, тем более низко эта нота звучит. Хотя Кеплер сетовал на то, что, скорее всего, красивой музыки планеты не рождают, он считал, что, возможно, в самом начале времен Бог наслаждался прекрасной симфонией.

Сегодня подобные идеи кажутся нам смешными, наивными и абсурдными. Но в оправдание можно сказать, что Кеплер жил в эпоху, когда научное мировоззрение только вставало на ноги, будучи пока лишь слабой альтернативой мистическому и религиозному взгляду на мир. Еще не было уверенности в существовании неких общих для всех явлений природы законов. И как минимум поэтому нужно отдать должное мужеству Кеплера.

Как я уже упоминал, молодой Кеплер отправил один экземпляр своей книги «Тайны мироздания» Галилео Галилею. Более серьезного научного авторитета в те времена не существовало. Один из покровителей Галилея писал о нем: «Земля не знала такого гения со времен Аристотеля». Научные достижения Галилея огромны, и даже скромное упоминание о каждом из них займет много страниц.

Галилей родился в 1564 году. Его отцом был видный в то время теоретик музыки Винченцо Галилей, прославившийся тем, что разработал и провел эксперимент, демонстрировавший связь между натяжением струн и создаваемыми ими тонами. Эксперименты Винченцо Галилея можно считать отправной точкой современной акустики, которая началась как приложение к теории музыки, а затем превратилась в самостоятельный раздел физики. Именно от своего отца Галилей перенял максиму «эксперимент – учитель всего»25.

Поступив в Пизанский университет и проучившись там четыре года, Галилей больше не мог оплачивать свое обучение из-за финансовых проблем и вернулся во Флоренцию без степени. Однако его первая научная работа «Маленькие гидростатические весы», написанная в 1586 году, способствовала его знакомству с маркизом Гвидобальдо дель Монте, ставшим ему другом и покровителем. Тремя годами позже тот помог Галилею получить кафедру математики в том же Пизанском университете, который он так и не окончил. Дель Монте также познакомил Галилея с его будущим покровителем, герцогом Фердинандо I Медичи. В 1592 году Галилею предложили должность в Университете Падуи, и он перебрался преподавать (в том числе и птолемееву астрономию) туда. Годы пребывания в этом университете стали самыми плодотворными для Галилея. Тогда же произошло заочное знакомство Кеплера и Галилея.

Область научных интересов Галилея была обширной, но именно после взрыва сверхновой 1604 года он начал более активно заниматься астрономией. Долгое время он не относился всерьез к кеплеровским моделям орбит планет. А увидевшую свет в 1609 году «Новую астрономию» даже не читал и наотрез отказывался верить в эллиптические орбиты.

В это время в астрономии тихо совершилась еще одна революция: в голландском городе Мидделбург то ли производитель очков Ганс Липперсгей, то ли его коллега Захарий Янсен (сейчас уже неизвестно, кто из них на самом деле был первым) изобрел некое оптическое устройство, которое увеличивало далекие предметы. В 1609 году Галилей, услышав о создании «голландских очков для перспективы», но не имея возможности увидеть их, сам конструирует за несколько дней такое же устройство с 20-кратным увеличением (в будущем такие устройства назовут телескопами). С его помощью Галилей и начал изучать небо.

Впервые в истории человек смог увидеть в ночном небе больше, чем ему было дано природой. В 1610 году в книге «Звездный вестник» Галилей публикует описания того, что ему открылось. Книга расходится мгновенно, вся образованная Европа зачитывается ею, а Галилей становится самым знаменитым ученым Европы.

Открытия Галилея оказываются действительно изумительными. Благодаря телескопу он определяет, что Луна имеет несферическую форму и разнообразный рельеф, схожий с земным, а также, и это самое удивительное, что светит она не своим, а отраженным солнечным светом. Галилей исследует пятна на Солнце, доказывает, что оно вращается, а еще открывает четыре спутника Юпитера (это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). Кроме того, Галилей обнаруживает фазы Венеры. Это означает, что она вращается вокруг Солнца и ее свет не собственный, а отраженный солнечный.

Все это говорит о том, что мир небес подвержен изменениям со временем, он не идеален и не статичен, а значит, между нашим подлунным миром и космосом нет разницы: и тот и другой состоят из одной и той же материи и управляются одними и теми же законами. Открытия Галилея окончательно разрушили господствовавшую астрономическую парадигму, оставшуюся со времен античности.

Став значимой фигурой, Галилей открыто начинает поддерживать Коперника, от его былой робости и страха не остается и следа. И все же, к сожалению, у Галилея на руках не было неоспоримых доказательств истинности гелиоцентризма. Более того, факты указывали на то, что Земля неподвижна.

Например, неминуемым следствием гелиоцентризма является годичный звездный параллакс – изменение в течение года взаимного положения звезд, обусловленное тем, что наблюдатель вместе с Землей двигается вокруг Солнца и смотрит на небо из разных точек земной орбиты. Чем дальше находится звезда, тем меньше будет ее параллакс. Но его сложно определить. Звездный свет, видимый с Земли, подвержен влиянию сезонных колебаний температуры и влажности воздуха, к тому же картинку смазывает дрожание атмосферы. Все это мешает провести высокоточные наблюдения.

Однако Галилей придумал и популяризовал способ обойти эти трудности. Все, что нужно было сделать – наблюдать оптические двойные звезды, то есть звезды, расположенные на большом расстоянии друг от друга (важно, чтобы одна звезда находилась от наблюдателя намного дальше, чем другая), но при этом лежащие практически на одной прямой для наблюдателя на Земле. В течение года параллакс далекой звезды в рассматриваемой двойной системе практически нулевой, а вот параллакс близкой более значительный. Но самое главное, свет, приходящий к нам от этих звезд, подвержен одинаковым атмосферным и приборным искажениям, а значит, их взаимное смещение может быть обнаружено. Галилей наблюдал параллакс оптической двойной системы звезд Мицар и Алькор в созвездии Большой Медведицы в 1617 году. Однако смещения звезд друг относительно друга он не обнаружил, что, в принципе, не удивительно, если учесть, какими примитивными телескопами располагал астроном. И все же неудача не поколебала его веры в гелиоцентризм.

Другим примером может служить теория приливов, которую разработал Галилей, основываясь на теории двух движений Земли – годичного и суточного вращений. Сегодня мы знаем, что приливы вызваны взаимодействием земных океанов с Луной, Галилей же ее влияние никак не учитывал. Его теория давала проверяемое предсказание – один прилив в день. Однако все жители Италии знали, что приливов в сутках два, утром и вечером. И все же Галилей был уверен в своей правоте, считая, что второй прилив вызывают какие-то вторичные эффекты.

Итак, гелиоцентризм во времена Галилея еще не выдерживал критики. Но страсти вокруг него не утихали. Необходимо было официальное мнение церкви. В 1616 году папа Павел V поставил свою подпись под заключением теологической комиссии по вопросу гелиоцентризма: «Утверждать, что Солнце стоит неподвижно в центре мира – мнение нелепое, ложное с философской точки зрения и формально еретическое, так как оно прямо противоречит Святому Писанию. Утверждать, что Земля не находится в центре мира, что она не остается неподвижной и обладает даже суточным вращением, есть мнение столь же нелепое, ложное с философской и греховное с религиозной точки зрения»26.

Через семь лет, в 1623 году, папский престол занял Урбан VIII. Комиссия, назначенная папой для оценки гелиоцентризма, рассмотрев все доказательства движения Земли, указала на то, что наблюдаемые высокие и низкие приливы, фазы Венеры, солнечные пятна и спутники Юпитера все же могут быть согласованы с теорией стационарной Земли.

В 1630 году Галилей закончил писать главный труд своей жизни «Диалог о двух главнейших системах мира». По форме он представляет собой разговор двух философов, придерживающихся разных взглядов на устройство мира, и обывателя, изначально не разделяющего ни одну из точек зрения. Для того чтобы книга прошла цензуру церкви, Галилей написал в прологе, что цель ее в развенчании идей Коперника. Однако после прочтения книги любому читателю становилось совершенно очевидно, каких взглядов придерживается автор и какую мысль он хочет донести на самом деле. Шалость удалась, и в 1632 году книгу опубликовали. Через несколько месяцев церковь спохватилась (видимо, заинтересованные лица все же вдумчиво прочитали книгу), и Галилея вызвали в Рим, где его ждало судебное разбирательство.

После процесса, длившегося четыре месяца, семидесятилетний Галилей под угрозой костра отрекся от гелиоцентризма, его заключили под домашний арест на одной из вилл Медичи. Там он провел остаток жизни, работая над книгой «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», которая так и осталась незаконченной. 8 января 1642 года Галилео Галилей ушел из жизни.

Законы Кеплера еще долго, вплоть до работ Исаака Ньютона, не имели математических доказательств, параллакс был достоверно обнаружен только в XIX веке, тогда же была построена правильная теория приливов.

 

 

Глава 4. Телескопы и люди

 

По случаю конфирмации я не получил ни часов, ни первую пару длинных штанов, как большинство лютеранских мальчиков. Я получил телескоп. Моя мама думала, что он будет лучшим подарком.

ВЕРНЕР ФОН БРАУН

 

 

До недавнего времени о существовании планет вокруг других звезд астрономы могли лишь строить гипотезы. Конечно, все понимали, что наша Вселенная была бы очень странным местом, если бы планеты вращались только вокруг Солнца, однако разглядеть планеты у других звезд казалось невозможным. Сейчас мы знаем, что большинство звезд в нашей галактике имеют планетные системы. Чаще всего говорят о существовании от одной до десяти планет около каждой звезды. Более точные оценки привести сложно – нужно больше данных наблюдений. Если волевым решением выбрать из этого диапазона цифру 3, мы получим триллион планет только в нашей галактике. А значит, просто чтобы их пересчитать (тратя на каждую планету по одной секунде), вам понадобится 30 000 лет!

Все знания о звездах, планетах, галактиках и Вселенной астрономы получили в ходе наблюдений за небом[23]. Таким образом, основным рабочим инструментом астронома является телескоп – он собирает излучение, приходящее к нам из космоса, и делает его доступным для анализа.

Первые телескопы работали в оптическом диапазоне. В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл показал, что видимый свет является лишь одним из видов электромагнитного излучения, очень узкой полоской в широком спектре электромагнитных волн, на одном конце которого расположилось ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, а на другом – инфракрасное и радиоизлучение. Сегодня астрономы с помощью телескопов разных видов изучают небо во всех диапазонах волн. Например, чтобы изучать звезды, лучше всего подходит видимый спектр, а газопылевые и молекулярные облака хорошо видны в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

В Чилийской высокогорной пустыне на плато Чахнантор, там, где воздух сух и неподвижен бо́льшую часть года, вдали от крупных городов, на высоте 5 км над уровнем моря расположен один из самых знаменитых, самых дорогих и мощных радиотелескопов в мире – Atacama Large Millimeter Array  («Атакамская большая антенная решетка миллиметрового диапазона»), или ALMA. Этот телескоп не похож на привычные для нас телескопы, а напоминает скорее разбросанные по пустыне в хаотичном порядке гигантские спутниковые тарелки. Но на самом деле эти тарелки представляют собой единый телескоп, позволяющий с очень высокой точностью получать координаты космических объектов.

Дело в том, что телескопы – это штуки, в случае с которыми размер действительно имеет значение. Разрешающая способность в них зависит от диаметра главного зеркала (или приемной тарелки): чем она больше, тем более близкие объекты он сможет «разрешить» – разделить, идентифицировать как два объекта, а не принять за один источник. Для того чтобы получить более четкие изображения, мы должны делать более крупные телескопы. Но кто решится сделать телескоп с диаметром тарелки пусть даже в 10 км?

После Второй мировой войны для увеличения разрешающей способности приборов, регистрирующих электромагнитное излучение, английский радиоастроном Мартин Райл разработал новую технологию, прилучившую название «радиоинтерферометрия». Она позволила объединять несколько радиотелескопов таким образом, чтобы те работали как один огромный телескоп – радиоинтерферометр. В радиоинтерферометре разрешающая способность зависит не от размера зеркала, а от расстояния между радиотелескопами, входящими в единый комплекс (это расстояние называют базой).

Идея здесь довольно простая, но иллюстрировать ее лучше на примере двух радиотелескопов. Представьте себе звезду, которую мы наблюдаем, и две отдельно стоящие тарелки радиотелескопов, объединенных в радиоинтерферометр. Поскольку телескопы находятся на некотором расстоянии друг от друга, сигнал от звезды приходит на каждый из них в разное время. В процессе суточного перемещения звезды по небосводу время прихода сигналов на радиотелескопы меняется. Все сигналы передаются на коррелятор (центральный компьютер) и там специальным образом обрабатываются. Такая схема позволяет точно определить координаты небесного объекта, и чем больше радиотелескопов объединено в радиоинтерферометр, тем выше его разрешающая способность.

Радиоинтерферометрия позволила создавать радиотелескопы с базой, эквивалентной радиотелескопу с многокилометровой тарелкой. На 2020 год ALMA является самым крупным по числу объединенных в нем радиотелескопов радиоинтерферометром: в его составе 66 12-метровых тарелок, каждая из которых способна к тому же произвольно перемещаться по площадке размером в 16 км. Все это позволяет получить поистине поразительное разрешение. Благодаря ALMA астрономы сделали много важных открытий. В свете нашего разговора об экзопланетах упомяну одно из них: в 2014 году были опубликованы великолепные фотографии протопланетного диска звезды HL Тельца27. Это первые фотографии, на которых можно детально рассмотреть структуру газопылевого диска.

В 2021 году планируется начать строительство крупнейшего из когда-либо созданных радиоинтерферометров. По структуре он будет напоминать ALMA. Его антенны разместят на двух материках: в Африке, на территории ЮАР, и в Австралии. В ЮАР расположат 200 радиотарелок, способных принимать сигналы в среднечастотном диапазоне, а в западноавстралийской пустыне – почти 130 000 низкочастотных антенн. Проект носит название Square Kilometre Array («Антенная решетка площадью в квадратный километр»), или SKA [24]. Первоначально общая эффективная площадь радиотелескопа, как ожидается, составит 1 км2 (а может, и больше – до 3 км2). Количество данных, генерируемых этим радиотелескопом в секунду, в 10 раз превысит глобальный интернет-трафик. Если все пройдет как задумано, в середине 2020-х годов начнутся первые наблюдения.

При максимальном расстоянии в 65 км между антеннами в Австралии и 150 км в ЮАР, вдали от городов и радиопомех SKA сможет улавливать радиосигналы, которые испускают космические объекты, в том числе протопланетные облака, удаленные от нас на десятки тысяч световых лет, с беспрецедентной чувствительностью.

Для поиска уже сформировавшихся планет радиоинтерферометры подходят плохо[25]. Экзопланеты обычно ищут в инфракрасном и оптическом диапазонах – различные методы поиска эффективны в разных диапазонах волн. Больше всего экзопланет обнаружено в оптическом диапазоне. Но для наблюдений «в оптике» подходит не любая точка на Земле. На самом деле существуют строжайшие требования, которым должна удовлетворять местность, чтобы строительство современного телескопа там было целесообразным. Как и радиоинтерферометрам, оптическим телескопам необходимо отсутствие крупных городов рядом, ясное небо, спокойный воздух и сухой климат. На нашей планете не так много мест, которые могут обеспечить эти условия на протяжении большей части года. Но если подходящее место найдено, будьте уверены: здесь вы найдете не один и не два, а целое множество телескопов разных стран. Такими цитаделями астрономии являются, например, пустыня Атакама в Чили, вулкан Роке-де-лос-Мучачос на Канарском острове Пальма, гора Мауна-Кеа на Гавайях. Последнее место теперь все чаще упоминают в СМИ из-за проблем религиозного характера: вулкан, на котором собираются строить телескоп, является священным местом для коренного народа Гавайев28. Сейчас там расположена обсерватория Кека.

Существует много способов войти в историю, и большое количество денег этому только способствует. Однако распространенное мнение гласит, что состоятельные люди не очень-то хотят, чтобы их знали. Если же вы по счастливой случайности не принадлежите к такой породе людей, профинансируйте строительство телескопа и можете быть уверены: его назовут в вашу честь. В 1954 году Уильям Майрон Кек создал фонд для поддержки научных открытий и новых технологий. А в 1980-х годах в стенах Калифорнийского университета родилась идея создать самый мощный и крупный (на тот момент, конечно же) телескоп в мире. Поиски финансирования привели астрономов Калифорнийского университета в фонд Кека, основатель которого и стал учредителем всего проекта, вложив 70 миллионов долларов. Благодарные ученые назвали телескоп его именем.

Обсерватория Кека состоит из двух 10-метровых оптических телескопов: «Кек I» и «Кек II». «Кек I» увидел «первый свет»[26] в мае 1993 года, а «Кек II» – в октябре 1996-го. Так как технологии создания подходящих по качеству зеркал диаметром более 8,5 м не существует, главные зеркала этих телескопов состоят из 36 шестиугольных сегментов, действующих как единое целое.

Когда мы смотрим на звезды, мы видим свет, который прошел десятки и сотни триллионов километров в безвоздушном пространстве. Из-за таких больших расстояний звезды даже в мощные телескопы должны казаться нам точечными источниками без любого намека на наличие у них площади. Но последнюю сотню километров луч света проходит сквозь атмосферу Земли и преломляется в ее слоях подобно тому, как он преломлялся бы в призме. Эти слои образуются вследствие возникновения участков локальной турбулентности, хаотично меняющих температуру и плотность воздуха в атмосфере Земли. Из-за этого меняется и показатель преломления, и вместо точечного источника мы видим мерцающее пятно.

В 1999 году в обсерватории Кека была установлена система адаптивной оптики для корректировки искажений, вносимых турбулентностью атмосферы, в реальном времени. Принцип работы такой системы следующий: свет от звезды проходит через главное оптическое зеркало телескопа и попадает на так называемый датчик волнового фронта, измеряющий искажения изображения звезды. Далее компьютер вычисляет форму, которую нужно придать специальному деформируемому зеркалу, чтобы свести искажения света к минимуму. Адаптивное зеркало деформируется в соответствии с инструкциями компьютера, и в итоге можно получить изображения звезды, сравнимые с теми, что передают на Землю космические телескопы.

Для того чтобы систем