Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса: читать начало книги онлайн

Рис. 1.1. Древнеегипетская богиня неба Нут, словно купол, накрывает собой Геба, бога земли, и Шу, бога воздуха и солнечного света. Ок. 2000 г. до н. э. (На основе материалов из нескольких источников, со ссылкой на: The Great Goddesses of Egypt, B. S. Lesko [Издательство Университета Оклахомы, 1999].)

«Звездный купол», унаследованный нами, во многом подобен плавильному котлу, соединившему множество самых разнообразных культурных влияний. Скажем, привычные нам названия ярких звезд происходят от греческих корней (Арктур, Сириус, Вега) или напоминают о Риме и латыни (Капелла, Спика), а некоторые, скажем Бетельгейзе и Денеб, — это измененные версии арабских наименований. Признанные узоры созвездий, как правило, восходят к тем, что были приняты у греков, а в именах, присвоенных их звездам, слышны и греческие, и латинские, и арабские голоса. Хорошим примером станет Орион. Очертания этого созвездия определили греки, но в нем много звезд с арабскими названиями, в том числе красная Бетельгейзе (изначально ее имя не совсем верно транслитерировали с арабского как «Бейт аль-Джауза» — «подмышка близнеца» [так арабы называли Ориона]), три голубые звезды в поясе Ориона — Альнитак, Альнилам и Минтака, а также яркий бело-голубой Ригель (левая нога Ориона).

Безусловно, у этих этимологических смешений есть исторические основания. Первые записи о созвездиях появились в Месопотамии в начале II тысячелетия до нашей эры. Примерно в 350 году до нашей эры древнегреческий философ Евдокс отметил сорок восемь созвездий, а около 129 года до нашей эры древнегреческий астроном Гиппарх аккуратно перечислил их в своем каталоге, указав и относительную яркость звезд. В 128 году уже нашей эры египетский астроном Клавдий Птолемей (90–168 гг. н. э.) — римский гражданин, писавший на греческом, — на основе этой системы составил подробный каталог из 1022 звезд, приведенный в его знаменитом трактате «Альмагест». В период, продлившийся с XI века по XVII столетие, астрономы арабского мира и Центральной Азии — в том числе Ахмад аль-Фергани и Абу Рейхан аль-Бируни — внесли свой вклад в астрономию: они исправили ошибки Птолемея, отметили цвета звезд и их вариации, очертили границы созвездий и впервые описали туманные объекты, доступные для наблюдения невооруженным глазом, — те самые, которые, как нам сейчас известно, представляют собой гигантские газопылевые облака.

СРЕДНЕВЕКОВЫЕ ОБСЕРВАТОРИИ НА БЛИЖНЕМ ВОСТОКЕ

Астрономы Ближнего Востока, жившие до эпохи Николая Коперника, вели наблюдения в больших обсерваториях, построенных в XIII веке в Мараге (современный Иран) и примерно полтора столетия спустя в Самарканде (современный Узбекистан). Телескопов там, конечно же, не было — их еще не было нигде. Но и без них астрономы сумели сделать очень многое и, помимо прочего, составили каталог небесных тел, который оставался одним из самых полных со времен Птолемея до европейского Возрождения и указывал положения 992 звезд.

Современная система созвездий, принятая на Западе, обрела облик благодаря «Уранометрии» («Измерению небесного свода») — атласу звездного неба Иоганна Байера, изданному в 1603 году. В нем на карту впервые были нанесены созвездия и северного, и южного небесных полушарий. А в 1763 году вышел «Каталог звезд южного неба» Никола Луи де Лакайля, где появились созвездия, уже не связанные с мифологией: Печь, Насос, Часы и Микроскоп. Протяженность этих разнообразных созвездий, а порой и их частичное совпадение приводили к серьезной путанице, пока в 1922 году Международный астрономический союз не утвердил окончательный список из восьмидесяти восьми «официальных» созвездий со смежными границами (рис. 1.2).

Впрочем, помимо западной системы, были и другие досконально продуманные картины неба. Китайцы за ту же тысячу лет создали совершенно независимую систему созвездий и наименований звезд. И хотя Запад ее так и не принял, она настолько точно описывала положения светил, что ее применяли астрономы и археоастрономы всего мира, желавшие определить, где в давние эпохи вспыхивали сверхновые, пролегали пути комет и случались иные мимолетные небесные явления. Одна из моих любимых картин ночного неба, возникших за минувшее тысячелетие, пришла от коренных американцев. Если сравнить их созвездия с теми, что приняты на Западе, мы выявим ряд поразительных сходств и удивительных различий. Например, их версия Большой Медведицы известна как «Три охотника и медведь». «Песьи звезды» Сириус и Антарес обозначены так же у индейцев чероки. А Плеяды и Гиады, звездные скопления, расположенные вдали друг от друга в созвездии Тельца, у племени западных моно были известны как «Шесть жен, наевшиеся лука» и — на безопасном расстоянии — «Их мужья».

Рис. 1.2. Сравнение образной звездной карты из Atlas Coelestis («Атласа звездного неба») Джона Флемстида 1776 года, на которой показаны созвездия Ориона и Тельца, и современной интерпретации той же области неба с очерченными границами созвездий. (Вверху: изображение любезно предоставлено Wikimedia Commons. Внизу: материалы любезно предоставлены constellationguide.com и Sky & Telescope.)

Картины дневного и ночного неба меняются и сейчас, по мере того как мы внедряем передовые технологии наблюдения и открываем новые небесные феномены. И точно так же развиваются модели строения Вселенной. Ее иерархическую структуру, принятую в наше время, мы рассмотрим в третьей главе, а разговор о том, как эта структура появилась, отложим до третьей части, в которой совершим необыкновенное путешествие от Большого взрыва к возникновению галактик, звезд, планет и жизни. Но сначала посмотрим, что видно с поверхности нашей родной планеты и как нам во всем этом разобраться. Обычно это занятие называют «астрономией, постигаемой невооруженным глазом».

2. Дневное и ночное небо

Альберт Эйнштейн. Мир, каким я его вижу

Если бы мы сумели беспечно воспарить над Землей и улететь в межпланетное пространство, то увидели бы одну и ту же космическую картину: с небесной сферы на нас, и сверху, и снизу, изливался бы, подобно покрову, блистающий звездный свет. Но, к сожалению, в ближайшее время это вряд ли случится, и поэтому нам приходится считаться с тем, что все мы живем на сферической планете, которая каждые 23,93 часа совершает полный оборот вокруг своей оси, а каждые 365,26 суток — вокруг Солнца.

Взгляд с Земли

Поскольку мы «прикованы» к земной поверхности, нашему взгляду в любой момент доступна лишь половина небесной сферы, а вид Земли ограничен линией горизонта, заглянуть ниже которой нельзя. Будь Земля не сферической, а плоской, наш видимый горизонт простирался бы до ее внешнего края, а корабль, удаляющийся от нас, был бы виден всегда, — только пришлось бы следить за судном, которое становилось бы все меньше и меньше, в достаточно сильный бинокль. Но, как известно, корабли, отходящие от причала, уходят за горизонт неизменно, а Британские острова с побережья Новой Англии не рассмотреть (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Вид с поверхности Земли, как показано на этой схеме, зависит от высоты, на которой находится наблюдатель (h), и от радиуса Земли (R). Чем больше высота, тем дальше линия горизонта (d).

Даже с Международной космической станции невозможно увидеть всю половину Земли одновременно. Астронавты МКС, пребывая на орбите над нами на средней высоте в 340 км, видят изогнутый горизонт, отдаленный от них на 2110 км. Это примерно треть земного радиуса и двадцатая часть окружности земного шара. Чтобы кривизна стала гораздо более выраженной, потребуется переместиться намного дальше; скажем, при взгляде с Луны облик Земли кажется нам почти идеальной полусферой. Вот почему снимки нашей планеты, сделанные экипажем «Аполлона», вызвали в обществе преобразующий эффект такой огромной силы, — ведь впервые в истории человечества Землю можно было увидеть во всей полноте, и она предстала перед нами, словно драгоценная голубая сфера, окутанная непроглядным космическим мраком.

Важность географической широты

Кривизна земной поверхности не только ограничивает наш обзор — из-за нее различаются даже предстающие перед нами картины дневного и ночного неба. В зависимости от того, к северу или к югу от экватора окажется наша географическая широта, мы увидим разные небесные половины. Вот почему на севере можно и невооруженным глазом, и в бинокль любоваться Плеядами и Гиадами в созвездии Тельца, Двойным скоплением в созвездии Персея и туманностью Андромеды в одноименном созвездии, — но не получится восхититься столь же прекрасными видами Южного Креста, туманности Киля и Магеллановых Облаков. Те храбрецы, которые отважатся отправиться на Северный полюс, увидят прямо у себя над головой созвездие Малой Медведицы и Полярную звезду. Все остальные звезды — до небесного экватора — будут каждые 23,93 часа обращаться вокруг Полярной звезды против часовой стрелки (рис. 2.2), а светила с южной небесной широтой неизменно останутся невидимыми.

Рис. 2.2. Сверху вниз. Ночной вид звездных следов на Северном полюсе при взгляде в зенит, в сравнении со снимком с экватора (вид на север) и аналогичным видом с экватора, если смотреть на запад или на восток. На Северном полюсе все звезды, расположенные к северу от небесного экватора, видны непрерывно — они никогда не восходят и не заходят. На экваторе полюсы мира видны на горизонте и нет постоянно видимых околополюсных звезд; вместо этого наблюдатель видит, что все звезды восходят над горизонтом и заходят за него. (На основе материалов из нескольких источников.)

В северной зоне умеренных широт Полярная звезда все еще видна строго на севере, но уже не в зените. Измерив ее высоту над горизонтом, легко определить широту, на которой вы находитесь, — кстати, вспомните об этом, если вдруг когда-нибудь заблудитесь без GPS. В зависимости от широты вы увидите, что некоторые созвездия и их звезды всегда остаются околополярными и не заходят за горизонт, а вот другие звездные группы, с более низкой небесной широтой, как раз будут за ним скрываться. Особенно ярко это проявляется у созвездий, расположенных вдоль небесного экватора; прекрасный пример — Орион. С ноября по март его можно увидеть ночью: он восходит над горизонтом на востоке, поднимается на южное небо (в Северном полушарии) и опускается за горизонт точно на западе.

А на экваторе видно, как почти все звезды поднимаются над восточным горизонтом, описывают дугу по небу по параллельным траекториям и уходят за западный горизонт. Здесь Полярная звезда, расположенная у самой границы северного горизонта, была бы едва заметна, а Орион в своей наивысшей точке находился бы прямо у нас над головой. В Южном полушарии все почти так же, только наоборот: скажем, в Антарктике видна вся южная половина неба, а северная скрыта. И хотя сейчас нет «полярной» звезды, обозначающей Южный полюс мира, мы могли бы увидеть, что все небесные звезды движутся вокруг него по часовой стрелке. В южной зоне умеренных широт этот «звездный пояс» сместился бы из зенита к южному горизонту, а Орион в своей наивысшей точке выглядел бы «перевернутым» к северу.

ОТКУДА НАМ ИЗВЕСТНО О ВРАЩЕНИИ ЗЕМЛИ?

Вид Солнца, Луны, планет и звезд, день ото дня идущих по небу с востока на запад, привычен многим из нас. Если спросить, почему это происходит, то хотя бы кто-то вспомнит о вращении Земли вокруг ее оси. Но если мы спросим, откуда известно, что вращается именно Земля, а не Солнце, Луна, планеты и звезды, то, возможно, собеседникам будет непросто найти аргументированный ответ. И это неудивительно, ведь доказать вращение Земли не так-то просто. Более того, до Галилея большинство ученых противились самой мысли о подобном, полагая, что если бы Земля вращалась, то все, не закрепленное на ней, улетело бы прочь. Вот несколько неоспоримых доказательств, подтверждающих гипотезу о вращении Земли, и один популярный отвлекающий маневр:

• Вид Земли с Луны. Астронавты, впервые высадившись на Луну 20 июля 1969 года, вскоре сделали снимки Земли, ясно подтвердившие ее вращение, совершаемое час за часом. На протяжении веков мы не располагали подобными изображениями, снятыми с другой планеты.

• Маятник Фуко. В 1851 году французский физик Жан Бернар Леон Фуко изобрел маятник, впоследствии названный по имени создателя. Он представляет собой груз, подвешенный на тонкой и очень длинной нити. Запущенный маятник совершает колебания и дает нам инерциальную систему отсчета, независимую от движущейся Земли. (По такому же принципу работают и гироскопы.) Земля под маятником вращается, и можно наблюдать за тем, как груз, висящий на нити, мерно колеблется относительно связанных с Землей ориентиров, которые медленно поворачиваются в течение дня. Поскольку маятник — если не прилагать к нему внешних сил — не может изменить направления своих колебаний, получается, что на него влияет вращение Земли.

• Закономерности атмосферной циркуляции. Земля оборачивается вокруг своей оси как твердое тело, поэтому линейная скорость, с которой вращается ее поверхность, максимальна у экватора — там ее величина почти вдвое выше, чем у реактивного самолета, а в северных и южных широтах, превышающих 60°, самолет уже оказывается быстрей. Любые воздушные течения, идущие от экватора к полюсам, сперва обладают той же высокой скоростью, с какой вращается на экваторе наша планета. На пути к более высоким широтам они проходят над территорией, которая движется медленнее, и начинают обгонять земную поверхность в ее вращении с запада на восток. Их движение, как отмечают наблюдатели, сравнимо с потоком, который, отклоняясь на восток, идет над Землей. Воздушные массы, направленные от полюсов к экватору, по той же причине отклоняются на запад. Эти два потока создают атмосферную систему, которая циркулирует по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Кроме того, здесь проявляется эффект Кориолиса, легко объясняющий круговращение воздуха в атмосферных системах высокого давления. Когда воздушный поток устремляется из областей с высоким давлением в области с низким, его суммарное отклонение, вызванное вращением Земли, закручивает его против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. С этими циркулирующими зонами низкого атмосферного давления связаны наиболее активные и бурные штормовые системы.