Планета Нептун была математически предсказана до того, как она была непосредственно обнаружена. С предсказанием Урбена Леверье , телескопические наблюдения, подтверждающие существование крупной планеты, были сделаны в ночь с 23 на 24 сентября, в день осеннего равноденствия 1846 года, [1] в Берлинской обсерватории , астрономом Иоганном Готфридом Галле (при содействии Генриха Луи д'Арре ), работающим по расчетам Леверье. Это был сенсационный момент науки 19-го века и драматическое подтверждение теории тяготения Ньютона . По меткому выражению Франсуа Араго , Леверье открыл планету «кончиком своего пера».
Оглядываясь назад, после того, как он был обнаружен, оказалось, что его наблюдали много раз до этого, но не распознавали, и были другие, которые делали вычисления о его местоположении, которые не привели к его наблюдению. К 1846 году планета Уран завершила 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 . Эти неровности, однако, могли быть разрешены, если 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 вычисления, чтобы определить природу и положение такой планеты. Успех Леверье также привел к напряженному международному спору о приоритете, 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 достижение, не упомянув Адамса. [3] Однако Королевское общество также наградило Адамса медалью Копли в 1848 году.
Открытие Нептуна привело к открытию его спутника Тритона Уильямом Ласселом всего семнадцать дней спустя. [4]
Нептун слишком тусклый, чтобы быть видимым невооруженным глазом : его видимая величина никогда не бывает ярче 7,7. [5] Поэтому первые наблюдения Нептуна стали возможны только после изобретения телескопа . Есть свидетельства того, что Нептун был замечен и зарегистрирован Галилео Галилеем в 1613 году, Жеромом Лаландом в 1795 году и Джоном Гершелем в 1830 году, но никто из них не распознал его как планету в то время. [6] Эти наблюдения до открытия были важны для точного определения орбиты Нептуна. Нептун будет заметно виден даже в ранних телескопах, поэтому, вероятно, есть и другие записи наблюдений до открытия. [7]
Рисунки Галилея показывают, что он наблюдал Нептун 28 декабря 1612 года и снова 27 января 1613 года; [8] в обоих случаях Галилей ошибочно принял Нептун за неподвижную звезду , когда он появился очень близко (в соединении ) с Юпитером в ночном небе . [9] Исторически считалось, что он считал его неподвижной голубой звездой, и поэтому ему не приписывают его открытие. Во время его первого наблюдения в декабре 1612 года он был неподвижен на небе, потому что в тот самый день он только начал свой годовой ретроградный цикл; поскольку он только начинал свой годовой ретроградный цикл, считалось, что движение Нептуна было слишком незначительным, а его видимый размер слишком малым, чтобы явно показаться планетой в небольшом телескопе Галилея . [10] Однако в июле 2009 года физик из Мельбурнского университета Дэвид Джеймисон объявил о новых доказательствах, предполагающих, что Галилей действительно знал, что он обнаружил что-то необычное в этой «звезде». Галилей в одной из своих записных книжек отметил движение фоновой звезды (Нептуна) 28 января, а точка (в положении Нептуна), нарисованная другими чернилами, предполагает, что он нашел ее на более раннем наброске, нарисованном ночью 6 января, 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 доказательств того, что он когда-либо пытался наблюдать его снова. [11]
В 1847 году Сирс К. Уокер из Военно-морской обсерватории США искал исторические записи и обзоры на предмет возможных предоткрывающих наблюдений планеты Нептун. 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 мая и снова за 10 мая 1795 года звезда наблюдалась в приблизительном положении, ожидаемом для Нептуна. Неопределенность положения была отмечена двоеточием. Это обозначение также использовалось для указания ошибки наблюдения, поэтому только после того, как были просмотрены оригинальные записи обсерватории, было установлено с уверенностью, что объект был Нептуном, а ошибка положения в наблюдениях, сделанных с разницей в две ночи, была вызвана движением планеты по небу. [12] Открытие этих записей положения Нептуна в 1795 году привело к более точному расчету орбиты планеты. [13]
Джон Гершель почти открыл Нептун тем же способом, которым его отец, Уильям Гершель , открыл Уран в 1781 году: случайным наблюдением. В письме 1846 года Вильгельму Струве Джон Гершель утверждает, что наблюдал Нептун во время осмотра неба 14 июля 1830 года. Хотя его телескоп был достаточно мощным, чтобы разрешить Нептун в небольшой голубой диск и показать, что это планета, он не узнал его в то время и принял за звезду. [14]
В 1821 году Алексис Бувар опубликовал астрономические таблицы орбиты Урана , сделав прогнозы будущих положений на основе законов движения и тяготения Ньютона . [15] Последующие наблюдения выявили существенные отклонения от таблиц, что привело Бувара к гипотезе о некоем возмущающем теле. [16] Эти неровности , как в эклиптической долготе планеты, так и в ее радиус-векторе (ее расстоянии от Солнца), могли быть объяснены несколькими гипотезами: эффект гравитации Солнца на таком большом расстоянии мог отличаться от описания Ньютона; или расхождения могли быть просто ошибкой наблюдений; или, возможно, Уран был притянут или возмущён неоткрытой планетой. [ необходима цитата ]
Джон Кауч Адамс узнал об этих нерегулярностях, еще будучи студентом, и убедился в гипотезе возмущения. Адамс считал, что он может использовать наблюдаемые данные по Урану и закон тяготения Ньютона, чтобы вывести массу , положение и орбиту возмущающего тела. [ необходима цитата ] После выпускных экзаменов в 1843 году Адамс был избран членом своего колледжа [17] и провел летние каникулы в Корнуолле, начиная свои вычисления. [ необходима цитата ]
В современных терминах эта задача является обратной : попыткой вывести параметры математической модели из наблюдаемых данных. Хотя эта задача является простой для современной математики и электронных компьютеров , в то время она включала в себя много трудоемких ручных вычислений. Адамс начал с предположения номинального положения для предполагаемого тела, используя эмпирический закон Боде . Затем он вычислил спроецированный путь Урана, учитывая предполагаемое положение возмущающего тела, а затем вычислил разницу между его спроецированным путем и записанными наблюдениями. Затем он скорректировал характеристики возмущающего тела на основе этих различий и повторил процесс, по сути выполняя регрессионный анализ . [ необходима цитата ]
13 февраля 1844 года Джеймс Чаллис , директор Кембриджской обсерватории , связался с королевским астрономом Джорджем Бидделлом Эйри в Королевской обсерватории в Гринвиче и запросил данные о положении Урана для Адамса. [1] Адамс, несомненно, завершил некоторые вычисления 18 сентября 1845 года. [1]
Адамс предположительно передал свою работу Чаллису в середине сентября 1845 года, но есть некоторые разногласия относительно того, как именно. 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 записку в бумагах Адамса, которая описывает «Новую планету» и подтверждена почерком, который не принадлежит Адамсу, с пометкой «Получено в сентябре 1845 года». [19] [18] Хотя это часто принималось для установления приоритета Адамса, [3] [20] некоторые историки оспаривают ее подлинность на основании того, что «Новая планета» не была термином, употреблявшимся в 1845 году, [21] и на основании того, что записка датирована постфактум кем-то другим, а не Адамсом. [22] Более того, результаты расчетов отличаются от тех, которые были сообщены Эйри несколько недель спустя. [18] Адамс, конечно, не дал Чаллису никаких подробных расчетов [3] , и Чаллис не был впечатлен описанием его метода последовательного приближения положения тела, будучи не склонным начинать трудоемкую программу наблюдений в обсерватории. Чаллис в конечном итоге заметил, что «хотя работа была определена, успех казался таким неопределенным». [21]
Между тем, 10 ноября 1845 года Урбен Леверье представил в Парижскую академию наук мемуар об Уране и показал, что существовавшая ранее теория не могла объяснить его движение. [ 20] Не зная о работе Адамса, он предпринял попытку провести аналогичное исследование, и 1 июня 1846 года во втором мемуаре, представленном на публичном заседании Академии, он указал положение, но не массу или орбиту предполагаемого возмущающего тела. Леверье расположил Нептун в пределах одного градуса от его положения открытия. [23]
Получив в Англии известие об июньском предсказании Леверье, Джордж Эйри сразу же распознал сходство решений Леверье и Адамса. До этого момента работа Адамса была не более чем любопытством, 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 поискать планету с помощью кембриджского 11,25-дюймового экваториального телескопа , «в надежде спасти вопрос из состояния, которое ... почти отчаянное». [26] Поиск был начат трудоемким методом 29 июля. [3] Адамс продолжил работать над проблемой, предоставив британской команде шесть решений в 1845 и 1846 годах [22] [27] , что отправило Чаллиса на поиски не в той части 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 карты звездного неба, 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 третий мемуар, в котором теперь были указаны масса и орбита нового тела. Не добившись успеха в попытках заинтересовать этой проблемой ни одного французского астронома, Леверье наконец отправил свои результаты по почте Иоганну Готфриду Галле в Берлинскую обсерваторию . [ необходима цитата ]
Галле получил письмо Леверье утром 23 сентября. Галле, помощник в Берлинской обсерватории , обратился к директору обсерватории Иоганну Францу Энке с просьбой использовать их телескоп Фраунгофера (апертура 9 дюймов / 24,4 см). В тот день Энке отпраздновал свой 55-й день рождения и разрешил использовать телескоп. Разговор Галле и Энке подслушал Генрих Луи д'Арре , 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 следовали инструкциям Леверье искать диск на небе, но безуспешно. Они также использовали стандартную карту неба, но вскоре заметили, что на этой карте не хватает звезд. Д'Арре предположил, что недавно опубликованную карту неба, Hora XXI, можно сравнить с текущим небом, чтобы найти смещение, характерное для планеты , в отличие от неподвижной звезды . Эта карта была частью серии, которая ждала другой карты, поэтому она не была распространена по всему миру в то время. С картой звезд в руках они вернулись к телескопу Фраунгофера. Галле был у телескопа, считывая положение звезд, в то время как д'Арре сидел за соседним столом и сверял координаты с картой Hora XXI. Прошло немного времени, прежде чем д'Арре воскликнул: «Эта звезда не на карте!». [28]
Открытие было сделано благодаря карте неба Hora XXI Берлинской академии наук, завершенной Карлом Бремикером . [28] Первоначально Бессель предложил план создания звездных карт для помощи в открытии комет и малых планет . В этом плане каталоги Брэдли , Лаланда и Пиацци должны были быть приведены к 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 «искатель комет». В работе должны были принять участие двадцать четыре астронома, каждый из которых занимал час прямого восхождения . [29] Работа над картой Hora 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 за час поисков и менее чем в 1 градусе от положения, предсказанного Леверье, замечательное совпадение. После двух последующих ночей наблюдений, в которых его положение и движение были подтверждены, Галле с удивлением ответил Леверье: «планета, место которой вы [вычислили], действительно существует » (выделено в оригинале). Телескопом для открытия был ахроматический рефрактор с экваториальной монтировкой фирмы Merz und Mahler Йозефа Фраунгофера . [30]
После объявления об открытии Гершель, Чаллис и Ричард Шипшэнкс , министр иностранных дел Королевского астрономического общества , объявили, что Адамс уже рассчитал характеристики и положение планеты. Эйри, наконец, опубликовал отчет об обстоятельствах, и мемуары Адамса были напечатаны в качестве приложения к Nautical Almanac . [20] Однако, похоже, что версия, опубликованная Эйри, была отредактирована путем пропуска «критической фазы», чтобы скрыть тот факт, что Адамс указал 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 результат, который мог бы установить или разрушить его карьеру. Эйри и Чаллис подверглись критике, особенно Джеймсом Глейшером , [3] как неспособные выполнять свою надлежащую роль наставников молодого таланта. Чаллис раскаивался, но Эйри защищал свое собственное поведение, утверждая, что поиск планеты не был задачей Гринвичской обсерватории. В целом, Эйри защищали его биографы. [3] Во Франции заявления, сделанные в отношении неизвестного англичанина, были восприняты возмущенно, как умаляющие заслуги, связанные с достижением Леверье . [20]
Королевское общество наградило Леверье медалью Копли в 1846 году за его достижение, не упоминая Адамса, но академическая репутация Адамса в Кембридже и в обществе была обеспечена. [3] Когда факты стали известны, некоторые британские астрономы стали продвигать точку зрения, что два астронома независимо друг от друга решили проблему Нептуна, и приписывали каждому из них одинаковую важность. [3] [20] Но сам Адамс публично признал приоритет и заслуги Леверье (не забыв упомянуть роль Галле) в статье, которую 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, и не с намерением помешать его справедливым притязаниям на честь открытия; поскольку нет сомнений в том, что его исследования были впервые опубликованы в мире и привели к фактическому открытию планеты доктором Галле, так что факты, изложенные выше, не могут ни в малейшей степени умалить заслуги г-на Леверье.
— Адамс (1846) [31]
Вскоре после этого прозвучала критика, что и Адамс, и Леверье были чрезмерно оптимистичны в точности, которую они заявили для своих расчетов, и оба, используя закон Боде , значительно 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 рассмотрена Данжоном (1946) [2] , который проиллюстрировал с помощью диаграммы и обсуждения, что, хотя гипотетические орбиты, рассчитанные как Леверье, так и Адамсом для новой планеты, действительно имели в целом очень разные размеры от реального Нептуна (и фактически были похожи друг на друга), они оба были намного ближе к реальному Нептуну на том решающем участке орбиты, охватывающем интервал лет, для которого проводились наблюдения и расчеты, чем для остальных рассчитанных орбит. Таким образом, тот факт, что оба калькулятора использовали гораздо большую орбитальную ось, чем в реальности, оказался не таким уж важным и не самым значимым параметром. [ необходима ссылка ]
Новая планета, которую Франсуа Араго сначала назвал «Леверье» , получила по общему согласию нейтральное имя Нептун. Ее математическое предсказание было великим интеллектуальным подвигом, но оно также показало, что закон тяготения Ньютона, который Эйри почти поставил под сомнение, преобладает даже на границах Солнечной системы . [20]
Адамс не питал никакой обиды на Чаллиса или Эйри [3] и признал свою собственную неспособность убедить астрономический мир: [21]
Однако я не мог ожидать, что практикующие астрономы, уже полностью занятые важными трудами, будут испытывать такое же доверие к результатам моих исследований, как и я сам.
Напротив, Леверье был высокомерным и напористым, что позволило британскому научному сообществу сплотиться вокруг Адамса, в то время как французы, в целом, не испытывали 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]
Общепринятое мнение о том, что открытие Нептуна следует «приписывать как Адамсу, так и Леверье» [32], недавно было подвергнуто сомнению [33], что ставит под сомнение рассказы Эйри, Чаллиса и Адамса от 1846 года. [34] [35]
В 1999 году переписка Адамса с Эйри, которая была утеряна Королевской Гринвичской обсерваторией, была вновь обнаружена в Чили среди вещей астронома Олина Дж. Эггена после его смерти. [36] В интервью в 2003 году историк Николас Коллерстром пришел к выводу, что притязания Адамса на Нептун были гораздо слабее, чем предполагалось, поскольку он неоднократно колебался относительно точного местоположения планеты, с оценками, варьирующимися в пределах 20 градусов дуги. Роль Эйри как ограниченного начальника, намеренно игнорирующего выскочку молодого интеллекта, была, по словам Коллерстрома, в значительной степени сконструирована после того, как планета была обнаружена, чтобы повысить заслугу Адамса, а следовательно, и Великобритании, в открытии. [37] Более поздняя статья в Scientific American Шихана, Коллерстрома и Ваффа более смело утверждала: «Британцы украли Нептун» и заключала: «Это достижение было заслугой одного Леверье». [38]
Еще до открытия Нептуна некоторые предполагали, что одной планеты недостаточно для объяснения расхождения в орбите Урана. 17 ноября 1834 года британский астроном-любитель преподобный Томас Джон Хасси сообщил Эйри о своем разговоре 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 обсерватории Зееберг в Готе , по этому вопросу. Хансен считал, что одно тело не может адекватно объяснить движение Урана, и предположил, что за Ураном находятся две планеты. [39]
В 1848 году Жак Бабине возразил против расчетов Леверье, заявив, что наблюдаемая масса Нептуна была меньше, а его орбита больше, чем изначально предсказывал Леверье. Он постулировал, основываясь в основном на простом вычитании из расчетов Леверье, что за Нептуном должна существовать другая планета массой примерно в 12 масс Земли, которую он назвал «Гиперион». [39] 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». [39]
По состоянию на 2024 год не было найдено ни одной крупной планеты за пределами Нептуна, которая могла бы объяснить любое предполагаемое несоответствие, несмотря на открытие транснептуновых объектов (в частности, Плутона ). Хотя астрономическое сообщество широко согласно с тем, что «Планета X», как первоначально предполагалось, не существует, концепция пока еще не наблюдаемой планеты была возрождена рядом астрономов для объяснения других аномалий, наблюдаемых во внешней Солнечной системе. [40]
Телескоп в Новой Берлинской обсерватории (1835–1913), открывший Нептун, был ахроматическим рефрактором с апертурой 9 парижских дюймов (9,6 английских дюймов , или 24,4 см). Изготовленный фирмой покойного Йозефа Фраунгофера Merz und Mahler , это был высокопроизводительный телескоп своего времени с одним из самых больших доступных ахроматических дублетов и искусно сделанной экваториальной монтировкой с часовым приводом для перемещения 4-метровой (13,4′) главной трубы с той же скоростью, что и вращение Земли . В конце концов телескоп был перемещен в Немецкий музей в Мюнхене , Германия, где его до сих пор можно увидеть в качестве экспоната. [41] [42]
{{cite book}}: |author=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )