Открытие планеты Нептун в 1846 году «на кончике пера» - демонстрация возможностей математического моделирования для совершения новых астрономических открытий

После открытия Урана Уильямом Гершелем в 1781 году астрономы начали проводить дополнительные наблюдения этой планеты и изучать её орбиту. В 1821 году французский астроном Алексис Бувар опубликовал астрономические таблицы орбиты Урана. В них он сделал предсказания будущих положений орбиты планеты на основании закона всемирного тяготения и законов движения Ньютона. Однако при наблюдении за движением Нептуна наблюдались значительные отклонения в движении планеты от траекторий, предсказанных в таблицах. Отклонения наблюдались как в расстоянии планеты от Солнца (радиус-векторе), так и в эллиптической долготе планеты. Расхождения могли объясняться разными факторами, например, ошибками в наблюдениях, возможными отличиями в гравитационном воздействии Солнца на Уран, проявлявшимися на таком значительном расстоянии. Однако точность наблюдений была достаточно высокой, а законы, сформулированные Исааком Ньютоном, получили многочисленные эмпирические подтверждения в отношении движения самых разных объектов. В связи с этим у Алексиса Бувара возникла идея о том, что отклонения в траектории движения Урана могли объясняться возмущениями от другой планеты, ранее ещё не открытой.

Британский математик и астроном Джон Коуч Адамс узнал о расчётах Бувара ещё в тот период, когда был студентом. Он полагал возможным использовать данные о фактической орбите Уране для определения положения, орбиты и массы небесного тела, возмущающего орбиту Урана. По сути, перед ним стояла так называемая обратная задача. Под обратной задачей в науке понимают процесс вычисления причинно-следственных факторов, которые привели к наблюдаемым результатам. Адамсу предстояло проанализировать наблюдаемые данные и построить определённую математическую модель, описывающую некоторые физические параметры, включая параметры движения, ещё не открытого небесного тела. В отсутствие в то время электронных вычислительных машин данная задача требовала серьёзных кропотливых усилий. Как только Адамс сдал выпускные экзамены в 1843 году, он был избран стипендиатом своего колледжа и приступил к расчётам в ходе своих летних каникул в Корнуолле. Однако через некоторое время Адамс осознал, что для проведения точных расчётов ему необходимо было получить точные подробные данные о движении Урана. Для получения данных сведений Адамс обратился к директору Кембриджской обсерватории Джеймсу Чаллису, который, в свою очередь, связался с британским Королевским астрономом Сэром Джорджем Бидделлом Эйри и попросил его предоставить для Адамса информацию о движении Урана из Королевской обсерватории Гринвича. Свои вычисления Адамс завершил лишь в сентябре 1845 года. В своих расчётах Адамс рассчитал предполагаемую траекторию Урана с учётом возможного положения небесного тела, вызывающего возмущения и определил разницу между предполагаемой траекторией и зафиксированными наблюдениями. Адамс использовал для расчётов номинальное положение предполагаемого тела, опираясь на эмпирический закон Боде. В соответствии с законом Боде (иногда также называемым законом Тициуса-Боде), каждая последующая планета должна находиться от Солнца примерно в два раза дальше от Солнца, чем предыдущая. Данный закон в целом верно предсказал не только орбиту Урана, но и Цереры – карликовой планеты в поясе астероидов между Марсом и Юпитером, открытой в 1801 году в Палермской астрономической обсерватории на Сицилии астрономом Джузепе Пиацци Однако Адамс обнаружил, что в случае с предполагаемой восьмой планетой данная закономерность может быть нарушена, поскольку наблюдения указывали на то, что исходя из возмущений орбиты Урана предполагаемая планета должна находиться ближе к Солнце – не на расстоянии около 39 астрономических единиц, а гораздо ближе – на расстоянии около 30 астрономических единиц. Любопытно, что на расстоянии 39,5 астрономических единиц находится Плутон, а из-за большого эксцентриситета в некоторых участках Плутон оказывается ближе к Солнцу, чем Нептун, так что в каком-то смысле закон Боде применим к удалённости Плутона, который к тому же в ряде случаев оказывается в роли восьмой планеты (хотя статус Платона как планеты является спорным вопросом). Например, с 7 февраля 1979 года по 11 февраля 1999 года Плутон находился ближе к Солнцу, чем Нептун. Однако открытие Плутона состоялось только в 1930 году в США астрономом Клайдом Томбо, а основное влияние на орбиту Урана оказывал не открытый ещё Нептун. Поэтому Адамсу пришлось серьёзно скорректировать предполагаемые характеристики не открытого ещё небесного тела (Нептуна), вызывающего возмущения, исходя из выявленных различий. По сути, Адамсу пришлось провести непростой регрессионный анализ – метод статистического моделирования, используемый для оценки взаимосвязи между зависимой переменной и независимыми переменными. В сентябре 1845 года Адамс сообщил о результатах своих вычислений директору Кембриджской обсерватории Джеймсу Чаллису, о чём свидетельствует записка, найденная в бумагах Адамса в 1904 году британским астрономом Ральфом Алланом Сэмпсоном. В этой записке описывается «новая планета»; на записке проставлена отметка «получено в сентябре 1845 года», причём отметка проставлена не рукой Адамса. Впрочем, некоторые исследователи оспаривают подлинность записки, указывая на то, что, возможно, подпись на записке выполнена не Адамсом, а записка датирована задним числом. Кроме того, указывается на то, что сам термин «новая планета» не был в то время широко распространён, а результаты расчётов отличаются от тех, которые обнародовал королевский астроном Джордж Бидделл Эйри несколько недель спустя. Вскоре после этого, в ноябре 1845 года французский астроном и математик, специалист в области небесной механики Урбен Жан Жозеф Леверье представил в Академию наук в Париже доклад об Уране и обосновал, что движение Урана не могло быть объяснено физическими законами того времени без действия фактора внешнего возмущения на орбиту планеты. В июне 1846 года он представил расширенный доклад в Академию наук, в котором указал положение предполагаемого небесного тела, возмущающего орбиту Урана. Леверье выполнял свои расчёты при поддержке французского физика Франсуа Араго, однако работа Леверье примечательна тем, что предсказание существования Нептуна сделано им с использованием в основном математических методов и сложных расчётов. Получив информацию о докладе Леверье во францзуской Академии наук, королевский астроном Джордж Бидделл Эйри обратил внимание на сходство решений Адамса и Леверье. В июле 1846 года прошёл Совет посетителей Кембриджской обсерватории, на котором было принято решение немедленно приступить к поискам планеты. Эйри предложил Чаллису начать поиски новой планеты с помощью 11,25-миллиметрового экваториального телескопа в Кембриджской обсерватории. Поиски начались 29 июля, а Адамс представлял свои расчёты для осуществления поисков и представил Чаллису шесть вариантов расчётов. Однако часть расчётов оказались ошибочными, из-за чего поиски осуществлялись не в той части неба. Лишь после того, как об открытии Нептуна было объявлено в Берлине, стало понятно, что Нептун был дважды замечен 8 и 12 августа, но из-за того, что у Чаллиса не было актуализированной карты звёздного неба, Нептун не был идентифицирован как планета. Кстати, стоит отметить, что ещё 28 декабря 1612 года и 27 января 1613 года Нептун наблюдал Галилео Галилей и даже отразил эти наблюдения в своих рисунках, однако он принял Нептун за неподвижную звезду – в тот момент Нептун находился в соединении с Юпитером на звёздном небе. 28 января 1613 года Галилей отметил в своём дневнике, что «фоновая звезда» (Нептун) начала двигаться, и обозначил положение Нептуна точкой, нарисованной другими чернилами, отличающимися от тех, которыми он отмечал звёзды. Исследователи установили, что после изобретения телескопа были и другие случаи, когда Нептун наблюдали на звёздном небе различные астрономы, однако не могли его идентифицировать как планету – предполагается, что Нептун наблюдали на небе Мишель Лефрансуа де Лаланд в 1795 году и Джон Гершель в 1830 году. 31 августа 1846 года, за два дня до того, как окончательные расчёты Адамса были отправлены по частной почте в Королевскую Гринвичскую обсерваторию, Леверье публично объявил о своём прогнозе положения планеты, возмущающей Уран, в рамках очередного доклада во французской Академии наук. Последующие наблюдения показали, что Леверье спрогнозировал положение Нептуна с точностью до одного градуса от места его открытия. 18 сентября 1846 года Леверье отправил свой прогноз в Берлинскую обсерваторию немецкому астроному Иоганну Готфриду Галле. Докторская диссертация Галле, которую он завершил годом ранее, была посвящена критическому обсуждению наблюдений датского астронома Оли Ремера, наиболее известного в связи с его выводом о конечности скорости света, в отношении меридиональных прохождений звёзд и планет. Примерно за год до этого Галле направил копию своей диссертации Леверье, а ответ поступил Галле 23 сентября 1846 года. Леверье в своём письме просил Галле провести наблюдения на определённом участке неба, где может находиться планета, вызывающая возмущение орбиты Урана. Леверье ранее пытался инициировать соответствующие наблюдения во Франции, но несмотря на его неоднократные доклады в Академии наук, ему не удалось найти возможность быстро организовать практическую работу в этом направлении во Франции. Галле в момент получения письма Леверье занимал должность ассистента Берлинской обсерватории. Он обратился к директору Берлинской обсерватории Иоганну Францу Энке с просьбой разрешить ему воспользоваться (с апертурой 9 дюймов). Энке был настроен несколько скептически, однако дал разрешение на проведение соответствующих наблюдений. Наблюдения были проведены в ту же ночь. Галле провёл их совместно со своим ассистентом, Генрихом Луи д’Арре (впоследствии д’Арре стал директором обсерватории Копенгагенского университета и открыл три кометы, одна из которых была названа в его честь и была открыта им в период его работы в Лейпциге). Иоганн Галле сразу же после начала наблюдений обнаружил на небе объект всего лишь на 1° от расчётной позиции, определённой в ходе расчётов Леверье, на границе созвездий Козерога и Водолея. Наблюдения осуществлялись с помощью берлинского рефрактора Фраунгофера. Данный объект отсутствовал в Берлинской академической звёздной карте. В течение следующих двух вечеров Галле продолжил наблюдение за объектом и обнаружил, что его собственное движение составило 4 секунды дуги, что позволило определить объект как планету. Для вновь открытой планеты Галле предложил название Нептун в честь древнеримского бога морей и потоков. Впоследствии в научной литературе возникали споры о приоритете научного открытия Нептуна. Адамс начал свою работу по открытию планеты раньше Леверье, однако закончил её позже. Адамс признал приоритет и заслуги Леверье в открытии Нептуна. По меткому выражению французского астронома Франсуа Араго, Леверье открыл Нептун «на кончике пера». Впрочем, большая заслуга в открытии Нептуна принадлежит, конечно, Иоганну Фридриху Галле, который немедленно после получения сведений от Леверье организовал соответствующие наблюдения, подтвердил предположения Леверье и доказал выдвинутую им гипотезу о существовании Нептуна. Впрочем, Галле считал, что главная заслуга в открытии Нептуна принадлежит Леверье, поскольку Галле необходимо было проверить полученные от Леверье готовые расчёты. После открытия Нептуна Леверье стал пожизненным директором Парижской обсерватории. В зале Академии наук правительство поставило бюст Леверье «на вечные времена». Леверье был дважды награждён Золотой медалью Королевского астрономического общества. Галле был награждён прусским орденом Красного орла и французским орденом Почётного легиона. В 1847 году Галле должен был стать директором Кёнигсбергской обсерватории, однако ввиду интриг против астронома он вынужден был отказаться от назначения и в 1851 году перехал в Бреслау (ныне Вроцлав), где возглавил обсерваторию и получил должность профессора Университета Бреслау. В Бреслау он проработал 45 лет. Открытие Нептуна «на кончике пера» продемонстрировало важность большой теоретической подготовки и проведения точных математических расчётов для совершения астрономических открытий. И в будущем астрономы и астрофизики не раз совершали открытия на основании точных математических предсказаний. Со временем роль математического анализа в развитии астрономии только возросла; его значение сравнимо с ролью эмпирических наблюдений. Сразу же после открытия Нептуна начались новые исследования планеты, и уже 10 октября 1846 года английский астроном и купец Уильям Ласселл открыл спутник Нептуна – Тритон. Открытие было совершено им уже через 17 дней после открытия Нептуна Галле. Любопытно, что Ласселл указал на обнаружение колец у Нептуна, притом, что они очень тонкие, их существование было подтверждено намного позже и удивительно, как Ласселл мог их наблюдать с учётом доступных в то время инструментов астрономических наблюдений. Второй достаточно крупный спутник Нептуна Нереида был открыт лишь в 1949 году. Несмотря на то, что Нептуна на сегодняшний день официально считается самой удалённой от Солнца планетой (в связи с принятием Международным астрономическим союзом определения планеты и переклассификацией Плутона в карликовую планету), стоит отметить, что важными вехами в исследовании окраин Солнечной системы были также открытие Плутона и открытие пояса Койпера. Дальнейшие исследования призваны подтвердить гипотезу о существовании облака Оорта, а также провести дополнительную проверку возможности существования ещё одной значимой по размеру планеты, находящейся на значительном расстоянии от Солнца. Дискуссии о существовании такой планеты прошли ещё после открытия Нептуна, когда ряд астрономов обратили внимание на то, что открытие Нептуна не полностью объяснило особенности орбитального движения Урана, причём открытие Плутона окончательно не объяснило расхождения в расчётах (хотя многие исследователи считают, что миссия «Вояджера», уточнив массу Нептуна, сняла основные расхождения в оценке орбиты планеты) . Что касается Нептуна, эта планета представляет большой интерес для дальнейших исследований. Единственным космическим аппаратом, посетившим Нептун, был «Вояджер-2», ближайшее сближение аппарата с планетой произошло в 1989 году. «Вояджер-2» подтвердил наличие магнитного поля у Нептуна и подтвердил наклон и смещение магнитного поля от центра (как и в случае с Ураном). Было доказано наличие сразу нескольких колец у Нептуна. Кольца были названы в честь учёных, о которых было сказано выше, - Галле, Леверье, Лассела, Араго и Адамса. Впрочем, некоторые исследователи выделяют также наличие ещё одного слабого кольца между кольцами Араго и Адамса – наличие данного кольца как отдельного элемента не является общепризнанным, и оно не получило отдельного наименования. Кольца наблюдались ещё в 1984 году, за 5 лет до сближения «Вояджера-2» с Нептуном и через 138 лет после того, как их якобы наблюдал Ласселл (!), но миссия «Вояджера» окончательно подтвердила их наличие. Дальнейшее изучение Нептуна будет связано с миссиями китайской программы Shensuo, в рамках которой зонд IHP-2 должен пройти недалеко от Нептуна в январе 2038 года, пролетев всего лишь 1000 километров над верхушками облаков планеты. К сожалению, НАСА пока отказалось от идеи направить на Нептуна орбитальный зонд, отдав приоритет Урану, однако Китай рассматривает возможность отправки к Нептуну аппарата «Тяньвэнь-5» к 2058 году. Выбор Нептуна как приоритетного направления исследований был бы вполне обоснованным. Интерес представляет влияние орбиты Нептуна на Пояс Койпера, изучение спутников Нептуна и особенно Тритона с предполагаемой температурой всего лишь 38К и его значительным альбедо, быстрое исчезновение нестабильных колец Нептуна, магнитное поле Нептуна, тёмные пятна в тропосфере Нептуна, молнии и плазменные волны в атмосфере Нептуна, динамичные штормовые системы планеты, крайне высокое содержание метана, этана и ацетилена на экваторе Нептуна в сравнении с его полюсами. Особый интерес представляет аномально высокая температура термосферы планеты, а также наличие в ней воды и углекислого газа и природа их происхождения (при этом сама планета год от года заметно охлаждается). Для подробного изучения этих явлений обязательно необходимо направить на планету полноценную миссию. Исследование Нептуна может расширить знания о физике и химии низких температур, о магнетизме и даже о гравитационных волнах, с которыми некоторые астрофизики связываю нагрев ионосферы планеты. Однако изучение Нептуна в настоящее время возможно лишь благодаря упорству и преданности своему делу астрономов прошлого – Джона Коуча Адамса, Урбена Жан Жозефа Леверье, Иоганна Готфрида Галле, которые смогли успешно применить накопленные знания в области теоретической физики, небесной механики и математического анализа для открытия ранее неизвестной планеты – Нептуна.

Юрий Понажев, АГО, Смоленск