После окончания наполеоновских войн в Европе начался сравнитель- но спокойный от потрясений период экономического развития. Происходило окончательное оформление новой структуры общества, избавившегося от феодальных пережитков, и совершался переход от мануфактур к машинному производству. В это время научный прогресс не сопровождался крупными открытиями — время новой физики только начиналось.
В астрономии также происходило оформление тех ее разделов, которые были созданы в предыдущее столетие — позиционной астрономии и небесной механики. Решение таких проблем, как обнаружение годичного параллакса звезд и открытие новой планеты на основе расчетов ее гравитационного действия, показало, что «классическая» астрономия достигла зрелости. Вместе с тем, структура Солнечной системы была достаточно полно исследована в количественном плане — определены расстояния между входящими в нее телами, массы этих тел и, за некоторым исключением, хорошо описывалось их движение, что позволило создавать надежные эфемериды. Что же касается «прорыва» в Галактику, совершенного Гершелем, то он еще не получил развития и звездная астрономия находилась в зачаточном состоянии. Как в существовавших в XVIII веке, так и во вновь созданных обсерваториях проводились традиционные работы по каталогизации звезд, вычислению эфемерид и уточнению характеристик небесных тел, входящих в состав Солнечной системы. Уровень их непрерывно повышался благодаря развитию наблюдательной техники и улучшению методики наблюдений. В первую очередь усовершенствованию в 20 – 40-х годах подверглись методы позиционной астрономии. Оно было настолько глубоким, что до середины XX века эти методы почти не изменялись. Повышением своего уровня астрометрия обязана главным образом трудам Бесселя.
Фридрих Вильгельм Бессель родился в 1784 г. в небольшом городе Минден (в северо-западной части Германии). Оставив в тринадцать лет гимназию, он учился самостоятельно, а в пятнадцатилетнем возрасте поступил на службу в контору торговой фирмы в Бремене. Она вела торговлю с далекими странами, и Бесселя привлекала возможность совершения морских путешествий. Он стал знакомиться с навигационной наукой, в первую очередь с ее астрономической основой. Появившийся у Бесселя интерес к астрономии привел его к самостоятельному изготовлению секстанта и наблюдениям небесных светил. Следующий шаг в астрономии Бессель сделал, рассчитав элементы орбиты кометы Галлея по старым наблюдениям, произведенным во время ее появления в 1607 г. Ольберс (живший в Бремене), а также Гаусс одобрили эту работу, и в 1804 г. она была опубликована.
В 1806 г. Бессель, уйдя со своей должности в фирме, стал ассистентом в уже упоминавшейся обсерватории Лилиенталь, принадлежавшей И. И. Шретеру. Она обладала хорошими инструментами — среди них рефлектором с фокусным расстоянием 8.5 м. Наряду с наблюдениями комет и недавно открытых малых планет Бессель производил исследование инструментов. Им была также начата обработка материалов многолетних наблюдений звезд, выполненных в Гринвичской обсерватории Брадлеем.
За несколько лет известность Бесселя как опытного астронома стала настолько широкой, что при решении правительством Пруссии вопроса о строительстве обсерватории при Кенигсбергском университете ему была предложена должность ее директора. Строительство обсерватории продолжалось с 1810 по 1813 гг. Она была оборудована достаточно совершенными инструментами, которые изготовлялись в германских мастерских — пассажным инструментом и вертикальным кругом.
Около восьми лет заняла у Бесселя обработка наблюдений Брадлея. Им было предпринято исследование ошибок инструментов, на которых Брадлей производил наблюдения, и строго учтено влияние на результаты наблюдений рефракции, а также прецессии и нутации. Итоги всей этой работы Бессель опубликовал в книге «Основы астрономии» (1818 г.). Очень важным в этой книге было изложение созданной Бесселем теории редукций — «приведения на видимое место» — при учете аберрации, годичного параллакса (тогда еще не наблюдавшегося), прецессии и нутации. Каталог точных положений 3222 звезд, полученный Бесселем после обработки наблюдений Брадлея, имел среднюю ошибку 0.16′ по α и 0.3» по δ и был наиболее точным из имевшихся в то время. Сравнивая содержавшиеся в нем данные с теми, которые были в каталогах, составленных ранее, Бессель нашел, что уточненное значение постоянной лунно-солнечной прецессии равно 50».34, а также определил годичные собственные движения с погрешностью 0.2».
По этому каталогу, а также по другим, составленным самим Бесселем, им был образован первый фундаментальный каталог, содержавший 38 звезд — «Кенигсбергские таблицы» (1830 г.). Эта система использовалась с 1830 по 1860 год в «Берлинском астрономическом ежегоднике», а также в ежегодниках, издававшихся в других странах.
С 1813 по 1846 гг. продолжалось интенсивное исследование всех инструментов Кенигсбергской обсерватории. Важнейшим элементом предпринятой Бесселем реформы практической астрономии стала разработка теории ошибок — как инструментальных, так и обусловленных внешними причинами. Наблюдения Бесселем проводились преимущественно посредством пассажного инструмента и вертикального круга — определялись одновреенно (с использованием часов) прямое восхождение и склонение светила. Систематические ошибки возникают из-за наклонности горизонтальной оси, погрешности азимута и коллимации. Кроме того, источником погрешностей является неправильность цапф горизонтальной оси. Бесселем были разработаны методы определения величин всех этих ошибок и поправок для их учета. Кроме того, Бессель исследовал ошибку, обусловленную зависимостью фиксации моментов прохождения звезды через нити сетки от личности наблюдателя — «личное уравнение», которая объясняется, как он выяснил, психологическими особенностями наблюдателей. В течение ряда лет Бессель фиксировал эффект этой зависимости, которую невозможно устранить, а оценивать и учитывать ее приходилось только на основе экспериментов.
Многие из ошибок связаны с погрешностями, допущенными при изготовлении разделенных кругов, и деформациями конструкций инструментов под действием силы тяжести. Кроме того, на точности наблюдений сказываются и случайные ошибки, распределенные, как установил Бессель, по нормальному закону и возникающие как по инструментальным причинам, так и вследствие внешних факторов.
В 1821–1833 гг. Бесселем выполнялась обширная программа зонных наблюдений для составления каталога всех звезд до 9m в полосе значений склонения от 15◦ до +45◦. Для этого был приобретен очень точно разделенный меридианный круг, изготовленный в мастерских Рейхенбаха. За 12 лет Бесселем было сделано более 75 000 наблюдений. Зонный каталог использовался для составления звездных карт экваториального пояса, ко- торые издавались в 1826–1860 гг. под руководством Н. Энке. Они сыграли видную роль в открытии слабо светящихся небесных объектов — малых планет.
Проблема обнаружения годичного параллактического движения звезд, отражающего обращение Земли вокруг Солнца, стояла перед астрономами со времен Коперника. До XIX века, несмотря на совершенствование инструментов, посредством которых измеряются углы между небесными объектами, параллактическое смещение не наблюдалось. Бессель потерпел неудачу в своих попытках обнаружить и измерить параллакс двух звезд (1815–1816 гг.) и до 30-х годов к этому не возвращался.
В 20-е годы Вильгельм Струве (1793–1864), ставший в 1814 г. директором Дерптской обсерватории, выполнил множество наблюдений двойных звезд с целью определения их относительных движений. При этом он использовал рефрактор с объективом диаметром 24 см и нитяной микрометр. В это время параллактическое смещение им не было обнаружено, и он заключил, что годичный параллакс звезд π не превосходит 1». Возможно, именно по этой причине Бессель долго не возобновлял попыток нахождения параллакса, так как понимал необходимость усовершенствования техники и методики наблюдений.
Обладателем такой техники Бессель стал, когда в 1829 г. в Кенигсбергской обсерватории был установлен гелиометр, изготовленный Фраунгофером в 1827 г. В 1834 году начались наблюдения звезды 61 Cyg для определения ее годичного смещения. Это звезда обладает очень большим собственным движением, что могло указывать на близость к Солнцу и послужило причиной выбора ее Бесселем для поисков годичного параллакса. Положние звезды 61 Cyg определялось по отношению к двум слабым соседним звездам. Проведенные в 1837–1838 гг. наблюдения привели к выводу о том, что годичный параллакс 61 Cyg равен π» = 0.3136 0.0202 (современные определения дают для π значение π» = 0.293 0.03). Такое значение π» соответствует расстоянию до звезды, равному 10.3 св. лет. Полученную ве- личину π» Бессель счел достойной опубликования и его работа появилась в английском журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в
1838 г. Близкое к указанному значение параллакса 61 Cyg Бессель нашел после проведения второй серии наблюдений в 1838–1839 гг., подтвердив, та- ким образом, его реальность. Астрономическое сообщество нашло вполне заслуживающей доверия использованную методику нахождения параллак- са.
В 30-е годы в Дерптской обсерватории В. Струве возобновил поиски годичного параллакса, выбрав для этого звезду α Lyr, большая яркость которой давала основание считать ее близкой к Солнцу. В 1836 г. им было получено значение π, оказавшееся, как было установлено впоследствии, ма- ло отличающимся от истинного. Однако Струве, посчитав, что имевшихся наблюдений недостаточно, и возобновив их, получил в 1837–1838 гг. вдвое большее, чем найденное до этого, значение параллакса, которое и опубли- ковал как правильное. Ввиду такого несоответствия между результатами
двух последовательных определений π отношение к ним астрономов не бы- ло столь единодушным, как к работе Бесселя. Однако достижение Струве было признано, как и обнаружение в 1838–1839 гг. Т. Гендерсоном — тогда директором Капской обсерватории — годичного параллакса звезды α Cen. Система α Cen — ближайшая к Солнцу, ее годичный параллакс πjj = 0.751. Публикация об этом открытии появилась лишь в 1839 г. Гендерсон использовал иной метод нахождения параллакса — измеряя непосредственно прямое восхождение и склонение для обеих компонент этой двойной звезды и сравнивая их.
Практически одновременными и независимыми определениями годичного параллакса звезд в обсерваториях трех стран была решена одна из труднейших проблем астрономии.
Многосторонние интересы Бесселя включали также изучение комет. В одной из работ (1836 г.) он высказал мысль о том, что вещество кометы «способно к возгонке» в результате «отталкивающего действия Солнца», о возможности которого ранее высказывались Лаплас и Ольберс (без какой- либо детализации). Улетучивающиеся частицы этого вещества движутся в противоположную от Солнца сторону, образуя хвост кометы. Бессель произвел математический анализ процесса образования хвоста и тем самым предвосхитил «ледяную модель» строения кометных ядер, обоснованную лишь во второй половине XX века.
Ряд работ Бесселя относился к небесной механике. Он определял массы планет по движению их спутников и по их возмущающему действию на движение комет. Бессель также усовершенствовал теорию затмений. Им была введена до сих пор используемая система координат, облегчающая предвычисление обстоятельств затмения для любой точки земной поверхности. Кроме того, он исследовал форму земного эллипсоида, занимался проблемами гравиметрии и принимал практическое участие в организации градусных измерений. Хорошо известны математические работы Бесселя. В одной из них (1824 г.) при исследовании планетных возмущений широко использован аппарат функций, называемых теперь бесселевыми.
О высоком качестве наблюдений, производившихся Бесселем, свидетельствует его вывод о существовании у звезд Сириус и Процион «невидимых спутников», сделанный на основании наблюдаемых особенностей их собственных движений. Справедливость этого вывода, встреченного многими известными астрономами с недоверием, была полностью подтверждена открытием в 1862 г. спутника у Сириуса. У Проциона спутник был обнаружен в 1896 г. Сомнение вызывало замеченное Бесселем движение земных полюсов (на 0».3 за два года). Лишь в конце века факт движения полюсов был признан.
Одной из важных проблем, вставших перед небесной механикой в первые десятилетия XIX века,было выяснение причин отклонения наблюдаемого движения Урана от рассчитываемого по закону всемирного тяготения при учете возмущающего действия всех планет. Сотрудник Лапласа Бувар составил таблицы движения Урана. Различие между вычисленными в них и наблюдаемыми положениями планеты возрастало, достигнув к 1840 г. величины 1.5′. Вопросом о причинах отклонения движения Урана от расчетного интересовался Бессель, предположивший существование более далекой, чем Уран, планеты, вызывающей возмущения его движения. Составив план поиска этой планеты, он поручил своему помощнику Ф. Флемингу обрабатывать все имеющиеся наблюдения Урана и на их основании определить орбиту и массу возмущающего его движение тела. Флеминг в 1840 г. умер, а Бессель был настолько занят другими делами, что не смог закончить начатую по его плану работу.
Во Франции расчетами орбиты гипотетической планеты на основе наблюдаемых неравенств движения Урана занимался Урбен Жан Леверрье (1814–1877). Пересмотрев в 1845 г. теорию движения Урана, он в июне 1848 г. опубликовал результаты вычисления орбиты той планеты, которая по предположению возмущала движение Урана, и приближенно ука- зал положение, которое она в данное время занимает на небесной сфере. Несколько ранее — в сентябре 1845 г. — о результатах аналогичных рас- четов сообщил английский математик Дж. Адамс (1819–1892). В Гринвич- ской обсерватории к поиску планеты в области неба, указанной Адамсом, отнеслись недостаточно внимательно и не приложили усилий для ее обнаружения. Со своей стороны Леверье обратился к астроному Берлинской обсерватории И. Галле с просьбой изучить указанную им область неба и выяснить, не выглядит ли какое-нибудь из находящихся там светил как светящийся диск. Благодаря тому, что в распоряжении Галле была только что отпечатанная Берлинской академией наук карта неба, изготовленная по наблюдениям на 28-сантиметровом рефракторе, он обнаружил плане- ту, видимая величина которой была довольно значительной ( 8m). Вновь открытой планете дали название Нептун.
Открытие планеты «на кончике пера» продемонстрировало силу научных методов и подтвердило правильность сложившихся к этому времени у астрономов представлений о строении Солнечной системы и высокую точность, с которой выполняется закон всемирного тяготения. В течение ряда лет в околонаучных кругах велись споры о приоритете открытия Нептуна, которые ничего не дали науке и не смогли испортить существовавшие между Адамсом и Леверье хорошие отношения. Открытие Нептуна стало триумфом международного сотрудничества в науке.
В дальнейшем высказывались взгляды, согласно которым открытие Нептуна произошло случайно, так как последующие расчеты приводили к значительно большей величине большой полуоси его орбиты a (38 а. е. вместо 30 а. е.). Величина a оценивалась Леверье и Адамсом в предполо-
жении, что и для искомой планеты справедливо правило Тициуса–Боде. Однако решения задачи о положении Нептуна, полученные как Адамсом, так и Леверье, давали достаточно хорошее представление о движении Неп- туна по небу и его положении именно для периода между 1790 и 1850 гг., т. е. к тому периоду, когда наблюдались неравенства движения Урана, на которых основывались расчеты.
Развитие теории возмущенного движения выразилось не только в от- крытии Нептуна, но и в успехах кометной астрономии. Оказалось, что неко- торые из комет, наблюдавшихся в первой половине XIX века, движутся не по параболическим, а по эллиптическим орбитам, причем имеют малые пе- риоды обращения, составляющие всего несколько лет. Период обращения открытой в 1818 г. кометы Энке равен 3.3 года, так что ее орбита уме- щается внутри орбиты Юпитера. По возмущениям движения кометы при ее прохождении около Меркурия (1835 г.) удалось определить его массу. Интересным обстоятельством, причины которого тогда оставались непо- нятными, оказалось постепенное уменьшение периода ее обращения.
Афелии орбит короткопериодических комет группируются около больших (массивных) планет — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Эти коме- ты, проходя близко от той или иной планеты, испытывают сильное возмущение, переходят на другие орбиты и оказываются связанными с планетой. Достижения астрономии в первой половине XIX века в значительной мере были обусловлены изменением «культурного климата» не только в странах Западной Европы, но также в России и США. Почти одновременно там были построены крупные обсерватории, деятельность которых начала играть важную роль в прогрессе астрономии.
При огромных размерах территории России для составления географических карт требовалось определить множество астропунктов, а развитие мореплавания вызывало потребность в людях, обеспечивающих навигацию, которые должны знать астрономию. Для решения этих задач рос- сийские астрономы проводили активную деятельность, важнейшая роль в которой принадлежала академику Ф. И. Шуберту (1758–1825) и В. К. Вишневскому (1789–1855). Шуберт с 1803 г. был директором академической обсерватории в Петербурге. Он внес значительный вклад в теорию движения планет, издал курс теоретической астрономии и создал руководства по определениям географических координат. При его содействии была органи- зована Морская обсерватория в Николаеве (1827 г.) и такие же обсерватории в Кронштадте и Або (ныне г. Турку в Финляндии). Вишневский с 1806 по 1815 гг. определил координаты 250 астропунктов в европейской части России. С 1815 по 1835 гг. он читал лекции по астрономии в Петербургском университете.
В 1833–1837 гг. по инициативе и при поддержке ректора Казанского университета Н. И. Лобачевского при университете была построена астрономическая обсерватория. Лобачевский со студенческих лет глубоко изучал небесную механику и наблюдательную астрономию. В Казанском университете в течение нескольких лет был профессором известный австрийский астроном И. Литтров (1781-1840).
В 1820–1830 гг. наиболее оснащенной инструментами и активно работающей была Дерптская обсерватория. Поэтому естественно, что при реше- нии вопроса о строительстве в России большой («Главной») астрономической обсерватории директору Дерптской обсерватории В.Я. Струве (1793– 1864), широко известному в научных кругах европейских стран, было предложено разработать научные планы будущей обсерватории и руководить ее строительством.
В 1830 г. по поручению Академии наук В. Струве посетил ряд европейских стран с целью ознакомления с деятельностью имевшихся там астрономических обсерваторий. После его возвращения правительство приняло решение (1833 г.) о строительстве в окрестностях Петербурга обсерватории, которое началось в 1835 г. Инструменты для нее были заказаны у лучших немецких мастеров. Среди них был пятнадцатидюймовый рефрактор Мерца — самый крупный из существовавших в то время. В августе 1839 г. состоялось торжественное открытие Пулковской обсерватории.
В качестве основного направления деятельности обсерватории была выбрана позиционная астрономия: «составление обширных и наилучших по точности каталогов положений звезд на небе». Наряду с организацией чисто астрономических исследований перед Пулковской обсерваторией ставилась задача выполнения наблюдений, «необходимых для географических предприятий» и предполагалось «всеми мерами содействовать усовершенствованию практической астрономии». Обсерватория должна была координировать деятельность университетских обсерваторий.
В Пулковской обсерватории составлялись очень точные каталоги прямых восхождений и склонений звезд — первый из них для эпохи 1845.0. Она заняла прочное положение в отношении каталожных работ, проводившихся в европейских обсерваториях.
Для обеспечения потребностей мореплавания в США (в Вашингтоне) в 1842 г. была организована Морская обсерватория. Что же касается университетских обсерваторий в США, то в XIX веке они организовывались не на государственные деньги — их строительство и дальнейшую деятельность субсидировали частные лица. В 1840 г. при Гарвардском университете (Кембридж, штат Массачусеттс) была основана обсерватория, в которой был установлен телескоп такого же размера, как имевшийся в Пулковской обсерватории. В последующие годы эта обсерватория стала важным центром развития астрономии в Западном полушарии.
Среди событий в астрономии первой половины XIX века выделяется постройка У. Парсонсом (лордом Россом) в Ирландии в 1842–1845 гг. гигантского телескопа с зеркалом диаметром 182 см. При наблюдениях на этом телескопе в туманности M51 и затем еще в нескольких туманностях была обнаружена спиральная структура. Объяснения такой особенности туманностей в то время не имелось.