Открытие Урана, Нептуна и Плутона

Уран и Нептун на небесной сфере

Уран. Третья по величине планета Солнечной системы, Уран виден с Земли как звезда 6 звездной величины. С 1690 года астрономы несколько раз отображали его в качестве звезды на своих картах. Однако открыт как планета он был лишь спустя почти два века после изобретения телескопа, музыкантом и любителем астрономии Уильямом Гершелем.

Гершель был выходцем из Германии, в возрасте 19 лет, спасаясь от набора в армию, эмигрировавшим в Англию. После многих невзгод и лишений он приобрел известность как музыкант-исполнитель, композитор и преподаватель музыки в приморском курортном городе Бате недалеко от Бристоля. Кроме музыки страстью Гершеля была астрономия.

Разочаровавшись в приобретенном в 1773 году небольшом рефлекторе с фокусным расстоянием 2,5 фута, он собственноручно изготовил рефлектор длиной почти 2 метра и диаметром главного зеркала в 20 см. И с помощью своего нового инструмента начал в 1775 году обзор всего неба, видимого из Бата. В перерывах между уроками музыки Гершель шлифовал металлические зеркала для телескопов, вечерами давал концерты, а ночи проводил за наблюдением звезд.

Телескоп Гершеля

Закончив обзор всего неба, Гершель решил повторить его. 13 марта 1781 года он изучал расположение звезд в районе созвездия Тельца. Одна из звезд в пределах этого участка показалась ему странной - вместо яркой точки она имела вид небольшого диска, поэтому в дневнике наблюдений он сделал такую запись: «необычного вида - либо звезда, окруженная туманностью, либо комета». Гершель посчитал, что открыл новую комету, и направил письмо в Королевское общество. Спустя 2 месяца петербургский академик Андрей Лексель вычислил параметры орбиты этого небесного тела, показавшие, что оно вращается вокруг Солнца по кругу, радиус которого в 19 раз превышает радиус орбиты Земли. Полученная орбита больше походила на планету, чем на комету. Стало ясно, что впервые с вавилонских жрецов в Солнечной системе была открыта новая планета.

Уильям Гершель

Вновь открытое небесное тело Гершель предложил назвать планетой Георга в честь правившего в то время в Англии короля Георга III. Однако это имя не прижилось, а общепринятым стало другое название - Уран, предложенное в год открытия планеты немецким астрономом Иоганном Боде, считавшим, что необходимо продолжить историческую традицию названий планет из древнеримской мифологии во внешних частях Солнечной Системы. Благодаря открытию Урана Уильям Гершель смог стать профессиональным астрономом, а затем и крупнейшим астрономом-наблюдателем в истории. В том же году, когда был открыт Уран, Гершель был избран членом Лондонского Королевского общества и получил степень доктора Оксфордского университета.

Спустя шесть лет, в 1787 году, Гершель открыл два крупнейших спутника Урана Оберон и Титанию - объекты 13-14 звездной величины. Еще два спутника были найдены в 1851-м преуспевающим ливерпульским пивоваром Уильямом Ласселлом - выдающимся британским астрономом-любителем Викторианской эпохи. Наконец, в 1948 году американский астроном Джерард Койпер нашел самый маленький из пяти главных спутников - Миранду.

Первые четырех спутника получили свои названия не от первооткрывателей. Имена им дал в XIX веке сын Уильяма Гершеля, Джон Гершель, который и сам являлся одним из виднейших астрономов мира. В нарушение астрономической традиции, требующей брать названия для планет и спутников из мифологических сюжетов разных народов, спутники получили имена персонажей из произведений английских литераторов - Шекспира и Попа. Самый яркий среди спутников Урана - Ариэль получил имя доброго, светлого духа воздуха - персонажа, встречающегося и в пьесе Шекспира «Буря», и в поэме Попа «Похищение локона». Соседний с ним спутник - Умбриэль, вдвое темнее, был назван именем злого, темного духа из той же поэмы Попа. Два наиболее крупных из спутников Урана - Титания и Оберон получили имена королевы фей и ее супруга, короля добрых духов из пьесы Шекспира «Сон в летнюю ночь».

Уран и его спутники

Когда в 1789 году был открыт новый химический элемент, оказавшийся самым тяжёлым из известных на тот момент элементов, он получил название «уран» в честь открытой планеты. Только спустя полтора века после открытия этого элемента он стал ключевым элементом в ядерной физике и технике. Когда из урана (атомный номер 92) в ХХ веке были получены новые элементы с атомными номерами 93 и 94, на тот момент последние в таблице Менделеева, они получил название в честь планет, следующих за ураном: нептуний (в честь планеты Нептун) и плутоний (в честь планеты Плутон).

Нептун. Вскоре после открытия Урана в 1781 году У. Гершелем в движении этой планеты стали выявляться непонятные аномалии — она то «отставала» от расчётного положения, то опережала его. Русский астроном академик Андрей Лексель, доказавший, что открытый Гершелем объект — планета, обратил внимание на аномалии движения Урана ещё в 1783 году. Изучив особенности движения планеты, Лексель предположил, что на Уран воздействует притяжение неизвестного космического тела, орбита которого расположена ещё дальше от Солнца.

В 1821 году французский астроном Алексис Бувар опубликовал таблицы положения Урана на много лет вперед. Но в течение последующих 10 лет данные непосредственных наблюдений Урана всё больше расходились с таблицами Бувара, что вызывало в научном сообществе необходимость объяснения этого феномена.

Этот вопрос сильно заинтересовал 22-летнего студента Кембриджского колледжа Джона Адамса (1819- 1892). И он предположил, что в этом повинна какая-то невидимая и еще не известная планета, находящаяся за Ураном. То, что она могла влиять на движение Урана, следовало из ньютоновского закона всемирного тяготения.

Увлеченный этой проблемой, Адамс решил по отклонениям Урана вычислить орбиту неизвестной планеты, определить ее массу и указать местоположение на небе. Так впервые в истории астрономии человек поставил перед собой труднейшую задачу: с помощью закона Ньютона и методов высшей математики открыть в Солнечной системе новую планету.

Задача была куда сложнее, чем казалось на первый взгляд. Трудности усугублялись еще и тем, что в те времена не только не было вычислительных машин, но недоставало вспомогательных математических таблиц. В течение 16 месяцев Адамс занимался вычислениями орбиты неизвестной планеты. Наконец, завершив свой кропотливый труд, он указал место в созвездии Водолея, где планета должна была находиться 1 октября 1845 года.

О результатах своих вычислений Адамс хотел доложить королевскому астроному Джорджу Эри (1801-1892). Но, к его огорчению, встреча с Эри, на которую он возлагал так много надежд, не состоялась. Вместо обстоятельного доклада пришлось ограничиться коротенькой запиской. Когда Эри прочел ее, у него возникли сомнения. Между тем результаты вычислений были на редкость точными: неизвестная планета находилась всего лишь в 2 градусах от места, указанного Адамсом. И если бы астрономы пожелали тогда заняться ее поисками, планета не осталась бы незамеченной. Но работа Адамса лежала в столе королевского астронома, и о ней никто не знал.

Параллельно с этим летом 1845 года Ф.Араго, директор Парижской обсерватории и глава французской астрономии того времени, предложил У. Леверье заняться «проблемой Урана». В это время ни он, ни Араго не знали, что ею уже два года занимается в Англии Адамс, и что он уже получил существенные результаты.

В ноябре 1845 года Леверье опубликовал первую статью, посвящённую Урану. Он заново построил всю теорию движения Урана с учётом возмущений от известных планет, уточнив всё, что было сделано Буваром. Его работа и характер самого изложения отличались тщательностью, учётом тончайших деталей, чёткостью. Возмущения орбиты Урана были вычислены двумя различными методами, что гарантировало отсутствие ошибок. Окончательно точность вычисляемых координат Урана составила 0»,1.

Оказалось, что Адамс и Леверье, ничего не зная друг о друге, приступили к математическим поискам неизвестной планеты почти одновременно. Летом 1846 года Леверье сделал доклад в Академии наук Франции о результатах изучения отклонений Урана. Он доказал, что причиной этих отклонений является не Юпитер и не Сатурн, а неизвестная планета, находящаяся за Ураном. Но самое интересное заключалось в том, что по части положения новой планеты на небе вычисления Леверье практически полностью совпадали с вычислениями Адамса.

Только теперь Джордж Эри понял, что зря отнесся с недоверием к работе Адамса. И он попросил обсерваторию Кембриджского университета обследовать участок звездного неба в созвездии Водолея, где, по данным математических расчетов, должна была «скрываться» неизвестная планета.

Нептун в созвездии Водолея

К несчастью, ни в Англии, ни во Франции еще не было подробной звездной карты исследуемой области неба, и это сильно затрудняло поиски далекой планеты.

Тогда Леверье написал письмо в Берлинскую обсерваторию Иоганну Галле (1812-1910) с просьбой немедленно начать поиски трансурановой планеты.

Галле, у которого была нужная звездная карта, решил не терять времени попусту. В ту же самую ночь - 23 сентября 1846 года - он приступил к наблюдениям. Поиски длились около полу часа. Наконец Галле увидел слабую звезду, которой на карте не было. При большом увеличении она представлялась в виде маленького диска. Следующей ночью Галле продолжил свои наблюдения. За сутки таинственный объект заметно переместился среди звезд. Теперь можно было не сомневаться: да, это была она - новая планета!

Открытие Нептуна имело исключительно важное значение, ибо оно окончательно подтвердило справедливость гелиоцентрической системы мира Николая Коперника. Одновременно была доказана справедливость и универсальность закона всемирного тяготения.

Плутон. Учет влияния Нептуна на Уран позволил уменьшить расхождения между теоретическим и наблюдаемым движением Урана в десятки раз, однако полной точности добиться не удалось. В 1848 году американский астроном Б. Пирс предположил существование девятой планеты. В 1874 году С. Ньком построил новую теорию движения Урана, учтя возмущения от Юпитера, Сатурна и Нептуна. Он также предполагал существование транснептуновой планеты.

Первым принялся за поиски транснептуновой (девятой) планеты знаменитый американский астроном Персивал Ловелл (1855-1916). Тщательно изучив возможное ее влияние на движение Урана, он вычислил орбиту предполагаемой планеты, определил ее массу и условно назвал планетой Икс.

«Девятая планета, - писал Ловелл,- находится в 6 млрд км от Солнца, и ей требуется 282 года для полного оборота вокруг Солнца». Ловелл считал, что это сравнительно небольшая планета, которая видна с Земли как слабая телескопическая звезда. Судя по результатам вычислений, планета «пряталась» в зодиакальном созвездии Близнецов.

В начале 1905 года Ловелл с помощью 5-дюймового астрографа (специального телескопа, снабженного фотографической камерой) приступил к последовательному фотографированию участков звездного неба в Близнецах. Каждую пластинку он экспонировал в течение трех часов, а затем проявлял. На пластинках получались изображения звезд, включая звезды 16-й звездной величины. Блеск таких звезд в 10 тыс. раз слабее блеска самых слабых звезд, видимых невооруженным глазом. По прошествии нескольких ночей астроном производил повторное фотографирование тех же участков звездного неба.

Затем наступал самый ответственный этап исследований. Негативы, на которых были засняты одинаковые участки неба, Ловелл аккуратно накладывал друг на друга так, чтобы изображения звезд совпадали. Каждую пару совмещенных негативов он внимательно просматривал в лупу.

Поиски в последние годы жизни сильно ослабили здоровье астронома, он умер в 1916 году.

По иронии судьбы, через 15 лет на снимках Ловелла, полученных в 1914-1915 годах, «планета Х» все-таки была обнаружена. Астроном, ища объект с блеском 12-13 звездных величин, просто не обратил внимание на звезду 15 звездной величины.

После этого интерес астрономов к поискам девятой планеты стал падать. Лишь на обсерватории Ловелла планировались дальнейшие поиски. В конце 20-х годов брат Ловелла, Аббот Лоуренс сделал дополнительный денежный вклад в фонд обсерватории. Часть этих денег пошла на новый широкоугольный 32,5-сантиметровый телескоп, способный в течение часа сфотографировать звезды до 17-ой звездой величины на площади 160 квадратных градусов, т.е. 1/260 часть всего видимого неба. Новая камера приступила к работе 1 апреля 1929 года.

Активное участие в работе на телескопе принимал участие молодой сотрудник обсерватории Клайд Вильям Томбо (1906-1997). В начале апреля 1929 года Клайд Томбо с помощью 13-дюймового астрографа приступил к фотографированию звезд в созвездии Близнецов, где, по вычислениям Ловелла, должна была находиться планета Икс. Каждую ясную ночь он снимал определенный участок звездного неба, а две-три ночи спустя получал вторую пластинку с изображением этого же участка. Чтобы ничто не осталось незамеченным, Клайд применил почти безупречную методику поисков: все участки звездного неба снимал по три раза.

Клайд Томбо

Уже были запечатлены сотни тысяч, нет, миллионы звезд! И в этом звездном океане надо было обнаружить едва заметную планету. Для этого Клайд сравнивал парные негативы на специальном приборе - блинк-микроскопе. Прибор был устроен так, что позволял поочередно просматривать две пластинки, на которых был заснят один и тот же участок звездного неба. Если на пластинках был сфотографирован движущийся объект, то при быстрой смене изображений он как бы перепрыгивал с одного места на другое, в то время как «неподвижные» звезды смещений не испытывают. Благодаря этому способу (способу «миганий») Томбо надеялся отыскать затерявшуюся среди миллионов звезд маленькую точку - планету Икс.

Клайд целиком ушел в поиски. С присущей ему энергией он работал по 14 часов в сутки: в ночные часы фотографировал звездное небо, а днем сравнивал пластинки, тщательно исследуя каждое «подозрительное» изображение. Уже просмотрены изображения миллионов звезд. Обнаружены новые астероиды, переменные звезды, галактики... И никаких признаков планеты Икс! Когда же наконец он найдет ее? А может быть, он действительно попусту тратит время? Но Клайд всякий раз прогонял сомнения и с еще большей настойчивостью принимался за поиски.

18 февраля 1930 года Клайд Томбо, как всегда, исследовал очередную пару пластинок, заснятых в последней декаде января. Неожиданно вблизи звезды дельты Близнецов одна из слабых точек запрыгала. Он уже не раз наблюдал сдвиги астероидов, но этот сдвиг не был похож на все предыдущие - он был очень мал. Судя по величине сдвига, неизвестный объект находился очень далеко от Земли и от Солнца. У Клайда сильно забилось сердце, и он закричал: «Вот она! Это должна быть планета Икс!»

Более 100 тысяч предполагаемых изображений планеты оказались на самом деле фотографическими дефектами, и каждый такой «брак» приходилось перепроверять на третьем снимке. Наконец, на снимках окрестности звезды дельта Близнецов, сделанных 21, 23, 29 января 1930 года Томбо обнаружил медленно перемещающийся «звездоподобный» объект. Последующие наблюдения подтвердили, что это не комета или астероид. 13 марта директор Ловелловской обсерватории В. М. Слайфер объявил об открытии новой планеты. Эта новость тут же облетела по радио весь мир.

Открытие Плутона

Даже в большой телескоп объект, открытый Томбо, выглядел слабой звездой 15-й звездной величины без малейших признаков планетного диска. И, чтобы убедиться в том, что это действительно транснептуновая планета, астрономы стали внимательно следить за ее движением. Прошло несколько недель. Наблюдения показали, что она движется именно так, как и подобает двигаться планете, находящейся за Нептуном.

13 марта 1930 года, в день 75-летия со дня рождения Ловелла, положившего начало поискам планеты Икс, мир узнал о ее открытии.

Открытие Плутона было новым торжеством научного предвидения. Границы планетной системы были отодвинуты от Солнца сразу на 1,5 млрд км!

Плутон и его спутники (фотография с космического телескопа "Хаббл")

Многие считали, что планету следует назвать «Ловелл», но, в конце концов, Ловелловская обсерватория остановилась на имени Плутон, предложенном 11-летней дочкой оксфордского профессора астрономии Венешей Берни. Согласно греко-римской мифологии Плутон (Аид) был правителем темного подземного царства, и вполне уместно было присвоить его имя планете из царства тьмы на периферии Солнечной системы. Это название получило новое символическое значение после того, как в 1945 году химический элемент плутоний, названный в честь недавно открытой планеты, стал основой для первых атомных бомб.

Возможный вид поверхности Плутона

В течение 76 лет после своего открытия Плутон считался девятой планетой Солнечной системы. На рубеже XX и XXI веков за орбитой Плутона было открыто множество других планет, некоторые из которых по размерам оказались даже больше Плутона. В связи с этим на конгрессе Международного астрономического союза в 2006 году Плутон был признан одним из объектов пояса Койпера и получил статус «карликовой планеты».

Вопросы и задания

1. Как были открыты Уран, Нептун и Плутон? Назовите имена их первооткрывателей. Откуда взялись их названия?

2. Откуда взялось название химических элементов – уран, нептуний, плутоний?

3. Почему Уран удалось открыть только в XVIII веке, хотя его можно видеть невооружённым глазом?

4. Почему открытие Нептуна считается окончательным подтверждением гелиоцентрической системы Коперника?

5. В чём заключалась основная трудность в обнаружении Плутона?