Глава 3. Затмения и транзиты планет: место встречи

В древние времена полные солнечные затмения считались зловещим предзнаменованием. Люди верили, что судьба мира зависит от вечных и божественных звезд, и внезапное исчезновение важнейшей из них было равносильно концу света. Постепенно эти верования отошли в прошлое, однако затмения по-прежнему оставались крайне любопытным явлением.

Затмения помогали определить соотношения расстояний между небесными телами. Как мы уже упоминали, Аристарх Самосский именно во время лунного затмения определил расстояния между Землей, Луной и Солнцем. В свое время расстояния между планетами Солнечной системы удалось определить при прохождении Венеры по диску Солнца. Затмения помогли людям достичь новых вершин научного знания и совершить множество открытий. Это явление, по сути, не более чем частный случай математической задачи сферической астрономии.

Геометрия затмений

Обычному человеку непросто понять, как именно располагаются Земля, Луна и Солнце во время затмений, и в новостях поэтому часто проскальзывают досадные ошибки. К примеру, очевидно, что солнечные затмения всегда происходят в новолуние, лунные затмения — в полнолуние, однако тем, кто несведущ в астрономии, непросто ответить на вопрос: каким образом солнечные затмения связаны с фазами Луны? Также таким людям сложно понять, почему лунные затмения наблюдаются намного чаще, чем солнечные. Попробуем дать простые ответы на эти вопросы.

На следующей иллюстрации представлены фазы Луны. Лунное затмение наблюдается при попадании Луны в коническую тень Земли. При этом Солнце, Земля и Луна располагаются так, как показано на иллюстрации ниже. Поскольку коническая тень Земли больше, чем Луна, лунные затмения происходят сравнительно часто. Очевидно, что лунное затмение может наблюдаться только при полной Луне, так как Земля должна располагаться на прямой линии между Солнцем и Луной.

При вращении Луны вокруг Земли половина Луны всегда освещена (обратите внимание на маленькие изображения Луны под номерами 1, 2, 3 и 4), однако при наблюдении с Земли Луна выглядит иначе — так, как показано на внешней окружности на иллюстрации.

В положении 1 мы видим Луну в первой четверти, в положении 2 — полную Луну, в положении 3 — последнюю четверть, в положении 4, то есть в новолуние, Луна не видна — она не отражает солнечные лучи в сторону Земли.

Схема лунного затмения. Лунное затмение происходит в полнолуние.

Фотографии лунного затмения, наложенные друг на друга: вы видите, как спутник Земли пересекает тень планеты.

Солнечное затмение происходит, когда Луна расположена между Солнцем и Землей, то есть в положении 4 на иллюстрации на предыдущей странице. Солнечные затмения, в отличие от лунных, можно увидеть только из конкретных областей земной поверхности, и наблюдаются они реже, чем лунные. Если лунные затмения можно наблюдать почти каждый год, то чтобы увидеть солнечное затмение, придется ждать много лет.

Схема солнечного затмения. Солнечное затмение происходит в новолуние.

Как видно на иллюстрации, Земля находится на одной линии с Солнцем и Луной, и Луна расположена посредине. Таким образом, солнечное затмение происходит в новолуние.

Словом, лунные затмения — гораздо более частое явление, чем солнечные.

На этой фотографии солнечного затмения 1999 года, сделанной с Международной космической станции, четко видна тень Луны на поверхности Земли.

Читатель может подумать, что в полнолуние всякий раз происходит лунное затмение, а при каждом новолунии — солнечное. Однако в действительности все обстоит иначе. Причина в том, что орбита Луны наклонена на 5° относительно плоскости эклиптики, поэтому затмения наблюдаются только тогда, когда Луна находится вблизи линии узлов — линии пересечения плоскости, в которой вращается Земля вокруг Солнца, и плоскости, в которой вращается Луна относительно Земли.

Линия узлов — линия пересечения плоскости, в которой Луна вращается вокруг Земли, и плоскости эклиптики (плоскости, в которой Земля движется вокруг Солнца). Затмения могут наблюдаться, только когда Луна располагается вблизи линии узлов, то есть достаточно близко к плоскости, чтобы диск Луны оказался полностью перекрыт тенью Земли.

Области тени и полутени

При любом затмении можно геометрически определить две затененные области: область полной тени и область полутени.

Внешние касательные ограничивают область тени, внешние и внутренние касательные — области полутени. Полные затмения наблюдаются, когда Луна целиком находится в области тени. Если же Луна находится в области тени частично, говорят о неполном затмении.

Земная и лунная орбиты представляют собой эллипсы с малым эксцентриситетом. Следовательно, относительные расстояния между Солнцем, Землей и Луной не всегда будут одинаковыми (как это было бы при концентрических орбитах), поэтому иногда Луна не перекрывает Солнце полностью. Таким образом, различают полные и кольцевые затмения, когда вокруг Луны можно видеть кольцо солнечного сияния.

В зависимости от расстояния, на котором находится Луна, могут наблюдаться полные или кольцевые затмения.

* * *

МОДЕЛЬ «ЗЕМЛЯ-ЛУНА»

Чтобы читатель смог лучше разобраться в фазах луны и затмениях, предлагаем ему изготовить очень простую модель. Нужно вбить в доску длиной примерно 125 см два гвоздя длиной 3 или 4 см. Расстояние между гвоздями должно составлять 120 см. На шляпку каждого гвоздя приклейте пенопластовые шарики диаметром 4 и 1 см, которые будут обозначать Землю и Луну соответственно. Если вы соблюдете указанные размеры, то получите точную модель Земли и Луны в масштабе 1:320000.

Чтобы смоделировать смену фаз Луны, встаньте в освещенном месте следующим образом. Поверните модель так, чтобы большой шарик (он обозначает Землю) находился ближе к вам, а маленький шарик (он обозначает Луну) был повернут в сторону, где находится Луна на небе. Настоящая Луна и ее модель будут иметь одинаковые размеры и находиться в одинаковых фазах. Поворачивая модель в разные стороны, вы увидите, что маленький шарик освещается по-разному — как Луна в своих фазах. Чтобы воспроизвести фазы по порядку, модель следует вращать справа налево.

Нагляднее всего наблюдения на открытом воздухе, но в облачную погоду роль Солнца может сыграть и лампочка. Важно, чтобы ее свет был ярким и сфокусированным.

Чтобы смоделировать лунные затмения, возьмите модель в руки, расположите ее так, чтобы шарик, обозначающий Землю, был направлен в сторону Солнца, и перемещайте Луну внутри конической тени, которую будет отбрасывать Земля (на иллюстрации справа). Так как Земля больше Луны, воспроизвести лунное затмение несложно: оно будет наблюдаться всякий раз, когда коническая тень будет покрывать поверхность Луны. При этом очевидно, что Земля находится между Солнцем и Луной на одной линии, таким образом, лунное затмение наблюдается в полнолуние. Повернув модель так, чтобы Луна располагалась ближе к источнику света, вы сможете смоделировать солнечное затмение. Поворачивайте модель до тех пор, пока Луна не отбросит тень на шарик, обозначающий Землю (см. нижний рисунок).

Модель лунного затмения (вверху) и солнечного затмения (внизу).

Любой, кто смоделирует таким образом солнечное затмение, убедится, что сделать это не так просто. Становится очевидным, что солнечные затмения наблюдаются только на определенных участках земной поверхности, которые находятся в тени Луны. С лунными затмениями этого не происходит. Следовательно, для наблюдателя на Земле солнечные затмения будут случаться намного реже, чем лунные. Как видно на иллюстрациях, Земля находится на одной линии с Солнцем и Луной, которые расположены по одну сторону от нее, таким образом, солнечные затмения наблюдаются в новолуние.

Модель поможет вам увидеть, что стать свидетелем лунного затмения можно почти каждый год, а чтобы дождаться солнечного затмения в том регионе, где вы живете, придется прождать много лет.

Если мы будем медленно перемещать тень Луны по поверхности Земли, то сможем увидеть линию тени — именно так специалисты называют области земной поверхности, в которых можно наблюдать затмение (см. иллюстрацию на следующей странице).

* * *

Величественное зрелище: полное солнечное затмение

Возможно, читателю приходилось видеть лунное или даже солнечное затмение.

Мне кажется, что полное солнечное затмение — ни с чем несравнимое зрелище. Первое полное солнечное затмение, которое мне довелось увидеть, произошло 11 августа 1999 года. В этот день я была на севере Франции, в Брие, близ границы с Германией. Все утро небо было затянуто облаками, которые в конце концов рассеялись, и мы смогли увидеть затмение. На солнце наползала тень, наступали сумерки, и громадная черная птица описывала в воздухе огромную спираль и наконец взлетела на головокружительную высоту, превратившись в маленькую черную точку. Я никогда не забуду этот момент. Бедная птица была охвачена паникой. Это продлилось не дольше трех минут, но три минуты ночи, внезапно наступившей среди белого дня, — слишком долго для тех, кто не уверен, что Солнце появится вновь.

Следующая возможность увидеть полное солнечное затмение представилась мне лишь в марте 2006 года. В это время я была в египетском городе Эс-Саллум, расположенном в пустыне, возле границы с Ливией. Правительство Египта подготовило всю необходимую инфраструктуру для нескольких тысяч журналистов, ученых и простых зрителей. Площадка для наблюдений располагалась посреди пустыни.

Полное солнечное затмение 29 марта 2006 года началось у побережья Бразилии, после чего его можно было наблюдать в Атлантике, затем — на африканском побережье в Гане и Того. Далее затмение пересекло Африканский континент и достигло максимальной продолжительности в 4 минуты и 7 секунд в пустыне Сахара. Затем оно наблюдалось в египетском городе Эс-Саллум возле границы с Ливией, после чего преодолело Средиземное море, достигло Турции, пересекло Черное море, некоторое время его можно было наблюдать на территории России, и, наконец, затмение завершило свой путь в Монголии.

На ней находилось всего четыре дома: ресторан, два армейских барака и мечеть. Для зрителей были разбиты бедуинские палатки. Некоторые из нас прибыли днем раньше, другие — рано утром. Над пустыней стоял густой туман, и Солнце едва можно было различить. По мере того как оно поднималось над горизонтом, туман постепенно рассеивался, и, наконец, мы смогли насладиться видом ясного прозрачного неба.

Полному затмению предшествовало целое зрелище. Примерно за час до него началось частичное затмение. Через специальные фильтры можно было увидеть диск Луны, и по мере того как он все больше и больше закрывал Солнце, становилось все темнее. И люди, и животные чувствовали: должно что-то произойти. Вокруг стемнело, температура понижалась. Уже было сложно различать предметы и людей поблизости. Вдруг наступила полная темнота: началось полное солнечное затмение.

Во время солнечного затмения освещение самым удивительным образом меняется. На этих фотографиях разных фаз затмения вы можете видеть палатку для зрителей во время полного затмения, частичного затмения и после него. На фотографиях сверху представлена фаза затмения, на фото внизу вы можете видеть соответствующий уровень освещенности.

Картина была впечатляющей. За несколько минут до полного затмения можно было наблюдать великолепное кольцо бриллиантов — четки Бейли (яркие пятна от солнечных лучей, видные на зазубренной кромке Луны) и, наконец, солнечную корону с отчетливыми всполохами невероятной красоты. Это сложно описать словами.

Через телескоп со специальным фильтром также можно было разглядеть солнечный лимб. Спустя четыре минуты все повторилось в обратном порядке: мы вновь увидели бриллиантовое кольцо, вокруг начало светлеть, и мы опять смогли насладиться зрелищем частичного солнечного затмения, после чего засияло яркое солнце.

Слева — так называемые четки Бейли, справа — солнечная корона.

Полное солнечное затмение нужно видеть своими глазами. Любое его изображение на фотографии или в кино не способно передать реальных ощущений, подобно тому как фотография огня в камине не может передать ощущения, возникающего, когда мы смотрим на огонь, — что-то неуловимое ускользает от нашего восприятия.

Реальный огонь чувствует все наше тело, кожа, слух, а фотография передает лишь сухой, безжизненный образ. Только пережив солнечное затмение, можно понять, почему оно наводило такой ужас на древних. Мы-то уверены, что Солнце появится вновь, но в любой культуре, которая сталкивается с этим явлением впервые, несомненно, затмения вызывали всеобщую панику. Словом, я рекомендую не пропустить следующее солнечное затмение. Вы не пожалеете!

Роль солнечных затмений в прогрессе науки

Древние с успехом предсказывали лунные затмения, однако предсказывать полные солнечные, которые наблюдались намного реже и лишь в определенных участках Земли, было гораздо сложнее. Как мы уже упоминали, плоскость орбиты Луны наклонена примерно на 5° относительно плоскости земной орбиты. Если бы лунная орбита не имела наклона, лунные затмения наблюдались бы каждый месяц, в полнолуние. Однако в большинстве случаев Луна немного запаздывает или забегает вперед, и затмения не происходит. Но когда наш спутник находится достаточно близко от линии узлов, мы видим лунное затмение. Учитывая, с какой вероятностью Луна окажется в нужном положении ночью, а не днем, можно сказать, что лунные затмения наблюдаются в среднем раз в год. Древние заметили, что солнечные и лунные затмения повторяются в одной и той же последовательности каждые 19 лет.

Этот период, который назывался Сарос, или драконический период, был известен еще в каменном веке. На развалинах Стоунхенджа в Англии можно увидеть кольцо из 56 отверстий, древнейшие из которых датированы примерно 1900 годом до н. э. (согласно современным данным, длительность этого цикла составляет 3?18,61 = 55,83 года, таким образом, отклонение составляло всего 1 день в год — потрясающая точность для той эпохи).

Предсказать солнечные затмения намного сложнее. Известен случай, когда два китайских астронома не смогли предугадать солнечное затмение, за что были приговорены к смертной казни. А вот греческий философ Фалес Милетский, напротив, совершенно верно предсказал солнечное затмение, которое можно было наблюдать на территории Греции. Случилось оно в момент битвы между персами и мидийцами в 585 году до н. э., которая происходила на территории современной Турции. Подобное «божественное вмешательство» было поводом для заключения мира, а Фалес начал пользоваться всеобщим уважением.

Затмения стали решающим свидетельством в поддержку первой гелиоцентрической модели, предложенной Аристархом Самосским. По результатам наблюдений ученый определил, что диаметр Солнца в 19 раз больше, чем диаметр Земли, и указал, что большее тело никак не может вращаться вокруг меньшего. Хотя идеи Аристарха и содержали некоторые ошибки, их упоминал даже Коперник при описании своей системы мира.

Затмения помогли решить еще одну задачу, связанную с определением долготы. В Северном полушарии для определения широты проще всего измерить высоту Полярной звезды над горизонтом. Этот метод был известен морякам, и они, зная диаметр Земли, с легкостью вычисляли расстояния в направлении север — юг. Однако задачу о вычислении долготы, то есть расстояний в направлении запад — восток, не удавалось решить на протяжении нескольких веков. Помогло лунное затмение, которое наблюдал Александр Македонский в Индии. Вернувшись из похода, он узнал, что в Греции затмение наблюдалось за несколько часов до заката. Так как Солнце в Греции заходит несколькими часами позже, чем в Индии, стало понятно, на сколько градусов Индия отстоит от Греции. Таким образом расстояние до Индии удалось выразить в единицах долготы.

Задача об определении долготы и расстояний запад — восток не теряла актуальности на протяжении многих столетий. Даже после открытия Америки определить точное расстояние, к примеру, до Мексики было невозможно. Для ответа на вопрос требовались точные часы, однако их в то время еще не существовало. Гюйгенс изобрел часы с маятником, но использовать их на корабле и гарантировать их точность посреди бурного моря не мог никто. И вновь решить задачу помогли затмения — на этот раз затмения лун Юпитера, открытых Галилеем. Сам ученый предложил использовать затмения лун Юпитера в качестве астрономических часов, которые можно одновременно наблюдать в разных странах. Момент времени, когда луна внезапно скрывается из вида, уходя в тень Юпитера, наступает одновременно в Европе и Мексике. Таким образом, метод Галилея позволял определять время с точностью до минуты. Однако задача о долготе была окончательно решена только с появлением точных механических часов.

Наблюдения за астрономическими часами, описанными Галилеем, начал Джованни Доменико Кассини из Парижской обсерватории. Однако при уточнении результатов наблюдений возникли некоторые трудности. Временной интервал между двумя затмениями отличался примерно на 15 минут. Молодой датский ученый Рёмер, ассистент Кассини, объяснил, что свет достигает Земли за разное время в зависимости от ее положения на орбите, так как Земля не всегда находится на одном и том же расстоянии от Юпитера. Одновременно с этим Рёмер вывел метод измерения скорости света.

Согласно ньютоновским законам тяготения, сила притяжения Солнца может вызывать отклонение лучей света далеких звезд. Величина этого отклонения составляла 0,875 секунды дуги. Однако согласно теории относительности Эйнштейна отклонение было в два раза больше, и это подтвердил сэр Артур Стэнли Эддингтон, измерив отклонение лучей во время солнечного затмения в мае 1919 года: он получил результат, равный 1,98 секунды дуги. С еще большей точностью подтвердило теорию Эйнштейна затмение квазара Солнцем в 1987 году, во время которого с помощью интерферометрии было измерено отклонение лучей квазара. Теория относительности была подтверждена с погрешностью в 0,1 %.

Если рассматривать термин «затмение» в более общем смысле, как «перекрытие», то можно утверждать, что эти явления играют важную роль в научных исследованиях. Один из способов обнаружить во Вселенной небесные тела, в частности коричневые карлики, которые излучают слишком тусклый свет, чтобы его можно было увидеть, заключается в использовании эффекта микролинзы, наблюдаемого в момент, когда перед коричневым карликом проходит другая звезда. Свет карликовой звезды отклоняется и фокусируется на оптической оси гравитационной линзы.

В результате в течение короткого промежутка времени наблюдается яркая вспышка, по которой и можно обнаружить звезду. Галактики и скопления галактик, имеющие огромную массу, искривляют свет других небесных тел. С 1979 года, когда была обнаружена первая гравитационная линза, эти объекты остаются предметом множества исследований.

В 1912 году Эйнштейн в одной из заметок предсказал этот эффект, однако не опубликовал его, сочтя малозначимым. Один из друзей ученого напоминал ему об этом эффекте снова и снова, и в 1936 году Эйнштейн наконец-то опубликовал свою заметку, чтобы «порадовать бедного мальчика», а сегодня гравитационные линзы являются одним из важных методов астрономических исследований.

Гравитационные линзы: не затемняют, а увеличивают

В действительности Эйнштейн предсказал существование гравитационных линз, то есть явления, при котором звезда, расположенная ближе к нам, способна увеличивать изображение более далекой звезды. Однако сам ученый не верил, что гравитационные линзы когда-либо можно будет увидеть, и счел эту гипотезу слишком маловероятной. Современные астрономы с помощью гравитационных линз наблюдают за далекими уголками Вселенной. Сам космос дает им в руки мощнейшие телескопы, которые позволяют заглянуть очень далеко в пространство и время. Изучение гравитационных линз все еще можно считать относительно молодым разделом астрономии.

Свет всегда распространяется по кратчайшему пути, однако в присутствии больших масс пространство искривляется, и этим кратчайшим путем становится кривая.

Понять это явление не так сложно, достаточно провести параллель с поверхностью земного шара, где кратчайшим путем между двумя точками обязательно будет отрезок кривой.

В общем случае гравитационные линзы можно представить как обычные линзы с тем отличием, что отклонение света вызвано их массой, а не преломлением лучей. Обычная выпуклая линза имеет четко определенный фокус, а гравитационная линза фокусирует свет не в точке, а в некоторой области.

* * *

ОТКЛОНЕНИЕ ЛУЧА СВЕТА, ВЫЗВАННОЕ КРИВИЗНОЙ ПРОСТРАНСТВА

Смоделировать искривление пространства, вызванное черной дырой, очень просто. Нам понадобится эластичная ткань, в центр которой мы поместим тяжелый шар. Если теперь мы бросим на поверхность ткани мяч поменьше, он будет двигаться вдоль кривой, подобно лучу света, который также будет двигаться не по прямой, а по кривой, как показано на рисунке. Степень отклонения от прямолинейной траектории зависит от того, насколько близко свет проходит от массивного тела в центре. Угол отклонения прямо пропорционален массе центрального тела и обратно пропорционален расстоянию до него.

* * *

Гравитационные линзы, по сути, искривляют лучи света. В результате нам кажется, что небесные тела находятся в другом месте и имеют больший размер, чем на самом деле. Так как гравитационные линзы не фокусируют лучи в одной точке, наблюдаемые небесные тела искажаются.

В результате отклонения лучей света может показаться, что звезда, галактика или квазар располагаются вовсе не там, где они находятся на самом деле. Также гравитационная линза может изменять размеры объектов. Некоторые наблюдатели отмечают увеличение реальных объектов более чем в 100 раз.

Так как гравитационные линзы не имеют единственного фокуса, один и тот же объект может отображаться в них несколько раз, что можно видеть на иллюстрации на следующей странице. Хорошо известны множественные изображения квазаров, имеющие форму так называемого креста Эйнштейна.

Так как гравитационные линзы не имеют единственного фокуса, один и тот же объект в них может отображаться несколько раз. На фото выше изображен кратный квазар, известный как крест Эйнштейна.

* * *

ГРАВИТАЦИОННАЯ ЛИНЗА НА НОЖКЕ БОКАЛА

Чтобы смоделировать гравитационную линзу, достаточно отломить ножку бокала и посмотреть сквозь ее плоскую часть. Если мы поставим бокал на миллиметровую бумагу, то увидим те же искажения, что и на фотографии.

Будем медленно двигать бокал справа налево по поверхности какого-либо предмета, который послужит моделью небесного тела, и воссоздадим наблюдаемые объекты: дуги, крест Эйнштейна и кольцо Эйнштейна, как показано на фотографиях на следующей странице.

Мы также можем смоделировать эти искажения с помощью бокала для вина, на который будем смотреть сверху. Чтобы увидеть кольцо Эйнштейна или кратные изображения объектов, можно использовать светодиодную лампу, расположенную с другой стороны бокала так, чтобы луч проходил через него. Перемещая бокал справа налево и сверху вниз, вы увидите, как будут возникать повторяющиеся изображения, в некоторых случаях — дуги. Они возникают вследствие того, что бокал, подобно линзе, искривляет пространство. В частности, вы сможете увидеть бесформенную фигуру, четыре точки вместо одной или дугу между точками.

* * *

Как заглянуть вперед в пространство и время

В астрономии, помимо парсеков и астрономических единиц, также используются световые года. Понять смысл этой единицы измерения очень просто, поэтому она крайне полезна в научно-популярных целях. Кроме того, она отражает удивительный факт: глядя на звездное небо, мы видим множество небесных тел такими, как они выглядели когда-то в прошлом. Кроме того, мы видим астрономические объекты из разных эпох.

Как известно, скорость света равняется с = 300000 км/с. Следовательно, одна световая секунда равна 300000 км. К примеру, свет Луны, отстоящей от Земли на 384000 км, достигает Земли за 384000/300000 = 1,28 секунды. Расстояние от Солнца до Земли луч света преодолевает за 8,3 минуты.

Из Южного полушария можно видеть звезду Проксима Центавра (в Северном полушарии она не видна) — ближайшую к нам звезду, расположенную на расстоянии 4,3 светового года. Сириус, ярчайшая звезда из тех, что можно наблюдать на большей части Северного полушария, находится на расстоянии 8,6 светового года от Земли. В обоих случаях очевидно, что свет, который мы видим, преодолел расстояние до Земли за несколько лет или даже больше.

Туманность Ориона, называемая прекраснейшей, — это звездная колыбель, в которой в настоящее время зарождается примерно 700 звезд. Расположена она в 1500 световых годах от нас. Иными словами, такой, какой мы ее видим сегодня, эта туманность была во времена падения Римской империи (476 год н. э.), когда от престола отрекся император Ромул Август.

Если говорить о галактиках, то с увеличением расстояний все становится еще интереснее. Рассмотрим, например, галактику Андромеды, которую можно увидеть невооруженным глазом, так как она расположена не слишком далеко от Земли. Это спиральная галактика, напоминающая Млечный Путь, поэтому при взгляде на нее можно представить, что мы видим нашу галактику издалека. Галактика Андромеды удалена от нас на расстояние 700 килопарсек, то есть более 2 млн световых лет. Таким образом, сейчас мы видим эту галактику такой, какой она выглядела, когда по Земле шагали первые гоминиды.

Туманность Ориона на фотографии, сделанной космическим телескопом «Хаббл» (слева), и галактика Андромеды.

Возможно, сейчас она выглядит совершенно иначе. К примеру, сверхновая звезда SN 1987А, вспышка которой наблюдалась в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, годом ранее не была видна с Земли, однако к тому моменту вспышка уже произошла — чтобы свет от нее достиг Земли, потребовалось 168 тысяч лет, поскольку эта звезда находится на расстоянии 51,4 килопарсека от Земли. Гравитационные линзы позволяют увидеть очень и очень далекие объекты, то есть объекты, удаленные на очень много световых лет. Иными словами, гравитационные линзы помогают заглянуть еще дальше в прошлое.

Сверхновая SN1987А в Большом Магеллановом Облаке во время вспышки и четырьмя годами позже, когда все еще наблюдалось ее световое эхо.

Еще один вид затмений: прохождение Меркурия и Венеры по диску Солнца

Прохождение одной из внутренних планет (Меркурия или Венеры) по диску Солнца, или астрономический транзит, — это явление, когда планета проходит перед Солнцем, заслоняя его часть. Прохождения планет по диску Солнца сыграли очень важную роль в истории человечества, помогая совершать прорывы в астрономии.

Астрономический транзит наблюдается в случае, когда Солнце, внутренняя планета и Земля расположены на одной линии. Точно так же располагаются планеты при солнечном затмении, только вместо Луны по диску Солнца проходит одна из планет. Так как Меркурий и Венера находятся намного дальше от нас, чем Луна, они видны как небольшое пятно на поверхности светила. Это пятно движется по его диску, и если сделать серию фотографий во время прохождения, а затем совместить их, то можно будет четко увидеть траекторию планеты.

Слева — транзит Меркурия. Вы можете видеть траекторию его прохождения по диску Солнца. Справа — прохождение Венеры по диску Солнца.

Вы можете видеть траекторию Венеры и ее размер по сравнению с Солнцем. Так как орбиты Меркурия и Венеры слегка наклонены относительно эклиптики, транзит наблюдается только когда эти планеты располагаются вблизи линии узлов (линии пересечения плоскостей их орбит с плоскостью эклиптики). Существуют достаточно сложные правила, позволяющие рассчитать периодичность астрономических транзитов. В среднем прохождение Меркурия по диску Солнца наблюдается 13 раз за 100 лет и описывается очень сложными законами.

Прохождения Венеры по диску Солнца наблюдаются еще реже: они происходят 4 раза каждые 243 года с интервалами в 105,5; 8; 121,5 и 8 лет. Обычно рассматриваются пары прохождений с интервалом в 8 лет. Цикл в 243 года относительно стабилен, однако интервалы между отдельными прохождениями меняются, так как Венера отклоняется от орбиты под действием притяжения других планет.

Первое прохождение планеты по диску Солнца

Основываясь на результатах наблюдений Тихо Браге, Кеплер составил так называемые Рудольфинские, или Рудольфовы, таблицы, достаточно точно описывающие движение планет. Руководствуясь этими таблицами, в 1629 году Кеплер объявил, что Меркурий пройдет по диску Солнца 7 ноября 1631 года, Венера — 6 декабря того же года. Он предвидел, что наблюдение этих астрономических транзитов можно будет произвести с помощью камеры-обекуры, проделав небольшое отверстие в плотно закрытом окне и спроецировав изображение Солнца на экран.

Прохождение Меркурия по диску Солнца удалось увидеть благодаря тому, что некоторые астрономы установили возле отверстия камеры-обскуры подзорную трубу и получили таким образом увеличенное изображение Солнца. Так, одно из наблюдений было произведено в Париже, где Пьер Гассенди отметил, что диаметр Меркурия, к его удивлению, составлял всего лишь 12”, то есть намного меньше, чем ожидалось. Наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца в декабре того же года не удалось, так как оно произошло после того, как Солнце в Европе уже село.

Несколько лет спустя английский священник Джереми Хоррокс (1618–1641), изучавший математику и астрономию в Кембридже, рассчитал, что следующее прохождение Венеры по диску Солнца произойдет 4 декабря 1639 года. В этот день Хоррокс произвел необходимые наблюдения — в 15:15, 15:35 и 15:45 — и заметил, что диаметр Венеры составлял менее 1’ (диаметр Солнца составлял примерно 30’).

Джереми Хоррокс наблюдает прохождение Венеры по диску Солнца в темной комнате с помощью увеличительного стекла.

В 1640 году английский астроном и математик Уильям Гаскойн расположил несколько нитей в фокусе телескопа, закрепив их так, что их можно было перемещать. Так был изобретен микрометр, и телескоп из простого прибора для качественных наблюдений стал устройством для проведения точных измерений даже очень маленьких углов. Кроме того, к такому телескопу можно было присоединить размеченный круг для измерения других угловых величин.

В различных изданиях «Математических начал натуральной философии» и «Оптики» Ньютон приводит разные оценки расстояния между Землей и Солнцем, то есть параллакса Солнца, которые варьировались от 10 до 13 м. В то время было достоверно известно лишь то, что параллакс Солнца не может превышать 15” (реальное значение, используемое в наши дни, составляет 8,794148 м). Точное значение параллакса Солнца требовалось для корректировки астрономических таблиц, которые использовали не только астрономы, но и мореплаватели. Кроме того, доступные на тот момент знания о Солнечной системе позволяли определить относительные расстояния между всеми планетами, и оставалось вычислить лишь одно из расстояний, к примеру параллакс Солнца, в явном виде.

Эдмунд Галлей, наблюдавший прохождение Меркурия по диску Солнца в 1677 году, предложил определить параллакс Солнца во время прохождения Венеры в 1761 и 1769 годах. Предложенный им метод заключался в наблюдении прохождения Венеры из двух удаленных точек, при этом требовалось точно зафиксировать момент начала и конца прохождения. Было необходимо выразить угловое расстояние между траекториями Венеры, наблюдаемыми из двух удаленных точек, как часть диаметра Солнца, затем определить этот диаметр в милях и, наконец, рассчитать расстояние от Солнца до Земли. Таким образом, для наблюдений требовались только хороший телескоп и точные часы. К тому же наблюдать за транзитом Венеры было удобнее, чем за транзитом Меркурия: даже при наблюдении Венеры угловое расстояние имеет порядок всего 1/30 диаметра Солнца, а поскольку Меркурий находится ближе к светилу, то искомое угловое расстояние еще меньше.

Астрономический транзит Венеры был крайне важен для расчета расстояния от Земли до Солнца, однако транзит Меркурия представлял не меньший интерес.

Французский математик Урбен Жан Жозеф Леверье, изучив результаты наблюдений транзита Меркурия, выполненные с 1631 года до середины XIX века, открыл движение перигелия Меркурия, которое оказало огромное влияние на теорию относительности Эйнштейна.

Причины парного транзита Венеры

Период обращения Венеры вокруг Солнца составляет 224,7 дня, период обращения Земли — 365,25 дня. Разделив 365,25 на 224,7, получим 1,6255. Таким образом, за то время, пока Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, Венера совершает 1,6255, или примерно 13/8 оборота. Следовательно, можно сказать, что если Земля совершает п оборотов вокруг Солнца, то Венера — 13n/8 оборотов.

Когда положение Земли и Венеры совпадет? Очевидно, тогда, когда 13n/8 будет натуральным числом, то есть когда п будет кратно 8. Таким образом, каждые 8 лет

Солнце, Земля и Венера должны располагаться на одной линии. Это означает, что прохождение Венеры по диску Солнца можно наблюдать с Земли каждые 8 лет, однако взглянув на таблицу, вы увидите, что в действительности все обстоит иначе.

Иногда прохождения Венеры действительно наблюдаются с интервалом в 8 лет, однако это бывает реже, чем раз в столетие. Почему так происходит? Ответ прост: приведенные выше расчеты были бы верны, если бы плоскости, в которых находятся орбиты Венеры и Земли (плоскости эклиптики), совпадали. Однако плоскость орбиты Венеры наклонена относительно плоскости орбиты Земли на 3,4°. Следовательно, транзит Венеры можно будет наблюдать только когда и Земля, и Венера будут располагаться вблизи линии узлов, то есть линии пересечения плоскостей их орбит. Иными словами, расстояние между орбитами планет должно быть меньше диаметра Солнца.

Орбиты Земли и Венеры (слева) и траектория прохождения Венеры по диску Солнца.

К примеру, прохождение Венеры наблюдалось в 2004 и 2012 году, но не в 1996-м, так как в этом году Венера находилась слишком далеко от плоскости эклиптики. Транзит Венеры наблюдается тогда, когда и Венера, и Земля находятся вблизи восходящего или нисходящего узла. Венера и Земля сближаются друг с другом дважды (с интервалом в 8 лет) возле восходящего узла в декабре, а затем, 121,5 года спустя, вновь дважды сближаются вблизи нисходящего узла в июне. По прошествии 105,5 года они вновь дважды сближаются у восходящего узла, и весь цикл повторяется снова.

Прохождения Венеры по диску Солнца 8 июня 2004 и 6 июня 2012

Также следует отметить, что прохождение Венеры нельзя увидеть из любой точки Земли: очевидно, что наблюдения можно произвести только днем, когда Солнце находится над горизонтом. К примеру, в 2004 году прохождение можно было увидеть в Европе, а в 2012-м его нельзя было наблюдать в Португалии и в Атлантическом океане.

Области, из которых можно было наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца 6 июня 2012 года.

Экспедиции XVIII–XIX веков

Джереми Хоррокс полагал, что вычислить расстояние от Земли до Солнца можно по результатам наблюдений транзита Венеры, однако масштабные проекты наблюдений за прохождением планеты по диску Солнца в 1761 и 1769 годах начал Эдмунд Галлей. Это были первые совместные исследовательские проекты европейских ученых. В них приняли участие сотни наблюдателей из разных обсерваторий — только так можно было гарантировать успешное наблюдение транзита. Наблюдатели расположились в точках, максимально удаленных по долготе.

В XVIII веке путешествия в дальние страны были сопряжены с определенным риском: к множеству обычных опасностей добавилась война между англичанами и французами в Индийском океане. Многие ученые в попытках добраться до места назначения погибли либо, добравшись, по разным причинам не смогли получить точных результатов.

Большой интерес ученых того времени к определению расстояния между Землей и Солнцем был связан с тем, что благодаря третьему закону Кеплера отношения между расстояниями от всех планет до Солнца были уже известны. И теперь достаточно было вычислить расстояние до Солнца от одной из планет, и размеры Солнечной системы можно было определить автоматически. Галлей умер в 1742 году, однако европейское научное сообщество продолжило работу над проектом. В 1761 году в эксперименте участвовало более 120 человек, которые вели наблюдения из 62 точек, в 1769-м — 151 соглядатай в 77 разных точках. Исследователи сталкивались с громадными трудностями, а полученные результаты не всегда соответствовали ожидаемым. При проведении обеих кампаний основная сложность состояла в том, чтобы добраться до места назначения и точно определить координаты места и время.

Участники экспедиции 1769 года уже имели опыт наблюдений за транзитом Венеры, благодаря чему некоторые проблемы удалось решить. Одним из источников проблем была так называемая черная капля, которая впервые наблюдалась в 1761 году.

Это явление вызвано разными причинами, в том числе существованием атмосферы на Венере. Чем выше было разрешение астрономических приборов, тем заметнее становился данный феномен. Но наблюдался он всегда, так как поверхность Солнца вблизи края менее яркая. В результате астрономы ошибочно определяли точное время соприкосновения границы Венеры и диска Солнца — погрешность составляла от 20 секунд до 1 минуты. Ранее участники некоторых экспедиций сконструировали модели, позволявшие наблюдателям определить ошибку, вызванную этим эффектом, и точнее рассчитать время соприкосновения Венеры с диском Солнца.

Черная капля: планета выглядит подобно капле жидкости, притягивающейся к краю диска Солнца.

За несколько лет до наблюдений Жозеф Никола Делиль упростил метод Галлея и определил, что достаточно зафиксировать момент захода Венеры на диск Солнца или схода с него. Делиль начал оживленную переписку с другими астрономами, чтобы подготовиться к наблюдениям. Многие участники проекта занялись сбором средств на его реализацию. В это время Франция и Великобритания участвовали в Семилетней войне, многие французские и британские астрономы были захвачены в плен войсками противника. Для наблюдения транзита 1761 года Французской Академией наук было организовано четыре экспедиции. Кассини отправился в Обсерваторию иезуитов в Вене и провел наблюдения вместе с эрцгерцогом Австрии Иосифом. Александр Гуа Пингре, напротив, отправился на остров Родригес в Индийском океане. Вскоре после того как его корабль обогнул южную оконечность Африки, мыс Доброй Надежды, на горизонте появились английские корабли. От них участники экспедиции сумели скрыться, однако затем они должны были прийти на помощь французскому кораблю и потеряли таким образом много времени. В результате Пингре прибыл на место назначения всего за девять дней до расчетной даты транзита. Из-за плохой погоды ему не удалось увидеть начало и конец прохождения Венеры по диску Солнца, и он смог провести лишь некоторые измерения, когда тучи ненадолго рассеялись. Но и на этом злоключения французского астронома не закончились: остров был захвачен англичанами, и Пингре провел в заключении почти три месяца, пока французы вновь не отвоевали остров. На обратном пути его корабль вновь был захвачен, и Пингре был вынужден высадиться в Лиссабоне, откуда прибыл в Париж по суше спустя год и четыре месяца с момента отплытия. Куда печальнее сложилась судьба Гийома Лежантиля, которая заслуживает отдельного рассказа (см. врезку на следующей странице).

Лондонское королевское общество профинансировало три путешествия: одно — на остров Святой Елены близ юго-западного побережья Африки, другое — в Ньюфаундленд, третье — в провинцию Бенкулу на острове Суматра. Последняя экспедиция по иронии судьбы также столкнулась с французским кораблем. В бою судно англичан было сильно повреждено, и капитан принял решение вернуться в порт. Со второй попытки участники экспедиции достигли мыса Доброй Надежды, но здесь им пришлось задержаться, так как провинция Бенкулу оказалась захвачена французами.

В проекте участвовали и испанские астрономы, которые вели наблюдения из Императорского колледжа в Мадриде и Обсерватории флота в Кадисе. Всего было проведено 120 наблюдений. По итогам анализа результатов астрономы получили различные значения параллакса Солнца: от 8,28” до 10,60”. Причиной расхождений отчасти был упомянутый выше эффект черной капли, а также неточности при определении долготы мест наблюдений.

* * *

ЭКСПЕДИЦИИ ГИЙОМА ЛЕЖАНТИЛЯ

Гийом Лежантиль участвовал в двух наблюдениях транзита Венеры в 1761 и 1769 годах, организованных Французской академией наук. В первом случае он планировал произвести наблюдения в Пондишери — французском владении на юго-востоке Индии. Экспедиция Лежантиля отправилась из Бреста 26 марта 1760 года. У участников было достаточно времени, чтобы прибыть на место назначения и не спеша подготовиться к наблюдениям. Однако Лежантиля задержали в пути трудности, вызванные военными действиями между Францией и Англией, плохая погода и даже ураган. Когда экспедиция была уже у цели, стало известно, что Пондишери захвачен англичанами, и ничего не оставалось, кроме как повернуть назад. В конечном итоге Лежантиль провел наблюдения, находясь в открытом море. Увы, они оказались бесполезными, так как точные координаты корабля были неизвестны. Разочарованный неудачей, Лежантиль решил не покидать регион и произвести наблюдения следующего транзита Венеры из Пондишери, куда на этот раз он прибыл за 14 месяцев до нужной даты. И вновь удача отвернулась от него: в день транзита небо было скрыто тучами.

Лежантиль вернулся во Францию в 1771 году, проведя на чужбине 11 лет, 6 месяцев и 13 дней, и обнаружил, что его объявили мертвым, а наследники уже делили его имущество.

Чтобы вернуть себе принадлежащее по праву, Лежантиль потратил немало времени, денег и сил, и везде ему сопутствовали неудачи. Рассказывая о своем путешествии, он писал: «Такая судьба часто ждет астрономов. Я преодолел почти десять тысяч лиг; я пересек моря, покинув Отечество, только для того, чтобы стать наблюдателем злополучного облака, которое заслонило Солнце точно в момент моих наблюдений, и чтобы пожать плоды злоключений, выпавших на мою долю».

* * *

Астрономическое сообщество приложило все возможные усилия, чтобы результаты наблюдений транзита Венеры в 1769 году были более точными, чем в 1761-м. И эта задача была успешно решена. Англичане организовали три экспедиции, о двух из которых рассказывается в приложении. Французы снарядили еще три: одну возглавил Лежантиль, который вновь столкнулся со множеством проблем, другую — Пингре, который отправился в Санто-Доминго и на этот раз добрался до цели без особых трудностей, третью — аббат Шапп, который отправился в Калифорнию в сопровождении двух испанских моряков. И англичане, и французы попросили у испанских властей разрешения произвести наблюдения на американских территориях. Разрешение испрашивали и предыдущие экспедиции, снаряженные Лондонским королевским обществом и Французской академией наук для проведения геодезических измерений и определения формы Земли. Ученый и мореплаватель Хорхе Хуан, который участвовал в геодезической экспедиции, изложил испанским властям свою точку зрения и сделал недвусмысленные замечания: «Причина рвения этих господ заключена в том, чтобы сделать насколько возможно следующее: не останется ни единого порта, укрепления, дороги, поселка и пустыни, который они не обследуют, с которого не составят план и не сообщат о коем публично. Сие в высшей степени нежелательно (…)»

Таким образом, испанцы согласились содействовать лишь миссии Жана-Батиста Шаппа: его сопровождали испанские моряки Висенте Дос и Сальвадор Медина, которые везли с собой все необходимые инструменты, чтобы произвести наблюдения независимо от французов. Экспедиция отправилась в путь из Кадиса 21 декабря 1768 года. Преодолев Атлантический океан и мексиканские территории, 15 апреля участники достигли Тихоокеанского побережья. Затем они сели на корабли и направились в Калифорнию, однако встречные ветры сменялись штилями, и путешественники увидели калифорнийское побережье лишь 18 мая. Так как транзит Венеры ожидался 3 июня, Шапп настоял на высадке на берегу вблизи обители Сан-Хоседель-Кабо, что участники экспедиции и сделали несмотря на то, что район был опустошен эпидемией тифа. Страх пропустить прохождение Венеры был сильнее страха перед болезнью. Необходимые наблюдения провели, однако Шапп, Сальвадор Медина и большая часть команды умерли от тифа. Следует добавить, что за прохождением Венеры по диску Солнца следили и другие испанские астрономы из Кадиса, Мехико и города Санта-Ана в Калифорнии.

Если учитывать только опубликованные результаты наблюдения, то за прохождением Венеры по диску Солнца следил 151 астроном из 77 разных точек земного шара. Результат наблюдений был таков: параллакс Солнца заключен на интервале между 8,43 м и 8,80 м — достаточно точная цифра, учитывая эффект черной капли. В XIX веке, располагая куда более качественными методами обработки данных и более точными координатами обсерваторий, Саймон Ньюкомб на основе этих же результатов получил значение параллакса в 8,79 м, которое весьма близко к тому, что используется в наши дни.

Транзит Венеры по диску Солнца в XIX веке наблюдался в 1874 и 1882 годах. На этот раз астрономов интересовало определение расстояний не только между планетами Солнечной системы, но и до ближайших звезд. Как мы уже упоминали, в 1838 году Фридрих Вильгельм Бессель впервые смог измерить параллакс звезды — это была звезда 61 Лебедя. К концу столетия были измерены параллаксы еще 21 звезды. При расчетах за основу бралось расстояние между двумя противоположными точками земной орбиты, а наблюдения за выбранными звездами производились с интервалом в 6 месяцев. Определить параллакс Солнца с максимально возможной точностью было крайне важно. При наблюдениях за прохождением Венеры ожидалось, что устранить эффект черной капли удастся с помощью фотографии, однако надежды астрономов не оправдались. Как бы то ни было, в 1874 году удалось получить достаточно точные результаты: по итогам измерений было определено, что параллакс Солнца лежит на интервале 8,79—8,83”. За прохождением Венеры в 1882 году следили не столь тщательно: чтобы существенно улучшить прежний результат, требовались новые методы, в то время недоступные.

Сегодня для определения расстояний между небесными телами результаты прошлых наблюдений астрономических транзитов не представляют ценности. Однако поиск внесолнечных планет ведется по точно такой же схеме.

Транзиты внесолнечных планет

Наблюдение за астрономическими транзитами — один из способов обнаружить новые планеты в различных планетных системах. 6 октября 1995 года Мишель Майор и Дидье Кело из Женевской обсерватории объявили об открытии первой экзопланеты — 51 Пегаса Ь. Целью ученых был поиск планет, схожих с нашей, где могут существовать те же условия для возникновения жизни, что и на Земле. В этом смысле открытие первой экзопланеты не принесло ожидаемых результатов: период ее обращения составлял 4,2 дня, а масса была примерно в 2 раза меньше массы Юпитера.

Новая планета представляла собой «очень горячий Юпитер, вращавшийся вокруг звезды по орбите меньшей, чем орбита Меркурия». Следовательно, температура и климат на планете были неблагоприятными для возникновения жизни. С тех пор пройден долгий путь и открыты сотни экзопланет в сотнях планетных систем, находящихся в самых разных частях Вселенной. Большинство этих планет достаточно массивны, и, по всей видимости, их планетные системы не слишком схожи с нашей.

Возможно, это связано с тем, что методы, используемые для обнаружения экзопланет, позволяют увидеть только наиболее массивные тела. При поисках экзопланет используются четыре метода:

1) фотографирование планеты и звезды;

2) наблюдение за движением планеты;

3) определение изменений радиальной скорости звезды, вызванных присутствием планеты;

4) изменение блеска звезды, вызванное прохождением перед ней планеты.

Первые три метода позволяют обнаружить лишь достаточно массивные тела, подобные Юпитеру, а последний метод можно применить для обнаружения планет, по размерам сопоставимых с Землей. Когда планета проходит по диску звезды, видимая яркость звезды снижается, а на ее кривой блеска четко виден момент прохождения планеты. Этот метод доступен даже астрономам-любителям, но его основной недостаток заключается в том, что так можно обнаружить только те планеты, плоскость орбиты которых расположена примерно под тем же углом, что и плоскость орбиты Земли. Вспомните — прохождение Венеры по диску Солнца можно наблюдать только в те периоды, когда Венера и Земля находятся вблизи линии узлов.

Кроме того, отклонение кривой блеска может длиться всего несколько часов, из-за этого вероятность обнаружить планету, подобную Земле, значительно сокращается.

И все же этот метод вызывает особый интерес астрономов.

Изменения кривой блеска звезды, вызванные прохождением экзопланеты перед ней.

Вероятность обнаружить планету, расположенную на расстоянии в одну астрономическую единицу (1 а.е.) от звезды, равна 0,5 %. Иными словами, если на расстоянии 1 а. е. от каждой звезды находится планета, то мы увидим один астрономический транзит, если будем вести наблюдения за 200 звездами. Если же подобные планеты имеются всего в 10 % планетных систем, то для обнаружения 5 планет нам потребуется вести наблюдения примерно за 10 тысячами звезд.