История об открытии Урана и Нептуна является одной из самых знаменитых в анналах астрономии. Эти ледяные гиганты навсегда изменили наше представление о Вселенной, став первыми современными «дополнениями» к Солнечной системе, присоединившимися к классическим планетам, известным ещё древним. А открытие Нептуна ещё и подтвердило целесообразность научного метода: загадочное несоответствие между наблюдением и теорией привело к гипотезе, впоследствии получившей подтверждение, путём множества проб и ошибок.

По крайней мере, так обычно об этом рассказывают. Однако найти Нептун было совсем не так просто, как написано в книгах. Это история, наполненная увлекательными персонажами, упущенными возможностями и даже международными интригами. И, в конце концов, всё открытие целиком зависело от совершенно случайного события, остававшегося незамеченным почти 150 лет.

Открытие, сделанное вновь

Легко забыть, что на протяжении большей части 18-го века Солнечная система была удивительно простым и понятным местом (что, безусловно, облегчало работу изготовителей её моделей). В неё входило Солнце, семь планет (включая Землю), Луна, четыре спутника Юпитера, пять спутников Сатурна и несколько периодических комет. Пространство между Марсом и Юпитером, которое вскоре заполнят астероидами, пока ещё оставалось пустым в нашем представлении. Вся внешняя Солнечная система за пределами Сатурна и вне сферы неподвижных звёзд была лишена каких-либо особенностей, так же как и во времена Аристотеля. И все её небесные тела двигались аккуратно и предсказуемо в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона.

Но случайное открытие Урана Уильямом Гершелем в марте 1781 года разрушило эту древнюю изящную картину. И это было только начало, если уж речь зашла о сотрясении основ старой модели Солнечной системы: орбита новой планеты упрямо отказывалась следовать пути, на котором настаивали математики, указывая на другое невидимое небесное тело, скрывающееся за ней.

В 1821 году ныне почти забытый французский астроном по имени Алексис Бувар опубликовал таблицы движения Урана, над которыми трудился много лет. Бувар был пастухом, который, что кажется совершенно невероятным, со временем стал директором Парижской обсерватории. Он пытался совместить наблюдения Урана по звёздным каталогам, составленным до его обнаружения (самый ранний из которых был датирован 1690 годом) с предположительно гораздо более точными данными, полученными с тех пор, как Гершель открыл эту планету.

Но Бувар так и не смог этого сделать. Тогда он отбросил старые наблюдения, и на мгновение показалось, что видимое движение Урана согласуется с теорией. Однако вскоре астроном снова зашёл в тупик. До 1821 года казалось, что Уран движется быстрее, чем должен был, если судить по близлежащим к нему известным небесным телам. В течение нескольких лет наблюдения показывали, что он движется слишком медленно. Сам Бувар подозревал, что причиной может быть неизвестная планета, но ничего не предпринимал для дальнейшего исследования этого феномена.

В поисках ответа

С годами становилось всё труднее рассчитывать будущую орбиту Урана. В конце концов, два астронома-математика начали свои собственные изыскания.

Одним из них был Джон Кауч Адамс, уроженец Корнуолла. Адамс получил почти все призы по математике, будучи студентом колледжа Св. Иоанна в Кембридже, где и удостоился стипендии. Другим являлся Урбен Жан Жозеф Леверье из Франции, репетитор (частный репетитор или же помощник преподавателя) в Политехнической школе, посвятивший большую часть своего времени исследованиям небесной механики.

Адамс заинтересовался проблемой Урана, набросав свой первый план исследования ещё будучи студентом в 1841 году. Леверье же, уже опубликовавший важную работу о стабильности Солнечной системы, летом 1845 года был приглашен на свою работу тогдашним директором Парижской обсерватории Франсуа Араго. Араго был разочарован отсутствием прогресса в теории Урана. Это направление было доверено Эжену Бувару, племяннику Алексиса, после того, как его дядя вышел на пенсию.

Сегодня немногие знакомы с тонкостями классической небесной механики. И почти никто не ведёт долгие расчёт с карандашом и бумагой, которые требовались в давние времена. Более того, столь длительная концентрация, нужная для таких вычислений, кажется причудливой в эпоху бесконечного шума, царящего в Интернете и СМИ. В результате сегодня непросто представить, насколько сложной была задача, которую Адамс и Леверье поставили перед собой.

Безусловно, астрономы-математики всегда занимались составлением прогнозов.  Они использовали законы Кеплера для вычисления будущего положения планет с учётом элементов их эллиптических орбит и применяли теорию тяготения Ньютона к кеплеровскому эллиптическому движению, чтобы объяснить возмущения, вызванные другими планетами. Всё это было очень сложно и утомительно, но довольно просто, при условии, что у вас имелись точные данные по орбитам и желаемые вычисления не уводили в слишком далёкое будущем (даже при наличии суперкомпьютера долгосрочные эффекты взаимодействия трёх тел вскоре становятся полностью хаотичными).

Однако в поисках далёкой планеты Адамсу и Леверье пришлось разработать свои собственные методы вычислений. Вместо того, чтобы начать с элементов орбиты Урана и рассчитать движение неизвестного возмутителя, им пришлось приступить к расчётам с движений самого Урана и попытаться чётко определить элементы орбиты, которые их объясняли. «Выполнение многопараметрической минимизации, которую они пытались сделать, непростая задача, особенно если у вас нет компьютера», — говорит Грег Лафлин, астроном из Йельского университета и эксперт по численному моделированию.

К счастью, Адамс и Леверье справились с задачей, хотя и по-своему эксцентрично. Адамс был необычайно добросовестным как в учёбе, так и в наставнических делах, позволяя себе заниматься своим «урановым» хобби только во время каникул. Он также был способен выполнять долгие и утомительные вычисления в уме, не теряя ни секунды, как и Леверье.

Пользуясь данными о наблюдаемом движении Урана, полученными из Королевской обсерватории в Гринвиче, Адамс попытался использовать гипотезу неизвестной планеты, чтобы согласовать наблюдения с теорией. В итоге Адамс выполнил шесть вычислений, используя разные гипотезы. В первых двух использовалось упрощающее предположение о круговой орбите. И все расчёты, кроме последнего, полагались на полуэмпирический закон Боде, который предсказывал, что по мере движения от Солнца каждая планета =должна быть примерно вдвое дальше от светила, чем предыдущая, что помогало определению предполагаемого среднего расстояния до небесного тела.

Он закончил свои самые точные вычисления в сентябре 1845 года и в следующем месяце внёс небольшие исправления, которые предсказали теоретическое местоположение предполагаемой планеты. Как оказалось, их погрешность составляла всего 2° в обе стороны от того места, где на самом деле находился Нептун в то самое время. Тем не менее,  новое небесное тело никто не искал.

Адамс сообщил о первом полученном результате своему очень занятому учителю и директору Кембриджской обсерватории Джеймсу Чаллису. Имея на своём столе горы другой работы, Чаллис сделал именно то, что и любой переутомлённый человек: предложил Адамсу донести свои идеи до более высокопоставленного учёного.

Таким авторитетом в то время являлся королевский астроном Джордж Биддель Эйри. С рекомендательным письмом к Эйри, но без официальной договорённости, Адамс попытался нанести ему необъявленный визит. Он предпринял три подобные попытки, один раз по дороге в Корнуолл и дважды возвращаясь из него. Эйри был дома, но не принял Адамса, поэтому Адамс оставил записку. К чести королевского астронома, Эйри отправил ответное письмо, в котором задал Адамсу вопрос технического характера.

Адамс так и не ответил. Покойный историк астрономии Крейг Вафф обнаружил во время посещения офиса Truro Records в 2004 году, что Адамс действительно начал составлять письмо Эйри. Причина, по которой оно не было отправлено, скорее всего, никогда не будет известна. Возможно, это было просто вопрос большой занятости и промедления. Как всегда в ходе истории, открытие Нептуна ставит вопрос о том, что могло бы случиться при другом развитии событий.

Открытие в Берлине

За исключением нескольких дальнейших вычислений, сделанных в конце 1845 года, Адамс на время отложил проблему Урана. В начале 1846 года он начал помогать Чаллису вычислять орбиты комет на основе его накопившихся наблюдений. Инициатива по объяснению орбиты Урана выпала Леверье и французам.

Леверье решил эту проблему, используя свои собственные значительные вычислительные способности. «Он был самым настоящим калькулятором, — говорит Ги Бертран, аспирант Парижской обсерватории. — Он перепроверял каждый расчёт и многие из них делал в уме». Для своей докторской диссертации по философии Бертран пытается реконструировать все вычисления Леверье — немалое достижение, учитывая, что он опубликовал лишь их краткие итоги. «Эти клочки тысячи бумаг просто невероятны, — поясняет Бертран. — На всех этих страницах я почти не нашёл ошибок».

Леверье опубликовал свои результаты 1 июня 1846 года и включил в них положение самой планеты, которое, как сразу понял Эйри, было близко к месторасположению, предложенному Адамсом прошлой осенью. Эйри увидел неплохую возможность и использовал своё влияние, чтобы убедить Чаллиса исследовать эту область неба в обсерватории Кембриджского университета с помощью 29-сантиметрового рефрактора Нортумберленда.

Чаллис согласился и начал тщательную, хотя и довольно утомительную охоту, которая в конечном итоге привела бы к открытию планеты. Действительно, он даже дважды зафиксировал Нептун в начале августа, но не удосужился сравнить его изменяющееся положение между наблюдениями. Историки науки часто критикуют Чаллиса за его неуклюжесть, но он, по крайней мере, всё же проводил наблюдения.

Тем временем во Франции Леверье не нашёл ничего, кроме апатии. Наконец, после того как он опубликовал новые расчёты, согласно которым расположение планеты имело погрешность всего в градус от её истинного местонахождения, и предложил астрономам новую возможность её поиска, Леверье смог отыскать своего человека. И даже не одного. Ими были Иоганн Галле, астроном из Берлинской обсерватории, и студент по имени Генрих Луи д’Арре, которые предложили использовать карту звёздного неба, только что опубликованную в Берлине, которая ещё не была распространена среди других астрономов, чтобы помочь в их поисках.

23 сентября 1846 г., после часовой работы у телескопа, когда Галле называл положение звёзд на небе, а д’Арре сверялся с атласом, наконец, раздалось восклицание: «Этой звезды нет на карте!». При внимательном рассмотрении был обнаружен диск аквамаринового мира, о котором Галле сказал: «Боже ты мой, какой он огромный!». Так оно и было — планета достигала почти такого же размера, как и Уран, став последним гигантом, добавленным в модель Солнечной системы.

Международный фурор

События, произошедшие после обнаружения Нептуна, почти так же интересны, как и само открытие. Первые попытки безрезультатных изысканий Адамса и Чаллиса спровоцировали то, что грозило перерасти в международный инцидент во время напряжённых британо-французских отношений. Решением стало признать заслуженный вклад Леверье и Адамса в открытие. Несколько историков утверждали, что существовал британский заговор с целью подделать документы, чтобы украсть всю славу у французов. Но доказательств этому попросту нет.

С другой стороны, недавние исследования пролили больше света на некоторые важные вопросы, связанные с расчётами, приведшими к этому триумфальному открытию. Вскоре после обнаружения Нептуна американский математик Бенджамин Пирс предположил, что некоторые допущения Адамса и Леверье больше полагались на везение. В частности, те из них, что касаются орбитального резонанса 2:1 между Ураном и Нептуном (на каждый оборот, который совершает Нептун, Уран совершает примерно два). Такие резонансы могут вызвать гравитационный хаос, при этом орбиты планет становятся нестабильными.

Адамс и Леверье предположили, что Нептун находится сразу за пределами резонанса, что позволяет его орбите оставаться стабильной. Но были и намёки на то, что это неверное допущение. Усовершенствовав свой шестой и последний набор вычислений, Адамс занервничал: предсказанная орбита планеты приближалась к границе резонанса 2:1, что делало бы маловероятным само её существование. Но его опасения оказались напрасными. Фактически, после открытия планеты было быстро установлено, что Нептун находится как раз внутри резонанса 2:1. В результате всего этого Пирс утверждал, что кажущаяся точность вычислений Леверье и Адамса была просто счастливым совпадением.

Большинство астрономов того времени, в том числе Адамс и Леверье, не согласились с критикой Пирса — в конце концов, предсказания были достаточно точными, чтобы успешно отыскать Нептун. Но всё же у Пирса была правильная точка зрения. Резонанс 2:1 между ледяными гигантами оказывается чрезвычайно важным для понимания того, как гравитационное притяжение планет влияет на орбиты друг друга.

Это было ясно продемонстрировано в 1990 году, когда группа исследователей из Китайского университета Гонконга опубликовала документ, меняющий парадигму. В этой работе учёные грамотно упростили основные особенности проблемы возмущений, тем самым устранив необходимость разбираться в запутанных тайнах классической небесной механики. С помощью своей модели они показали, что резонанс Нептуна 2:1 возмущает орбитальное движение Урана на порядок больше, чем предполагали Леверье и Адамс. Они так и не обнаружили этих эффектов, потому что использовали неверные параметры для орбиты Урана, включая его эксцентриситет и среднее расстояние от Солнца.

Причина, по которой орбитальные возмущения были намного сильнее, чем считали Леверье и Адамс, связана с тем фактом, что резонанс 2:1 не является точным (период Нептуна отличается от двукратного периода Урана на 2 процента). Хотя Леверье и Адамс беспокоились о том, что резонанс 2:1 дестабилизирует их расчеты, они не могли предвидеть его побочный эффект. А именно, орбитальное возмущение, которое испытывает Уран, претерпевает «биения» — медленные изменения амплитуды, которые происходят, когда два объекта находятся почти (но не совсем) в резонансе, подобно струнам слегка расстроенного музыкального инструмента.

В свете этого анализа оказывается, что неполное понимание Леверье и Адамсом теории возмущений привело их к двум ошибкам. Во-первых, они сделали отклонения симметричными относительно соединения Урана и Нептуна 1822 года, что было неверно. Отклонение от среднего движения, которое они считали максимальным в этот период, на самом деле было минимальным. Во-вторых, они полностью упустили другое возможное местоположение Нептуна, сдвинутое по фазе на 180 градусов от первого, на противоположной стороне от Солнца! То, что они выбрали именно то местоположение, которое в то время находилось рядом с планетой, было действительно счастливой случайностью.

Тем не менее их усилия стали значительным достижением в астрономии. По словам Кеннета Янга, физика Китайского университета Гонконга и соавтора статьи 1990 года, «расчёты Леверье и Адамса были верны в рамках ограничений используемой ими теории». На самом деле, добавляет Янг, «даже поиск с гораздо меньшим количеством параметров, чем реально используемых ими, стал бы серьёзной вычислительной задачей во времена, когда ещё не было электронных компьютеров».

В конечном итоге, подтверждение их вычислений, сделанное д’Арре, воскликнувшим: «этой звезды нет на карте!», не стало, как ожидали более поздние исследователи, основой для будущих планетарных открытий. Напротив, это было странное событие, которое вряд ли повторится в истории астрономии.

Источник