В учебниках мы читаем – «расстояние до Альфы Центавра составляет четыре с половиной световых года», «расстояние до Сириуса составляет семь световых лет» и так далее. Но откуда это известно? Как измеряют расстояния до звёзд?
Самый точный и надёжный способ определения расстояния до звезды заключается в измерении её параллакса. Что такое параллакс? Вспомните – когда мы едем в автобусе или в поезде и смотрим в окно, телеграфные столбы по краю дороги «пролетают» быстрее всего, деревья в придорожной лесополосе движутся медленнее, а далёкие холмы, домики и опоры линий электропередач – уже совсем неспеша. Наконец, если на горизонте видны горы, то кажется, что они совсем неподвижны. Именно это явление и называется параллаксом.
Параллакс – это кажущееся перемещение предметов относительно друг друга, возникающее при движении наблюдателя.
Смотрим на картинки. Сперва Лучик сфотографировал своего друга с одной точки – и тот он получился справа от пианино, на фоне стола и слева от часов в виде головы Микки-Мауса.
А потом Лучик перешёл в другую точку комнаты – теперь Саша оказался на фоне пианино, слева от стола, а часов вообще не видно!
При этом, разумеется, ни пианино, ни стол, ни часы никуда не смещались! Перемещался только Лучик с фотоаппаратом!
Такое кажущееся смещение предметов называется параллактическим; с его помощью можно определять расстояния до далёких объектов, например, до Луны. Впервые учёные сделали это больше 2000 лет назад в Древней Греции.
Древние греки были неутомимыми путешественниками. Странствуя по миру, они обратили внимание на то, что видимое положение Луны в небе изменяется в зависимости от точки наблюдений.
Посмотрите на иллюстрацию: это Луна в ночном небе, на фоне созвездия Близнецов. Так это будет выглядеть в Санкт-Петербурге, на широте 60 градусов. Обратите внимание – совсем рядом с Луной, чуть выше неё, видна яркая звезда, которая называется Мекбуда (дзета Близнецов).
А теперь другая иллюстрация: это Луна в ту же самую ночь и в тот же самый момент, но уже в городе Сана, в Йемене, на самом юге Аравийского полуострова (широта 18 градусов).
Видите? Луна «сдвинулась» на фоне звёзд и закрыла собой звезду Мекбуда! Это произошло, потому что Луна подвержена эффекту параллакса.
Когда древние греки совершили это замечательное открытие, мы не знаем, но произошло это очень давно, примерно в IV веке до нашей эры. А немного позже греческие астрономы догадались, что с помощью параллакса можно измерить расстояние до Луны!
Посмотрите на иллюстрацию – у нас есть две точки наблюдения (Петербург и Сана) и наблюдаемый объект (Луна). Все вместе они образуют фигуру, которую называют параллактическим треугольником.
Угол при вершине этого треугольника называют параллактическим углом или просто параллаксом. Для того чтобы определить расстояние до Луны, нам нужно измерить этот угол с помощью наблюдений (смещение Луны на наших фотографиях составляет приблизительно 0,7 градуса – это намного меньше, чем мы нарисовали на картинке!), затем измерить расстояние от Саны до Петербурга, а после этого воспользоваться формулами школьной геометрии – то есть решить параллактический треугольник.
Параллактический треугольник можно найти везде, где есть два объекта, расположенных на определённом расстоянии, причём один из них движется, а второй неподвижен. Мы можем построить такой треугольник даже для Лучика и его друга:
Кстати, способ измерения расстояний с помощью параллаксов распространён намного шире, чем нам кажется, и применяется не только в астрономии. Скажем, военное дело. Когда мы смотрим на военный корабль, прежде всего обращаем внимание на массивные башни с мощными пушками главного калибра – его основное оружие. Однако эти башни будут совершенно беспомощны без особого прибора, который называется дальномером.
Корабельный дальномер выглядит как очень длинная горизонтальная труба, на концах которой установлено два оптических объектива. С помощью этого прибора моряки определяют расстояние до цели – если этого не сделать, то попасть в цель при стрельбе из пушек будет практически невозможно.
Принцип работы морского или артиллерийского дальномера в точности такой же, как и при определении расстояния с Земли до Луны – только вместо двух наблюдателей в разных точках Земли у нас используются два линзовых объектива, разнесённые на некоторое расстояние.
С точки зрения геометрии у нас получается тот же самый параллактический треугольник – просто вместо точек «Петербург», «Сана» и «Луна» у него будут точки «левый объектив», «правый объектив» и «цель».
Кстати говоря, длина основания нашего треугольника (расстояние между Петербургом и Саной в первом случае, расстояние между объективами дальномера во втором) называется базой дальномера – запомните, пожалуйста, этот термин, он нам ещё очень-очень пригодится.
Чем длиннее база – тем большее расстояние мы можем измерить и тем точнее будет наше измерение. Например, база этого артеллирийского дальномера – всего около метра:
База этого дальномера – несколько метров, и расстояние до Луны с его помощью определить не получится (а вот до самолёта – можно):
А вот с базой 5000 километров (именно таково расстояние от Саны до Петербурга) – определить расстояние до Луны вполне получится! Всего в три действия.
1. Делим базу дальномера пополам: 5000 км : 2 = 2500 км
2. Делим измеренный угол (параллакс) пополам: 0,7° : 2 = 0,35°
3. берём калькулятор и делим половину базы дальномера на синус половины параллакса (если в школе вы ещё не проходили синус – не бойтесь, это просто кнопочка SIN на клавиатуре калькулятора):
2500 км : sin (0,35°) ~ 400 000 км
Поскольку мы брали угол «на глазок», да и базу измеряли не вполне точно (ведь Земля не плоская, и расстояние от Петербурга до Саны – не прямая), то и ответ у нас получился грубоватый – истинное расстояние от Земли до Луны составляет приблизительно 380 000 км. Однако ошибка вполне приемлемая, около 5%.
У древних греков средства измерения углов и расстояний тоже были довольно примитивными, и точность результатов была неидеальная – ну и что? Во всяком случае, она позволяла достаточно хорошо оценить расстояние от Земли до Луны и понять, что расстояние это колоссально.
Измерив расстояние от Земли до Луны, древнегреческие астрономы не остановились – они решили измерить расстояние от Земли до Солнца!
Впервые такие измерения произвёл астроном Аристарх Самосский в III веке до нашей эры. В качестве «базы дальномера» он использовал уже вычисленное расстояние от Земли до Луны, а для оценки параллакса измерил угол между направлениями на Луну и на Солнце в тот момент, когда Солнце освещает ровно половинку Луны, то есть в фазе четверти:
Из-за неточности инструментов и данных вычисления Аристарха получились грубыми (как и наши!), однако они всё равно позволили астроному сделать совершенно правильный вывод: Солнце находится от Земли гораздо дальше Луны, а значит, размеры Солнца многократно больше размеров Луны – и, главное, размеров самой Земли тоже! Вот тогда-то, впервые в истории науки, и прозвучала гениальная догадка – большее небесное тело не может обращаться вокруг многократно меньшего, а значит, не Солнце вращается вокруг Земли, а Земля вращается вокруг Солнца!
Почему-то очень многие думают, что это открытие совершил знаменитый польский астроном Николай Коперник в XVI веке – нет, это не так. Открытие это совершил Аристарх Самосский в III веке до нашей эры, просто никто в это открытие не поверил...
Но почему же коллеги-астрономы не поверили в теорию Аристарха? А всё из-за тех же самых параллаксов! «Если Земля, – рассуждали учёные, – вращается вокруг Солнца, да ещё и на таком огромном расстоянии, то видимые положения звёзд в течение года должны хотя бы немножко смещаться! У звёзд должен быть параллакс! Однако звёзды в ночном небе абсолютно неподвижны – а значит, неподвижна и Земля!»
Это, кстати говоря, никакое не мракобесие и не невежество – учёные рассуждали вполне правильно, логично и, главное, научно. Ну попробуйте поставить себя на их место: представьте, что вы сидите в автобусе. Звука мотора не слышно. Видимые через окно столбы, деревья, дорога и домики на горизонте абсолютно неподвижны. Наш автобус стоит, ясное дело! И тут вдруг появляется какой-то Аристарх, который начинает доказывать, будто на самом деле наш автобус едет... Так что не смейтесь над древними астрономами. Они просто не представляли себе, насколько неимоверно далеки от нас звёзды...
Для того чтобы доказать правильность гениальной догадки Аристарха Самосского и обнаружить параллаксы звёзд, астрономам понадобилось почти 2000 лет! Впервые это удалось осуществить русскому астроному Василию Яковлевичу Струве в 1837 году.
В.Я. Струве работал в Санкт-Петербурге, в Пулковской обсерватории (лучшей обсерватории того времени; помните, недавно мы о ней рассказывали?). Благодаря его стараниям для обсерватории построили телескоп-рефрактор с 15-дюймовым объективом – самый большой в мире телескоп на то время. Наблюдая в этот телескоп звезду Вегу (Альфу Лиры), Струве наконец сумел измерить её параллакс – и он оказался фантастически маленьким: 0,1 угловой секунды!
Не представляете себе, что такое 0,1 секунды? Возьмите две булавки, поставьте их на расстоянии 1 миллиметра друг от друга и привяжите к ним по тонкой нитке. Затем, не выпуская нитки из рук, отойдите на расстояние 2 километра – угол между нитками как раз и будет составлять 0,1 угловой секунды!
Неудивительно, что у астрономов 2000 лет не получалось измерить настолько мизерный угол; неудивительно, что звёзды кажутся нам абсолютно неподвижными.
Измерив параллакс, учёные легко смогли рассчитать расстояние до звезды – по схеме всё того же самого дальномера. «Базой» в данном случае будет диаметр орбиты Земли (300 миллионов километров). Расстояние до Веги оказалось чудовищным – 238 квадриллионов километров, или 25 световых лет! В дальнейшем было построено множество ещё более мощных телескопов, и на сегодняшний день астрономы сумели измерить параллаксы для тысяч звёзд – и тем самым определить расстояния до них. Однако можно ли измерить параллаксы для всех звёзд? К сожалению, нет – даже самые мощные телескопы позволяют измерить параллаксы только для звёзд, расположенных относительно близко к Земле. Если расстояние до звезды превышает 300 световых лет, параллакс становится настолько маленьким, что ни один земной телескоп не в состоянии измерить его с более или менее приемлемой точностью.
Как же измеряют расстояние до действительно далёких звёзд, туманностей, галактик, квазаров? Параллаксы для этого, увы, не годятся. Астрономам пришлось придумать для измерения расстояний совершенно другие способы. Какие?
Об этом мы расскажем в следующей статье, если эта вызовет интерес уважаемых читателей нашего канала. Напишите комментарий, если вы за продолжение!
Скоро закрывается годовая подписка! Успейте выписать "Лучик" детям на сайте Почты России. Полистать журнал онлайн можно здесь.
