Открытие атмосферы Венеры Ломоносовым: экспериментальная реконструкция события во время прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года при помощи старинных рефракторов14.10.2012 20:01 | Е. С. Шалденкова/ГАИШ, Москва
Авторы:
Александр Кукарин, Игорь Нестеренко, Юрий Петрунин, Владимир Шильцев
Перевод статьи "Experimental Reconstruction of Lomonosov's Discovery of Venus's Atmosphere with Antique Refractors During the 2012 Transit of Venus"
I. Введение
Михаил Ломоносов представил свою рукопись "Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санктпетербургской императорской Академии наук майя 26 дня 1761 года" (Ломоносов, 1761a) к публикации 4 июля 1761 года по старому стилю, и 17 июля 1761 года Санкт-Петербургской императорской Академией наук было напечатано 250 экземпляров работы. Вскоре после этого, вероятно, самим Ломоносовым, был сделан перевод рукописи на немецкий язык (Ломоносов, 1761b), и в августе 1761 года было отпечатано 250 экземпляров этого перевода для широкого распространения заграницей. На рис.1 представлен лист с иллюстрациями из немецкого перевода. Полный перевод работы на английский язык с обширными комментариями появился недавно (Шильцев, 2012).
Ломоносов проводил наблюдения в своем имении в Санкт-Петербурге (современный адрес - Большая Морская ул., 61), которое находилось примерно на 1.3 км южнее обсерватории Санкт-Петербургской императорской Академии наук, географические координаты - 59°55′50″ северной широты и 30°17′59″ восточной долготы. Его домашняя обсерватория располагалась на открытой плоской крыше строения, которое имело длину 6м, ширину 5м, и высоту 4м; на крыше были установлены перила высотой ¾ м. Ломоносов использовал "зрительную трубу о двух стеклах длиною в 4½ фута". Оригинальный телескоп, использованный Ломоносовым, не сохранился, как и многие телескопы 18 века, уничтоженные пожаром в Пулковской обсерватории недалеко от Санкт-Петербурга при бомбардировках во Вторую Мировую Войну. Из самой работы 1761 года и сопровождающих ее иллюстраций можно заключить, что Ломоносов использовал астрономический телескоп-рефрактор (который дает перевернутое изображение) с двухлинзовым объективом-ахроматом. Были найдены некоторые указания на то, что это мог быть один из первых двухлинзовых ахроматов-рефракторов, изготовленных Джоном Доллондом, известным английским оптиком (1706-1761). Однако прямое доказательство того, что Ломоносов использовал ахромат Доллонда, было найдено лишь недавно в публикации, вышедшей перед Второй Мировой Войной (для более подробного обсуждения см. работу Шильцев, 2012).
Рис. I: Иллюстрация с рисунками Ломоносова из работы Ломоносов, 1761b
В своей работе Ломоносов отдельно отметил, что использовал очень слабый солнечный фильтр - "весьма не густо копченое стекло", - и далее в тексте упоминал, что ему приходилось регулярно давать отдых глазам.
Техническую часть своей работы Ломоносов закончил следующими словами: "По сим примечаниям господин советник Ломоносов рассуждает, что планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою". Такой вывод он сделал на основании трех явлений, которые наблюдал (из полного списка, который он представил ранее): "неявственность" края Солнца в моменты первого и четвертого контактов (проиллюстрировано в точке B на рис.1 из его работы - см. Рисунок I; физическое объяснение приведено на рис.6 из работы Ломоносова), а также наблюдение "пупыря", который был виден в течение нескольких минут после третьего контакта (проиллюстрировано на рис.3, 4, 5 и в точке А на рис.1 из работы Ломоносова - см. Рисунок I; правильное физическое объяснение эффекта преломлением в атмосфере проиллюстрировано на рис.7 из работы Ломоносова). На рис. 3-5 в работе Ломоносова показано, что "пупырь" в ходе третьего контакта появился с началом выхода Венеры с диска Солнца (фаза схождения 1.0), когда планета целиком находилась на фоне Солнца, и наблюдался до фазы схождения 0.9-0.94.
В дополнение к этим трем явлениям, Ломоносов пишет о наблюдении "тонкого, как волос, сияния" вблизи второго контакта. Это явление, которое наблюдалось около секунды, Ломоносов не проиллюстрировал и не использовал в качестве аргумента о наличии у Венеры атмосферы. В.В. Шаронов (Шаронов, 1952) предполагал, что "тонкое, как волос, сияние" вблизи второго контакта также может наблюдаться из-за преломления солнечных лучей в атмосфере Венеры. В более поздних работах Шаронов и Ченакал (Шаронов, 1955; Ченакал и Шаронов, 1955) провели сравнение наблюдений Ломоносова с отчетами других наблюдателей, которые упоминали похожие оптические эффекты при описании прохождения Венеры по диску Солнца 1761 года, например, С.Румовский, Ж.Шапп д'Отрош, Т.Бергман, П. Варгентин и А.Малле (явления при вхождении/схождении), а также С.Данн и Б.Ферне (сияние вокруг Венеры, когда она находится на диске Солнца). Они безусловно установили первенство Ломоносова на основе: а) его первенства в публикации; б) полноты приведенного им описания наблюдений; в) полного понимания им наблюдаемых явлений как важных физических эффектов, а не просто оптических или атмосферных помех в земной атмосфере и г) того факта, что он был единственным, кто дал верное физическое объяснение этому явлению.
Детальное сравнение результатов, полученных Ломоносовым в 1761 году с наблюдениями атмосферных эффектов Венеры, наблюдаемых в ходе транзитов 1761, 1769, 1874, 1882, 2004 и 2012 годов будут предметом отдельных исследований, однако мы можем сказать, что: а) многие из более поздних наблюдений были, вероятно, аналогичны наблюдениям Ломоносова; и б) Ломоносов не наблюдал так называемый "эффект черной капли" (см., например, Шефер, 2001), который часто наблюдался в ходе транзитов.
В преддверии прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года разгорелись споры вокруг того, мог ли вообще Ломоносов наблюдать ободок света за пределами диска Солнца. Например, Пасачофф и Шихан (2012) поставили под сомнение это открытие, ссылаясь на свой опыт наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца 2004 года, когда у них возникли проблемы с тем, чтобы обнаружить такой тонкий эффект даже при использовании предположительно гораздо более совершенных инструментов, чем телескопы 18 века. В данной статье мы описываем реконструкцию наблюдений Ломоносова, в ходе которой использовались старинные телескопы-рефракторы 18 века. Во второй части статьи мы описываем телескопы, которые использовали для наблюдений прохождения Венеры 5-6 июня 2012 года, а также описываем наши попытки тщательно воспроизвести использованный Ломоносовым фильтр и его экспериментальную методику с нашими инструментами, вполне сравнимыми с доступными энциклопедисту 18 века. Результаты наблюдений представлены в третьей части. Завершает статью небольшое обсуждение и резюме.
II. Телескопы, фильтры и методы
Для эксперимента были приготовлены старинные телескопы-рефракторы (см. фотографии на рис. II-IV). Основные параметры телескопов приведены в Таблице I.
| #1-AK | #2-VS | #3-YP | #4-IN | |
|---|---|---|---|---|
| Изготовитель | Доллонд, Лондон | Доллонд, Лондон | Доллонд, Лондон | Уэст, Лондон |
| Тип | двухлинзовый ахромат-рефрактор | двухлинзовый ахромат-рефрактор | двухлинзовый ахромат-рефрактор | двухлинзовый ахромат-рефрактор |
| Время изготовления | около последней трети 18 века | около 1800 г. | около второй половины 18 века | около 1806-1824 г. |
| Длина телескопа | 55 дюймов (1400 мм) | 28.3 дюйма (718 мм) | 24 дюйма (610 мм) | 18.6 дюймов (474 мм) |
| Диаметр апертуры объектива | 2.5 дюйма (67 мм) | 1.6 дюйма (40 мм) | 2.25 дюймов (57 мм) | 1.2 дюйма (30.5 мм) |
| Увеличение | 37±3 | 23±2 | 19±1 | 37±1 |
| Тип солнечного фильтра | ND M3.8 | закопченое стекло | ND M3.8 | стеклянный ND M2.6 |
| Поле зрения | около 3/4 градуса | около 1 градуса | 1.2 градуса | 1.2 градуса |
| Ослабление потока солнечным фильтром на длине волны 590 нм | 1/4000 | 1/1700 | 1/4000 | 1/400 |
| Место наблюдения | Калифорния (США) | Иллинойс (США) | Колорадо (США) | Новосибирск (Россия) |
Рефракторы (обозначенные в соответствии с инициалами наблюдателей) были использованы для наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца в Калифорнии (телескоп #1-AK), Иллинойсе (#2-VS), Колорадо (#3-YP) и в Новосибирске, Россия (#4-IN). Поскольку наблюдателям в Колорадо и в России ((#3-YP и #4-IN) не повезло с погодой и атмосферными условиями (в дополнение к небольшим дефектам в оптике телескопа #4-IN), приведенное ниже обсуждение будет касаться, в первую очередь, наблюдений прохождения Венеры 2012 года и оборудования на станциях в Калифорнии и Иллинойсе.
II.1 Наблюдения в Калифорнии с телескопом #1-AK:
Телескоп #1-AK (см. рис. II) был оснащен оригинальным окуляром Гюйгенса с фокусным расстоянием 30мм и двумя дополнительными линзами для переворачивания изображения, изготовленным Доллондом. Поле зрения телескопа составляло приблизительно 45 угловых минут. Выходной зрачок телескопа был равен примерно 1.7 мм, что близко к оптимальному значению для достижения максимального углового разрешения глаза для человека среднего возраста. Интерферометрический анализ объектива телескопа приведен на рис. III. Объектив телескопа был исследован с помощью интерферометра ZYGO на длине волны 546мм (зеленый лазер) с прецизионным сферическим зеркалом в качестве опорного элемента (см. рис. III). Результаты теста следующие (для сравнения в скобках указаны те же параметры для диффракционной системы): амплитуда ошибки волнового фронта 1/3.9 длины волны (¼ или менее); среднеквадратическая ошибка волнового фронта 1/21 длины волны (1/14 или менее); число Штреля 0.916 (0.8 или более). Из этого можно заключить, что качество оптики телескопа, сделанного почти два с половиной века назад, довольно высоко даже по сегодняшним меркам.
Рис. II: Двухлинзовый ахромат-рефрактор, изготовленный Доллондом приблизительно в последней трети 18 века: a) (сверху) общий вид; b) передний конец телескопа; c) окулярный конец телескопа.
Рис. III: Данные интерферометрического анализа объектива рефрактора #1-AK.
Наблюдатель также отметил, что хроматическая аберрация инструмента скорректирована очень хорошо: хроматизм полос был заметен только на краю поля зрения (примерно на ¾ от центра оптической оси). Однако область минимальных аберраций была смещена примерно на 15 минут от центра к правому краю. Этот небольшой недостаток оптики был на руку наблюдателю, поскольку он мог удерживать большую часть диска Солнца вне поля зрения, помещая при этом Венеру в центр области минимальных аберраций. Солнечные пятна и поверхность Солнца вокруг них были видны очень четко и детально в день прохождения Венеры и в течение нескольких дней до его наступления.
Телескоп был зафиксирован на обычном фотоштативе с алюминиевой треногой с помощью двух хомутов, что обеспечивало ему плавное движение по азимутальным координатам. Штатив имел регулировку по высоте, что позволяло настраивать расстояние от земли до окуляра. Дополнительный вес окуляра (см. ниже) был скомпенсирован грузом, закрепленным на переднем конце трубы.
Необходимое для данных наблюдений ослабление солнечного света было достигнуто с помощью пленки AstroSolar (производства фирмы Baader), установленной перед объективом. Пленка имела плотность M3.8, таким образом она обеспечивала уменьшение потока от Солнца примерно в 6000 раз. Спектральная кривая пропускания фильтра была измерена в обсерватории Новосибирского Государственного Университета (Новосибирск, Россия), результаты представлены на рис. IV. Вместе с фильтром низкой плотности, установленным перед объективом, также был использован фильтр переменной плотности (лунный) фирмы Orion. Фильтр был установлен в самодельной оправе между окуляром и глазом наблюдателя (см. рис. V). Такая конфигурация фильтров позволяла наблюдателю осуществлять точную подстройку ослабления света прямо в процессе наблюдений.
Рис. IV: Спектральные кривые пропускания солнечных фильтров. Синим отмечена кривая пропускания для фильтра Baader AstroSolar Photo Film ND M3.8, установленной перед объективом рефрактора #1-AK; красным отмечена кривая пропускания для слабо закопченного стекла, установленного на окуляре рефрактора #2-VS (фильтр #3 см. в тексте); черным отмечена кривая пропускания для фильтра Baader AstroSolar Photo Film ND M5.0, рекомендованного для проведения безопасных наблюдений (приведена для сравнения).
Рис. V: Фильтр переменной плотности, закрепленный на окулярном конце рефрактора #1-AK.
Несмотря на использование слабого солнечного фильтра, такого как Baader AstroSolar с коэффициентом ослабления в 16 раз меньше, чем у стандартного оптического фильтра плотностью M5.0, оставались опасения, что он все же мог оказаться слишком сильным для такой задачи как обнаружение света, преломленного атмосферой Венеры. Поэтому в качестве меры предосторожности наблюдатель проводил длительное время в темноте. Этот метод часто используется при наблюдении объектов глубокого космоса сейчас, и использовался во времена Вильяма Гершеля. Это сильно помогло увеличить чувствительность глаз в условиях слабого светового потока.