Придя к фундаментальному принципу, что часть линзы будет действовать подобно целой, легко объяснить конструкцию гелиометра. Обычная линза телескопа распиливается пополам с помощью тонкого круглого металлического диска, быстро вращаемого машиной и постоянно подаваемого наждаком и водой по краю. Режущего эффекта наждака достаточно, чтобы такой диск входил в стекло почти так же, как обычная пила проникает в дерево. Две «полулинзы», как их называют, затем монтируются отдельно в металлические держатели. Они прикрепляются к одному концу гелиометра, называемому «головкой», таким образом, что две полулинзы могут скользить бок о бок по металлическим направляющим. Эта головка затем крепится к одному концу трубки телескопа, установленной обычным способом. Конец инструмента с «головкой» поворачивается к небу при наблюдении, а на окулярном конце помещается обычный маленький увеличитель, который мы уже описали.
Наблюдатель на окулярном конце имеет контроль над определенными стержнями, с помощью которых он может толкать полулинзы по их салазкам в головке на другом конце трубки. Теперь, если он переместит полулинзы так, чтобы они встали точно бок о бок, вся конструкция будет действовать как обычный телескоп. Ибо полулинзы тогда сойдутся вместе точно так же, как если бы исходное стекло никогда не было разрезано. Но если полулинзы немного раздвинуты на своих салазках, каждая будет действовать сама по себе. Будучи слегка разделенными, каждая будет охватывать разную часть неба. Все это дело действует так, как если бы наблюдатель на окулярном конце смотрел через два телескопа сразу. Ибо каждая полулинза действует независимо, точно так же, как если бы это было полное стекло размером только в половину.
Теперь предположим, что на небе есть пара звезд, одна в части, охватываемой первой полулинзой, а другая в части, охватываемой второй. Наблюдатель, конечно, увидит обе звезды сразу, посмотрев в маленький увеличитель на окулярном конце гелиометра.
Мы должны помнить, что эти звезды появятся в поле зрения просто как две крошечные точки света. Астроном, как мы сказали, снабжен простой системой длинных стержней, с помощью которых он может манипулировать полулинзами во время наблюдения. Если он очень медленно сдвигает их в ту или иную сторону, будет видно, как две звездные точки в поле зрения приближаются друг к другу. Таким образом, их можно, наконец, сблизить настолько, что они образуют лишь одну точку света. Наблюдение с гелиометром состоит в том, чтобы таким образом свести два звездных изображения вместе, пока, наконец, они не наложатся одно на другое, и мы увидим только одно изображение. Предусмотрены средства, с помощью которых затем можно измерить величину разделения двух полулинз. Очевидно, чем дальше друг от друга на небе находятся две наблюдаемые звезды, тем больше будет разделение полулинз, необходимое для создания единого изображения их света. Таким образом, измерение разделения линз становится средством определения разделения самих звезд на небе.
Две салазки в головке гелиометра снабжены парой очень точных мер или «шкал», обычно сделанных из серебра. Их можно исследовать с окулярного конца инструмента, глядя через длинный микроскоп, предназначенный для этой специальной цели. Таким образом, получается чрезвычайно точное значение как разделения ползунков, так и расстояния на небе между исследуемыми звездами. Измерения, сделанные таким образом с помощью гелиометра, считаются самыми точными из астрономических наблюдений.
Кратко описав таким образом вид наблюдений, получаемых с помощью гелиометра, мы теперь коснемся их дальнейшего использования. Мы возьмем в качестве примера лишь одно из их многих применений — то, которое астрономы считают наиболее важным, — измерение звездных расстояний. (См. также стр. 94.)
Даже ближайшая неподвижная звезда почти невообразимо удалена от нас. А астрономы заключены на этой маленькой Земле; мы не можем преодолеть глубокое расстояние, отделяющее нас от звезд, чтобы использовать прямое измерение с помощью рулетки или геодезической цепи. Мы вынуждены прибегать к какому-то косвенному методу. Предположим, что определенная звезда подозревается, из-за своей яркости или по какой-то другой причине, в том, что она находится близко к нам в пространстве, и, таким образом, дает благоприятную возможность для определения расстояния. Выбирается пара очень слабых звезд поблизости. Их, из-за их тусклости, астроном может рассматривать как совершенно неизмеримо далекие. Затем он определяет с помощью своего гелиометра точное положение на небе яркой звезды по отношению к паре слабых. Затем дается пройти полугоду. В течение этого времени Земля двигалась по своему годовому пути или орбите вокруг Солнца. Полгода будет достаточно, чтобы перенести наблюдателя на Земле на другую сторону этого пути, и он тогда будет находиться в 185 000 000 миль от своего положения при первом наблюдении.
Делается еще одно определение положения яркой звезды относительно двух слабых. Теперь, если бы все эти звезды были одинаково удалены, их относительные положения при втором наблюдении были бы точно такими же, как при первом. Но если, как весьма вероятно, яркая звезда намного ближе к нам, чем две слабые, мы получим другое положение из нашего второго наблюдения. Ибо изменение в 185 000 000 миль в местоположении наблюдателя, конечно, повлияет на направление, в котором мы видим близкую звезду, в то время как оно оставит далекие практически неизменными. Не вдаваясь в технические детали, мы можем сказать, что из большого количества наблюдений такого рода мы можем получить расстояние до яркой звезды путем процесса вычисления. Единственное необходимое условие — иметь инструмент, который может делать фактические наблюдения положения достаточно точно; и в этом отношении гелиометр все еще не имеет себе равных.
ПОКРЫТИЯ
Вряд ли кто-то мог наблюдать небо, не заметив, насколько поведение нашей Луны отличается от поведения любого другого объекта, который мы можем видеть. Конечно, у нее есть общее с Солнцем, звездами и планетами то, что она восходит на восточном горизонте, медленно взбирается на купол неба и снова опускается и заходит на западе. Это движение небесных тел, как известно, является лишь кажущимся и вызвано вращением нашей собственной Земли вокруг своей оси. Человек, стоящий на поверхности Земли, может посмотреть вверх и увидеть над собой половину великого небесного свода, усеянного мерцающими звездами и несущего, возможно, в своем широком изгибе одну или две безмятежно сияющие планеты и лучезарную Луну. Но в любой данный момент наблюдатель не может видеть ничего из другой половины небесной сферы. Она находится под его ногами и скрыта массивным объемом Земли.
Земля, однако, вращается вокруг оси, увлекая за собой наблюдателя. И поэтому она постоянно представляет ему новую часть неба. В любой момент он видит только одну полусферу; но в следующее мгновение она уже не та же самая; небольшая часть вышла из поля зрения с одной стороны, опустившись за вращающуюся Землю, в то время как соответствующая новая секция появилась на противоположной стороне. Именно это появление мы называем восходом звезды; а соответствующее исчезновение с другой стороны называется заходом. Таким образом, восход и заход, конечно, полностью обусловлены вращением Земли, а вовсе не реальными движениями звезд; и по этой причине все объекты на небе, без исключения, должны восходить и заходить снова. Но Луна действительно имеет собственное движение в дополнение к этому кажущемуся, вызванному вращением Земли.
Где-то на заре времен ранние наблюдатели звезд придумали те причудливые созвездия, которые сохранились даже до наших дней. Они поместили могучего льва, царя зверей, на лик ночи, а также великого охотника, вооруженного дубиной и кинжалом, чтобы преследовать его. Среди этих созвездий Луна прокладывает свой сужденный путь, ночь за ночью, так быстро, что невооруженный глаз может видеть, что она движется. Нужно лишь немного силы магии воображения, чтобы вызвать из туманного прошлого картину какого-нибудь пожилого астронома, гравирующего на своих табличках Записи Луны. «Сегодня ночью она близ яркой звезды в глазу Быка». И снова: «Сегодня ночью она едет полная, и близ сердца Девы».
И почему Луна едет таким образом через звезды ночи? Современная наука преуспела в распутывании сложностей ее движения, так что сегодня лишь одна или две из самых мельчайших деталей этого движения остаются необъясненными. Но это была трудная проблема. Кто-то хорошо сказал, что лунную теорию следует уподобить высокой скале, на стороне которой интеллектуальные гиганты среди людей могут отметить свой умственный рост, но чью высоту никто из них никогда не может надеяться покорить.
Но для нашей нынешней цели нет необходимости углубляться в предмет лунного движения в его более абстрактные детали. Чтобы понять, почему Луна быстро движется среди звезд, достаточно помнить, что она быстро вращается вокруг Земли, так что завершает свой круг чуть менее чем за месяц. Мы видим ее во все времена спроецированной на далекий фон неба, на котором установлены звездные точки света, как будто предназначенные быть маяками, чтобы отмечать курс, преследуемый Луной и планетами. Сами звезды не имеют таких движений, как Луна; расположенные на расстоянии почти невообразимо большом, они могут, действительно, быть путешественниками через пустое пространство, но их путешествия сжимаются в ничтожность, если смотреть с далекой Земли. Требуются самые тонкие инструменты астронома, чтобы настолько увеличить крошечные смещения звезд на небесном своде, чтобы они могли быть измерены человеческими глазами.
Давайте снова вернемся к нашему предполагаемому наблюдателю, наблюдающему за Луной ночь за ночью, чтобы записывать звезды, к которым она близко подходит. Почему бы ему когда-нибудь не быть удивленным подходом настолько близким, что он будет казаться фактическим контактом? Луна покрывает довольно большую поверхность на небе, и когда мы помним почти бесчисленное количество звезд, было бы, действительно, странно, если бы не было некоторых позади Луны, так же как и вокруг нее.
Мгновение размышлений показывает, что это должно часто случаться; и на самом деле, если внимательно изучить наступающий край Луны через телескоп, можно часто видеть, как маленькие звезды исчезают за ним. Это самое интересное наблюдение. Сначала мы видим Луну и звезду близко друг к другу в поле зрения телескопа. Но расстояние между ними уменьшается заметно, даже быстро, пока, наконец, с поразительной внезапностью звезда не исчезает из поля зрения за Луной. Через некоторое время, варьирующееся от нескольких мгновений до, возможно, более чем часа, Луна пройдет, и мы сможем увидеть, как звезда внезапно появляется из-за другого края.
Эти интересные наблюдения, хотя и совсем не редкие, могут быть сделаны лишь очень редко астрономами, наблюдающими невооруженным глазом. Причина проста. Свет Луны настолько ярок, что он довольно сильно подавляет звезды всякий раз, когда они хоть сколько-нибудь близко, за исключением случая очень ярких. Маленькие звезды, за которыми можно довольно легко следить вплоть до края Луны в хороший телескоп, исчезают из вида невооруженным глазом, пока Луна еще на большом расстоянии. Но количество очень ярких звезд сравнительно невелико, так что довольно необычно найти кого-то, не являющегося профессиональным астрономом, кто действительно видел одно из этих так называемых «покрытий». Более того, большинство людей не информированы заранее о возникновении возможности сделать такие наблюдения, хотя они могут быть предсказаны довольно легко с помощью астрономических расчетов. Иногда у нас бывают покрытия планет, и это самые интересные из всех. Когда Луна проходит между нами и одной из больших планет, стоит наблюдать это явление даже без телескопа.
До этого момента мы рассматривали покрытия главным образом как представляющие интерес для астронома, наблюдающего невооруженным глазом. Тем не менее покрытия имеют реальную научную ценность. Именно с их помощью мы можем, возможно, лучше всего измерить размер Луны. Отмечая с помощью телескопа время исчезновения и появления известных звезд, астрономы могут привести прямое измерение диаметра Луны в диапазон своих численных расчетов. Иногда Луна проходит над сгущенным скоплением звезд, подобным Плеядам. Результаты, получаемые в этих случаях, ценны в очень высокой степени и вносят большой вклад в уточнение наших знаний о лунном диаметре.
Есть еще одна вещь, представляющая научный интерес в покрытиях, хотя она потеряла часть своего значения в последние годы. Когда такое событие было пронаблюдено, согласие предсказанного времени с тем, которое фактически записано астрономом, предлагает самую тщательную проверку правильности нашей теории лунного движения. Мы уже обратили внимание на большую внутреннюю трудность этой теории. Легко видеть, что, отмечая точный момент исчезновения звезды в месте на Земле, широта и долгота которого известны, мы можем как проверить наши расчеты, так и собрать материал для улучшения нашей теории. Тот же принцип можно использовать также в обратном направлении. В пределах точности, налагаемой состоянием наших знаний о лунной теории, мы можем использовать покрытия, чтобы помочь определить положение на Земле мест, долгота которых неизвестна. Очень интересный исторический факт, что первое определение долготы Вашингтона было сделано с помощью покрытий и что это раннее определение привело к основанию Военно-морской обсерватории Соединенных Штатов.
28 марта 1810 года г-н Питкин из Коннектикута представил Палате представителей доклад о «закладке фундамента для установления первого меридиана для Соединенных Штатов, благодаря чему может быть полностью устранена дальнейшая зависимость от Великобритании или любой другой иностранной державы в отношении такого меридиана». Этот доклад стал результатом меморандума, представленного неким Уильямом Ламбертом, который вычислил долготу Капитолия на основе покрытия, наблюдавшегося 20 октября 1804 года. В Конгрессе и комитетах проводились различные разбирательства, пока, наконец, в 1821 году Ламберт не был назначен «для проведения астрономических наблюдений посредством лунных покрытий неподвижных звезд, солнечных затмений или любого одобренного метода, приспособленного для определения долготы Капитолия относительно Гринвича». Отчеты Ламберта были представлены в 1822 и 1823 годах, но прошло десять лет, прежде чем была учреждена официальная Военно-морская обсерватория под руководством Голдсборо, Уилкса и Гиллиса. Однако именно Ламберту принадлежит честь обозначения первого фундаментального официального меридиана долготы в Соединенных Штатах.
УСТАНОВКА БОЛЬШИХ ТЕЛЕСКОПОВ
Существует много интересных практических аспектов работы астрономической обсерватории, с которыми широкая публика редко имеет возможность познакомиться. Среди них, пожалуй, первое место занимают детали, связанные с установкой большого телескопа. Автору довелось присутствовать в обсерватории на мысе Доброй Надежды, когда монтировался фотографический экваториальный телескоп, и операцию по приведению его в рабочее положение можно считать типичной для подобных процессов в других местах. (См. также стр. 86.)
Forty-Inch Telescope, Yerkes Observatory,
University of Chicago.
Прежде всего, необходимо объяснить, что подразумевается под «экваториальным» телескопом. Одна из главных трудностей при проведении обычных наблюдений возникает из-за восхода и захода звезд. Все они, по-видимому, движутся по небосводу, обычно поднимаясь от восточного горизонта, чтобы затем опуститься и зайти на западе. Поэтому, если мы хотим изучать какой-либо объект в течение значительного времени, мы должны непрерывно перемещать телескоп, чтобы не отставать от движения небесных светил. Для этой цели труба должна быть прикреплена к осям, чтобы ее можно было легко поворачивать в любом направлении. Экваториальная монтировка — это устройство, которое позволяет таким образом наводить телескоп на любую часть неба и в то же время значительно облегчает операцию по поддержанию его точной наводки после того, как звезда была приведена в поле зрения.
Чтобы понять экваториальную монтировку, необходимо помнить, что движения восхода и захода небесных тел являются лишь кажущимися и в действительности обусловлены вращением Земли вокруг своей оси. По мере вращения Земля увлекает за собой наблюдателя, телескоп и обсерваторию мимо звезд, зафиксированных на далеком небе. Следовательно, чтобы удерживать телескоп постоянно направленным на данную звезду, достаточно лишь равномерно вращать его в обратном направлении вокруг подходящей оси с такой скоростью, чтобы точно нейтрализовать вращение нашей Земли.
Под подходящей осью для этой цели мы понимаем ось, установленную так, чтобы она была точно параллельна собственной оси вращения Земли. Немного размышлений показывают, насколько просто будет работать такое устройство. Все небесные тела можно рассматривать для практических целей как чрезвычайно удаленные по сравнению с размерами нашей Земли. Вся планета сжимается до абсолютной незначительности по сравнению с расстояниями до ближайших объектов, наблюдаемых астрономами. Отсюда следует, что если наш телескоп прикреплен к такой оси вращения, как мы описали, то для целей наблюдения это будет в точности так же, как если бы ось телескопа была не только параллельна оси Земли, но и фактически совпадала с ней. Две оси могут быть разделены расстоянием, равным расстоянию между поверхностью Земли и ее центром; но, как мы уже сказали, это расстояние незначительно, насколько это касается нашей текущей задачи.
Существует еще один способ прийти к тому же результату. Мы знаем, что звезды при восходе и заходе, по-видимому, вращаются вокруг полярной звезды, которая сама кажется неподвижной. Следовательно, если мы установим наш телескоп так, чтобы он мог вращаться вокруг оси, направленной на полюс, мы сможем нейтрализовать вращение звезд, просто поворачивая телескоп вокруг этой оси с нужной скоростью и в правильном направлении. Астрономические соображения учат нас, что ось, направленная таким образом на полюс, будет параллельна собственной оси Земли. Таким образом, мы приходим к одному и тому же фундаментальному принципу установки астрономического телескопа, с какой бы точки зрения мы ни рассматривали этот предмет.