Сергей Арктурович Язев
Лекции о Солнце
Впрочем, до этого оставалось еще далеко. Что касается Солнца, то и перемена его местоположения ничего не изменила в наших знаниях о нем. Природа Солнца по-прежнему оставалась загадочной. Человек знал о нем только то, что это огненный источник света и тепла, размещенный очень далеко от Земли. Новые знания о Солнце принесла телескопическая эпоха, начавшаяся в эпоху «коперниканской революции».
В 1608 году произошло событие, которое коренным образом изменило развитие астрономии, в том числе и астрономии солнечной. Шлифовальщик очковых стекол из голландского города Миддельбурга по имени Липперсгей соорудил зрительную трубу с двумя линзами. Антони Паннекук в своем основательном труде «История астрономии» указывает, что голландский оптик, по-видимому, не был первым. Некто Захариас Янссен из того же города, по некоторым данным, изготовил подобную трубу еще в 1604 году, в свою очередь скопировав ее с экземпляра, принадлежавшего неизвестному итальянцу. Очевидно, идея носилась в воздухе, и кое-кому уже удавалось строить подзорные трубы, а возможно, кто-то уже смотрел в них на небо. По-видимому, именно поэтому Липперсгею не удалось получить желаемого патента на изобретение. Свою конструкцию он предложил принцу Морису Оранскому и Генеральным штатам Голландии. В результате информация о новом оптическом приборе оказалась задокументированной.
Дальше произошла важная для дальнейшей истории астрономии утечка информации! Слухи об удивительном приспособлении, позволяющем рассматривать удаленные предметы, широко распространились. Об этом написал в своем письме венецианский посланник в Париже. Письмо было адресовано молодому профессору Падуанского университета Галилео Галилею (1564–1642). Галилей быстро ухватил суть дела и летом 1609 года построил у себя в мастерской описанную конструкцию. Коллега Галилея физик Демесиани предложил для нее название – «телескоп». В том же году Галилей уже демонстрировал свой первый телескоп в Венеции. Это было выдающееся достижение. Неслучайно в ознаменование 400-летия тех событий ООН объявила 2009 год годом астрономии.
Новый прибор быстро совершенствовался. В августе 1609 года Галилею удалось довести увеличение до 32 раз при 53-миллиметровом объективе. Зимой 1609–1610 годов Галилей выполнил цикл астрономических наблюдений, которые позволили ему сделать серию выдающихся открытий, включая наблюдения пятен на Солнце. О своих наблюдениях Галилей писал в своих письмах знакомым и коллегам. В марте 1610 года появилось его сочинение Sidereus Nuncius («Звездный вестник»), вызвавшее сильную (в том числе эмоциональную) реакцию среди просвещенной части европейского общества. Не будет преувеличением сказать, что под влиянием этой исторической брошюры целый ряд ученых начали самостоятельные телескопические наблюдения.
Мы не будем описывать все открытия Галилея, чтобы не отвлекаться от солнечной темы (ученый «снял сливки», немедленно открыв все то, что неизбежно можно было открыть, впервые внимательно посмотрев в небо через телескоп). Остановимся на главном для нас – телескопическом открытии солнечных пятен, о котором, впрочем, в «Звездном вестнике» не говорилось ни слова.
На самом деле, как это ни парадоксально, Галилей не был первым, кто открыл солнечные пятна. И дело даже не в том, что, строго говоря, пятна на Солнце люди видели давно. Точнее говоря, не могли не видеть, – достаточно было просто посмотреть на Солнце! Иногда на Солнце появляются темные пятна гигантских размеров, которые нетрудно увидеть невооруженным глазом, безо всякого телескопа, – конечно же, при наблюдениях сквозь дым или туман или низко над горизонтом.
Первое упоминание о пятнах на Солнце приписывается ученику Аристотеля Теофрасту (390–290 годы до н. э.). Согласно имеющимся данным, регистрировали пятна на Солнце и китайские астрономы еще в 301 году до н. э. (Аристарху, например, тогда было 10 лет). С 28 года до н. э. по 1638 год н. э. крупные пятна на Солнце были описаны в официальных китайских хрониках не менее 112 раз, не считая ссылок на другие источники. Ранние записи о солнечных пятнах есть в летописях Японии и Кореи. Описания подобных наблюдений хранятся в летописях разных стран, например, в Никоновской летописи, где упоминаются черные пятна, «аки гвозди» забитые в солнечный диск. Пятна на Солнце были замечены сквозь дым лесных пожаров и упомянуты в русских хрониках 1365 и 1371 годов.
Рис. 7. Пятна на Солнце, иллюстрация к книге Галилея «Письма о солнечных пятнах» (1613)
«Взирая на Солнце, прищурь глаза свои, и ты смело разглядишь на нем пятна», – написано у Козьмы Пруткова. На самом деле это не совсем так: крупные пятна, которые видны невооруженным глазом, все-таки возникают нечасто, но за минувшие тысячелетия люди видели их не раз.
Есть сведения (впрочем, непрямые), что пятна на Солнце можно было заметить на изображении Солнца, спроектированном на экран через небольшое отверстие (эффект камеры-обскуры). Известный московский астроном и популяризатор астрономии, автор многих книг Владимир Георгиевич Сурдин нашел подтверждение этому предположению, наблюдая изображение Солнца на полу европейских соборов: свет проникал в помещение через отверстия в высоких сводах.
Наблюдения с помощью камеры-обскуры были выполнены 18 мая 1607 года великим немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630), но он принял увиденное пятно за планету Меркурий на фоне солнечного диска!
Рис. 8. Камера-обскура
В начале телескопической эпохи темные пятна на Солнце обнаружил не только Галилей, поскольку телескопы стали появляться и у других исследователей. Иоганн Гольдшмидт (Фабрициус, 1587–1615) в Голландии, Симон Мариус (1573–1624), астроном и врач при брате Маркграфа Бранденбургского, Христофор Шейнер (1575–1650) в Германии и Томас Гарриот (1560–1621) в Англии независимо выполнили первые наблюдения пятен на Солнце с помощью телескопов. Первоначально, судя по всему, возможность проектирования изображения на экран не была реализована, и первые наблюдатели солнечных пятен, рискуя испортить (и даже потерять) зрение, рассматривали Солнце в окуляры своих телескопов. Для этого им приходилось дожидаться утреннего или вечернего тумана, работавшего как эффективный светофильтр (но при этом атмосферная рефракция вблизи горизонта, конечно же, сильно искажала изображение).
Примечательно, что новое явление описывалось, расценивалось и интерпретировалось разными исследователями по-разному.
Гарриот увидел пятна на Солнце в декабре 1610 года, но этот факт стал известен научной общественности лишь спустя годы.
Фабрициус стал детально зарисовывать увиденное. В июне 1611 года он опубликовал в книге De Maculis in Sole Observatis, т. е. «Пятна, наблюдаемые на Солнце», результаты своих наблюдений, проведенных еще в марте, и сообщил, что Солнце, по-видимому, вращается вокруг своей оси. Следя за перемещениями трех пятен по поверхности Солнца ото дня ко дню, он сделал этот совершенно правильный вывод и оценил период вращения Солнца примерно в месяц. Впоследствии отец и сын Фабрициусы применили метод проектирования изображения Солнца на экран, что существенно упростило (и обезопасило!) их наблюдения. Впрочем, похоже, что сами исследователи не придали своему поистине важнейшему открытию должного значения.
Заметим, что к этому времени, еще весной 1611 года, Галилей уже демонстрировал солнечные пятна жителям Рима с помощью своего телескопа. Позднее стало известно, что Галилей наблюдал пятна еще раньше, в июле-августе 1610 года, но свои результаты он к тому времени еще не опубликовал. Заметим, что европейская научная традиция уже в те времена была непреклонна. Она гласила: научный факт становился таковым только после соответствующей публикации.
Весной 1611 года начал свои наблюдения патер Христофор Шейнер, иезуит из Ингольдштадта, которому помогал его ученик Цизат. Шейнера, безусловно, нельзя назвать рядовым священнослужителем. Он изучал древнееврейский язык и математику, а впоследствии стал профессором математики в Риме. Шейнер, подобно Фабрициусу и последовавшему его примеру Галилею, применил проецирование телескопических изображений Солнца на белый экран, что позволило ему наблюдать светило в любой ясный день, не подвергая риску собственное зрение. Ранее он использовал для наблюдений Солнца цветные стекла в качестве фильтров для его телескопа.
Первое пятно на Солнце, увиденное Шейнером, было принято им за дефект телескопа. Но довольно быстро он убедился в реальности феномена пятен. Однако исследователь столкнулся с вполне ожидаемой по тем временам сложностью. Его церковное начальство отказалось поверить в существование солнечных пятен, поскольку небесное светило не могло быть «рябым»! Заявление о запятненности Солнца было воспринято как ересь. Религиозные догматы в который раз встали на пути научного поиска…
Шейнер искал выход из положения. Ему запретили публиковать результаты под своим именем – страшный удар по самолюбию исследователя… Тогда он написал три анонимных письма некоему Марку Вельзеру, богатому аугсбургскому коммерсанту, который был другом Галилея. В эти письмах Шейнер рассказывал о своем открытии. Вельзер переправил письма Галилею, который ответил ему тремя собственными (не анонимными) письмами, где описывал собственные наблюдения солнечных пятен начиная с лета 1610 года. В первом из этих писем Галилей, помимо прочего, сообщил, почему он сам до сих пор не известил мир об этих наблюдениях. Вот что писал ученый:
«Как Ваше Превосходительство хорошо знает, некоторые недавние открытия, которые отличались от распространенных взглядов, шумно отрицались и опровергались, что принуждает меня молчать о любой своей новой идее до тех пор, пока я не исследую ее окончательно».
Галилей, по-видимому, намекал на собственное открытие неровностей (гор, долин и кратеров) на Луне. Реакция была аналогичной: католическая церковь была возмущена еретическим утверждением, что ночное небесное светило неидеально.
Возвратимся к Шейнеру. Можно сказать, что ему трудно было позавидовать. Непосредственное начальство запретило ему публиковать результаты поразительного открытия! Причин было несколько. Во-первых, схоластическая традиция в принципе не допускала новых открытий, позволяя только цитировать и комментировать Священное Писание и классиков. Главный авторитет в области науки – Аристотель – нигде в своих трудах ни о каких пятнах на Солнце не упоминал! Значит, никаких пятен на Солнце и быть не могло.
Во-вторых, как уже упоминалось выше, выглядело кощунственным посягательство на идеальную чистоту Солнца, которое, согласно Священному Писанию, являлось светилом для дневного времени, творением Создателя, а согласно Аристотелю – особым объектом надлунного мира, состоящим из особого небесного элемента – эфира.
Десятилетие спустя, как указывала Агнесса Кларк в своей книге «Общедоступная история астрономии в XIX столетии», в 1620 году некий каноник Жан Тард рассуждал таким образом: «Солнце – глаз мира, а глаз мира не может страдать бельмом, следовательно, то, что мы видим, – ни в коем случае не сор или грязь на поверхности Солнца, а, конечно, множество небольших планет, пролетающих мимо Солнца».
Эта идея, нацеленная на то, чтобы спасти Солнце от подозрения в неидеальности, была (сознательно или вынужденно) применена Шейнером.
В 1612 году Христофор Шейнер опубликовал сообщение о собственных наблюдениях. Темные пятна на фоне солнечного диска интерпретировались им как многочисленные малые планеты, оказавшиеся между Солнцем и Землей.
Во всех книгах и учебниках указана эта стратегическая ошибка Шейнера, который отстаивал правильность признанной церковью системы Аристотеля – Птолемея. Напомним, что согласно этой системе все планеты, равно как и Солнце, двигаются вокруг неподвижной Земли. В рамках этой теории все планеты должны двигаться вокруг Земли с запада на восток. Именно такое перемещение пятен по диску Солнца и обнаружил Шейнер, что он считал сильным аргументом в пользу своей интерпретации. Увы, он не учел, что его телескоп переворачивает изображение, и истинное направление движения пятен оказалось противоположным ожидаемому направлению движения планет!
Но как раз это заметил Галилей! Известный российский гелиофизик Эдвард Владимирович Кононович в своей книге «Солнце – дневная звезда» указывал, что выполненный в полном соответствии с правилами научного метода цикл наблюдений Солнца позволил Галилею собрать неопровержимые доказательства того, что пятна либо «принадлежат поверхности Солнца, либо весьма близки к ней».
Галилей скрупулезно зарисовывал пятна. Он обнаружил, что пятна, как правило, появляются не по одному. Было введено понятие группы пятен. Группы пятен оказались чрезвычайно разнообразны по своей сложности, насчитывая порой до нескольких десятков пятен разных размеров, объединенных в одну систему. По пятнам Галилею удалось определить (как указано выше, это было сделано вслед за Фабрициусом) синодический (относительно земного наблюдателя) период вращения Солнца вокруг своей оси – около 28 суток. В результате получалось, что любую точку поверхности Солнца можно непрерывно наблюдать чуть меньше двух недель – потом эта точка оказывалась на обратной стороне светила, пока снова, еще две недели спустя, не покажется на восточном краю (лимбе) солнечного диска.
При этом Галилею удалось показать, что группа пятен за несколько дней непрерывных наблюдений может сильно изменяться! Менялись конфигурация всей группы и форма отдельных пятен, менялось и количество пятен в группе. Становилось понятно, что эти транформации никак не могут объясняться гипотезой о малых планетах. Невозможно было вообразить, чтобы планеты на глазах наблюдателей меняли размеры, появлялись, исчезали и вдобавок приобретали сложную, подчас совершенно не круглую форму. Даже далекие от совершенства первые телескопы в начале XVII века обеспечивали возможность наблюдения этих свойств солнечных пятен. Это хорошо видно по зарисовкам Галилея. Но то же видно и на зарисовках Шейнера!
И это наводит на важную мысль. Автор настоящей книги сам почти 20 лет наблюдал Солнце в телескоп (правда, уже не зарисовывая, но фотографируя солнечный диск с пятнами сначала на фотопластинки, а затем на цифровую матрицу). Свидетельствую: принять группы солнечных пятен за множество малых планет невозможно. С некоторой оговоркой это еще можно сделать по нескольким единичным наблюдениям, если попадется симметричное круглое пятно и если наблюдения проводятся с плохим телескопом либо при плохих погодных условиях. Сложная же группа пятен с множеством динамично развивающихся отдельных ядер категорически не похожа на группу пролетающих на фоне светила малых планет. Думаю, что и Христофор Шейнер это понял довольно скоро. А это значит, что утверждение Шейнера было вынужденным. Он не ошибался. Его, скорее всего, заставили так утверждать непреодолимые обстоятельства.
Каково было Шейнеру? Он своими глазами видел некую новую сущность, ранее до него не описанную никем в мире, – загадочные солнечные пятна, которые у него на глазах появлялись, менялись и исчезали. До открытия физической сущности пятен оставалось почти 300 лет, и соприкосновение с новой природной загадкой, безусловно, волновало. Об этом хотелось объявить, поделиться, а гордость и амбиции открывателя – не последнее дело в психологии исследователя.
Но проблема была в том, что весь авторитет католической церкви, господствующей идеологии христианства препятствовал таким утверждениям. Этого не могло быть согласно существовавшим канонам! А если все-таки было, то оставалась единственная допустимая версия (малые планеты вблизи Солнца), в которой Шейнер, скорее всего, вскоре разочаровался.
Иезуит Шейнер не хотел быть еретиком, да и не был им. Он был последовательным католиком и не мог написать иного! Времена были суровые. Прошло чуть больше 10 лет со времени костра, на котором сожгли великого мыслителя и еретика Джордано Бруно. Оставалось совсем немного до уже упоминавшегося выше знаменитого запрета 1616 года, который католическая церковь наложила на пропаганду идеи Коперника о том, что Солнце находится в центре мира. Возможно, Шейнер в глубине души завидовал светскому ученому Галилею, который работал без особой оглядки на авторитеты и запреты: последние лишь заставляли его работать тщательнее и писать убедительнее. Впрочем, как известно, логичность и убедительность доводов Галилея не спасли его от суда инквизиции.
Цикл исследований солнечных пятен Галилей завершил в 1613 году. Результаты своей работы он опубликовал в книге Istoria e Demonstrzioni intorno alle Macchie Solari («Описания и доказательства, относящиеся к солнечным пятнам»). Здесь были приведены оригинальные зарисовки пятен и опубликованы упоминавшиеся выше исторические письма Марку Вельзеру. По сути дела, работа Галилея была ответом на тексты Шейнера. Галилей был чрезвычайно убедителен: аргументация Шейнера была разгромлена. Факты наблюдений и неопровержимая логика Галилея не оставляли сомнений: пятна – суть детали самого Солнца. При этом Солнце вращается в направлении, противоположном предсказаниям системы Птолемея, с периодом около 28 суток вокруг оси, которая наклонена к плоскости земной орбиты под углом, чуть меньшим 90 градусов (позднее угол был уточнен – около 83 градусов). Шейнер был не только иезуитом, но и ученым, понимавшим язык логики. Он был вынужден признать правоту Галилея.
Увы, дальше произошло то, что иногда бывает в научном (впрочем, и не только научном) мире. В 1623 году Галилей пренебрежительно отозвался о своих оппонентах, пытавшихся опротестовать его приоритет в целом ряде астрономических открытий. В тексте Галилея Шейнер прямо не назывался, но последний воспринял высказывания ученого как прямое оскорбление. Спор Галилея с Шейнером перерос в ссору и многолетнюю личную вражду. Каждый из ученых претендовал на первенство, приоритет на открытие. Как писали в своей классической монографии «Солнечные пятна» известные австралийские гелиофизики Р. Брей и Р. Лоухед, «этот спор привел к тому, что Шейнер стал злейшим врагом Галилея, и, вероятно, в значительной степени содействовал враждебности, с которой иезуиты стали относиться к Галилею». В книге Macchie Solari Галилей впервые заявил о своей приверженности учению Коперника. Здесь он говорил о важности наблюдений, экспериментального исследования природы, намекая на тупиковость схоластического подхода.
После появления в 1616 году вердикта церкви, запрещающего пропаганду идей Коперника, по секретному доносу (увы, распространена версия, что именно Христофор Шейнер имел к нему прямое отношение) Галилея вызвал к себе кардинал Беллармин. Выдающемуся ученому было категорически запрещено пропагандировать и даже разделять (!) взгляды Коперника.
Конфликт продолжался. Некогда относившийся к Галилею по-дружески Папа Римский Урбан VIII перешел в стан его личных врагов. В 1633 году уже пожилой, слепнущий (не во время ли первых телескопических наблюдений Солнца он повредил зрение?..) Галилей был вынужден на коленях публично отречься от своих взглядов. Воистину, это одна из самых мрачных сцен в истории христианства, да и всей европейской цивилизации! В этой истории, как это было не раз, христианская религия проявила себя как крайне консервативный оплот невежества, преследователь свободомыслия, противник логики и интеллектуального поиска. Видимо, осознавая это, Папа Римский Иоанн Павел II спустя почти четыре столетия официально признал ошибочной тогдашнюю позицию католической церкви по отношению к Галилею[1].
История представляет именно Галилея в роли первооткрывателя солнечных пятен. Мы увидели, что формально это не совсем так. Но нужно признать, что именно Галилей в 1613 году первым доказательно оповестил мир о том, что темные образования на сияющем фоне солнечного диска суть детали самого Солнца, а не гипотетические планеты, проецирующиеся на светило.
Тем временем, посрамленный и, видимо, оскорбленный Шейнер продолжал регулярные и настойчивые наблюдения Солнца, тогда как Галилей их прекратил. В 1630 году была опубликована книга Шейнера, где содержались многочисленные зарисовки солнечных пятен. Книга вышла под названием Rosa Ursina sive Sol («Роза дома Орсини») и была посвящена, как тогда было принято, некоему герцогу. На гербе герцогов Орсини фигурировали роза и медведь, что, собственно, и вызвало к жизни название, столь странное для восприятия сегодняшнего дня.
Рис. 9. Рисунок из Rosa Ursina sive Sol Христофора Шейнера
Первая часть книги посвящена критике Галилея, далеко не во всем справедливой. Но этот трактат важен, конечно, не этим. Работа Шейнера показала, насколько необходимы для науки систематические, длительные наблюдения природных явлений.
Во-первых, зарисовки Шейнера оказались едва ли не единственными свидетельствами уровня солнечной активности в начале XVII века, и поздние исследователи использовали его материалы для воссоздания картины пятнообразования на Солнце в эти годы. Уже из наблюдений Шейнера было видно, что число пятен на Солнце регулярно меняется – бывают периоды, когда их очень много, а бывает, что их нет совсем. Труды астронома-иезуита помогли впоследствии уточнить открытую позже закономерность: 11-летнюю цикличность солнечной активности.
Во-вторых, как и Галилей, Шейнер обнаружил, что пятна на Солнце появляются не где попало, а в пределах зоны, простирающейся на 30 градусов к северу и югу от экватора. Эту зону Шейнер назвал «королевской», так она называется на профессиональном языке гелиофизиков и по сей день.
В-третьих, регулярные наблюдения позволили Шейнеру выявить фундаментальное свойство вращения Солнца – его дифференциальность. Суть феномена заключается в том, что экваториальные слои Солнца вращаются быстрее, чем полярные, причем различие составляет почти 30 %! На сегодняшний день известно, что для широты 16 градусов средний синодический период (относительно Земли) составляет 27,275 суток. Во времена Шейнера в качестве реперов (опорных меток) на поверхности Солнца могли использоваться только пятна, поэтому о сказать что-либо о скорости вращения на высоких широтах было невозможно, – там просто не за что было зацепиться взгляду! Но дифференциальность вращения в королевской зоне наблюдалась (по пятнам) вполне отчетливо, и всякий мыслящий человек мог сделать заключение, что твердое тело так вращаться не может! Это был первый научный факт (конечно, кроме факта высокой излучающей способности и, соответственно, очевидно высокой температуры Солнца), который можно было использовать для понимания физической природы светила.
Наконец, на зарисовках из Rosa Ursina явственно видна неоднородная структура крупных пятен: темная «сердцевина» (тень) и окружающая ее серая «каемка» (полутень). Такие же выводы были сделаны и Галилеем.
Оба исследователя обратили внимание на то, что группы солнечных пятен, как правило, бывают окружены областью повышенной яркости. Эта область порой имела сложную форму, и в дни с хорошим качеством изображения было видно, что она состоит из множества ярких округлых узелков. Эти зоны первоначально были названы Шейнером «маленькими светочами», а позднее получили окончательное название – факелы. Удивительным было то, что факелы хорошо выделялись на восточном краю Солнца, но по мере того как Солнце поворачивалось ото дня ко дню и факелы оказывались в центральной зоне солнечного диска, их контраст почему-то резко понижался, и они становились неразличимыми. Приближаясь к западному краю Солнца по мере вращения светила, факелы снова становились заметными. Удалось отметить, что факельные поля меняют свою конфигурацию не так быстро, как пятна, могут появляться до пятен и исчезать существенно позже после исчезновения пятен.
И еще одно свойство (впрочем, не сразу замеченное) удалось отметить в процессе наблюдений Солнца в телескоп. Оказалось, что яркость светила неодинакова! Ближе к краям диска Солнце оказалось чуть темнее. Факт потемнения Солнца к краю свидетельствовал о каких-то его физических свойствах, которые также удалось расшифровать значительно позднее.
Впервые за всю историю удалось обнаружить хоть какие-то явления и процессы на Солнце. Светило оказалось «неидеальным». «Идеальность» (в смысле абсолютной неизменности) Солнца в прошлом не давала исследователям возможности понять его природу: им было не за что «зацепиться». Выдвигались совершенно умозрительные (в смысле бездоказательности) версии о его сущности только потому, что фактически не было известно никаких свойств Солнца, которые можно было бы хоть как-то интерпретировать! Все известные свойства можно было выразить одной фразой: «излучающий свет и тепло гигантский диск (или шар) в небе». Теперь же становилось понятно, что на Солнце идут какие-то процессы, причем достаточно нерегулярные: динамика солнечных пятен и факелов выглядела первоначально совершенно хаотичной.
Было бы справедливо, если бы и Галилео Галилей, и Христофор Шейнер, и Иоганн Фабрициус вспоминались почаще благодарными потомками как первые ученые, заложившие основу телескопических наблюдений Солнца. Эти наблюдения позволили наконец после полуторатысячелетнего перерыва сделать новый шаг в понимании того, что же представляет собой дневное светило.
К линзе мильонократной
Если глаза прильнут,
Белкой – по снегу —
Пятна
Вспыхивают там и тут…
Так написал поэт Николай Зиновьев. Понятие «солнечные пятна» прочно вошло в культурный код человечества.
