Некоторые сведения о Нептуне
Нептун – это восьмая и последняя по удаленности от Солнца и от Земли планета (восьмая планета Солнечной системы). По диаметру находится на четвёртом месте, а по массе — на третьем. Масса Нептуна в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше земных. Планета была названа в честь римского бога морей. Нептун относится к ледяным гигантам и назван в честь римского бога морей Нептуна. За Нептуном начинается область транснептуновых объектов (ТНО) – Пояс Койпера. У Нептуна есть система колец красноватого оттенка, состоящая из 5 компонентов. (1)(2)(3)
Нептун по составу близок к Урану, и обе планеты отличаются по составу от более крупных планет-гигантов — Юпитера и Сатурна. Иногда Уран и Нептун помещают в отдельную категорию «ледяных гигантов». Атмосфера Нептуна, подобно атмосфере Юпитера и Сатурна, состоит в основном из водорода и гелия(4), наряду со следами углеводородов и, возможно, азота, однако содержит более высокую долю льдов: водного, аммиачного, метанового. Недра Нептуна, как и Урана, состоят главным образом изо льдов и камня(5). Следы метана во внешних слоях атмосферы являются причиной синего цвета планеты.
В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы; по некоторым оценкам, их скорости могут достигать 600 м/с(6). Во время пролёта «Вояджера-2» в 1989 году в южном полушарии Нептуна было обнаружено так называемое Большое тёмное пятно (см. рис. 2), аналогичное Большому красному пятну на Юпитере. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к −220 °C(6). В центре Нептуна температура составляет по различным оценкам от около 5000 K(7) до 7000—7100 °C(8)(9), что сопоставимо с температурой на поверхности Солнца и сравнимо с внутренней температурой большинства известных планет. У Нептуна есть слабая и фрагментированная система колец, возможно, обнаруженная ещё в 1960-е годы, но достоверно подтверждённая «Вояджером-2» лишь в 1989 году(10).
В 1948 году в честь открытия планеты Нептун было предложено назвать новый химический элемент под номером 93 нептунием(11).
12 июля 2011 года исполнился ровно один нептунианский год — или 164,79 земного года — с момента открытия Нептуна 23 сентября 1846 года(12).
Рисунок 1. Нептун с «Вояджера-2»
Рисунок 2. Большое тёмное пятно (вверху), Скутер (белое треугольное облачко посередине)(13) и Малое Тёмное Пятно (внизу)
Открытие Нептуна
Открытие Нептуна — одно из важнейших астрономических открытий XIX века, сделанное благодаря предварительным вычислениям (согласно фразе Д. Ф. Араго, ставшей крылатой — «планета, открытая на кончике пера»). Нептун был открыт в Берлинской обсерватории 24 сентября 1846 года[1](14) И. Галле и его помощником д’Арре на основании расчётов У. Леверье. Независимо от Леверье аналогичные расчёты для поисков заурановой планеты произвёл Д. К. Адамс. Обнаружению восьмой планеты предшествовала длительная история исследований и поисков.
Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчётам. Обнаружение непредвиденных изменений в орбите Урана породило гипотезу о неизвестной планете, гравитационным возмущающим влиянием которой они и обусловлены. Нептун был найден в пределах предсказанного положения. Вскоре был открыт и его спутник Тритон, однако остальные 13 спутников, известные ныне, были неизвестны до XX века. Нептун был посещён лишь одним космическим аппаратом, «Вояджером-2», который пролетел вблизи от планеты 25 августа 1989 года.
Есть также свидетельства, что Нептун фактически наблюдался астрономами и ранее, до его официального открытия.
Поскольку Нептун невидим с Земли невооружённым глазом (его видимая звёздная величина составляет порядка 7,7), первые наблюдения Нептуна стали возможны только после изобретения телескопа. Считается, что ещё Галилео Галилей наблюдал Нептун 28 декабря 1612 года и 29 января 1613 года. В обоих случаях Галилей принял планету за неподвижную звезду в соединении с Юпитером на ночном небе.
Английский астроном Джон Гершель в своём письме от 1846 года к В. Я. Струве отметил, что фактически наблюдал Нептун 14 июля 1830 года и, хотя его телескоп был достаточно мощным, чтобы рассмотреть диск Нептуна, он в то время ошибочно счёл наблюдаемый объект звездой(15).
В 1847 году, уже после открытия Нептуна и расчёта характеристик его орбиты, американский астроном Сирс Уолкер из Военно-морской обсерватории США, исследуя архивные записи, обнаружил, что 8 и 10 мая 1795 года французским астрономом Лаландом из Парижской обсерватории наблюдалась звезда, находившаяся в том самом месте, где должен был находиться Нептун. Обнаружение этих записей о расположении Нептуна в 1795 году способствовало более точному расчёту его орбиты(16).
Возмущения в орбите Урана и их интерпретация
Вскоре после открытия Урана в 1781 году У. Гершелем в движении этой планеты стали выявляться отклонения от расчётов её положения. Русский астроном, академик Андрей Лексель, доказавший, что открытый Гершелем объект — планета, обратил внимание на аномалии движения Урана ещё в 1783 году. Но после смерти Лекселя в 1784 году его идея оставалась вне поля зрения научного сообщества на протяжении десятилетий.
«Проблема Урана» вновь обрела актуальность в 20-х годах XIX века. В 1821 году французский астроном Алексис Бувар опубликовал таблицы положения Урана на много лет вперёд. Но в течение последующих 10 лет данные непосредственных наблюдений Урана всё больше расходились с таблицами Бувара, что вызвало в научном сообществе необходимость объяснения этого феномена. В 1831—1832 годах были выдвинуты следующие гипотезы для объяснения непонятного «поведения» Урана:
1. Уран в своём движении испытывает сопротивление газо-пылевой среды, которая заполняет межпланетное пространство. Это сопротивление и вызывает систематические отклонения от расчётной траектории, построенной без учёта какого-либо сопротивления среды.
2. Уран обладает не открытым ещё спутником, который вызывает наблюдаемые отклонения.
3. Незадолго перед открытием Урана Гершелем произошло столкновение этой планеты или её сближение с кометой, резко изменившее орбиту Урана.
4. Закон притяжения Ньютона не остаётся абсолютно справедливым на таких больших расстояниях от Солнца, на каком находится Уран, и далее.
5. На движение Урана оказывает влияние ещё одна, до сих пор не открытая и не известная планета (см. рисунок).
Варианты 1—3 были отвергнуты астрономическим сообществом практически сразу, в отношении варианта 4 большинство астрономов испытывало серьёзный скептицизм. Таким образом, наиболее вероятной оставалась гипотеза за № 5.
Д. Б. Эйри (в 1835 году ставший директором Гринвичской обсерватории), отметил:
«Я много размышлял над неправильностями Урана… Это — загадка. Но я без колебаний высказываю мнение, что сейчас ещё нет ни малейшей надежды выяснить природу внешнего воздействия. Если же такое есть, то я очень сомневаюсь в возможности определить положение планеты, оказывающей это действие. Я уверен, что этого нельзя сделать, пока природа нерегулярностей не будет хорошо определена после нескольких последовательных оборотов Урана [вокруг Солнца]».
Но, несмотря на скепсис Эйри, уже к 1836 году в мировом астрономическом сообществе сложилось представление о том, что за орбитой Урана есть достаточно массивная планета и её надо искать.
Рисунок 3. Гипотетическая внешняя планета оказывает гравитационное воздействие на орбиту Урана, в положении a ускоряя его движение, а в положении b — замедляя.
Расчёты Д. К. Адамса
В 1841 году студент колледжа Сент-Джона Кембриджского университета Д. К. Адамс ознакомился с публикацией Эйри 1832 года, в которой была изложена проблема. После этого проблема неизвестной планеты захватила Адамса. В июле 1841 года он пишет в своём дневнике, что решил после получения степени бакалавра как можно скорее заняться исследованием движения Урана.(17)
Весной 1843 года Адамс беседовал с директором обсерватории Кембриджского университета Д. Чэллисом о своих планах по поискам неизвестной планеты. Чэллис отнёсся к идеям Адамса благожелательно и обещал свою помощь. И действительно, как только Адамс, получивший летом 1843 года первые результаты и увидевший, что не хватает наблюдений, обратился к Чэллису, последний сразу же написал Эйри и менее чем через неделю получил от него необходимые результаты наблюдений. С лета 1843 года до сентября 1845 года Адамс получил шесть решений по движению Урана. В сентябре 1845 года он передал Чэллису указанные элементы орбиты неизвестной планеты, а также расчёт её предполагаемого положения на небе 30 сентября 1845 года. Расхождение координат Адамса с фактическим положением неизвестной планеты составляло в сентябре-октябре 1845 года около 1°,9. Это величина довольно существенная, — около четырёх видимых диаметров Луны, — но всё же вполне позволявшая вести поиск. Начав наблюдения, Чэллис мог бы добиться успеха в поиске новой планеты – в последствии английские астрономы вменяли Чэллису в вину именно то, что он не начал наблюдения осенью 1845 года(14).
Расчёты У. Леверье
Летом 1845 года Д. 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, который 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.
Эйри написал впоследствии, оценивая эту работу:
«…Возможно, правильно сказать, что впервые теория движения Урана поставлена на удовлетворительное основание».
Всю зиму 1845 года и весну 1846 года Леверье усиленно продолжал исследования и 1 июня 1846 года представил в Академию наук вторую статью по «проблеме Урана», состоявшую из двух частей. В первой части Леверье заново провёл сравнение всех существующих наблюдений Урана и вычислений по своей точной теории движения этой планеты. Его данные о расхождениях между теорией и наблюдениями были гораздо более подробными и точными, чем у Адамса. В статье Леверье рассмотрено 115 условных уравнений, составленных по 279 наблюдениям с 1690 по 1845 год, с целью устранения этих расхождений за счёт исправления элементов первоначальной орбиты Урана.
Поиски новой планеты начались в Англии 29 июля 1846 года. Леверье о них ничего не знал до самого их завершения.
Леверье продолжил активно работать, и 31 августа 1846 года представил в Парижскую Академию наук свою третью статью под названием: «О планете, которая производит наблюдаемые в движении Урана аномалии. Определение её массы, её орбиты и её нынешнего положения».
Но во Франции, несмотря на огромный успех работ Леверье, никто из астрономов не собирался начинать поиски новой планеты. Тогда Леверье обратился за помощью к немецкому астроному Иоганну Галле, 34-летнему ассистенту Берлинской обсерватории.
Обнаружение новой планеты
Иоганн Галле, получив письмо Леверье 23 сентября, тем же вечером приступил к наблюдениям. Поскольку поиск новой планеты не входил в плановые наблюдения Берлинской обсерватории, на внеплановую работу нужно было получить разрешение директора обсерватории И. Ф. Энке, который отличался большой педантичностью в соблюдении регламента наблюдений и изрядным скепсисом в отношении инициатив молодых сотрудников. Поначалу Энке отказал Галле, но после настойчивых просьб последнего дал согласие, поскольку уходил на празднование своего юбилея (23 сентября 1846 Энке исполнилось 55 лет). Помочь Галле в поисках новой планеты с энтузиазмом вызвался 24-летний студент Генрих д’Арре.
Для поиска новой планеты было два возможных пути:
1.По видимому перемещению относительно звёзд (в этом случае каждую звезду в районе предполагаемого нахождения новой планеты надо было наблюдать дважды с интервалом в несколько дней, фиксируя её точные координаты);
2.По видимому диску, размер которого, как указывал Леверье, должен был составлять порядка 3".
Поначалу Галле, направив телескоп в указанную Леверье точку неба, не обнаружил новой планеты. Тогда д’Арре предложил третий способ поиска: использовать карту звёздного неба, сличая светила, нанесённые на карту с теми, которые реально наблюдаются на небе. Поскольку неизвестной планеты на карте не может быть, ей окажется звезда, не обозначенная на звёздной карте. Для этого требовалась достаточно подробная и точная звёздная карта, и такая карта в Берлинской обсерватории имелась. Это была карта звёздного атласа Берлинской академии наук, составленная Карлом Бремикером и напечатанная в конце 1845 года.
Взяв карту Бремикера, Галле и д’Арре продолжили наблюдения. Галле по очереди называл звёзды, их положение и блеск, а д’Арре отмечал их на карте. Сразу же после полуночи (в 0 часов 0 минут 14 секунд 24 сентября) Галле назвал звезду примерно 8-й звёздной величины, которую д’Арре на карте не нашёл. Её положение отличалось от указанного Леверье на 52'. С этим известием, несмотря на поздний час, д’Арре побежал к Энке, который присоединился к наблюдениям молодых коллег, и они втроём наблюдали за обнаруженным объектом до его захода в 2 ч 30 мин. Окончательной уверенности, что наблюдаемое светило является новой планетой, у них не было, поскольку из-за слабости выбранного окуляра телескопа диск светила они рассмотреть так и не смогли. Было решено продолжить наблюдения на следующую ночь. Наблюдения вечером 24 сентября велись уже в телескоп с окуляром, дающим 320-кратное увеличение, и в этот вечер все трое наблюдателей смогли, во-первых, разглядеть у нового светила диск размером примерно 3", а во-вторых, обнаружить его видимое собственное движение — примерно 70" к западу, что полностью совпадало с оценками Леверье. После этого никаких сомнений не оставалось: новая планета Солнечной системы открыта. Об этом открытии Галле уведомил Леверье письмом от 25 сентября.
Выбор названия для новой планеты
Галле в своём письме к Леверье 25 сентября предложил для новой планеты название «Янус». Это соответствовало принятой у астрономов традиции, когда название новому объекту давал его первооткрыватель. Однако в этом случае ситуация была иной: мировое научное сообщество расценивало открытие новой планеты как исключительную заслугу Леверье.
Леверье в письмах Галле и редактору главного немецкого астрономического журнала Astronomische Nachrichten Г. Х. Шумахеру предложил своё название — «Нептун». 1 октября он направил письма Д. Б. Эйри и директору Пулковской обсерватории В. Я. Струве с предложением назвать новую планету Нептуном. Но в начале октября Леверье внезапно изменил своё решение и предложил назвать планету в свою честь — «Леверье». В этом его активно поддержал директор Парижской обсерватории Франсуа Араго, однако эта инициатива натолкнулась на существенное сопротивление за пределами Франции(19).
В Англии Чэллис предложил другое название: «Океан»(20).
Директор Пулковской обсерватории Василий Струве отдал предпочтение названию «Нептун». Это название получило поддержку за пределами России и вскоре стало общепринятым международным наименованием планеты.
Заключение
Открытие Нептуна имело исключительно важное значение для науки, поскольку оно окончательно подтвердило справедливость как гелиоцентрической системы мира Николая Коперника, так и справедливость и универсальность закона всемирного тяготения Исаака Ньютона. Открытие ранее невидимой планеты было подготовлено союзом небесной механики и всевозрастающей точности искусства астрономических наблюдений.
Д. Б. Эйри отмечал:
«Во всей истории астрономии и, даже я могу сказать, во всей истории науки не происходило ничего подобного… Уран, Церера, Паллада были открыты в ходе наблюдений, которые вовсе не предусматривали открытие планет… Но движение Урана, изученное учёными, которые находились целиком под впечатлением универсальности закона притяжения, указывало на действие некоторого возмущающего тела. Математики, наконец, решились приступить к работе, чтобы удостовериться в возможном существовании такого тела. Они показали, что предположение о возмущающем теле, движущемся по некоторой определённой орбите, полностью объясняет возмущение Урана. С твёрдостью, которую я должен характеризовать как замечательную, они выразили своё убеждение, что возмущающая планета должна находиться точно в некотором месте и иметь такой-то вид. Она действительно была найдена на этом месте и имела предсказанный вид. История астрономии не знает других подобных примеров».
Таким образом, независимо проведённые расчёты Леверье и Адамса подтвердились – новая планета была открыта по расчётам Леверье там, где он предсказывал её появление. Это стало первым в истории случаем открытия планеты благодаря расчётам, открытием планеты «на кончике пера».
[1] Обычно в качестве даты открытия приводится 23 сентября; Галле и д’Арре действительно начали наблюдения вечером 23 сентября, но фактически Нептун был обнаружен ими уже после полуночи, то есть 24 сентября 1846 года.