Лекция 10 -2 Первый этап и результаты развития

Лекция 10 -2. Первый этап и результаты развития телескопической астрономии. Первая эпоха рефракторов (XVII - первая половина XVIII вв. ) Объекты и методы. Новые организационные формы и условия развития астрономии в Европе. . § 1. Академии и обсерватории.

• В XVII в. были организованы национальные академии наук – в Италии "Аcademia del Chimento" (Академия естествознания, или опыта) – 1657 г. ; в Великобритании - Лондонское королевское общество (1662 г. ); во Франции Парижская академия наук (1666/7 г. ). Тогда же были созданы первые государственные астрономические обсерватории: Парижская в 1667 -72 гг. и Гринвичская в Лондоне (1676 г. ). Последняя - для решения актуальной проблемы разработки более точных методов определения долготы на море. • Из частных обсерваторий наиболее известной и плодотворно работавшей была Гданьская обсерватория польского астронома Яна Гевелия (построена в 1641 г. , восстановлена к 1681 г. после пожара 1679 г. , когда удалось спасти лишь рукописи Кеплера. ). • В 1692 г. частную любительскую (и первую в России) обсерваторию устроил в селе Холмогоры архиепископ Афанасий Холмогорский (в миру Алексей Артемьевич Любимов, один из наиболее образованных людей России XVII в. ). Ее не раз посещал молодой Петр I. Но первой учебной и научной обсерваторией стала обсерватория в Сухаревой башне в Москве (1703), которой руководил Я. В. Брюс.

Джан Кассини (1625 1712, Флоренция; с 1669 г. во Франции) Первый директор Парижской обсерватории (1671 - 1711 гг. ), родоначальник астрономической династии, выдающийся наблюдатель.

Королевская астрономическая обсерватория в Гринвиче, основана Карлом II в 1676 г. с целью научить английских моряков определять долготу по расположению звезд. Ныне Музей астрономических и навигационных устройств. Здесь находится нулевой меридиан, точка начала отсчета долготы и часовых поясов на Земле. (Изображение ок. 1680 г. ) •

Джон Флемстид (16461719) Первый директор Гринвичской обсерватории, оборудовавший ее инструментами в основном за свой личный счет; выдающийся наблюдатель. Главное сочинение «Британская история неба» (1725), его наиболее ценная часть 3 -й том: «Британский каталог» (около 3 тыс. звезд)

Сухарева башня, в которой в 1703 г. была открыта первая в России школа математических и навигацких наук и первая обсерватория, в которой работал Я. В. Брюс

§ 2. Формирование астрономического сообщества. • В XVII в. в Европе начало формироваться астрономическое сообщество. Это выражалось в росте числа крупных астрономов, усилении общения между ними и в расширении их функций. • Наблюдатели, как правило, были и конструкторами инструментов, по крайней мере, оптики. Из них вышли и знаменитые организаторы науки. • Более замкнуто работали теоретики, отчего их вклад порой оказывался надолго забытым в истории науки. Вот их главные имена:

Ян Гевелий (1611 - 1687, Гданьск, Польша) – знаменитый и последний непревзойденный по точности приверженец дотелескопических методов, наблюдатель и первый картограф Луны.

Ян Гевелий со своей женой и верной помощницей Эльжбетой наблюдают с помощью угломерного инструмента октанта (еще без оптики)

• Иеремия Хоррокс (1618 -1641, Англия) – первый продолжатель Кеплера и один из предшественников Ньютона. • Жан Пикар (1620 – 1682), астроном и геодезист, наследник Тихо Браге в точности астрономических наблюдений и измерений. Один из основателей Парижской академии наук и инициаторов создания Парижской обсерватории.

Христиан Гюйгенс (1629 – 1695), Голландия в 1666 – 1681 во Франции, затем возвращение в Голландию (из-за гонений на протестантов). Выдающийся физик, механик, оптик, изобретатель маятниковых и пружинных часов, конструктор особо длиннофокусных рефракторов ( «воздушных труб» ), заложивший основы теории труб (теории геометрической оптики); Один из предшественников Ньютона (открыл закон криволинейного движения F ~ mv/r). Открыл кольцо Сатурна.

Роберт Гук (1635 - 1703) выдающийся английский физик и астроном, энциклопедист, теоретик, конструктор, пионер исследования физики Луны (1665); ближайший предшественник Ньютона в открытии закона всемирного тяготения. Многолетний бессменный ученый секретарь Лондонского королевского общества.

• Вильям Гаскойнь (1612? -1644, Англия ) и Адриен Озу (1622 -1691, Франция), заложившие основы телескопической измерительной астрономии (введением окулярной микрометрической сетки). • Датский астроном и физик Олоф Рёмер (16441710), в 1672 - 1681 гг. сотрудник Ж. Пикара на Парижской обсерватории, открывший конечность скорости света (вынужденно возвратился на родину как протестант).

• Знаменитые первые бессменные директора (так наз. «королевские астрономы» ) Гринвичской обсерватории, последовательно занимавшие этот пост: • Джон Флемстид (1646 -1719), с 1676 г. ; • Эдмунд Галлей (1656 - 1742), с 1720 г. ; • Джеймс Брадлей (1693 -1762), с 1742 г.

Эдмунд Галлей (1656 -1742) Второй директор Гринвичской обсерватории

Джеймс Брадлей (16931762) Третий директор Гринвичской обсерватории

Товия (Тобиас) Майер (1723 -1762), Германия, ученыйсамоучка, профессор математики и директор обсерватории Гёттингенского университета, выдающийся исследователь Луны.

§ 3. Инструментальная база астрономии во второй половине XVII - начале XVIIIвв. • В первой половине XVIIв. рефракторы употреблялись еще без приспособлений для точного наведения и измерения положения светила. • На протяжении нескольких десятилетий продолжалось сосуществование с первыми оптическими инструментами дооптических угломерных инструментов (квадранты, секстанты).

• Последний точный наблюдатель на них - Ян Гевелий, достигавший точности измерений с ошибкой менее 1‘, т. о. превзошел Тихо Браге. • Роберт Гук сконструировал малый квадрант с микрометренным перемещением алидады для измерений углов до 1" и изобрел машину для разделения круга.

Эпоха рефракторов • Уже с 1640 г. «кеплерова труба» (телескоп-рефрактор) вытеснила галилееву (подзорную трубу голландского типа). • Англичанин В. Гаскойнь (1612 ? -1644), предложил в 1640 г. соединить с окуляром кеплеровой трубы нитяной микрометр; он же изобрел его прототип. • Дальнейший быстрый прогресс рефракторов обусловил окончательный переход астрономов на оптику.

Рефрактор становится измерительным инструментом Новым специализированным типом рефрактора стал «зенитный сектор» Жана Пикара (для наблюдений в области неба, где минимально влияние рефракции). В 1667 г. он впервые применил в нем микрометр и круг отсчета для измерения угловых расстояний между звездами.

Краткая эпоха воздушных труб • Почти все астрономы и физики XVII – начала XVIII вв. – Гевелий, Декарт, Гюйгенс, Гук, Ньютон и др. были искусными шлифовальщиками оптических стекол для телескопов. Борьба за увеличение изображения и уменьшение аберраций в однолинзовых рефракторах привела к изобретению чрезвычайно длиннофокусных телескопов - "воздушных труб. (Вместо трубы в них использовался трос, соединяющий объектив, укрепленный на высокой штанге, с окуляром, в который и велись наблюдения ) • С 1641 г. их начал строить Гевелий (до 150 футов, или 45 м. длиной). • С 1655 г их строительством занялись братья Христиан и Константин Гюйгенсы. Их "воздушные трубы" с F = 120 и 230 футов (37 м и ок. 70 м. ) до 1666 были лучшими в Европе. Гюйгенс изготовлял их и после своего возвращения на родину (в 1681– 1687 гг. ).

Воздушная труба Гюйгенса Но такие телескопы были неудобны, громоздки и в дальнейшем от них пришлось отказаться.

К теории телескопов • Х. Гюйгенсу принадлежит создание первой теории зрительных труб (в 3 -х тт. соч. "Диоптрика", в кн. 1 и 2, 1652 г. , некогда первые шаги в этой области делал Кеплер). • Гюйгенс вывел основную формулу линзы, связав фокусное расстояние (F) с расстоянием до предмета (r) и изображения (r'): 1/r + 1/r' = 1/F

• Гюйгенс в 1662 г. изобрел первый двухлинзовый окуляр ("окуляр Гюйгенса"), исправлявший хроматическую аберрацию, кому и астигматизм. • Но изображение он давал мнимое, и окуляр оказался неприменимым для точных измерений с нитяным микрометром.

• Употреблялись и обычные (не «воздушные» ), но также достаточно длиннофокусные рефракторы: у Гука длина трубы (и фокусное расстояние) достигали 12, 30 и даже 36 футов (10 м)! • У Галлея было несколько рефракторов, наибольший в 24 фута длиной (более 7 м) с двумя микрометрами; 5. 5 -футовый металлический секстант с оптикой; 2 -футовый квадрант, а при наблюдениях использовались маятниковые часы – новое изобретение Гюйгенса. • Рефрактором со сверхдлинной трубой , подвешенным на тросах, пользовался Гевелий для изучения поверхности Луны. • В рефракторах использовалось лучшее стекло (например, венецианское у Кассини, в дальнейшем и бельгийское). • Олоф Рёмер, которого называли "Северный Архимед", был автором свыше 50 новых инструментов и приборов, в том числе планетариев В 1689 -90 гг. он изобрел пассажный инструмент и меридианный круг. Ему же принадлежит идея гелиометра.

Рефрактор Гевелия на тросах

Изобретение часов и др. • Важным для астрономии было изобретение Гюйгенсом маятниковых часов : гиревых с анкерным спуском (1657)и пружинных (1674), • Гюйгенс изобрел также и построил демонстрационную "планетную машину" (опубликовано посмертно в соч. "Описание планетного автомата", 1703 г. )

Первые успехи оптической астрономии были связаны с открытиями в Солнечной системе. • 1. Солнце. • • (1) Открыты солнечные пятна и факелы; вращение Солнца (1611 -1613 гг. : Й. и Д. Фабрициусы, Харриот, Шейнер с Цизатом, Галилей). (2) Открыто явление Зодиакального света (Чилдрей – 1665; 1683 – 1688, Дж. Кассини и Н. Фасьо; ). Кассини впервые дал явлению правильное в основном объяснение как отражение солнечного света протяженным уплощенным околосолнечным облаком из огромного числа мелких «планеток» . (3) Сделаны новые оценки солнечного параллакса: Кеплер (1', вместо 3', по Аристарху и Гиппарху); Гевелий (40"); Иеремия Хоррокс, по наблюдениям прохождения Венеры в 1639 г. (14", что долго оставалось неизвестным, до первого опубликования в 1662 г. ). Первое получившее известность и довольно точное определение солнечного параллакса (9, 5”) было сделано в 1672 г. в результате синхронных наблюдений Марса во время его противостояния - Джаном Кассини и Жаном Пикаром (в Париже) и Ж. Рише (наблюдавшим Марс в Кайенне близ экватора). Это позволило Кассини оценить расстояние до Солнца (а. е. ) в 140 млн. км (360 расстояний до Луны) и составить более точные таблицы видимого движения Солнца (1673).

• § 2. Луна. • В 1642 -47 гг. Гевелий составил первые детальные карты лунной поверхности и дал географические названия всем деталям по аналогии с географическими на Земле, оценив максимальную высоту лунных гор в 6 км (в действительности – 8 км, гора "Ньютон"). Открыл долготную либрацию Луны. Т. Майер объяснил ее и определил положение оси вращения Луны. • Лунные цирки по аналогии с вулканами Гевелий назвал: Везувий, Этна (ныне Коперник) и т. п. , в одном кратере ( Аристарх – ср. у Н. А. Козырева!) заподозрил действующий вулкан. Результаты Гевелия по Луне вошли в его "Селенографию" (1647). • В 1651 г. Риччоли (1598 -1671) в соч. "Новый Альмагест"ввел именной принцип наименований лунных кольцевых гор и дал "астрологические" имена лунным "морям”; измерил наклон плоскости экватора Луны к плоскости ее орбиты и к плоскости эклиптики.

Теория движения Луны • В 30 -е гг. XVII в. Иеремия Хоррокс (1617/18, 19? - 1641), открыл движение линии апсид лунной орбиты, изменение ее эксцентриситета и объяснил этим одно из главных неравенств Луны – эвекцию (неравенство в изменениях долготы Луны, открытое еще Птолемеем, IIв. ). Причину всего этого он, вслед за Кеплером, видел в возмущающем физическом воздействии Солнца. За свою короткую жизнь Х. успел построить первую достаточно точную теорию движения Луны. • Полное собрание его трудов было опубликовано лишь спустя полвека Лондонским королевским обществом (1672 -73 гг. ).

• Флемстид – основатель позиционной астрономии, использовав данные Хоррокса, усовершенствовал теорию движения Луны и составил новые, более точные лунные таблицы (1673 г. ). Вопреки воле их автора они были (еще до их опубликования, что вызвало возмущение Флемстида!) использованы Ньютоном для проверки своей теории тяготения и, подтвердив ее, сыграли огромную роль в истории науки. • Галлей открыл вековое ускорение Луны (1693); провел 18 -летний цикл наблюдений движения узлов ее орбиты и составил новые лунные и планетные таблицы (опубликованы посмертно в 1752 г. ). • Жак Кассини (1677 -1756), сын Дж. Кассини, дал более точный метод определения долготы на море – по моментам покрытия Луной звезд.

§ 3. Открытия в мире планет. • Меркурий. - Открытие фаз (Гевелий), наблюдения прохождений планеты по диску Солнца (П. Гассенди, 1631; Гевелий – 1661). • Венера – И. Хоррокс предложил метод определения солнечного параллакса из наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца (4 декабря 1639 г. получил π Солнца равным 14”. - опубл. в 1662 Гевелием); улучшил Рудольфинские таблицы Кеплера и заново вычислил элементы орбит всех планет. • В 1677 г. Галлей, на о. Св. Елены независимо предложил метод определения солнечного параллакса по внутренним планетам (при синхронных наблюдениях прохождения их из разных по широте мест на Земле) и рассчитал места для наблюдений ближайшего прохождения Венеры (26 мая ст. 1761 г. ).

• 3. Марс. • Измерения периода вращения : Гук (1665 -66 гг. , (24 часа); а затем Дж. Кассини (24 ч. 37 м. ). • В 1667 г. Гюйгенс открыл полярные шапки и одну полосу на Марсе и уточнил период вращения планеты. • По точным рисункам Гука и Гюйгенса, сравнив их с современными ему [видимо, фотографическими уже] изображениями планеты, голландский астроном Ф. Кайзер в 1862 г. уточнил период Марса (24 ч. 37 м. 22. 6 с, - современные данные - 24 ч. 37 м. 23 с). • Поиски Гюйгенсом спутников у Меркурия и Венеры оказались безрезультатными.

4. Юпитер. Новые открытия в системе спутников, вращения планеты. • 1652 г. - открытие затмений спутников Юпитера (Дж. Ходиерна, Сицилия). • 1665 г. - открытие "красного пятна" на Юпитере (Джан Кассини, одновременно с Гуком). • Тогда же, в 60 -е гг. Гюйгенс отметил полосы на Юпитере. • 1666 г. - открытие вращения планеты (Гук) и измерение его периода (Дж. Кассини: 9 час. 56 мин. Ошибка – 19 с: современные данные: 9 ч. 55 м. 41 с) и составление первых точных таблиц движения его спутников с расчетом моментов их затмений (Джан Кассини, 1668, уточнено им же в 1693 г. ).

Открытие конечности скорости света ( О. Рёмер, 1675 г. ) • В 1675 - О. Рёмер обнаружил запаздывание моментов начала затмений спутников Юпитера при наблюдении их близ соединений планеты по сравнению с табличными данными, вычисленными при расположении планеты в противостоянии. (Расстояние Юпитера от Земли в момент его соединения с Солнцем больше , чем в момент противостояния на диаметр земной орбиты. ) • Рёмер догадался, что причина запаздывания затмения именно в этом: для прохождения большего пути лучу света требуется больше времени, иначе говоря, свет распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. - Оценка ее Рёмером (около 210 тыс. км/сек), уже верная по порядку величины, не только поражала своим чудовищным (но все же конечным!) значением, но и позволила ввести новую единицу измерения космических расстояний – в «световых» единицах времени.

Первые фотометрические оценки масштабов Вселенной • Из измерений Рёмера следовало, что диаметр земной орбиты равен 11 -ти световым минутам. А первая фотометрическая оценка расстояния до звезды (Гюйгенс, 1695 г. ) показала, что свет идет от нее к нам пол-года, что впервые (даже при таком заниженном результате) открывало реальные невообразимо громадные масштабы звездной Вселенной!

Загадка Сатурна Первым открытием здесь после Галилея стало открытие периодичности в изменении вида загадочных боковых выступов у диска Сатурна (Джан Кассини, по наблюдениям в 1641 - 1656 гг. ), которые еще воспринимались как его собственные части.

5. Сатурн. Открытие первого спутника и кольца. • 1655 г. - открыт первый спутник у Сатурна – Титан (Гюйгенс, с 12 -футовым телескопом, объектив 6. 3 см, увеличение в 50 раз, он же определил его период вращения в 16 суток 4 часа; - истинный 15. 9 суток). • 1656 г. – открытие новой формы космического объекта – тонкого кольца вокруг Сатурна (Гюйгенс, с 23 -фут. телескопом с увеличением в 92 раза; сообщение в виде анаграммы, затем в 1659 г. расшифровка его в соч. "Система Сатурна").

Кольцо Сатурна по соч. «Система Сатурна» , 1659 г. Вверху: Вид с Земли системы Сатурна при различной ориентации его кольца – от наибольшего раскрытия (при наибольшем наклоне его) до исчезновения, когда его наблюдают с ребра. В центре: первая зарисовка Гюйгенса вида Сатурна в 1655 г. Внизу: Изображение истинной картины системы Сатурна. Подчеркнута чрезвычайная тонкость кольца.

• В 1675 г. Дж. Кассини открыл разделение кольца на две части темным «пустым» промежутком ("щель Кассини"). • Дж. Кассини открыл четыре новых спутника у Сатурна: • 1671 - Япет, • 1672 - Рея, • 1684 – Диана и Тетис. • Этим были исчерпаны возможности рефракторов XVII в. • В течение почти целого столетия не было сделано ни одного открытия нового спутника или планеты в Солнечной системе. • В 1676 г. Галлей открыл большое вековое неравенство Юпитера и Сатурна – противоположные изменения их орбитальных скоростей: увеличение у одной и уменьшение у другой планеты. Это впервые поставило вопрос об устойчивости Солнечной системы.

§ 4. Кометы. • Открытие новых комет и характера их орбит. • Впервые в телескоп наблюдал комету (1618 -1619 гг. ) Цизат. • Гевелий без оптики открыл 4 кометы (с 1652, в т. ч. 1682 г. – будущую "галлееву") и написал соч. "Предвестник комет"(1654) и "Кометография" (1668, с 400 рисунками!). • Он высказал догадку о параболических (не прямолинейных) путях комет. Ее правильность подтвердил его ученик Дёрфель для кометы 1681 г. , а для трех других открытых Гевелием – Галлей.

2. Предшественница «кометы Галлея» у Галлея. • Первой кометой, относительно которой был сделан вывод о ее периодичности, была не комета 1682 года (названная галлеевой), а яркая Большая комета 1680 г. • Этот вывод также сделал Галлей (на основании сравнений сходных описаний появления нескольких ярких комет в старинных хрониках) и оценил ее период в 575 лет. • Для такого периода он подобрал чрезвычайно вытянутую, впервые замкнутую, не параболическую, а эллиптическую орбиту, перигелий которой оказался располагавшимся чрезвычайно близким к Солнцу. Выводы его признал убедительными Ньютон и включил их в свои "Начала"(1687). • Комета 1680 сыграла особую роль в раскрытии физики комет (Ньютон, 1687; Эпинус, 1759/1783) и в истории планетной космогонии (Уистон, 1696) (Подробнее см. в тексте Лекции 10).

§ 5. Изучение Земли как планеты. • Градусные измерения • в 1617 г. впервые провел в Европе голландец В. Снеллиус (1591 -1626), получив результат: 1 о = 28473 рута (рейнских, или 55100 туазов) =107, 395 км. После устранения некоторых ошибок в громоздких (дело было до введения логарифмов) вычислениях, которые заметил, но не успел исправить сам Снеллиус и что сделали его ученики, результаты для 1 о уточнились: 111, 57 км и 110, 5 км. • В 1636 г. Р. Норвуд в Англии измерил длину 1 о с ошибкой в 0. 5 км. • В 1671 г. Жан Пикар в Жювизи (под Парижем) получил еще более точное значение 1 о меридиана равным 111, 204 км, что отличается от современного среднего значения всего на несколько десятков метров (111, 15 км).

А Птолемей-то был прав… • В 1672 -1673 гг. - Ж. Рише в Кайенне (5 о С. Ш. ) обнаружил уменьшение силы тяжести близ экватора (вот когда подтвердился древний вывод Птолемея!).

2. Исследование геомагнетизма. • Первые глобальные геомагнитные исследования Земного шара (1698 - 1700 гг. ) были проведены в двух морских экспедициях Галлея, где он был еще и капитаном небольшого корабля, - в Атлантическом и Индийском океанах. В результате Галлей составил первую в мире детальную "Генеральную карту вариаций (склонений) компаса" (опубликована в 1701 г. ). Одной из целей оставались поиски нового метода определения долготы на море (Галлей имел в виду сравнение величины магнитного склонения, измеренного в море и отмеченного на карте склонений).

3. Свойства атмосферы. • В XVII в. стремление повысить точность наблюдений вновь привлекло внимание к явлению рефракции и составлению новых, после Кеплера, таблиц для учета этого эффекта (Кассини, Флемстид ). • Гук со своей необъятной широтой интересов первым объяснил мерцание звезд более реалистически: "инфлексией"- изгибанием лучей света на неоднородностях атмосферы.

ИТОГИ • Таков был первый «урожай» , собранный астрономами в первую эпоху оптической астрономии – эпоху рефракторов.