Открытие по ошибке: как астрономы нашли Плутон

22 февраля 12:00

244

14 минут на чтение

18 февраля 1930 года молодой американский астроном Клайд Томбо занимался тем же, чем и практически весь предыдущий год. Он поместил в прибор под названием блинк-компаратор две фотопластинки и начал сравнивать их. Так он надеялся увидеть небольшую сместившуюся точку, которая в теории должна была соответствовать неуловимой планете Икс. Томбо уже находил подобные точки, но они оказывались астероидами, кометами или просто фотодефектами.

Так что, когда Томбо в очередной раз обнаружил сместившуюся точку, он вряд ли понял, что совершил одно из главных астрономических открытий XX века. Но в тот день госпожа удача улыбнулась юному астроному. Он нашёл Плутон — необычное тело Солнечной системы, которое сперва носило статус девятой планеты, а потом его потеряло. По случаю 95-летней годовщины открытия Плутона мы расскажем, как именно его обнаружили. В этой истории смешалось всё: неправильные расчёты, удивительные совпадения, судебные тяжбы и триумф человека, который поверил в мечту.

В поисках планеты Икс

Уран. Снимок 2005 года

NASA

Эпопея с обнаружением Плутона похожа на исторический детектив, события которого растянулись более чем на сотню лет. Его первая глава началась 13 марта 1781 года, когда Уильям Гершель открыл Уран.

Справедливости ради, до 1781 года астрономы неоднократно наблюдали Уран. Но не стоит недооценивать силу инерции мышления. Хоть люди использовали телескопы уже почти два столетия, мысль о том, что в Солнечной системе может быть больше планет, чем видно невооружённым глазом, по-прежнему была достаточно революционной, чтобы её можно было так просто допустить. Именно поэтому сам Гершель сперва не понял, что нашёл планету. Он принял обнаруженный им объект за комету — и далеко не сразу поменял мнение.

Открытие Урана не только в прямом смысле слова раздвинуло границы мироздания, но и стало важной точкой отсчёта для проверки относительно нового закона всемирного тяготения. В течение следующих десятилетий астрономы следили за движением Урана по орбите и сравнивали, как оно соотносится с выкладками Ньютона. Со временем выяснилось, что планета «своевольничает», то опережая своё расчётное положение, то отставая от него. Объяснений этого феномена было несколько. Самое смелое — на Уран воздействует гравитация ещё не открытой планеты Солнечной системы. В результате в 40-х годах XIX века между французскими и британскими учёными началась своеобразная астрономическая гонка: они пытались рассчитать координаты этой самой планеты и найти её.

Модель телескопа, с помощью которого Гершель открыл Уран

Mike Young

Преуспели французы. В 1846 году астрономы Иоганн Галле и Генрих д’Арре, руководствуясь расчётами математика Урбена Леверье, обнаружили небесного возмутителя спокойствия — восьмую планету Солнечной системы, которая получила название Нептун.

Казалось бы, на этом в истории можно было ставить точку. Но нет. После того как учёные внесли Нептун в гравитационное уравнение, в движении Урана всё ещё оставались отклонения. Совсем небольшие, в десятки раз меньше тех, что вызывал Нептун. Однако не все были согласны их игнорировать. В результате появилась гипотеза о существовании ещё одной неизвестной планеты Солнечной системы — планеты Икс.

Но как её найти? Планета Икс должна была находиться на ещё бóльшем расстоянии от Солнца, чем Нептун. Даже в самых мощных телескопах того времени она выглядела бы как очень тусклая звёздочка, движение которой практически не заметно глазу. Задача выглядела невыполнимой — профессиональные астрономы попросту отказались за неё браться.

И тут на сцену вышел любитель — американец Персиваль Лоуэлл. Ему, выходцу из богатой семьи, была уготована карьера бизнесмена. Вот только сам Лоуэлл не питал интереса к предпринимательству. В душе он был путешественником и учёным. Лоуэлл много лет странствовал по Азии и написал по мотивам поездок несколько книг. Затем он переключил внимание на новое увлечение — астрономию. Лоуэлла захватили истории о марсианских каналах, и ему захотелось лично заняться их поисками. Для этого он профинансировал строительство частной обсерватории на вершине горы неподалёку от аризонского города Флагстаффа.

Персиваль Лоуэлл — путешественник, астроном, мечтатель

James E. Purdy

Пятнадцать лет Лоуэлл кропотливо изучал Марс, делая зарисовки его поверхности и издавая книги, в которых рассказывал о найденных им марсианских каналах. Он считал, что жители Красной планеты построили их, чтобы использовать воду из полярных шапок для орошения умирающего мира. Хотя большинство профессиональных астрономов относились к результатам наблюдений Лоуэлла скептически (итогом стала его изоляция в научных кругах), его книги разлетались как горячие пирожки. Истории про древнюю марсианскую цивилизацию, следы которой сохранились до наших дней, во многом обязаны популярностью усилиям Лоуэлла.

К счастью для нас, астроном-любитель интересовался не только Марсом. Его увлекла и теория о планете Икс. Лоуэлл ухватился за идею о том, что небольшие отклонения в орбите Урана, которые нельзя объяснить влиянием Нептуна, вызваны гравитацией пока не открытого небесного тела. Он провёл математические расчёты: они показали, что неуловимая планета должна находиться где-то в районе созвездия Близнецов. Лоуэлл приступил к поискам: он фотографировал и сравнивал снимки участков неба, пытаясь найти сместившиеся объекты.

Обсерватория Лоуэлла

Pretzelpaws [CC BY-SA 3.0]

И вот 19 марта и 7 апреля 1915 года его обсерватория дважды сфотографировала Плутон. Увы, но открытие так и не состоялось. По горькой иронии судьбы, на одном снимке изображение Плутона наложилось на звезду, а на другом — попало на дефект пластинки. В 1916 году Лоуэлл умер, а его жена Констанция решила оспорить завещание мужа и начала многолетнюю тяжбу с обсерваторией за его деньги. Судебные баталии растянулись на десятилетие и поставили обсерваторию на грань банкротства. В этой ситуации о продолжении поисков планеты Икс не могло быть и речи.

К 1927 году суды наконец завершились, и обсерваторию передали под управление племянника Лоуэлла. Он решил продолжить работу знаменитого дяди и довести её до конца. Первым шагом стало приобретение современного фотографического телескопа. Вторым — поиск человека, который взвалил бы на свои плечи непосильную ношу и взялся бы найти планету Икс. Таким человеком и стал Клайд Томбо.

Триумф воли

Томбо был сыном бедного фермера и потому не мог даже мечтать о высшем образовании. Более того, в какой-то момент ему пришлось на год оставить школу, чтобы помочь семье.

Впрочем, это не мешало ему с ранних лет увлекаться астрономией. Томбо запоем читал всё о космосе, что только мог достать, мастерил самодельные телескопы и зарисовывал планеты. Узнав, что обсерватория Лоуэлла ищет сотрудника, 23-летний Клайд набрался смелости и отправил туда свои рисунки. В ответ он получил приглашение на работу.

Клайд Томбо с самодельным телескопом

Томбо начал охоту на планету Икс в 1929 году. Он взял за основу расчёты Лоуэлла и разбил сектор поисков на маленькие участки. Каждый из них он фотографировал три раза с интервалом в несколько дней. На одной фотопластинке оказывались изображения тысяч звёзд. Задача Клайда заключалась в том, чтобы найти среди множества точек одну-единственную — ту, которая сместилась. Она и должна была быть планетой Икс.

В работе Томбо использовал упомянутый выше прибор под названием блинк-компаратор. В него помещались две последовательно полученные фотопластинки одного и того же участка неба. Перекидывая специальное зеркало, наблюдатель попеременно видел в окуляре блинк-компаратора одну из двух пластинок — левую или правую. Дальше ему следовало расположить их так, чтобы изображения звёзд как бы слились воедино. Если какая-то точка оказывалась смещённой, то при перебрасывании зеркальной заслонки она начинала «моргать» и выделялась на неподвижном фоне.

Не нужно объяснять, насколько сложной была поставленная перед Томбо задача. Ночью он фотографировал небо в неотапливаемом куполе обсерватории — часто при отрицательных температурах. Если Клайд не занимался съёмкой, то сидел над компаратором, внимательно просматривая пластинки.

Блинк-компаратор, при помощи которого Томбо обнаружил Плутон

Pretzelpaws [CC BY-SA 3.0]

К январю 1930 года, работая почти без выходных, Томбо (по его собственным подсчётам) проверил около двух миллионов звёзд — но тщетно. Разумеется, он много раз находил сместившиеся точки, но они оказывались астероидами или кометами. А ещё Клайд постоянно сталкивался с дефектами фотоэмульсии — тогда ему приходилось делать третью, контрольную пластинку. Дело осложнялось тем, что сектор поисков приближался к полосе Млечного Пути и количество звёзд начало резко увеличиваться.

Сложно сказать, сколько ещё Томбо сумел бы проработать в таком режиме. Но ему повезло. 18 февраля 1930 года он просмотрел пару фотопластинок, сделанных 23 и 29 января, — и нашёл сместившуюся точку, не похожую на обычный астероид. Менее качественная фотография, сделанная 21 января, подтвердила движение. Клайд поспешил в кабинет директора обсерватории, Весто Слайфера, и заявил: «Доктор, я нашёл вашу планету Икс».

Кто вы, господин Плутон?

Об открытии новой планеты объявили 13 марта 1930 года. На обсерваторию обрушилась лавина писем и телеграмм — не только с поздравлениями, но и с вариантами названия для их находки. Учёные получили больше 150 разных предложений, от Зевса до Минервы.

Вдова Лоуэлла, чья судебная тяжба более чем на десятилетие затормозила поиск планеты Икс, тоже решила приобщиться к открытию и скромно посоветовала почтить память её мужа, назвав планету… Констанцией, в свою честь. Конечно, астрономы проигнорировали такую инициативу.

Венеция Берни — девочка, давшее Плутону имя

Venetia Phair

В итоге выбор пал на Плутон. Имя предложила одиннадцатилетняя школьница Венеция Берни. Она интересовалась не только астрономией, но и классической мифологией. Когда её дед, библиотекарь Оксфордского университета, спросил у Венеции, как бы она назвала новую планету, та ответила: раз она такая далёкая и холодная, её стоит назвать Плутоном. Этот вариант так понравился деду, что он рассказал о нём знакомому астроному, а тот передал предложение Лоуэлловской обсерватории. Учёные имя тоже оценили и остановились на этом варианте — но не только потому, что он отлично подходил с точки зрения мифологии. Слово Плутон ещё и начинается с букв П и Л — инициалов Персиваля Лоуэлла.

Сразу стало понятно, что обнаруженный мир не похож на остальные восемь планет. Их орбиты лежат в плоскости эклиптики и близки к круговым. У Плутона всё не так. Он движется по вытянутой орбите, наклонённой на 17 градусов по отношению к плоскости эклиптики. В перигелии он приближается к Солнцу на расстояние 4,437 миллиарда километров, а в афелии удаляется на 7,376 миллиарда километров. Из-за этого Плутон иногда подбирается к Солнцу ближе, чем Нептун.

Была и ещё одна странность. Казалось, что после открытия Плутона поиски планеты Икс завершены, однако исследователей смущало то, что даже в самые мощные телескопы им не удавалось разглядеть диск новой планеты. Она всё равно была похожа на звезду. Поэтому считалось, что Плутон по размерам и массе напоминает Землю, но у него очень тёмная поверхность, которая почти не отражает света. Кстати, уже тогда появились осторожные догадки, что на дальних рубежах Солнечной системы может существовать пояс ледяных объектов, оставшихся после формирования Солнца, — и Плутон лишь первый из них. Но на тот момент это было лишь предположение.

Ночная сторона Плутона. Снимок, сделанный «Новыми горизонтами»

NASA

Появились и астрономы, которые, вдохновившись примером Томбо, захотели вписать своё имя в историю науки и найти ещё одну планету по его методу. Но их попытки не увенчались успехом. Иначе и быть не могло: ведь учёным требовалось вручную пересмотреть колоссальное количество фотопластинок, пытаясь разглядеть тусклые, медленно движущиеся тела. Кроме того, было неясно, откуда начинать поиски. Такую задачу, практически невыполнимую для человека, удалось решить только после цифровой революции.

Плутон по-прежнему оставался далёкой точкой, но телескопы и техники наблюдения постепенно становились совершеннее, и астрономам удалось выяснить его характеристики. Если сразу после открытия Плутон сравнивали с Землёй, то уже к концу 1940-х его массу оценивали как эквивалентную массе Марса. Возник закономерный вопрос: действительно ли Плутон — та самая планета Икс?

В следующие годы Плутон продолжали постепенно «уменьшать». В середине 1970-х выяснилось, что девятая планета покрыта метановым льдом. Это означало, что Плутон не тёмный, а наоборот, очень светлый — и его масса ещё меньше, чем считалось прежде.

Финальный гвоздь в теорию о том, что Плутон — это планета Икс, забили 22 июня 1978 года. В тот день астроном Джеймс Кристи сфотографировал Плутон и обнаружил странный выступ. Это могло означать две вещи: у планеты есть либо гора высотой под тысячу километров, либо спутник. Правильным оказалось второе предположение — новое небесное тело назвали Хароном.

Фото Харона, сделанное «Новыми горизонтами» в 2015 году

NASA

Кажется, что спутник Плутона получил имя перевозчика душ из древнегреческой мифологии. Формально это так, но не совсем. Дело в том, что Джеймс Кристи хотел дать ему наименование в честь жены Шарлин — дома её обычно называли Шар (Char). Однако он понимал, что Международный астрономический союз (МАС) этого не разрешит. Поэтому Кристи начал перебирать все варианты, связанные с богом подземного царства, и остановился на Хароне. В английском языке первые четыре буквы этого слова (Charon) совпадали с прозвищем супруги астронома.

Среди англоязычных учёных до сих пор есть разногласия относительно того, как следует произносить название Харона. Многие придерживаются классической традиции и говорят KAIR-on (Кэйрон). Но есть и те, кто, памятуя о замысле Кристи, произносят SHARR-ən — то есть Шэрон.

Открытие спутника позволило астрономам точно определить массу Плутона. Оказалась, что она составляет всего 0,02% от массы Земли — слишком мало для заметного влияния на Уран.

Изображение Урана в естественных цветах и на более коротких волнах (снимок «Вояджера-2»)

NASA

Это означало одно: расчёты Лоуэлла, на основании которых Клайд Томбо нашёл Плутон, с самого начала были ошибочными. То, что девятая планета оказалась в нужной части неба, — невероятное совпадение. Если бы не счастливый случай, Томбо мог бы всю жизнь перебирать фотопластинки, но так ничего и не обнаружить. По сути, астроном сорвал космический джекпот.

Однако не стоит забывать о том, что Томбо сам сотворил свою судьбу. Да, ему повезло, что Плутон находился в правильном месте, — но всё же он открыл его только благодаря собственному терпению и усидчивости. Клайд потратил огромное количество времени на тяжёлую работу, за которую никто не хотел браться, — и судьба вознаградила его.

А вот история поисков планеты Икс подошла к концу в 1989 году, когда аппарат «Вояджер-2» выполнил пролёт Нептуна. Специалисты использовали собранные им данные, чтобы уточнить массу восьмой планеты. Оказалось, что её тоже вычислили с погрешностью, сравнимой с массой Марса. Когда в теоретические модели вбили правильные числа, оказалось что Уран не испытывает дополнительного влияния со стороны неизвестных тел. Так что планеты Икс в том понимании, которое вкладывали в это слово, попросту никогда не существовало.

Убрать из планет

Карликовая планета Хаумеа со спутниками в представлении художника

A. Feild

Художественное изображение Эриды

NASA

Плутон вновь привлёк внимание общественности в 2006 году, когда МАС проголосовал за то, чтобы исключить его из списка планет. Это решение стало кульминацией того, что можно назвать новой эпохой великих астрономических открытий в Солнечной системе. Она стартовала в 1990-х благодаря цифровой революции. Вместо того чтобы вручную перебирать пластинки, учёные теперь загружали фотографии в специальную компьютерную программу, которая искала сместившиеся объекты.

Результаты не заставили себя долго ждать — открытия посыпались как из рога изобилия. Выяснилось, что Плутон — не причудливый одинокий странник, который непонятно как занесло на окраины Солнечной системы. Он лишь первый среди равных — крупнейшее известное тело пояса Койпера, скопления ледяных объектов, расположенных за орбитой Нептуна. Многие его обитатели по размерам сопоставимы с Плутоном: например, диаметр Эриды всего на 50 километров меньше, а масса даже больше.

Учёные столкнулись с дилеммой. Можно признать Эриду десятой планетой — но что тогда делать с Хаумеей, ведь она лишь немного уступает ей в размерах? Что делать с Макемаке, которая тоже чуть меньше? Где грань, отделяющая планеты от прочих небесных объектов? Конечно, можно было поступить так же, как когда-то поступали с астероидами. Мало кто знает, но первые четыре обнаруженных астероида сперва тоже считали планетами и до середины XIX века в Солнечной системе было 11 планет. Но по мере открытия новых астероидов стало понятно, что речь идёт о совершенно другом классе тел.

Макемаке в представлении художника

Ann Feild

Художественное изображение Седны — ещё одного претендента на статус карликовой планеты

NASA

Тот же принцип применили и к поясу Койпера. В 2006 году МАС лишил Плутон статуса планеты. Вместо этого была придумана отдельная категория карликовых планет, куда включили Плутон и несколько самых крупных объектов пояса. Кроме научных соображений, на это решение повлияли личные симпатии и антипатии. По словам руководителя миссии «Новые горизонты» Алана Стерна, не последнюю роль в понижении Плутона в звании сыграл астроном Брайан Марсден: он почему-то не любил Клайда Томбо и хотел таким образом уничтожить его наследие.

Можно долго спорить о решении МАС и корректности выбранного им определения планеты. Но всё же основной задачей союза была попытка навести порядок на границах Солнечной системы и положить конец путанице с количеством планет. И этой цели он достиг.

Томбо умер в 1997 году — он не застал изменения статуса своего открытия. А вот Венеция Берни, давшая Плутону имя, в 2006 году была ещё жива. Когда журналисты спросили, что она думает по этому поводу, Венеция ответила, что в её возрасте такие вещи уже не кажутся важными — но она бы предпочла, чтобы Плутон оставался планетой.

Мир с сердцем и голубым небом

Снимок Плутона и его сердца, сделанный «Новыми горизонтами» 14 июля 2015 года с расстояния 35 445 км

NASA

Возможно, если бы миссия «Новые горизонты» была запущена раньше, Плутон всё ещё считался бы планетой. Ведь в то время, когда МАС приняла своё решение, он был довольно безликим миром. Да, астрономы знали его основные физические характеристики и параметры орбиты. Также им удалось выяснить, что у Плутона есть атмосфера, и найти ещё несколько его спутников. Но в целом многие считали, что бывшая девятая планета — геологически мёртвый ледяной шарик, испещрённый кратерами.

В 2015 году выяснилось, что это не так. Аппарат «Новые горизонты» совершил близкий пролёт Плутона и показал мир, непохожий ни на какой другой. Не исключено, что чёрствые астрономы, которые девять лет назад проголосовали за лишение его статуса планеты, втайне всплакнули и пожалели о своём решении. Ведь Плутон поприветствовал нас, показав своё сердце.

А если без шуток, то Плутон действительно оказался не таким, как ожидалось. Например, его атмосфера, хоть она и крайне разрежённая, обладает на удивление сложной структурой. Человеческому глазу она показалась бы почти голубой. То есть Плутон — второе тело Солнечной системы, у которого есть голубое небо. А ещё на карликовой планете есть что-то вроде предрассветного тумана — он придал многим снимкам «Новых горизонтов» особое настроение.

Закат на Плутоне. Снимок «Новых горизонтов», сделанный с расстояния с расстояния 18 тыс. км.

NASA

Диаметр знаменитого «сердца» составляет 1600 километров — это две трети диаметра самого Плутона. Его западная часть, называемая Равниной Спутника, — одно из самых удивительных образований Солнечной системы. Она покрыта ярким азотным льдом и крайне молода — на ней нет ни одного заметного кратера. По бокам её окаймляют горы из водяного льда (при температурах на поверхности Плутона лёд играет роль твёрдых пород). Время от времени от них отрываются блоки, которые, словно айсберги, дрейфуют по Равнине Спутника.

Скорее всего, Равнина — огромный ударный кратер, который постепенно заполнился азотом и другими замёрзшими летучими веществами. Если посмотреть детальные фотографии её поверхности, можно увидеть, что она словно состоит из ячеек. Это своего рода плиты из азотного льда. Предполагается, что под ними находится жидкий азот. Время от времени плиты подныривают под другие, погружаются, тают, и процесс повторяется. Учёные образно сравнивают этот механизм с гигантской лава-лампой.

Горная система на юго-западе области Томбо — того самого «сердца»

NASA

Равнина Спутника — не единственная достопримечательность Плутона. Его поверхность демонстрирует удивительное многообразие ландшафтов — от древних кратерированных регионов и гор с шапками из метанового снега до участков, покрытых огромными ледяными иглами.

Так что, пускай формально Плутон больше не планета, это не делает его менее интересным. В конце концов, планета — просто слово, используемое для удобства обозначения и классификации. К тому же людям свойственно пересматривать решения. Кто знает — возможно, после новых открытий в будущем астрономы опять захотят изменить терминологию, и Плутон вернёт свой статус.

Клайд Томбо не увидел Плутон таким, каким его видели мы, — но он всё же побывал у него в гостях. На борту «Новых горизонтов» была установлена капсула с частичкой праха астронома — так что он, пускай и после смерти, сумел добраться до своего открытия. Поскольку «Новые горизонты» развили достаточную скорость, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему, Томбо станет первым в истории человеком, похороненным в межзвёздном пространстве. И это наследие уже никто не сможет отнять.