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

• Аберрация звездного света. Представьте, что вас застал сильный ливень — и, к счастью, вы предусмотрительно захватили зонтик. Ветра нет, поэтому дождь льет прямо вниз. Пока вы стоите и держите зонт над головой, он закрывает вас, и ливень вам не страшен. Но если вы пойдете быстрым шагом, то вам покажется, что струи отклонились от вертикали и бьют вам в лицо, — и вы, заслоняясь от них, наклоните зонт вперед. Тот же самый эффект имеет место при падении звездного света на вращающуюся Землю — и выражается в том, что звезды, которые, согласно расчетам, должны были бы располагаться прямо над головой, кажутся слегка смещенными на восток, по направлению вращения Земли. Это «отклонение» звездного света составляет всего 1/11000°. Более быстрое орбитальное движение Земли вокруг Солнца приводит к гораздо большему отклонению, составляющему 1/100°. Эти смещения не столь существенны, но их достаточно, чтобы подтвердить вращение Земли и ее движение по орбите, — и поэтому астрономы вносят корректировки каждый раз, когда им требуется точно навести свои оптические исследовательские телескопы на определенные точки неба.

• Скорости самолета. Пришло время «отвлекающего маневра». На некоторых широтах скорость у самолета, летящего на восток, выше, чем у того, который летит на запад, — и может показаться, что вращение Земли, направленное с запада на восток, ускоряет один самолет и в то же время замедляет второй. Однако эти различия в скоростях можно в полной мере объяснить дующими на восток ветрами — попутными для одного самолета и встречными для другого. И более того, поскольку каждый самолет взлетает с вращающейся Земли, то он разделяет ее движение, и поэтому скорость его полета относительно земной поверхности не зависит от вращения планеты.

Небесные долготы и широты

Поскольку наши представления о дневном и ночном небе «прикованы к Земле» и во многом зависят от нашего географического местоположения и времени суток, астрономы, стремясь принять все это во внимание, разработали специальную картографическую систему координат. Она называется экваториальной, и, по сути, это проекция земной градусной сетки с ее координатами долготы и широты на небесную сферу (рис. 2.3). Чтобы увидеть ее в действии, рассмотрим небесный экватор — большой круг, проекцию экватора Земли на космическое пространство. Небесные широты к северу или югу от небесного экватора измеряют в градусах, угловых минутах и угловых секундах (обычно эти единицы сокращенно обозначают символами °, ′, ″), где 1 градус равен 60 угловым минутам, а 1 угловая минута насчитывает 60 угловых секунд. Небесную широту астрономического объекта, как правило, называют склонением (в астрономии оно обозначается как δ или Dec, от латинского слова declinatio — «наклон»). Созвездие Ориона находится на небесном экваторе, и поэтому его склонение близко к 0°. Полярная звезда, напротив, сейчас находится вблизи Северного полюса мира (проекция земной оси на небесную сферу), и поэтому ее склонение очень близко к +90°. (Магнитная ось Земли постоянно отклоняется от оси вращения планеты, и Северный магнитный полюс в настоящее время располагается примерно на 86-й параллели северной широты.)

Рис. 2.3. Земная система координат — это основа для экваториальной системы небесных координат, используемой наиболее часто. Здесь внутренняя сфера представляет Землю, а внешняя — небесную сферу. Небесная широта (склонение) измеряется относительно небесного экватора. В северном небесном полушарии склонение считается положительным, а в южном — отрицательным. Небесная долгота (прямое восхождение) измеряется по направлению на восток от линии долготы, пересекающей точку весеннего равноденствия.

Как и линии постоянной небесной широты, линии постоянной небесной долготы соответствуют проекциям меридианов Земли на небесную сферу. Они очерчивают большой круг, проходящий как через Северный, так и через Южный полюсы мира. Однако из-за суточного вращения Земли систему координат для расчета небесной долготы необходимо соотносить с определенным местоположением на небесной сфере (а не на Земле). Им стала точка весеннего равноденствия, в которой Солнце пересекает небесный экватор каждый март, когда «выходит» на северное небо. Небесные долготы измеряются в направлении с запада на восток от этой точки в часах, минутах и секундах, при этом полный круг, составляющий 360°, соответствует 24 часам.

Но как же так — ведь эти единицы приняты для измерения времени? Почему мы используем именно их? Причина в том, что каждые 24 часа суточное вращение Земли смещает те линии постоянной небесной долготы, которые определяются в системе координат, связанной с земным шаром. А чтобы установить, где на небе в любой момент появится тот или иной объект, необходимо знать как его небесную долготу, так и время суток, и если обозначить небесную долготу в единицах времени, то можно упростить расчеты. В астрономии для обозначения небесной долготы принят особый термин — прямое восхождение (сокращенно α или RA, от англ. right ascension). Часы, минуты и секунды (в которых отсчитывается и часовой угол) обычно сокращаются как h, m, s — от соответствующих английских слов hour, minute, second. Прямое восхождение и склонение небесного тела полностью описывают его положение на небесной сфере. Например, туманность Ориона в Мече Ориона имеет следующие координаты: RA 5h 35m 17,3s и Dec –5°23′28″.

В едином ритме с колебанием Земли

Располагать астрономические объекты в системе координат, связанной с Землей, довольно проблемно, поскольку со временем эти координаты, пусть и медленно, но все-таки меняются. Об этом впервые упомянул около 140 года до нашей эры древнегреческий астроном Гиппарх. Сравнив свои наблюдения с астрономическими записями, сделанными за предшествующие 150 с лишним лет, он обнаружил, что долготы некоторых ярких звезд, расположенных вдоль зодиака, изменились на эквивалент 2°. Это равняется угловому смещению примерно на 50″ в год, и по прошествии долгого времени положение может перемениться очень заметно. Например, даже точка весеннего равноденствия за последние 2000 лет сместилась вдоль небесного экватора на 28°. Пять тысяч лет назад, во времена, когда в истории Древнего Египта шел династический период, Солнце пересекало небесный экватор в созвездии Тельца, а сегодня это происходит в созвездии Рыб. Такое смещение влечет всевозможные последствия для астрологии. Скажем, если ваш астрологический «солнечный знак» — Стрелец, это не значит, что Солнце в день вашего рождения непременно находилось в созвездии Стрельца. И более того, все астрологические солнечные знаки смещены примерно на одно зодиакальное созвездие по сравнению с тем расположением Солнца в зодиакальном круге, которое мы наблюдаем сейчас в том или ином месяце.

Как нам теперь известно, это долговременное смещение вызвано тем, что наша планета не только вращается, но еще и покачивается, как волчок. Полный цикл колебания (или прецессии) земной оси занимает примерно 26 000 лет. Сейчас она указывает на Полярную звезду, а также примерно на 23,5° отклонена от перпендикуляра, проведенного к плоскости земной орбиты, и со временем прецессирует вокруг него, причем общий угол поворота между ними остается неизменным. Как показано на рис. 2.4, из-за прецессии земной оси Северный полюс мира проходит по окружности, угловой радиус которой равен 23,5°. Сейчас этот полюс находится в созвездии Малой Медведицы, и его можно найти по Полярной звезде, а 5000 лет назад он был в созвездии Дракона, и северный полюс земной оси указывал на Тубан. Возможно, эта предыдущая «полярная звезда» служила ориентиром творцам древних пирамид — и поможет объяснить, как им удалось выровнять эти памятники точно на истинный север.

Но это еще не все. Прецессионное движение земной оси сместило даже времена года. Представим, что сейчас 21 декабря и Земля находится в той части своей орбиты, когда Солнце пребывает в южном созвездии Стрельца, а северный полюс земной оси максимально отклонен от Солнца (рис. 2.5). Мы отмечаем это время как зимнее солнцестояние в Северном полушарии и летнее солнцестояние в Южном. А если мы теперь перенесемся на 13 000 лет вперед и вообразим Землю в той же части ее орбиты, то увидим, что земная ось на целых 57° отклонилась от направления, в котором она указывает в наши дни. Северный полюс мира в это время окажется в Веге, и поэтому 21 декабря северный полюс земной оси будет направлен к Солнцу, Стрелец расположится на северном небосклоне, а зимнее солнцестояние в Северном полушарии станет летним (в Южном все будет наоборот).

Рис. 2.4. Спроецированная на небесную сферу окружность, которую «чертит» земная ось. Сейчас северный полюс оси указывает на Полярную звезду в созвездии Малой Медведицы. Но 5000 лет назад он был направлен на Тубан, α Дракона, а через 13 000 лет нацелится на Вегу, α Лиры. (На основе материалов Roen Kelly, Astronomy Magazine.)

Рис. 2.5. Прецессия земной оси медленно меняет отношения Земли и Солнца. В первом случае Земля находится в той части своей орбиты, которая соответствует зимнему (декабрьскому) солнцестоянию, когда Солнце пребывает в Стрельце. Северное полушарие «отвернуто» от Солнца, и солнечный свет падает на него под малыми углами — а жители севера чувствуют, что пришла зима. По прошествии 13 000 лет земная ось пройдет половину прецессионного цикла, так что Северное полушарие будет обращено к Солнцу, и соответствующие времена года в Северном и Южном полушариях поменяются местами: в декабре на север придет лето, на юг — зима.

Даже когда временные масштабы намного короче, астрономам приходится учитывать прецессионное движение земной оси каждый раз, когда они вычисляют положение объектов в экваториальных координатах. Обычно при этом ссылаются на табличные каталоги, в которых координаты объектов приводятся по отношению к определенной эпохе. Эти каталоги меняются каждые 50 лет. Годы позволяют мне ссылаться и на старые каталоги из эпохи B1950.0, и на более современные, из эпохи J2000.0. Чтобы определить фактическое положение любого небесного тела, необходимо «прецессировать» координаты, указанные в каталоге, на текущую эпоху. Как правило, в наши дни это делают с помощью программного обеспечения телескопа или онлайн-калькуляторов.

Ежемесячное перемещение ночного неба

По мере того как дни превращаются в месяцы, можно заметить, что некоторые вечерние звезды заходят на западе еще до темноты, а перед рассветом на востоке восходят те, что раньше были невидимы, и кажется, будто вся ночная панорама небесной сферы медленно вращается вокруг нас с востока на запад. С тех пор это интуитивное представление сменилось современным, в котором небесная сфера остается неподвижной, а Земля совершает свой путь вокруг Солнца, поэтому теперь перемещение ночного неба с востока на запад понимают как отражение ежегодного орбитального движения Земли. Если смотреть с нашей планеты, то создается впечатление, что Солнце заграждает одни области неба и уступает дорогу другим (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Пока Земля обращается вокруг Солнца, «звездный купол», видимый ночью, медленно перемещается на запад. Рассмотрим ситуацию, когда Солнце пребывает в Рыбах, а «звездный купол» в полночь симметричен относительно Девы. По прошествии трех месяцев Солнце окажется в Близнецах/Тельце, а полуночный «звездный купол» сместится на запад и будет симметричен относительно Стрельца. Из-за орбитального движения Земли на востоке теперь видны новые звезды, а другие исчезают из вида на западе.

Скорость смещения можно рассчитать на основе времени, необходимого Земле для завершения полного оборота по орбите. Поскольку наша планета описывает круг в 360° примерно за 365 дней, оно составляет приблизительно 1° в день. Мы столь неотделимы от Солнца, что воспринимаем это смещение как ежедневную смену связанного с Солнцем времени восхода и захода звезд. Этот временной сдвиг можно высчитать, умножив ежедневное изменение угла, выраженное дробью, на полные 24 часа: (1°/360°) ∙ 24 часа = 1/15 часа, или 4 минуты в день. Он объясняет и то, почему время, за которое Земля совершает один оборот вокруг своей оси относительно удаленных звезд, составляет 23 часа 56 минут, а период ее вращения относительно Солнца (т. е. солнечные сутки) на 4 минуты больше и ближе к привычной нам продолжительности в 24 часа.

«Странствующие» планеты

В отличие от звезд, видимое движение которых по ночному небу совершается сложным, но понятным способом, с планетами все сложнее. Вместо того чтобы медленно смещаться на запад вместе со звездами, они, как кажется, перемещаются из одного зодиакального созвездия в другое в течение недель (Меркурий), месяцев (Венера и Марс), лет (Юпитер и Сатурн) и десятилетий (Уран и Нептун). Эти «странствия» объясняются просто: планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной и той же плоскости, но с очень разными скоростями.

Меркурий и Венера гораздо ближе к Солнцу, чем Земля, и их орбитальные периоды значительно короче земного. Поэтому мы обычно видим их на западе вскоре после захода Солнца или на востоке незадолго до восхода, из-за чего рождаются ошибочные наименования «вечерняя звезда» и «утренняя звезда». Меркурий никогда не «отходит» от Солнца более чем на 28°, так что его обычно можно заметить в отблесках рассвета или заката. Он появляется то на утреннем, то на вечернем небе, меняя положение каждые четыре месяца. Я видел Меркурий раз десять, не больше, и самый запоминающийся случай произошел в моей юности, когда я работал охранником и сторожил парковку чайной фабрики «Липтон». Перед самым восходом, когда прибыли рабочие утренней смены, длинноволосый охранник, встретивший их, указывал на восточный горизонт и восклицал: «Смотрите, смотрите, Меркурий!» К сожалению, вряд ли мои призывы внушили им уверенность в своей безопасности.

Венера почти вдвое дальше от Солнца, чем Меркурий, и если наблюдать за ней с Земли, то мы увидим, что от предрассветного восточного горизонта — или от западного горизонта после заката — она отходит намного дальше, на целых 47°. Венера постепенно перемещается между вечерним и утренним небом и каждые девятнадцать месяцев оказывается в одной из так называемых наибольших элонгаций. Поэтому ей можно любоваться на протяжении нескольких часов после заката и до восхода, пока небо полностью темное. Венера выглядит настолько яркой, что часто ее ошибочно принимают за самолет или НЛО.

Орбита Марса в 1,5 раза дальше от Солнца, чем орбита Земли, поэтому можно увидеть, как он перемещается по всему зодиакальному кругу. Примерно каждые два года Земля обгоняет Марс — так атлет, бегущий по внутренней дорожке трека, «обходит» соперника, бегущего по внешней. Когда это происходит, создается впечатление, что Марс прекращает свой путь на восток и меняет курс на противоположный — говорят, что он совершает ретроградное движение, — а по прошествии нескольких месяцев вновь ненадолго останавливается и после снова идет на восток (рис. 2.7).

Наблюдения показывают, что все планеты, орбиты которых пролегают за пределами земной, в какой-то момент прерывают движение на восток и движутся попятно, на запад, причем иногда на протяжении нескольких месяцев, после чего снова возобновляют свой путь на восток. Опять же, эти необычные передвижения можно объяснить тем, что примерно за один земной год Земля «обгоняет» эти медленные планеты. Запомнить, как движется по небу Юпитер, довольно легко. Его орбитальный период почти равен двенадцати годам, и из одного зодиакального созвездия в другое он переходит примерно за год. В тот год, когда я начал писать эту книгу (2015), а также в следующем году (2016) Юпитер пребывал в созвездии Льва, как и в 2004, 1992 и 1980 годах, когда я впервые начал следить за его продвижением по зодиаку. В 2017 году он пребывал в созвездии Девы, а в последующие годы — в Весах, Скорпионе и так далее. К ретроградному движению Юпитер переходит по прошествии каждых 399 земных суток (у него этот период гораздо ближе к земному году, чем у Марса). У более далеких планет на полный оборот вокруг Солнца уходит еще больше времени, поэтому каждый год они проходят через соразмерно меньшие участки ночного неба, а их крошечные ретроградные «петли» происходят почти ежегодно (и почти точно отражают орбитальное движение «обгоняющей» Земли). В четвертой главе мы еще поговорим о планетах.

Рис. 2.7. Орбиты, по которым Земля и Марс обращаются вокруг Солнца. Земля на внутренней орбите движется быстрее и «обгоняет» Марс, и возникает впечатление, что Марс меняет курс на противоположный и движется попятно (см. линии 2–4). Только по прошествии нескольких месяцев наблюдатель увидит, что Марс возобновил свое прямое движение на восток через зодиакальные созвездия (см. линию 5). (Материалы любезно предоставлены Brian Brondel, Wikimedia Commons.)