Читать книгу "Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт"

Все эти объекты слишком легковесны и далеки, чтобы их можно было предсказать по гравитационному воздействию на другие тела, поэтому находят их при внимательном просмотре фотоизображений. Но есть кое-какие достойные внимания математические особенности того, как на них воздействуют другие тела. Между 30 и 55 а.е. лежит так называемый «пояс Койпера», объекты которого в большинстве своем располагаются на примерно круговых орбитах вблизи эклиптики. Орбиты некоторых из этих TNO находятся в резонансе с орбитой Нептуна. Те объекты, резонанс которых составляет 2:3, называют плутино, поскольку в их число входит и Плутон. Те, что состоят с Нептуном в резонансе 1:2, то есть период обращения которых вдвое больше периода Нептуна, называют тутино. Остальные — классические объекты пояса Койпера, или кьюбивано[29]; они также обращаются по приблизительно круговым орбитам, но не испытывают значительных возмущений со стороны Нептуна. Дальше, за поясом Койпера, располагается так называемый рассеянный диск. Здесь астероидоподобные тела движутся по вытянутым орбитам, часто наклоненным к эклиптике под большим углом. Именно к этой категории относятся Эрида и Седна.

По мере того как обнаруживались все новые и новые TNO, некоторые астрономы начали склоняться к мнению, что нелогично называть планетой Плутон, но не называть Эриду, которая, как они считали, даже чуть превосходит его размером. По иронии судьбы, поздние фотографии с аппарата New Horizons показали, что Эрида все-таки чуть меньше Плутона[30]. Но если дать статус планет остальным крупным занептунным объектам, то некоторые из них окажутся меньше, чем астероид (или малая планета) Церера. После долгих и горячих дебатов Международный астрономический союз низвел Плутон до статуса карликовой планеты и уравнял с ним в правах Цереру, Хаумею, Макемаке и Эриду. Новые определения терминов «планета» и «карликовая планета» были тщательно подогнаны под известные небесные тела, так чтобы все они попадали в нужные категории. Однако до сих пор до конца неясно, соответствуют ли на самом деле этому определению Хаумея, Макемаке и Эрида. Кроме того, есть подозрение, что в поясе Койпера имеется еще несколько сотен таких же карликовых планет, а в рассеянном диске их насчитывается до 10 000.

* * *

Когда какой-то новый научный прием срабатывает и приводит к успеху, разумно бывает попробовать его на других аналогичных задачах. Трюк с возмущением орбиты блестяще сработал в случае с Нептуном — существование и местоположение планеты были предсказаны точно. В случае с Плутоном он тоже, на первый взгляд, работал блестяще, но лишь до тех пор, пока астрономы не поняли, что Плутон слишком мал, чтобы вызвать те аномалии, при помощи которых его предсказали.

Этот прием потерпел удручающую неудачу в поисках планеты под названием Вулкан. Речь не выдуманной планете из «Звездного пути», родине мистера Спока, которая, если верить писателю-фантасту Джеймсу Блишу, обращается вокруг звезды 40 Эридана A. Нет, это выдуманная планета, обращающаяся вокруг неприметной и довольно обычной звезды, известной писателям-фантастам как Сол. Или, более привычно, Солнце. Вулкан преподает нам несколько полезных уроков о науке — не только сообщает очевидный факт о том, что ошибки случаются, но и учит, что осознание прошлых ошибок может уберечь нас от их повторения. Его предсказание связано с введением положений теории относительности в физику Ньютона с целью ее улучшения. Но, как говорится, об этом позже.

Нептун был открыт благодаря аномалиям в орбите Урана. Вулкан был призван объяснить аномалии в орбите Меркурия — и предложил его не кто иной, как Леверье, в работе, вышедшей еще до открытия Нептуна. В 1840 году директор Парижской обсерватории Франсуа Араго решил применить закон всемирного тяготения Ньютона к орбите Меркурия и попросил Леверье провести необходимые расчеты. Теоретические данные можно было проверить во время прохождения Меркурия по диску Солнца — так называемого транзита; можно было очень точно засечь моменты начала и окончания транзита Меркурия. Событие это должно было состояться в 1843 году, и незадолго до него Леверье завершил свои расчеты, дав возможность предсказать соответствующие моменты времени. К его изумлению, наблюдения разошлись с теорией. Леверье вернулся к чертежной доске и подготовил более точную модель движения планеты, основанную на многочисленных наблюдениях и 14 транзитах. В результате к 1859 году он выявил и опубликовал небольшой, но загадочный аспект движения Меркурия, объяснивший его первоначальную ошибку.

Точка, в которой орбитальный эллипс Меркурия подходит ближе всего к Солнцу, известна как перигелий (peri — близкий, helios — Солнце) и представляет собой четко определенную характеристику орбиты. Со временем перигелий Меркурия медленно вращается относительно далеких («неподвижных») звезд. В сущности, вся орбита целиком медленно поворачивается, оставляя Солнце в своем фокусе; для этого существует специальный термин — прецессия. Математическая закономерность, известная как теорема Ньютона о вращении орбиты[31], предсказывает этот эффект как результат возмущений орбиты со стороны других планет. Однако, когда Леверье подставил в эту теорему результаты наблюдений, числа, получившиеся в результате, чуть-чуть не совпали с реальными. Теория Ньютона предсказывала, что перигелий Меркурия должен смещаться в результате прецессии на 532ʺ (угловые секунды) за каждые сто лет; однако по результатам наблюдений прецессия составила 575ʺ. Что-то вызывало дополнительные 43ʺ прецессии за столетие. Леверье предположил, что за это отвечает какая-то неизвестная планета, обращающаяся ближе к Солнцу, чем Меркурий; он назвал эту планету Вулканом — в честь древнеримского бога огня.

Понятно было, что сияние Солнца затмевает любой свет, отражаемый настолько близкой к светилу планетой, так что единственный реальный способ увидеть Вулкан — поймать его на транзите, во время которого он должен быть виден на диске Солнца как крохотная темная точка. Вскоре астроном-любитель Эдмон Лескарбо объявил, что действительно видел такую точку, причем это не могло быть солнечное пятно, потому что двигалось оно с неправильной скоростью. В 1860 году Леверье объявил об открытии Вулкана и был удостоен за это ордена Почетного легиона.

К несчастью для Леверье и Лескарбо, оказалось, что в тот же период времени Солнце наблюдал еще один астроном — Эммануэль Лиэ. Он пользовался более качественным оборудованием, чем Лескарбо, и работал по поручению бразильского правительства, но при этом не видел ничего подобного. На кону оказалась его репутация, он категорически отрицал, что транзит действительно имел место. Разгорелись жаркие и путаные споры. Леверье умер в 1877 году, по-прежнему веря, что открыл еще одну новую планету. Без поддержки Леверье теория Вулкана потеряла темп, и вскоре астрономы пришли к единому мнению: Лескарбо ошибся. Предсказание Леверье осталось неподтвержденным, и среди астрономов возобладал скепсис. Окончательно интерес к Вулкану пропал в 1915 году, когда Эйнштейн, воспользовавшись своей новой теорией — общей теорией относительности, рассчитал дополнительную прецессию перигелия Меркурия, равную 42,98ʺ, без привлечения каких бы то ни было новых планет. Теория относительности тем самым получила подтверждение, а Вулкан был сдан в архив.