Планета Нептун была математически предсказана еще до того, как ее начали наблюдать напрямую. По предсказанию Урбена Леверье телескопические наблюдения, подтверждающие существование большой планеты, были проведены в ночь с 23 на 24 сентября 1846 года [1] в Берлинской обсерватории астрономом Иоганном Готфридом Галле (при содействии Генриха Луи д' Арест ), работающий по расчетам Леверье. Это был сенсационный момент в науке XIX века и драматическое подтверждение ньютоновской теории гравитации . По меткому выражению Франсуа Араго , Леверье открыл планету «острием пера».
Оглядываясь назад, после того, как его обнаружили, оказалось, что его уже много раз наблюдали, но не распознали, и были другие, которые делали различные расчеты о его местоположении, которые не привели к его наблюдению. К 1846 году планета Уран совершила почти один полный оборот с момента ее открытия Уильямом Гершелем в 1781 году, и астрономы обнаружили ряд неровностей на ее пути, которые не могли быть полностью объяснены законом всемирного тяготения Ньютона . Однако эти нарушения можно было бы устранить, если бы гравитация более далекой, неизвестной планеты нарушала ее путь вокруг Солнца. В 1845 году астрономы Урбен Леверье в Париже и Джон Кауч Адамс в Кембридже по отдельности начали расчеты по определению природы и положения такой планеты. Успех Леверье также привел к напряженному международному спору по поводу приоритета, поскольку вскоре после открытия Джордж Эйри , в то время британский королевский астроном , объявил, что Адамс также предсказал открытие планеты. [2] Тем не менее, Королевское общество наградило Леверье медалью Копли в 1846 году за его достижения, без упоминания Адамса. [3] Однако Королевское общество также наградило Адамса медалью Копли в 1848 году.
Открытие Нептуна привело к открытию его спутника, Тритона , Уильямом Ласселлом всего семнадцать дней спустя. [4]
Нептун слишком тусклый, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом : его видимая величина никогда не превышает 7,7. [5] Таким образом, первые наблюдения Нептуна стали возможны только после изобретения телескопа . Есть свидетельства того, что Нептун видели и записывали Галилео Галилей в 1613 году, Жером Лаланд в 1795 году и Джон Гершель в 1830 году, но неизвестно, что в то время ни один из них не признал его планетой. [6] Эти наблюдения до открытия сыграли важную роль в точном определении орбиты Нептуна. Нептун будет заметно выделяться даже в ранних телескопах, поэтому вероятны и другие записи наблюдений до открытия. [7]
На рисунках Галилея видно, что он наблюдал Нептун 28 декабря 1612 г. и снова 27 января 1613 г.; [8] в обоих случаях Галилей принял Нептун за неподвижную звезду , когда он оказался очень близко (в соединении ) с Юпитером на ночном небе . [9] Исторически считалось, что он полагал, что это неподвижная голубая звезда, и поэтому ему не приписывают ее открытие. Во время его первого наблюдения в декабре 1612 года оно было неподвижно на небе, поскольку только в тот же день стало ретроградным; поскольку он только начинал свой годовой ретроградный цикл, движение Нептуна считалось слишком слабым, а его видимый размер слишком мал, чтобы в небольшой телескоп Галилея он мог явно показаться планетой . [10] Однако в июле 2009 года физик из Мельбурнского университета Дэвид Джеймисон объявил о новых доказательствах, свидетельствующих о том, что Галилей действительно знал, что он обнаружил что-то необычное об этой «звезде». Галилей в одной из своих тетрадей отметил движение фоновой звезды (Нептуна) 28 января, а точка (в положении Нептуна), нарисованная другими чернилами, позволяет предположить, что он нашел ее на более раннем эскизе, нарисованном в январскую ночь. 6, что предполагает систематический поиск среди его более ранних наблюдений. Однако до сих пор нет ни четких доказательств того, что он идентифицировал этот движущийся объект как планету, ни того, что он опубликовал эти наблюдения за ним. Нет никаких свидетельств того, что он когда-либо пытался наблюдать это снова. [11]
В 1847 году Сирс К. Уокер из Военно-морской обсерватории США провел поиск исторических записей и исследований в поисках возможных наблюдений планеты Нептун, предшествовавших открытию . Он обнаружил, что наблюдения, сделанные сотрудниками Лаланда в Парижской обсерватории в 1795 году, были в направлении положения Нептуна на небе. В каталожных наблюдениях за 8 и еще раз 10 мая 1795 г. звезда наблюдалась примерно в ожидаемом для Нептуна положении. Неопределенность положения отмечалась двоеточием. Это обозначение также использовалось для обозначения ошибки наблюдения, поэтому только после того, как были проверены исходные записи обсерватории, было с уверенностью установлено, что объектом был Нептун, а ошибка положения в наблюдениях, сделанных с интервалом в две ночи, была вызвана изменением положения планеты. движение по небу. [12] Открытие этих записей о положении Нептуна в 1795 году привело к более точному расчету орбиты планеты. [13]
Джон Гершель почти открыл Нептун так же, как его отец Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году: путем случайного наблюдения. В письме 1846 года Вильгельму Струве Джон Гершель утверждает, что он наблюдал Нептун во время обзора неба 14 июля 1830 года. Хотя его телескоп был достаточно мощным, чтобы разделить Нептун на небольшой синий диск и показать, что это планета, он тогда он не узнал ее и принял за звезду. [14]
В 1821 году Алексис Бувар опубликовал астрономические таблицы орбиты Урана , сделав прогнозы будущих положений на основе законов движения и гравитации Ньютона . [15] Последующие наблюдения выявили существенные отклонения от таблиц, что привело Бувара к выдвижению гипотезы о некоем возмущающем теле. [16] Эти неравномерности как в эклиптической долготе планеты, так и в ее радиусе-векторе (расстоянии от Солнца) можно было объяснить несколькими гипотезами: эффект гравитации Солнца на таком большом расстоянии мог отличаться от описания Ньютона; или же расхождения могут быть просто ошибкой наблюдения; или, возможно, Уран была притянута или возмущена неизведанной планетой. [ нужна цитата ]
Джон Коуч Адамс узнал об этих нарушениях, еще будучи студентом, и убедился в гипотезе возмущений. Адамс считал, что он сможет использовать наблюдаемые данные об Уране и законе гравитации Ньютона, чтобы вывести массу , положение и орбиту возмущающего тела. [ нужна цитата ] После выпускных экзаменов в 1843 году Адамс был избран членом своего колледжа [17] и провел летние каникулы в Корнуолле, начиная свои расчеты. [ нужна цитата ]
Говоря современным языком, проблема представляет собой обратную задачу : попытку вывести параметры математической модели из наблюдаемых данных. Хотя эта задача проста для современной математики и электронных компьютеров , в то время она требовала большого количества трудоемких ручных вычислений. Адамс начал с предположения о номинальном положении гипотетического тела, используя эмпирический закон Боде . Затем он рассчитал проекцию пути Урана, учитывая предполагаемое положение возмущающего тела, а затем вычислил разницу между своей проекцией пути и записанными наблюдениями. Затем он скорректировал характеристики возмущающего тела на основе этих различий и повторил процесс, по сути выполнив регрессионный анализ . [ нужна цитата ]
13 февраля 1844 года Джеймс Чаллис , директор Кембриджской обсерватории , связался с королевским астрономом Джорджем Бидделлом Эйри из Королевской обсерватории в Гринвиче и запросил у Адамса данные о положении Урана. [1] Адамс определенно завершил некоторые расчеты 18 сентября 1845 года. [1]
Адамс предположительно передал Чаллису свою работу в середине сентября 1845 года, но есть некоторые разногласия относительно того, как это сделать. История и дата этого сообщения, кажется, стали известны только в письме Чаллиса в Атенеум от 17 октября 1846 года. [18] Однако ни один документ не был идентифицирован до 1904 года, когда астроном Ральф Аллан Сэмпсон нашел заметку в бумагах Адамса. который описывает «Новую планету» и подписан почерком, не принадлежащим Адамсу, с пометкой «Получено в сентябре 1845 года». [19] [18] Хотя это часто использовалось для установления приоритета Адамса, [3] [20] некоторые историки оспаривали его подлинность на том основании, что «Новая планета» не была термином, распространенным в 1845 году, [21] и на том основании, что записка датирована постфактум кем-то, кроме Адамса. [22] Кроме того, результаты расчетов отличаются от тех, которые были сообщены Эйри несколько недель спустя. [18] Адамс, конечно, не дал Чаллису никаких подробных расчетов [3] , и Чаллиса не впечатлило описание его метода последовательной аппроксимации положения тела, поскольку он не хотел начинать трудоемкую программу наблюдений в обсерватории. В конце концов Чаллис заметил, что «хотя роды были уверены, успех казался очень неопределенным». [21]
Между тем, 10 ноября 1845 года Урбен Леверье представил Академии наук в Париже мемуары об Уране и показал, что существовавшая ранее теория не могла объяснить его движение. [20] Не зная о работе Адамса, он предпринял попытку аналогичного исследования, и 1 июня 1846 года во вторых мемуарах, представленных на публичном заседании Академии, он указал положение, но не массу или орбиту предполагаемого возмущающего тела. . Леверье обнаружил Нептун в пределах одного градуса от места его открытия. [23]
Получив в Англии известие об июньском предсказании Леверье, Джордж Эйри сразу же осознал сходство решений Леверье и Адамса. До этого момента работа Адамса была не более чем диковинкой, но независимое подтверждение от Леверье побудило Эйри организовать секретную попытку найти планету. [24] [25] На заседании Совета посетителей Гринвичской обсерватории в июле 1846 года, на котором присутствовали Чаллис и сэр Джон Гершель , Эйри предложил Чаллису срочно искать планету с помощью Кембриджского 11,25-дюймового экваториального телескопа , «в надежде спасения дела от состояния, которое... почти отчаянно». [26] Поиски были начаты кропотливым методом 29 июля. [3] Адамс продолжал работать над проблемой, предоставив британской команде шесть решений в 1845 и 1846 годах [22] [27] , что заставило Чаллиса искать не ту часть неба. Только после того, как в Париже и Берлине было объявлено об открытии Нептуна, стало очевидно, что Нептун наблюдался 8 и 12 августа, но поскольку у Чаллиса не было современной звездной карты, он не был признан планетой. [20]
Леверье не знал, что его публичное подтверждение частных вычислений Адамса положило начало британским поискам предполагаемой планеты. 31 августа Леверье представил третьи мемуары, в которых теперь указаны масса и орбита нового тела. Безуспешно пытаясь заинтересовать этой проблемой какого-либо французского астронома, Леверье наконец отправил свои результаты по почте Иоганну Готфриду Галле в Берлинскую обсерваторию . [ нужна цитата ]
Галле получил письмо Леверье утром 23 сентября. Галле, ассистент Берлинской обсерватории , попросил директора обсерватории Иоганна Франца Энке использовать их телескоп Фраунгофера (апертура 9 дюймов /24,4 см). В тот день Энке отпраздновал свое 55-летие и разрешил пользоваться телескопом. Разговор Галле и Энке подслушал Генрих Луи д'Аррест , студент, работавший в обсерватории, который взволнованно попросил у Галле разрешения присоединиться к наблюдениям. Галле разрешил д'Арре присоединиться и даже попросил его провести подготовку. Сначала они последовали указанию Леверье поискать диск на небе, но безуспешно. Они также использовали стандартную карту неба, но вскоре заметили, что на этой карте неба отсутствуют звезды. д'Арре предположил, что недавно опубликованную карту неба «Хора XXI» можно сравнить с нынешним небом, чтобы определить смещение, характерное для планеты , в отличие от неподвижной звезды . Эта карта была частью серии, ожидавшей выхода другой карты, поэтому в настоящее время она не распространялась по всему миру. Со звездной картой в руках они вернулись к телескопу Фраунгофера. Галле сидел у телескопа и читал положение звезд, а д'Арре сидел за соседним столом и сверял координаты с картой Хоры XXI. Вскоре д'Арре воскликнул: «Этой звезды нет на карте!». [28]
Открытие было сделано благодаря карте неба Hora XXI Берлинской академии наук, составленной Карлом Бремикером . [28] Первоначально Бессель предложил план создания звездных карт, чтобы помочь в открытии комет и малых планет . В этом плане каталоги Брэдли , Лаланда и Пьяцци будут приведены по единой схеме и сопоставлены с каталогами зон в пределах 15 градусов от экватора . Каталогизированные звезды должны были быть дополнены некаталогизированными звездами, которые можно было увидеть в «искателе комет». В работе должны были принять участие двадцать четыре астронома, каждый из которых совершал по часу прямого восхождения . [29] Работа над картой Хора XXI началась в 1826 году, но была завершена только в 1844 году и напечатана в 1845 году. [28]
Нептун был обнаружен сразу после полуночи, [1] менее чем через час поисков и менее чем на 1 градус от положения, предсказанного Леверье, - замечательное совпадение. После еще двух ночей наблюдений, в ходе которых были проверены ее положение и движение, Галле с удивлением ответил Леверье: «Планета, место которой вы [вычислили], действительно существует » (курсив в оригинале). Телескоп-открытие представлял собой ахроматический рефрактор, установленный на экваторе и изготовленный фирмой Йозефа Фраунгофера «Merz und Mahler». [30]
После объявления об открытии Гершель, Чаллис и Ричард Шипшенкс , министр иностранных дел Королевского астрономического общества , объявили, что Адамс уже рассчитал характеристики и положение планеты. В конце концов Эйри опубликовал отчет об обстоятельствах, а мемуары Адамса были напечатаны в качестве приложения к « Морскому альманаху» . [20] Однако, похоже, что версия, опубликованная Эйри, была отредактирована путем пропуска «решающей фазы», чтобы скрыть тот факт, что Адамс цитировал только среднюю долготу, а не элементы орбиты. [21]
Во Франции и Англии возникли острые споры относительно заслуг двух астрономов. В Англии было много критики в адрес Эйри. Адамс был застенчивым молодым человеком, который, естественно, не хотел публиковать результаты, которые могли бы укрепить или разрушить его карьеру. Эйри и Чаллис подвергались критике, особенно со стороны Джеймса Глейшера [ 3] как неспособные выполнять свою надлежащую роль наставников молодого таланта. Чаллис раскаивался, но Эйри защищал свое поведение, утверждая, что поиск планеты не входил в обязанности Гринвичской обсерватории. В целом Эйри защищали его биографы. [3] Во Франции претензии, выдвинутые в отношении неизвестного англичанина, были возмущены тем, что умаляют заслугу Леверье . [20]
Королевское общество наградило Леверье медалью Копли в 1846 году за его достижения, не упоминая Адамса, но академическая репутация Адамса в Кембридже и в обществе была обеспечена. [3] Когда факты стали известны, некоторые британские астрономы выдвинули точку зрения, что два астронома независимо решили проблему Нептуна, и придали каждому из них равную важность. [3] [20] Но сам Адамс публично признал приоритет и заслугу Леверье (не забыв упомянуть о роли Галле) в документе, который он представил Королевскому астрономическому обществу в ноябре 1846 года:
Я упоминаю эти даты только для того, чтобы показать, что мои результаты были получены независимо и до публикации результатов г-на Леверье, а не с намерением помешать его справедливым притязаниям на честь открытия; ибо нет сомнения, что его исследования были впервые опубликованы миру и привели к фактическому открытию планеты доктором Галле, так что изложенные выше факты не могут ни в малейшей степени умалить заслугу, причитающуюся М. Леверье.
- Адамс (1846) [31]
Вскоре после этого была высказана критика, что и Адамс, и Леверье были чрезмерно оптимистичны в отношении точности своих расчетов, и оба, используя закон Боде , сильно переоценили расстояние планеты от Солнца. Кроме того, было высказано предположение, что им обоим удалось получить почти правильную долготу только из-за «случайности орбитального времени». Эта критика была подробно обсуждена Данжоном (1946) [2] , который проиллюстрировал диаграммой и обсуждением, что, хотя гипотетические орбиты, рассчитанные как Леверье, так и Адамсом для новой планеты, действительно в целом сильно отличались по размеру от реальных Нептун (и на самом деле похожие друг на друга), они оба были гораздо ближе к реальному Нептуну на том решающем участке орбиты, охватывающем интервал лет, для которого проводились наблюдения и расчеты, чем на остальных расчетных орбитах. Таким образом, тот факт, что оба калькулятора использовали гораздо большую большую ось орбиты, чем на самом деле, оказался не столь важным и не самым важным параметром. [ нужна цитата ]
Новая планета, сначала названная Франсуа Араго «Леверье» , получила консенсусом нейтральное имя Нептун. Его математическое предсказание было великим интеллектуальным подвигом, но оно также показало, что закон гравитации Ньютона, который Эйри почти поставил под сомнение, действует даже на границах Солнечной системы . [20]
Адамс не питал горечи по отношению к Чаллису или Эйри [3] и признал, что ему не удалось убедить астрономический мир: [21]
Однако я не мог ожидать, что астрономы-практики, уже полностью занятые важными работами, будут испытывать такое же доверие к результатам моих исследований, как и я сам.
Напротив, Леверье был высокомерным и напористым, что позволило британскому научному истеблишменту сомкнуть ряды вокруг Адамса, в то время как французы в целом не находили особой симпатии к Леверье. [21] В 1874–1876 годах Адамс был президентом Королевского астрономического общества , когда ему выпало вручить Леверье золотую медаль года РАН. [20]
Распространенное мнение о том, что открытие Нептуна следует «приписать как Адамсу, так и Леверье» [32] недавно было оспорено [33] , поставив под сомнение отчеты Эйри, Чаллиса и Адамса в 1846 году. [34] [35] [36]
В 1999 году переписка Адамса с Эйри, утерянная Королевской Гринвичской обсерваторией, была вновь обнаружена в Чили среди вещей астронома Олина Дж. Эггена после его смерти. [37] В интервью в 2003 году историк Николас Коллерстром пришел к выводу, что претензии Адамса на Нептун были гораздо слабее, чем предполагалось, поскольку он неоднократно колебался относительно точного местоположения планеты, оценки которого варьировались в пределах 20 градусов дуги. Роль Эйри как застенчивого начальника, умышленно игнорирующего выскочку молодого интеллекта, по мнению Коллерстрома, была в значительной степени создана после того, как планета была найдена, чтобы повысить репутацию Адамса, а следовательно, и Великобритании за это открытие. [38] В более поздней статье Шихана, Коллерстрома и Ваффа в журнале Scientific American более смело утверждалось, что «британцы украли Нептун», и делалось заключение: «Это достижение принадлежало только Леверье». [39]
Еще до открытия Нептуна некоторые предполагали, что одной планеты недостаточно, чтобы объяснить несоответствие орбиты Урана. 17 ноября 1834 года британский астроном-любитель преподобный Томас Джон Хасси сообщил Эйри о разговоре, который он имел с Буваром. Хасси сообщил, что, когда он предположил Бувару, что необычное движение Урана может быть вызвано гравитационным влиянием неоткрытой планеты, Бувар ответил, что эта идея пришла ему в голову и что он переписывался с Питером Андреасом Хансеном , директором Сибергского института . Обсерватория в Готе , о теме. По мнению Хансена, одно тело не могло адекватно объяснить движение Урана, и постулировал, что за Ураном лежат две планеты. [40]
В 1848 году Жак Бабине выдвинул возражение против расчетов Леверье, заявив, что наблюдаемая масса Нептуна была меньше, а его орбита больше, чем первоначально предсказывал Леверье. Он постулировал, основываясь главным образом на простом вычитании из расчетов Леверье, что за пределами Нептуна должна существовать еще одна планета массой примерно 12 земных, которую он назвал «Гиперион». [40] Леверье осудил гипотезу Бабине, заявив: «[Нет] абсолютно ничего, с помощью чего можно было бы определить положение другой планеты, за исключением гипотез, в которых воображение играло слишком большую роль». [40]
По состоянию на 2024 год за пределами Нептуна не было обнаружено ни одной крупной планеты, которая могла бы объяснить какое-либо предполагаемое несоответствие, несмотря на открытие транснептуновых объектов (в первую очередь Плутона ). Хотя астрономическое сообщество широко согласно с тем, что «Планета X», как первоначально предполагалось, не существует, концепция еще ненаблюдаемой планеты была возрождена рядом астрономов для объяснения других аномалий, наблюдаемых во внешней части Солнечной системы. [41]
Телескоп в обсерватории Нового Берлина (1835–1913 гг.), открывший Нептун, представлял собой ахроматический рефрактор с апертурой 9 парижских дюймов (9,6 английских дюймов , или 24,4 см). Созданный фирмой покойного Йозефа Фраунгофера « Мерц унд Малер» , это был высокопроизводительный телескоп своего времени с одним из самых больших ахроматических дублетов и прекрасно изготовленной экваториальной монтировкой с часовым приводом для перемещения 4-метрового телескопа. 13.4’) главной трубы с той же скоростью , что и вращение Земли . В конце концов телескоп был перевезен в Немецкий музей в Мюнхене , Германия, где его до сих пор можно увидеть в качестве экспоната. [42] [43]
{{cite book}}: |author=имеет общее имя ( справка )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )