Історія відкриття Урана та Нептуна – один з тих епізодів, що назавжди записані в аннали астрономії. Вони стали першим сучасним доповненням до інших планет Сонячної системи, які були відомі ще в стародавні часи. Ці крижані гіганти назавжди змінили наше уявлення про Всесвіт. Саме відкриття Нептуна довело справжню міць наукового методу: Незрозуміла розбіжність між спостереженнями та теоретичними розрахунками стала початком бентежної космічної саги.

Зрештою, так і пишуться історії. Але з Нептуном все виявилось не так просто, як може здатися на перший погляд. Тож ця історія – суміш чарівних персонажів, втрачених можливостей та навіть міжнародних інтриг. Зрештою, саме відкриття залежало від вдалого збігу, який ніхто не помічав протягом 150 років.

Відкриття вже відкритого

Вже мало хто пам’ятає, що у 18 сторіччі будова Сонячної системи була досить простою та очевидною. Це значно спрощувало роботу для укладачів карт нашої зоряної системи. На таких картах було зображено Сонце, сім планет навколо нього, включно з нашої Землею, Місяць, чотири супутники Юпітера, п’ять супутників Сатурна та декілька періодичних комет. Область між Марсом та Юпітером, що зараз відома, як пояс астероїдів, тоді була порожньою. Вся зовнішня частина Сонячної система далі від Сатурну та до сфери нерухомих зірок, так і не мала ніяких особливостей, як це було ще з часів Аристотеля. Тоді всі тіла Сонячної системи рухалися точно та передбачувано згідно з законом всесвітнього тяжіння Ньютона. 

Проте ця древня, витончена модель була розбита в друзки Вільямом Гершелем, коли він випадково відкрив Уран у березні 1781. Втім, це був лише перший поштовх з серії потужних струсів, які чекали на уявлення людства про будову Сонячної системи. Уран ніяк не бажав рухатися орбітою, яку вирахували математики, навпаки, характер його обертання вказував на існування іншої загадкової планети.

В 1821 році зараз практично забутий французький астроном Алексіс Бувар опублікував таблиці руху Урану над якими він працював багато років. Бувар, син пастуха, згодом очолив Паризьку обсерваторію, де він намагався поєднати дані спостережень Урану з зоряних каталогів (найперший датується 1690-м роком) та значно точнішими спостереженнями, зробленими вже після відкриття Гершелем цієї планети.

Але це йому не вдалося. Він відмовився від старих спостережень, і на певний час здалося, що рух Урану відповідає теорії. Але згодом все знову пішло шкереберть. До 1821 року Уран рухався швидше ніж можна було очікувати від його взаємодії з іншими планетами. Але вже за кілька років виявилося, що планета рухається занадто повільно. Бувар припускав, що причиною може бути інша планета, але так і не довів свою гіпотезу до логічних висновків.

У пошуках відповіді

З роками все складніше було передбачити майбутні рухи Урану. Проте, двоє математиків випадково розпочали своє власне розслідування.

Одним з них був Джон Кауч Адамс, уродженець графства Корнуолл. Адамс отримав практично всі математичні нагороди і ще студентом увійшов до наукової ради коледжу Сент-Джона, Кембрідж. Іншим став француз, Урбен Жан Жозеф Левер’є. Він був «répétiteur» (приватним вчителем чи асистентом кафедри) в Політехнічній школі, де більшу частину свого життя присвятив дослідженню небесної механіки.

Адамс сам зацікавився проблемою орбіти Урану і ще студентом у 1841 склав план свого майбутнього дослідження. Левер’є, який вже опублікував свою фундаментальну працю про стабільність Сонячної системи, у 1845 був запрошений працювати в Паризьку обсерваторію, під патронат її тодішнього директора Франсуа Араго. Араго був розчарований відсутністю результатів у теорії руху Урану, над якою працював Ежен Бувар, племінник Алексіса Бувара, якій продовжив роботу свого дядька.

Мало хто знає наскільки складною темою була класична небесна механіка. Мало хто хотів би зайнятися такими довгими та розлогими розрахунками, на які можна списати не один десяток олівців. Крім того, тривала концентрація, необхідна для таких розрахунків, в наш бентежний час Інтернету та ЗМІ, здається чимось недосяжним. Тож нам досить складно зрозуміти масштаб задачі, яку поставили перед собою Адамс та Левер’є.

Звісно, прогнози завжди були цариною астрономів. Вони використовували закони Кеплера, щоб прогнозувати майбутнє положення планет, позиції їх еліптичних орбіт і застосовували закон всесвітнього тяжіння Ньютона до розрахунку Кеплерівських еліптичних орбіт, враховуючи вплив інших планет. Схема була досить складною та виснажливою але прийнятною, якщо прогноз стосувався недалекого майбутнього та ви маєте точні елементи орбіти, так звані кеплерівські величини (навіть за наявності суперкомп’ютера для розрахунків точність прогнозів взаємодії навіть трьох тіл з часом буде погіршуватись).

Однак, щоб знайти загадкову планету Адамсу та Левер’є довелося переробити шаблон математичних операцій. Замість того, щоб почати шукати таємничу планету через взаємодію елементів орбіти Урану з «подразником», вчені вирішили почати з руху самого Урану, щоб чітко пояснити його природу. «Виконати багатопараметричну мінімізацію, особливо без комп’ютера – надзвичайно важко», – запевняє Грег Лафлін, астроном Єльського університету та експерт із числового моделювання.

На щастя, Адамс та Левер’є впоралися з цим завданням, хоч і на свій манер. Адамс надзвичайно сумлінно ставився як до навчання, так і до своїх обов’язків репетитора, залишаючи час для Урану лише під час канікул. Він міг виконувати довгі та виснажливі обчислення в своїй голові, не гаючи жодної секунди, як і Левер’є.

Використавши дані про спостережуваний рух Урана з Королівської обсерваторії в Грінвічі, Адамс спробував зіставити їх з гіпотезою про невідому планету. Врешті-решт, він провів цілих шість серій розрахунків під різні гіпотези. В перших двох орбіта тіла було спрощеною та мала кругову форму. Всі, крім останнього, ґрунтувались на напівемпіричному законі Боде за яким, кожна планета, яка рухається назовні, має бути вдвічі далі від Сонця за попередню для підтримання середньої відстані.

Свої найточніші розрахунки він закінчив у вересні 1845 і наступного місяця вніс деякі поправки. Так з’явилось теоретичне положення «прогнозованої» планети. Як виявилося згодом, вони не збігалися лише на досить зручні для пошуку 2° по обидва боки від того місця, де насправді в той час був Нептун. Але нову планету ніхто не шукав.

Адамс повідомив про перші результати своєму вчителю та директору Кембриджської обсерваторії, Джеймсу Чаллісу, який в той час був дуже перевантажений справами. Маючи купу іншої роботи Чалліс вчинив, як і очікувалось від зайнятої людини: запропонував Адамсу представити свої ідеї якомусь вищому керівництву.

Представником такого керівництва став Джордж Бідделл Ері. Отримавши лист запрошення від Ері, але без офіційного часу візиту, Адамс спробував прийти без попередження. Він намагався зустрітися з ним тричі: перший раз дорогою та два рази повертаючись назад з відпустки в його рідному Корнуоллі. Ері був вдома, але не прийняв Адамса, тож Адамс залишив записку. На честь члена Лондонського королівського товариства варто сказати, що Ері відправив лист у відповідь, де поставив Адамсу досить конкретні питання.

Адамс так і не відповів. Покійний історик астрономії Крейг Вафф під час візиту до «Truro Records» у 2004 році виявив, що Адамс почав писати листа Ейрі. Причина, чому його не було надіслано, ймовірно, так ніколи не буде відома, можливо, автору потрібно було виконувати інші обов’язки або є Адамс страждав від прокрастинації. Як завжди бувало в історії, відкриття Нептуна — це роздуми про те, що могло б відбутися.

Відкриття у Берліні

За винятком кількох додаткових обчислень, зроблених наприкінці 1845 року, Адамс на деякий час відклав проблему Урану. На початку 1846 року він почав допомагати Чаллісу обчислювати орбіти комет на основі його записів спостережень. Ініціатива перейшла до рук Франції, а точніше Левер’є.

Левер’є взявся за задачу використовуючи свій гігантський математичний потенціал. Він був «калькулятором», говорить Гі Бертран, аспірант Паризької обсерваторії, – «Він двічі перевіряв кожне обчислення та більшість з них робив подумки». Для своєї докторської дисертації Бертран реконструює всі розрахунки Левер’є — чималий подвиг, враховуючи, що він опублікував лише короткий виклад. «Цих папірців тут тисячі», – розповідає Бертран. “В усіх цих записах я майже не знайшов помилок.»

1 червня 1846 року Левер’є оголосив свої результати і визначив положення планети, яке, як відразу ж зрозумів Ейрі, було близьке до місця, запропонованого Адамсом минулої осені. Ейрі побачив можливість і використав свій вплив, щоб змусити Чалліса дослідити цю частину неба в обсерваторії Кембриджського університету за допомогою 11,6-дюймового (приблизно 30 см) рефрактора Нортумберленду.

Чалліс погодився та почав ретельні, хоча й досить непрості пошуки, які зрештою призвели б до відкриття планети. Дійсно, він навіть двічі виявив Нептун на початку серпня, але не встиг порівняти зміни його положення між спостереженнями. Історики часто критикували Чалліса та називали недолугим вченим, але він принаймні розпочав пошуки.

Тим часом у Франції Левер’є не зустрів нічого, крім апатії. Але вже після того як він опублікував нові розрахунки, де планета була трохи більше ніж на один градус в стороні від її справжнього положення і тим самим зробив ще один крок назустріч до астрономів, йому нарешті пощастило. Левер’є знайшов потрібну людину, чи, скоріше, людей. Ними були Йогання Ґалле, астроном Берлінської обсерваторії, та студент на ім’я Генріх Луї д’Аррест, який запропонував використати карти зоряного неба, що були надруковані в Берліні, але ще не роз’їхалися по країнах світу.

Після години роботи з телескопом 23 вересня 1846 року, коли Ґалле називав положення зірок у небі, а д’Аррест перевіряв їх на карті, другий нарешті вигукнув: «Цієї зірки немає на мапі»! Уважне вивчення показало диск аквамаринового кольору, про який Галле сказав: «Господи на небесах, яка ж вона велика»! Так, це була вона – остання планета-гігант, додана на карти нашої Сонячної системи. За розміром — подібна до Урану.

Міжнародний фурор

Історія після відкриття Нептуна не менш захоплива, ніж саме відкриття. Перші безрезультатні спроби Адамса та Чалліса ледве не спровокували міжнародний скандал за умов і без того напружених британо-французьких стосунків. Все було вирішено, коли Ле Вер’є та Адамс розділили заслуги відкривачів. Кілька істориків стверджували, що британська сторона підробила документи, щоб викрасти заслуги французів. Проте жодних доказів цьому не існує.

З іншого боку, нещодавні дослідження виявили нові аспекти розрахунків, які призвели до тріумфального відкриття. Невдовзі після відкриття Нептуна американський математик Бенджамін Пірс припустив, що Адамсу та Левер’є швидше пощастило в їх припущеннях. Зокрема, щодо орбітального резонансу 2:1 між Ураном і Нептуном. (На кожен оберт Нептуна навколо Сонця, припадає два оберти Урану.) Такі резонанси можуть стати причиною гравітаційного хаосу: Під час самого резонансу, орбіти планет втрачають стабільність.

Адамс і Левер’є припустили, що Нептун знаходиться поза резонансом, що дозволяє його орбіті залишатися стабільною. Але вже тоді вчені припускали, що ця теорія неправильна. Коли Адамс уточнював свій шостий і останній набір обчислень, він почав нервувати: орбіта планети наближалася до резонансу 2:1, що зменшувало шанси на її існування. Але його хвилювання виявились марними. Насправді, після відкриття було швидко встановлено, що Нептун знаходиться рівно в резонансі 2:1. Так, Пірс стверджував, що точність розрахунків Левер’є та Адамса була «щасливим винятком».

Більшість тогочасних астрономів, включаючи Адамса та Левер’є, відкинули критику Пірса — зрештою, прогнози були достатньо точними, щоб таки знайти Нептун. Проте Пірс був правий. Резонанс 2:1 між крижаними гігантами, насправді, надзвичайно важливий для розуміння того, як гравітація планет впливає на орбіти одна одної.

Це було чітко продемонстровано в 1990 році, коли група дослідників з Китайського університету Гонконгу (CUHK) опублікувала статтю про зміну теоретичних засад, яка спростила проблему гравітаційних збурень, усунувши необхідність вираховувати плутанину рухів за класичною небесною механікою. За допомогою своєї моделі вони довели, що резонанс Нептуна 2:1 впливає на орбітальний рух Урану значно більше, ніж припускали Левер’є та Адамс. Левер’є та Адамс так і не виявили цього ефекту, оскільки використовували неправильні значення для орбіти Урана, зокрема його ексцентриситет та середню відстань до Сонця.

Причина, чому орбітальні збурення були набагато сильнішими, ніж вважали Левер’є та Адамс, пов’язана з тим, що резонанс 2:1 не точний. (Період обертання Нептуна відрізняється від періоду обертання Урану на 200 + 2 відсотки.) Хоча Левер’є та Адамс хвилювалися, що резонанс 2:1 може дестабілізувати їхні розрахунки, вони не могли передбачити, що від практично ідеального резонансу буде такий побічний ефект. Мова іде про орбітальне збурення, яке відчуває Уран. Це – ніби удари від повільних змін амплітуди, які з’являються, коли два об’єкти знаходяться дуже близько один від одного, але не так і не стають у резонанс. Це нагадує струни музичного інструменту, коли вони не дуже гарно налаштовані.

Отже, ми можемо стверджувати, що Левер’є та Адамс припустилися двох помилок. По-перше, у 1822 році вони зберегли відхилення навколо системи Уран-Нептун симетричними, що було неправильно. Відхилення від середнього руху, яке вони вважали максимальним протягом цього періоду, насправді було мінімальним. По-друге, вони повністю проігнорували інше можливе місце, на 180 градусів зміщене по фазі від першого, на протилежному боці від Сонця! Нептун міг знаходитись і там. Математикам пощастило, що вони обрали позицію, де планета дійсно знаходилася в той час.

Тим не менш, їхні зусилля мали неймовірні результати. За словами фізика з CUHK, Кеннета Янга, який був співавтором статті 1990 року, «розрахунки Левер’є та Адамса були правильними в межах теорії, яку вони самі обрали». Насправді, додає Янг, «навіть пошук із значно меншою кількістю параметрів, ніж ті, які було задіяно, став би серйозною проблемою в часи без комп’ютерів».

Плоди їх кропіткої праці, які втілились у вигук д’Арреста: «Цієї зірки немає на карті!» так і не стали моделлю майбутнього відкриття планет, як на те потім сподівалися інші вчені. Втім, це відкриття стало чудовою історією, що навряд матиме аналоги в прийдешні часи.

Джерело