Эдмунд Галлей: открытия и биография знаменитого астронома
Выдающийся английский астроном и геофизик Эдмунд Галлей родился 29 октября (8 ноября) 1656 года в небольшой деревушке Хаггерстон (ныне окраина Лондона) в семье зажиточного мыловара. Уже в школе Галлей проявил незаурядные способности к наукам, широту интересов, энергию и настойчивость в решении поставленных задач. Эти черты сделали Галлея впоследствии ярчайшим представителем своей эпохи в естествознании.
В XVII веке под влиянием идей Ф. Бэкона, Р. Декарта, открытий Галилея человек, наконец, ощутил себя подлинным и непосредственным исследователем природы. «Ничего не принимать на веру»,— стало девизом созданного в начале 60-х годов XVII века Лондонского королевского общества — первой в Европе национальной естественнонаучной организации.
Новые прикладные задачи ставили перед наукой развивающаяся промышленность и международная торговля. Нужды последней требовали, в частности, срочного решения трудной проблемы — определения долготы на море. Над этой задачей бились астрономы и механики не только в XVII, но и в начале XVIII века. Стремление получать знания из первоисточника заставляло естествоиспытателей пускаться в далекие и длительные научные экспедиции. Огромная жажда знаний породила характерный для исследователей той эпохи энциклопедизм.
В 17 лет Галлей поступил в Оксфордский университет, где изучал и математические науки, и филологию.
Много лет спустя, специально изучив арабский язык, он перевел с арабского и издал труды древнегреческого математика Аполлония Пергского. Блестящим гомеровским гекзаметром (на латыни) написал Галлей восторженное посвящение автору гениальных «Начал» — Ньютону, чей труд готовился увидеть свет. Чрезвычайно широко применял он и свои математические познания. Так, Галлей первым в Англии использовал в гражданской статистике теорию вероятностей. Он составил таблицы страхования жизни (на основе вероятностных оценок смертности в стране от различных причин). Но главным для Галлея с ранних лет были астрономия и геофизика.
В XVII веке наука о небе не разделялась на обособленные друг от друга — по объектам и методам — области. Нередко астроном сочетал в себе и наблюдателя всех доступных ему небесных объектов, и теоретика, и конструктора инструментов. В конце XVII века особенно актуальными были детальные исследования движения планет, законы которого открыл в 1609—1619 годах И. Кеплер. Разрешимой задачей стало дальнейшее уточнение планетных и лунных таблиц (последнее имело большое практическое значение для определения долготы на море). Вместе с тем обнаружились расхождения между действительными положениями например, Солнца и Луны в древности (в зафиксированные исторически моменты затмений) и вычисленными на основе законов Кеплера. В результате был открыт ряд «неравенств» — реальных отклонений от законов Кеплера в движении Луны и планет, так называемых возмущений, вызванных сложными взаимодействиями тел Солнечной системы между собой.
Появились новые перспективы разрешения фундаментального вопроса о физической причине движения планет — теперь уже на основе законов Кеплера. Ведь эти законы были установлены лишь как эмпирические правила. Правда, сам Кеплер высказал мысль, что причина кроется в притяжении Солнца, действие которого — по простой аналогии— он сравнивал с действием магнита.
Захваченный этими проблемами, Галлей, еще будучи студентом, в 1676 году опубликовал свою первую работу об орбитах планет. Тогда же, сравнив старые и современные ему наблюдения планет, он установил, что средние орбитальные скорости Юпитера и Сатурна постепенно изменяются, и правильно приписал это взаимному возмущению планет.
(Долгопериодический характер обнаруженного неравенства был установлен позднее П. Лапласом.) К этим, вопросам Галлей вернется через 18 лет. А пока его увлекала иная задача: дополнить звездные каталоги, составленные лишь при наблюдениях из северного полушария, каталогом звезд южного, большей частью недоступного в Европе неба. С этой целью Галлей в том же 1676 году, оставив университет, добился разрешения Королевского общества на свою первую далекую научную экспедицию — на остров Святой Елены в Южной Атлантике. Здесь в тяжелых климатических условиях с весны 1677 года и до начала 1678 года он вел наблюдения, пользуясь инструментами, специально изготовленными для экспедиции на средства его отца. Галлей располагал несколькими телескопами, наибольший из них имел длину трубы около 24 футов (более 7 м) и был снабжен двумя микрометрами; 5,5-футовым металлическим секстантом с оптикой (тогда это было новинкой); 2-футовым квадрантом и маятниковыми часами.
Основным результатом Галлея в этой экспедиции стал его «Каталог южных звезд» (опубликован в 1679 году), включивший 341 звезду, координаты которых впервые были определены методом телескопических наблюдений. За эту работу 22-летнего исследователя избрали в члены Лондонского королевского общества.
На острове Святой Елены Галлею довелось наблюдать редкое явление — прохождение в ноябре 1677 года Меркурия по диску Солнца. Это навело его на мысль о новом, простом и, как ожидалось, несравненно более точном способе определения расстояния от Земли до Солнца (астрономической единицы). При одновременном наблюдении из двух мест, различающихся по широте, внутренняя планета, если она при своем нижнем соединении с Солнцем проецируется на диск светила, пересечет его по хорде ниже для «северного» наблюдателя и выше — для «южного». Величина такого, параллактического смещения пути планеты на солнечном диске, то есть расстояние между двумя хордами, зависит не только от широтного различия пунктов наблюдения, но и от удаленности Земли от планеты и от Солнца. В частности, смещение хорд тем больше, чем ближе планета к Земле.
Определив это смещение в долях диаметра солнечного диска (для чего достаточно измерить разность времен прохождения планеты по диску Солнца) и зная расстояние между пунктами наблюдений на Земле, можно путем несложных геометрических построений найти истинный диаметр солнечного диска в линейной мере. Далее по известному угловому диаметру Солнца вычисляют величину астрономической единицы.
Для реализации своего способа Галлей предложил использовать более близкую к Земле, чем Меркурий, планету Венеру. В 1716 году он опубликовал рассчитанную им программу наблюдений для очередного прохождения Венеры по диску Солнца 6 июня 1761 года (ему уже не суждено было это увидеть). Способ Галлея, который астрономы применяли во время всех последующих прохождений Венеры по диску Солнца, позволил к концу XIX века в 25 раз уменьшить ошибку в определении солнечного параллакса.
Неожиданным побочным следствием этих наблюдений стало … открытие в 1761 году М. В. Ломоносовым атмосферы на Венере. Именно наличие атмосферы, а также некоторые оптические эффекты мешали точному фиксированию моментов контактов планеты с диском Солнца и не позволили добиться еще большей точности в определении астрономической единицы, на которую рассчитывал Галлей.
По возвращении в Англию Галлей вновь занялся вопросом: чем физически обусловлено закономерное движение планет. В 1684 году, еще не зная об открытиях Ньютона, он установил, что третий закон Кеплера соответствует движению планет под действием силы притяжения Солнца, если эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния до планеты. Но при попытке решить общую проблему — какой набор орбит определяет такая сила притяжения? — Галлей (как и другие его современники) столкнулся с непреодолимыми для себя математическими трудностями. Узнав, что эта задача давно решена Ньютоном, который не собирался, однако, публиковать результаты (и даже затерял свои записи!), Галлей совершил подлинный научно-гражданский подвиг. Он добился от ученого, человека весьма замкнутого, восстановления, доработки и опубликования исследований, которые и составили гениальный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» (иначе — физики). Не добившись от Королевского общества соответствующих средств, Галлей принял на себя все расходы по изданию великого труда Ньютона.
Галлей и Ньютон.
В 1693 году Галлей открыл новое неравенство в движении Луны — возрастание средней скорости. (Впервые, хотя и неполностью, оно было объяснено П. Лапласом и теперь известно как «вековое ускорение среднего движения Луны».)
В 1698—1700 годах Галлей организовал две новые морские научные экспедиции в Атлантический и Индийский океаны к берегам Южной Америки и Южной Африки. На сей раз целью стали географические, точнее геомагнитные исследования. Галлей не только возглавлял эти экспедиции, но и был капитаном небольшого судна, на котором совершались оба плавания. По возвращении он опубликовал в 1701 году составленную по собственным наблюдениям первую в мире детальную «Генеральную карту вариаций (склонений) компаса». Она имела большое значение для навигации. Кстати, Галлей надеялся, что по заранее известному изменению склонения компаса удастся определять и долготу на море. Геомагнитные исследования привели Галлея к оригинальной идее о природе земного магнетизма, с которым он связывал, в частности, явление полярных сияний.
Наиболее плодотворной для Галлея оказалась первая четверть XVIII века. Разработав на основе принципов Ньютона метод расчета параболических орбит комет, Галлей в 1705 году опубликовал вычисленные им орбиты для 24 комет, замеченных в разное время. Обнаружив близость друг к другу орбит нескольких комет, наблюдавшихся в XV—XVII веках, в том числе яркой кометы, которую он сам наблюдал в 1682 году, Галлей обратил внимание на кратность промежутков времени между появлениями этих комет периоду 75—76 лет.
Отсюда он сделал правильный вывод: это одна и та же комета с периодом обращения вокруг Солнца 75—76 лет (изменения его он объяснял возмущениями от планет), и движется она не по параболе, а по эллипсу. Так была открыта первая замкнутая орбита у кометы и доказана принадлежность этих удивительных тел Солнечной системе. И опять вычисления Галлея показали, что ему не суждено самому проверить свои выводы: комета должна была приблизиться к Солнцу (и, следовательно, к Земле) лишь в 1758 году! Ее действительно заметили в конце этого года, а перигелий она прошла в марте 1759 года, как и рассчитали, с учетом возмущений орбиты, французские математики Алексис Клод Клеро и Гортензия Лепот. Ставшая знаменитой комета, наблюдавшаяся затем в 1835, 1910, 1986 году, вошла в астрономию как «комета Галлея».
Еще более значительное, хотя и не сразу оцененное открытие Галлей сделал в мире звезд. Чтобы уточнить постоянную прецессии, он сравнил координаты звезд в современном ему каталоге с измерениями Аристилла и Тимохариса (III век до н. э.) и Гиппарха (II век до н. э.), приведенными в «Альмагесте» Птолемея. Помимо известных систематических смещений всех звезд по долготе (за счет прецессии) он проследил и систематические смещения звезд по широте, вызванные также известным уже изменением наклонения экватора к эклиптике. При этом Галлей неожиданно открыл, что изменения широт у трех ярких звезд нарушают общий порядок! Галлей писал в 1718 году: «Однако три звезды: Палилисиум, или Глаз Тельца (Альдебаран, а не Процион, как иногда ошибочно пишут), Сириус и Арктур прямо противоречили этому правилу». Причем широты этих звезд изменились «против правила» на десятки минут!
Сравнив для контроля положения этих звезд по измерениям европейцев в IV и VI веках, Галлей сделал окончательный вывод о существовании реальных перемещений «неподвижных» звезд. Признание это открытие получило только в 70-е годы XVIII века, когда Т. Майер и Н. Маскелайн измерили собственные движения у десятков звезд.
Галлей первым привлек внимание астрономов своего времени к туманностям как самосветящимся космическим объектам. В специальной статье (1715 г.), оспаривая мнение некоторых ученых, будто самосветящимися могут быть лишь «солнца», Галлей описал шесть таких туманностей. Они были открыты (или переоткрыты), начиная со второй половины XVII века, разными наблюдателями в различных созвездиях: в мече Ориона, в поясе Андромеды, в Стрельце, Центавре (отмечена еще Птолемеем и переоткрыта в 1677 году Галлеем), в Антиное (часть созвездия Орла) и в Геркулесе (открыта в 1714 году Галлеем). Галлей заключил, что таких объектов во Вселенной, «без сомнения», много больше и, поскольку они не имеют годичных параллаксов (то есть очень далеки от нас), «они не могут не занимать огромных пространств». Размер туманных пятен, писал Галлей, «быть может, не менее, чем вся наша Солнечная система», и потому они дают естествоиспытателям, в особенности астрономам, богатый материал для размышлений.
Наконец, следует напомнить, что Галлей стоял у истоков метеорной астрономии и будущей метеоритики. В статье 1714 года он высказал первую научно обоснованную гипотезу о космической природе болидов («огненных метеоров», «огненных шаров», как их тогда называли). Со времен Аристотеля (IV век до н. э.) и до XVIII века их считали воспламеняющимися в земной атмосфере горючими испарениями земли. Галлей собрал и проанализировал сведения о трех мощных болидах. Каждый из них наблюдался одновременно на большой территории: два (в 1676 и 1708 годах) в Англии и один (в 1676 году) в Италии и даже соседних с нею странах. Это позволило определить неожиданно большие и сходные высоты явления (70—80 км) и громадные по земным меркам скорости движения «огненных метеоров» (несколько километров в секунду). Отсюда Галлей сделал вывод, что «огненные метеоры» скорее результат встречи Земли со случайными сгущениями космической межпланетной материи.
Последним крупным научным предприятием Галлея был 18-летний цикл наблюдений Луны (полный период обращения узлов лунной орбиты). Эти наблюдения он начал в возрасте 63 лет. Составленные им новые лунные и планетные таблицы хотя и были опубликованы с запозданием, в 1752 году, но все же оставались некоторое время образцовыми для наблюдателей и вычислителей.
Галлей получил признание при жизни. С 1703 года он возглавлял кафедру Оксфордского университета, в 1713 году был избран ученым секретарем Лондонского королевского общества. В 1720 году он занял пост директора крупнейшей тогда в мире Гринвичской обсерватории, сменив Дж. Флемстида (1646—1719) — первого королевского астронома — и также получив это звание. Галлей заново оборудовал обсерваторию инструментами, в том числе крупным стенным квадрантом, впервые снабженным довольно большим телескопом с трубою длиною 8 футов (около 25 м).
Умер Эдмунд Галлей 14 (24) января 1742 года. Именем его названы кратеры на Луне и на Марсе.
Автор: А. И. Еремеева, кандидат физико-математических наук.