Календарь и пушка
В начале XVIII века Солнечная система была картой с одним гигантским белым пятном посредине. Никто не знал расстояния от Земли до Солнца. Знали пропорции: от Солнца до Юпитера примерно в пять раз дальше, чем от Солнца до Земли. Но сама эта единица — астрономическая — оставалась неизвестной. Без неё размер всей системы был догадкой.
В 1716 году английский астроном Эдмунд Галлей, вычисливший ранее орбиту кометы, опубликовал статью с методом. Идея опиралась на перспективу: если наблюдать прохождение Венеры по солнечному диску из двух точек Земли, разнесённых по широте, то по разнице в длительности прохождения можно триангуляцией вычислить расстояние до Солнца. Галлей перечислил даты будущих прохождений: 1761-й, 1769-й — а дальше перерыв до 1874 года. Сам он, родившийся в 1656-м, до 1761-го не дожил бы. В статье он обращался к будущим поколениям: «Рекомендую тем, кому посчастливится дожить до этого времени, обратить на эти наблюдения прилежное внимание».
Проблема состояла в том, что организованного наблюдения прохождения Венеры никто прежде не проводил. Первое задокументированное — 1639 года — видели всего два человека: английский астроном-любитель Иеремия Хоррокс и его приятель. Хоррокс вычислил дату сам, поправив таблицы Кеплера, и в тот день стоял у телескопа, пока на полчаса не выглянуло солнце из туч. Хоррокс застал явление. За следующие сто лет ни одного организованного наблюдения прохождения Венеры не состоялось.
К началу 1750-х до ближайшего прохождения оставалось меньше десяти лет. Европейская наука начала готовить то, что позже назовут первым международным научным проектом в истории. Астрономы договаривались через границы. Королевское общество в Лондоне планировало экспедиции. Французская Академия наук — свои. Планы осложнила Семилетняя война (1756–1763): Британия и Пруссия против Франции, Австрии и России. Первая настоящая мировая война — боевые действия на континентах и в океанах. Чтобы добраться до точки наблюдения, скажем, до Суматры, британским астрономам требовалось пересечь океан, где рыскали французские фрегаты. Никто не давал гарантий. Они всё равно поплыли.
Крестьянский сын и немецкая пивная
В декабре 1730 года девятнадцатилетний парень из деревни Мишанинской под Архангельском занял три рубля и пристроился к рыбному обозу, идущему в Москву. Звали его Михайло Ломоносов. Отец, Василий Ломоносов, был зажиточным крестьянином-помором, промышлял рыбу. Сын должен был наследовать дело, но читать хотелось больше, чем солить треску. С мачехой отношения не ладились. Он ушёл.
Тысяча сто шестьдесят восемь километров. Где пешком, где на санях. От трёх недель до месяца пути. В Москве Ломоносов выдал себя за дворянина и поступил в Славяно-греко-латинскую академию. Стипендия составляла три копейки в день. Когда обман вскрылся, его едва не выгнали. Удержала отличная учёба.
В 1736 году Академию попросили отправить лучших учеников в Петербургскую Академию наук — Ломоносов попал в список. А спустя несколько месяцев его и ещё двух студентов послали в Германию изучать горное дело. Империи требовались специалисты для разведки сибирских недр.
В Марбургском университете Ломоносов попал под начало Христиана Вольфа, одного из ведущих немецких философов-просветителей. Вольф учил его корпускулярной теории света, математическому подходу к физике. Ломоносов писал стихи. Он учился фехтованию — немецкие студенты были драчливы и ходили со шпагами. Он покупал книги и нанимал танцевальных учителей. Из Петербурга пришло грозное письмо: «Никаких больше фехтмейстеров, никаких нарядов». В Марбурге же он влюбился в дочь квартирной хозяйки, Елизавету Цильх. Женился.
Один эпизод многое говорит о человеке. В 1738 году на пути из Марбурга Ломоносов остановился в гостинице. Его напоили, и к утру он проснулся в форме прусского гусара в охраняемой крепости. Вербовщики короля Фридриха Вильгельма I не гнушались такими методами. Ломоносов потратил несколько дней, чтобы сбежать — через два палисада и два рва, с кавалерией в погоне.
В 1741 году он вернулся в Петербург. В 1742-м стал адъюнктом физического класса Петербургской Академии наук. В 1745-м — первым русским по происхождению профессором химии Академии. В 1746-м начал читать первые в истории России публичные лекции по физике на русском языке. В 1748-м добился постройки первой в России химической лаборатории.
Круг его занятий к тому времени охватывал добрый десяток дисциплин. Закон сохранения массы он сформулировал на основе опытов в запаянных стеклянных сосудах. Разрабатывал корпускулярную теорию строения вещества. Заложил физическую химию как отдельную науку. Предложил механическую — а не теплородную — теорию теплоты. Занимался наукой о стекле, создавал мозаики, крупнейшая из которых — «Полтавская баталия». Написал «Российскую грамматику» и реформировал русское стихосложение. Исследовал атмосферное электричество. В 1755 году усилиями Ломоносова и при поддержке фаворита императрицы Елизаветы Ивана Шувалова открылся Московский университет.
Характер у Ломоносова был крутой. С некомпетентными коллегами, особенно с иностранцами, заполонившими Академию, он бывал груб. Его несколько раз арестовывали — однажды на год, под домашний арест, за «неучтивые поступки». Он пил. Писал оды императрицам. И работал дотошно: брался за эксперимент — шёл до конца.
Двадцать шестое мая
К весне 1761 года Ломоносову почти пятьдесят. Он коллежский советник, профессор Академии. Предстоящее прохождение Венеры для него не только повод вычислить расстояние до Солнца. У него есть собственная гипотеза.
Идее о множественности обитаемых миров к тому моменту больше двухсот лет. Она вытекает из системы Коперника: если Земля — рядовая планета среди других, то другие планеты тоже могут обладать атмосферой, а значит, возможно, и жизнью. За подобные мысли Джордано Бруно сожгли в 1600 году. Ломоносов живёт в XVIII веке, на костёр его не отправят. Но гипотезу хочется проверить.
Рассуждение простое. Если у Венеры есть атмосфера, то при прохождении планеты по солнечному диску солнечные лучи должны преломиться в этой атмосфере и дать свечение вокруг края планеты — ореол, нимб. Увидеть его можно только в первые и последние мгновения контакта, когда край Венеры находится на фоне чёрного неба, а не яркого Солнца. Никто из других астрономов, нацеленных исключительно на измерение параллакса, о такой возможности не думает. Ломоносов думает.
Весной он обращается в Сенат с просьбой снарядить две экспедиции в Сибирь: одну в Иркутск, другую в Селенгинск. Это требуется для параллаксных измерений — чем дальше разнесены наблюдатели, тем точнее расчёт. Сенат деньги выделяет. Руководить экспедициями назначают астронома Никиту Попова и математика Степана Румовского, учившихся вместе с Ломоносовым. Им выдают двойное жалованье и инструменты.
Сам Ломоносов остаётся в Петербурге. Его домашняя обсерватория размещается на плоской крыше здания размером шесть на пять метров, высотой четыре метра, с парапетом около трёх четвертей метра. Адрес — Большая Морская улица, дом 61, примерно в полутора километрах к югу от академической обсерватории. Инструмент — зрительная труба-рефрактор «о двух стёклах», четыре с половиной фута в длину, то есть около 135 сантиметров. К ней приспособлено «весьма не густо копчёное стекло» — солнечный фильтр. По ряду косвенных данных, телескоп изготовил английский оптик Джон Доллонд, пионер ахроматических объективов, умерший как раз в 1761 году.
В академической обсерватории параллельно работают двое. Адъюнкт астрономии Андрей Красильников — с шестифутовым рефрактором. Лейтенант Николай Курганов, помощник по математическим и навигационным наукам, — с грегорианским телескопом. Их задача: хронометраж контактов для расчёта параллакса. Задача Ломоносова — иная.
26 мая по старому стилю, 6 июня по новому. Погода в Петербурге ясная. Венера начинает входить на солнечный диск около четырёх часов утра. Ломоносов стоит у трубы. Он сознательно взял слабый фильтр — «не густо копчёное стекло». Ему требуется различать тонкие детали у края, а не просто щадить глаз. Он планирует напрягать зрение только в моменты контактов, а в остальное время давать глазам отдых.
Четыре эффекта
Прохождение планеты по диску Солнца имеет четыре ключевых момента. Первый контакт: передний край Венеры касается солнечного лимба. Второй контакт: задний край Венеры входит на диск — планета полностью на Солнце. Третий контакт: передний край Венеры подходит к противоположному лимбу, начиная выход. Четвёртый контакт: задний край покидает Солнце.
Эффект первый. При первом контакте, как записал Ломоносов, «солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде равен». Край Солнца в месте входа Венеры — резкий до этого — размывается. Ломоносов зарисовывает картину: точка B на фигуре 1 его работы.
Эффект второй. При втором контакте: кажется, что задний край Венеры ещё не дошёл до солнечного лимба, позади остаётся маленький отрезок. Затем — «показалось между вступающим Венериным задним и солнечным краем разделяющее их тонкое, как волос, сияние». Длится не больше секунды. Тончайшая светящаяся нить между чернотой космоса, чёрным силуэтом Венеры и ярким Солнцем.
Эффект третий — самый выразительный. При третьем контакте, когда Венера начинает сходить с Солнца, Ломоносов фиксирует: «когда передний её край стал приближаться к солнечному краю и был около десятой доли Венерина диаметра, тогда появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила». Этот «пупырь» зарисован на фигурах 3 и 4 — выпуклость на солнечном краю прямо перед Венерой. Длится несколько минут. Потом «пупырь потерялся, и Венера показалась вдруг без края».
Эффект четвёртый. При четвёртом контакте Ломоносов записывает: «полное вырождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к Солнцу при самом выходе было также с некоторым отрывом и с неясностию солнечного края». Размытость там, где должна быть резкость.
Ломоносов интерпретирует увиденное. Он чертит схему — фигура 7 в его публикации. Солнечные лучи проходят сквозь атмосферу Венеры, преломляются и создают свечение вокруг силуэта. «Пупырь» — это преломлённый свет, заливающий край солнечного диска. «Тонкое, как волос, сияние» — тот же эффект, но видимый сбоку. Размытость края — рефракция на входе и выходе планеты.
Вывод Ломоносова печатается 17 июля 1761 года тиражом 250 экземпляров на русском языке, а в августе — ещё 250 на немецком: «Планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою, таковою (лишь бы не большею), какова около нашего шара земного обливается». Это первое в истории открытие атмосферы другой планеты.
Спор через двести пятьдесят лет
Публикация Ломоносова не вызвала немедленных возражений. Не вызвала она и немедленных подтверждений. Другие наблюдатели того же прохождения тоже видели необычные световые эффекты. Французский астроном и священник Жан-Батист Шапп д'Отрош, добравшийся до Тобольска через русскую зиму, шведский астроном Торберн Бергман, секретарь Шведской академии Пер Варгентин — все они замечали светящиеся ореолы вокруг Венеры. Но одни сочли их помехой для точного хронометража, другие воздержались от интерпретации. Ломоносов остался единственным, кто дал правильное физическое объяснение и немедленно его опубликовал.
Спустя тридцать лет, в 1790-х, немецкий астроном Иоганн Иеронимус Шрётер независимо подтвердил существование атмосферы Венеры другим методом. Он наблюдал удлинение рогов серпа Венеры при подходе планеты к нижнему соединению. Свет рассеивался в верхних слоях атмосферы, создавая иллюзию более широкого серпа. Это явление позже назвали эффектом Шрётера.
Настоящий спор вспыхнул уже в XXI веке. В 2012 году американские астрономы Джей Пасачофф из колледжа Уильямс и Уильям Шихан опубликовали статью в Journal of Astronomical History and Heritage. Они утверждали: Ломоносов видел не атмосферу, а так называемую чёрную каплю — оптический дефект, возникающий из-за несовершенства телескопической оптики и потемнения солнечного лимба к краю. Чёрная капля, настаивали они, никак не связана с атмосферой Венеры — этот же эффект наблюдается при прохождении Меркурия, у которого атмосферы нет. Авторы предлагали отдать приоритет открытия Шаппу д'Отрошу и другим наблюдателям.
Ответ последовал незамедлительно. Группа исследователей под руководством Владимира Шильцева из лаборатории Ферми и Александра Кукарина провела то, что можно назвать экспериментальной археологией. Во время очередного прохождения Венеры 5–6 июня 2012 года — того самого, которое стало последним в XXI веке, — они раздобыли антикварные рефракторы XVIII века, аналогичные инструменту Ломоносова, и воспроизвели его методику: слабый фильтр, отдых глаз, пристальное наблюдение контактов. Результат вышел однозначным. Ореол атмосферы Венеры был виден. «Тонкое, как волос, сияние» при втором контакте длилось около секунды. «Пупырь» при третьем — несколько минут. Все четыре эффекта, описанные Ломоносовым, — размытость первого и четвёртого контактов, вспышка при втором и выпуклость при третьем — были зафиксированы. Все они согласуются с картиной рефракции солнечного света в атмосфере Венеры. Телескоп Ломоносова был полностью адекватен задаче.
Есть и более простой аргумент. Чёрная капля — это тёмный перешеек между силуэтом Венеры и лимбом Солнца. Ломоносов же описывает светлое свечение, тонкую светящуюся нить, вспышку. Эти явления противоположны по яркости. Путать их — то же самое, что называть солнечный блик тенью.
Научный консенсус сегодня таков: Ломоносов действительно открыл атмосферу Венеры. Он первым опубликовал наблюдения и дал корректное физическое объяснение — преломление света. Спор Пасачоффа и Шихана отражает более общую проблему историографии науки: кому принадлежит открытие — тому, кто первым зафиксировал явление, или тому, кто первым понял, что именно он видит?
Сто двадцать семь минут на Венере
В 1761 году Ломоносов силой мысли и при помощи трубы длиной в полтора метра доказал: у Венеры есть атмосфера. Спустя сто семьдесят лет после его смерти началась прямая разведка планеты.
Советский Союз запустил программу «Венера» — серию из восемнадцати автоматических межпланетных станций, работавших с 1961 по 1984 год. Венера оказалась местом, которое трудно описать без преуменьшений. Атмосфера на 97 процентов состоит из углекислого газа. Давление у поверхности достигает 90–100 земных атмосфер. Температура держится около 465 градусов Цельсия — при такой температуре плавится свинец. Ни один аппарат не продержался на поверхности дольше двух часов: электроника сгорала, пластик плавился, батареи выходили из строя.
В 1966 году станция «Венера-3» врезалась в поверхность планеты. Это был первый рукотворный объект, достигший другой планеты. Данные передать она не успела — связь отказала ещё в атмосфере.
В 1967 году «Венера-4» впервые напрямую измерила состав атмосферы другой планеты. Основной газ — углекислый. Аппарат был рассчитан на давление в 25 атмосфер. На высоте 25 километров его раздавило: реальное давление оказалось в несколько раз выше расчётного. Советским конструкторам пришлось пересматривать всю программу.
В 1970 году «Венера-7» совершила первую мягкую посадку на поверхность другой планеты и передавала данные в течение 23 минут. В 1975 году «Венера-9» прислала первые в истории снимки с поверхности другой планеты — каменистую пустошь в оранжевом свете, плиты, похожие на базальт. Никаких следов жизни. Атмосфера, которую Ломоносов представлял себе подобной земной, оказалась раскалённой духовкой.
В 1981 году «Венера-13» установила рекорд — 127 минут на поверхности. Она успела передать цветные панорамы и звук. Ветер на Венере дует со скоростью около метра в секунду, но из-за чудовищной плотности атмосферы этот ветерок давит как ураган на Земле.
Ещё до начала космической эры, в 1932 году, американские астрономы Уолтер Адамс и Теодор Данэм идентифицировали углекислый газ в спектре Венеры — первое дистанционное определение состава её атмосферы. С этого началась современная эпоха изучения планеты. Но самый первый шаг — то, с чего вообще возник разговор об атмосферах других планет, — был сделан майским утром 1761 года на крыше дома 61 по Большой Морской.
Что остаётся
Ломоносов умер 4 апреля 1765 года, не дожив до 54 лет. Его похоронили на Лазаревском кладбище Александро-Невской лавры в Петербурге. Через два века его имя присвоили Московскому университету. Описанный им оптический эффект — светящийся ореол вокруг силуэта Венеры при прохождении по солнечному диску — получил официальное название «явление Ломоносова».
Прохождения Венеры редки. Парные явления разделены восемью годами, но между парами проходят 105 или 121 год. Полный цикл составляет 243 года. После 2012-го следующее прохождение случится 11 декабря 2117 года. Никто из ныне живущих его не увидит. К тому моменту, скорее всего, в атмосфере Венеры уже будут работать научные станции — или на её поверхности. Гипотеза об обитаемых мирах, ради проверки которой Ломоносов и затеял свой эксперимент, получит окончательный ответ — не через телескоп, а через прямые исследования.
В отчёте 1761 года Ломоносов написал: «Советник Ломоносов заключает, что планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою». И добавил: «таковою (лишь бы не большею), какова около нашего шара земного обливается». Он оказался прав во всём, кроме последней оговорки. Атмосфера Венеры приблизительно в сто раз плотнее земной. Скромность была излишней.
Гипотеза о множественности миров не подтвердилась в том оптимистическом виде, в каком её рисовали философы. Венера безжизненна. Но метод — искать небеса на других планетах, глядя в трубу с собственной крыши, — оказался верным. Этим методом астрономы пользуются по сей день: наблюдая прохождение экзопланет по дискам своих звёзд, они ловят спектры атмосфер, определяют их состав. Ломоносовское «тонкое, как волос, сияние» — прадедушка современной спектроскопии атмосфер далёких миров.
Наблюдение, сделанное одним человеком на крыше дома в Петербурге с трубой длиной в четыре с половиной фута, открыло новую эру — эру, в которой мы знаем, что планеты не просто точки на небе. У них есть погода, облака, давление, химия. Они существуют. Как и предсказывал крестьянский сын, прошагавший однажды тысячу вёрст, чтобы учиться.