Дело о потерянной планете

"Этой звезды нет на карте!" - воскликнул Генрих Луи д'Арре (H. d'Arrest), студент из Берлинской обсерватории, разложив на столе карту звездного неба. И его слова услышал весь мир.

23 сентября 1846 г. астроном Иоганн Готфрид Галле (Johann Gottfried Galle) и его коллега д'Арре занимались проверкой предположения, сделанного французским математиком Урбеном Жаном Жозефом Леверье (Urbain Jean Joseph Le Verrier). Согласно предложенной гипотезе, Уран, считавшийся в те времена наиболее удаленной от Солнца планетой, отклоняется от вычисленной для него орбиты из-за гравитационного влияния другой, но невидимой. Всего за пять дней до этой сентябрьской ночи Леверье писал Галле: "Наблюдения Урана можно объяснить, лишь учтя воздействие новой, неизвестной до сих пор планеты, и, что самое интересное, на эклиптике есть лишь одно место, где она может располагаться".

Менее получаса понадобилось Галле, чтобы найти маленькое голубое пятнышко в пределах одного градуса от указанного места. Когда на следующую ночь телескоп был направлен на тот же объект, оказалось, что он немного переместился на фоне звезд. Галле сразу же написал Леверье: "Планета, которую вы предсказали, действительно существует!"

История о математически вычисленной и обнаруженной в телескоп планете, которую Леверье назвал Нептуном, - одна из самых знаменитых и часто упоминаемых в астрономии. Широко известна и дискуссия, разгоревшаяся вскоре после того, как Галле объявил об открытии. Выяснилось, что молодой и малоизвестный английский математик Джон Коч Адамс (John Couch Adams) также занимался этой проблемой и предсказал почти то же положение планеты, что и Леверье.

Французские астрономы скептически отнеслись к заявлению Адамса. Но, как следует из отчета лондонского королевского астрономического общества, на заседании 13 ноября 1846 г. королевский астроном Джордж Бидделл Эри (George Biddell Airy) зачитал некий документ, подтвердивший, что осенью 1845 г. он действительно получил от Адамса предсказание о положении планеты, и это побудило его начать поиск космического объекта, однако результаты не были обнародованы.

Большинство пересказов знаменитой истории открытия Нептуна так или иначе опирается на выступление Эри. Главные действующие лица - Леверье, Адамс, Эри и астроном Кембриджского университета Джеймс Челлис (James Challis), также пытавшийся обнаружить планету. Так, Адамс предстал застенчивым героем, которого в журнале королевского общества восхваляли как величайшего астронома-теоретика Англии уступающего разве что Ньютону. Говорили, что Адамс и Леверье стали друзьями. Челлис же представлялся лентяем, погубившим все дело. А Эри выглядел гнусным бюрократом, описанным в 1976 г. Айзеком Азимовым как тщеславный, завистливый, недалекий человек, который за мелкими деталями был не в состоянии увидеть картину в целом… "Это был мерзкий человек, с которым Адамс пытался общаться".

Где документы?

Прошли годы, и у некоторых историков появились сомнения в правильности версии открытия Нептуна. Одним из первых в ее достоверности усомнился английский астроном Уильям Смарт (William M. Smart), унаследовавший научные работы Адамса. В конце 1980-х Аллан Чепмен (Allan Chapman) из Оксфордского университета, а позже Роберт Смит (Robert Smith) из Университета Джонса Гопкинса, обнаружили новые документы. Но еще в конце 1960-х независимый аналитик из Балтимора Деннис Роулинс (Dennis Rawlins) предположил, что английские астрономы в XIX в. сознательно сфабриковали или, по крайней мере, приукрасили эту историю.

Все сомнения могли бы разрешиться, если бы историки познакомились с документом, процитированным Эри. Но всякий раз, еще с середины 1960-х, когда они просили предоставить им материал, библиотекари Гринвичской обсерватории отвечали, что он недоступен. Его местонахождение было тайной, почти столь же захватывающей, как история с самим Нептуном. Как могли документы, связанные с одним из важнейших событий в астрономии, исчезнуть бесследно?

И Роулинс, и гринвичские библиотекари подозревали, что бумаги были в руках у астронома Олина Эггена (Olin Eggen), работавшего первым помощником королевского астронома в начале 1960-х. Он брал их из библиотеки, чтобы написать биографические статьи об Эри и Челлисе. Поскольку он был последним, кто держал ценные бумаги в руках, то у него в первую очередь и следовало их искать. Но Эгген, который сначала переехал в Австралию, а затем в Чили, отрицал наличие у него пропавших документов, а библиотекари отказывались на него давить, опасаясь, что, желая замести следы, он может просто их уничтожить.

Все сохранялось в тайне более 30 лет, до смерти Эггена в октябре 1998 г. Когда коллеги пришли в его квартиру в чилийском Институте астрономии, они нашли пропавшие бумаги и еще много бесценных книг из библиотеки Гринвичской обсерватории. Все материалы весом более 100 кг упаковали в два больших ящика и вернули в Кембриджскую библиотеку, где сейчас хранится архив Гринвичской обсерватории. (Сотрудники библиотеки тут же сделали резервные копии.) Неожиданная находка вместе с дополнительными документами, обнаруженными в другом архиве, позволила нам пересмотреть историю открытия Нептуна.

Сбившийся с курса

Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн видны невооруженным глазом и поэтому были известны с незапамятных времен. Первой планетой, обнаруженной в телескоп, стал Уран. Органист и любитель астрономии Вильям Гершель ночью 13 марта 1781 г. проводил обзор неба с помощью самодельного 6-дюймового рефлектора. Он заметил, что крошечный желто-зеленый диск в созвездии Близнецов скорее похож на комету, чем на звезду. Последующие наблюдения и вычисления других астрономов доказали, что объект Гершеля - не комета, которая должна иметь очень вытянутую эллиптическую орбиту, а планета, обращающаяся вокруг Солнца по устойчивой, почти круговой орбите нa расстоянии, вдвое большем, чем Сатурн.

Никто из астрономов не предполагал, что в Солнечной системе может быть неизвестная планета. Просматривая старые звездные каталоги, они обнаружили, что новая планета, которую немецкий астроном Иоган Элерт Боде (Johann Elert Bode) назвал Ураном, была впервые обнаружена еще в 1690 г., а до 1781 г. замечена 20 раз, но каждый раз ее ошибочно принимали за звезду. В 1821 г. французский астроном Алексис Бувар (Alexis Bouvard) собрал данные всех наблюдений и обнаружил серьезное несоответствие. Даже после учета гравитационного влияния планет-гигантов Юпитера и Сатурна он не смог привести данные о движении Урана, опираясь на законы Ньютона. Почему законы механики и тяготения не работают? Быть может, неизвестная среда оказывает сопротивление движению планеты? Или на Уран воздействует еще одно неизвестное тело? Это была версия XIX в. - проблема скрытой массы, так интригующая астрономов сегодня.

Великий немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель (Friedrich Wilhelm Bessel) намеревался открыть тайну, но умер, не закончив работу. Первым полным опубликованным исследованием стала работа Леверье, появившаяся 1 июня 1846 г. в журнале Французской Академии наук. Он предсказал, что 1 января 1847 г. трансурановую планету можно будет обнаружить на средней долготе 325о. Журнал попал в Англию в конце месяца, и, как только Эри прочел его, он понял, что уже видел подобную информацию предыдущей осенью, изложенную на клочке бумаги, оставленном в его доме студентом колледжа святого Джона Кембриджского университета.

Эфирное создание

Студента звали Адамс, жизнь которого кое в чем напоминала судьбу Исаака Ньютона. Оба росли в сельской местности Англии: Ньютон был сыном неграмотного мелкого землевладельца в Ланкашире, Адамс - сыном крестьянина в Корнуолле. Оба с ранних лет интересовались математикой и природными явлениями, следя за сезонным движением Солнца, делая отметки на оконных рамах и стенах комнаты. Они отличались умеренностью, привередливостью и религиозной щепетильностью. Современники считали их эксцентричными и рассеянными мечтателями. (В наши дни Ньютону и Адамсу приписали бы синдром Асперджера, который иногда называют высокоинтеллектуальным аутизмом.)

Адамс родился 5 июня 1819 г. К 10 годам у него проявился талант к математике. Проштудировав все книги по астрономии и математике, которые смог найти, он еще подростком вычислил местное время солнечного затмения для Корнуолла - нетривиальная задача в эпоху до электронных калькуляторов и компьютеров. Рассказывают, что он наблюдал небо, прислоняясь к древнему кельтскому кресту недалеко от дома. Однако плохое зрение не позволило ему стать астрономом-наблюдателем. Случайное обстоятельство (на землях, принадлежащих его семье, была обнаружена марганцевая руда, используемая в сталелитейном деле) открыло бывшему бедняку дорогу в Кембридж, куда он и поступил в 1839 г.

Адамс получал все университетские призы по математике. При этом он был неприметным, почти бестелесным и отрешенным существом. Студенты вспоминали его как "парня невысокого роста, который быстро ходил и носил потрепанное пальто".

В июле 1841 г., еще учась в колледже, Адамс наткнулся в книжном магазине Кембриджа на работу Эри 1832 г. "Доклад о развитии астрономии", где говорилось о росте отклонения в движении Урана от предвычисленной орбиты. Прочтя его, Адамс записал в свой дневник:

"После того как получу ученую степень, начну исследовать еще не изученные отклонения в движении Урана, чтобы выяснить, не может ли быть их причиной неизвестная планета, находящаяся за ним".

Конек Адамса

В течение следующих пяти лет Адамс, по-видимому, обращался к проблеме движения Урана лишь время от времени. Она не казалась ему срочным делом, поскольку уже многие годы ждала своего решения. Окончив в 1843 г. колледж, он достал наблюдательные данные о движении Урана через Челлиса, чья обсерватория была в миле от Cент-Джонса (St. John's). Занятый преподаванием, Адамс брался за трудоемкие вычисления лишь во время каникул. Он любил такую работу.

В качестве первого приближения он предположил, что неизвестная планета расположена на расстоянии 38 астрономических единиц от Солнца, т.е. вдвое дальше Урана, в соответствии с законом Тициуса-Боде (эмпирическое правило, довольно точно указывающее размеры орбит всех планет до Урана включительно). Манипулируя значениями орбитальных параметров предполагаемой планеты, он пытался уменьшить остаточный член - расхождение между предсказанным и наблюдаемым положением Урана. Метод последовательных приближений, известный как теория возмущений, позже стал основным методом математической физики.

В середине сентября 1845 г. Адамс каким-то образом сообщил результаты своих летних расчетов Челлису. Но как? Многие историки указывают на один из листов, озаглавленный как "Новая планета", найденный в бумагах Адамса, где рукой Челлиса было написано: "Получено в сентябре 1845". Но тут не все ясно. Да и термин "новая планета" в то время почти не использовался. Совершенно не очевидно, что Адамс вообще сообщил свои результаты Челлису. Если учесть, что общались они нерегулярно, неудивительно, что сообщение не побудило Челлиса к обзору ночного неба. Он вообще сомневался, что теория возмущений способна точно предсказать положение планеты. Впоследствии ученый говорил, что, хотя задача и была ясна, не было никакой уверенности в положительном результате. Однако он сообщил Эри, что Адамс завершил некоторые вычисления.

Адамс решил нанести визит Эри. 21 октября 1845 г. он дважды посетил дом Эри в Гринвич-Хилл. Но они так никогда и не встретились. Адамс оставил клочок бумаги для Эри. Он-то и стал решающим документом, позволившим англичанам заявить об открытии (см. иллюстрацию на противоположной стр.). Краткая заметка содержала описание орбитальных элементов неизвестной планеты. Ее орбита существенно отличалась от круговой, а средняя долгота планеты 1 октября 1845 г. составляла 323о?34'. Записка также содержала колонки остаточных членов в пределах примерно одной секунды дуги, которые Адамс указал, чтобы продемонстрировать, что его теория может объяснить аномальное движение Урана. Однако в ней не было детального изложения самой теории и вычислений. Более того, чтобы наблюдатель смог использовать данные для наведения телескопа, нужно было перевести средние орбитальные элементы в фактические положения планеты на небе. Версия письма, которую Эри опубликовал позднее, была подправлена (она оказалась без ключевой фразы, очевидно, чтобы скрыть эти недостатки).

Необъяснимое молчание

Несмотря на то что позже многие критики обвиняли Эри в том, что он оказался не способен понять всю важность документа, в действительности тот сразу же ответил Адамсу:

"Я очень благодарен за письмо с результатами, оставленное Вами несколько дней назад и показывающее, что возмущения [отклонения по долготе] в положении Урана вызваны планетой с предполагаемыми элементами… Я буду рад, если Вы сообщите, может ли предполагаемое возмущение объяснить [также и] радиус-вектор Урана".

Далее Эри пишет, что в 1830-х он, основываясь на множестве наблюдений, определил, что Уран кроме отклонения по долготе находится немного дальше от Солнца, чем должен быть. Если бы Адамс ответил на письмо Эри, то, возможно, тот распорядился бы начать поиски и англичане смогли бы с полным правом претендовать на открытие Нептуна. Но Адамс не ответил. Почему?

Сам Адамс так и не дал объяснений. В старости он говорил, что расценил вопрос Эри как "тривиальный" и недостойный ответа. Но в статье, подводящей итоги его вычислений (уже после открытия Нептуна), он признавал, что ошибка радиус-вектора иногда была значительной. В декабре 1846 г. кембриджский геолог Адам Седжвик (Adam Sedgwick) спросил Адамса, была ли его необщительность вызвана раздражением из-за несостоявшейся встречи с Эри, и Адамс ответил, что нет. Он сослался на свою медлительность и на нелюбовь писать письма.

Из документа, обнаруженного в 2004 г. в бумагах семейства Адамсов в Корнуолле, мы знаем, что Джон Адамс начал писать письмо к Эри, но так и не отослал его. В письме, датированном 13 ноября 1845 г., говорится о намерении описать свои методы. Там же Адамс обещает представить краткий отчет о своих ранних работах, но после двух страниц текст обрывается. В других бумагах тех же дней приводится формула, дающая неправильный радиус-вектор, но детали вычислений не раскрываются. Как видим, Адамс понимал важность вопроса Эри, но по каким-то причинам не смог дать полный ответ.

После открытия Нептуна Адамс написал Эри, что он обдумывал возможность самостоятельного поиска предполагаемой планеты с помощью маленького телескопа в обсерватории колледжа. При этом он признавал, что, не объяснив деталей своих вычислений Челлису или Эри, был не в состоянии убедить их начать немедленный поиск планеты.

Затишье перед бурей

Всю первую половину 1846 г. Адамс занимался вычислением орбит фрагментов кометы, которая только что раскололась на две части.

Только в июне 1846 г., когда статья Леверье попала в Англию, Эри предложил Челлису начать поиск. Адамс присоединился к этой работе, вычисляя положение предполагаемой планеты на небе в конце лета и начале осени. Как впервые отметил историк Роулинс (Rawlins), эти вычисления базировались на круговой орбите Леверье, а не на собственной теории Адамса. Челлис начал поиски 29 июля. Его журнал наблюдений доказывает, что он был дотошным астрономом. Не подозревая о существовании звездной карты Берлинской академии, перекрывающей изучаемую область неба (карты, которую Галле и д'Арре используют в конце сентября), Челлис в конце концов сам составил карту неба. Он зарисовывал положение каждого наблюдаемого объекта дважды. Эта работа отнимала уйму времени и не позволяла обследовать большую область, как этого требовал Эри. Весь сентябрь Челлис наблюдал 3000 звезд и дважды - 4 и 12 августа - зарисовал объект, который позже будет опознан как Нептун. Но из-за того, что он не сравнивал положения зарисованных объектов сразу после наблюдений, он упустил свой шанс открыть Нептун.

Тем временем Адамс уточнил свои расчеты и направил их в письме к Эри от 2 сентября. Он давно сомневался, насколько оправданно использование закона Тициуса-Боде и может ли орбита гипотетической планеты быть существенно некруговой. Во время летних каникул он проделал вычисления и обнаружил, что меньшая по размеру круговая орбита лучше соответствует наблюдениям. Затем он продолжал вносить поправки, рассматривая возможность еще меньшей орбиты, которая, как он думал, могла бы дать долготу, отличную от его первоначального прогноза.

Новые предположения Адамса, как мы теперь знаем, переместили бы планету к области резонанса с Ураном, то есть в то место, где гравитационное влияние накапливается, что перечеркнуло бы использованный Адамсом математический метод. Но это уже не имело значения: новые вычисления были проведены слишком поздно, чтобы повлиять на наблюдения искателей планеты.

Одна из особенностей работы Адамса заключалась в том, что он всегда описывал свою планету как абстрактную. Леверье же, наоборот, опубликовал конкретные положения для своей гипотетической планеты и указывал на нее как на реальный физический объект, находящийся у холодных границ Солнечной системы. В августовской статье он смело предположил, что планету можно будет распознать в телескоп по ее диску. Когда данная информация появилась в Англии, Челлис стал больше внимания уделять внешнему виду объектов, которые заносил в каталог. 29 сентября он отметил, что один из них "кажется дискообразным". Однако несколькими днями ранее этот же объект был опознан в Берлинской обсерватории как планета. Гипотеза подтвердилась.

Англичане украли Нептун

Изучив документы, мы пришли к выводу, что современники Адамса в Англии доверяли ему больше, чем он того заслуживал, даже если учесть, что он выполнил некоторые интересные вычисления. В первую очередь он заслуживает славы как первый исследователь, применивший теорию возмущений к движению планет. Вероятно, он был уверен в точности и непогрешимости своих результатов, но теперь мы понимаем, что историки переоценивают степень достоверности его предсказания.

Как бы там ни было, открытие - это не только исследование интересующей проблемы и выполнение некоторых вычислений, но и информирование общественности о том, что сделано открытие. Адамс решил только первую половину задачи. Как ни странно, личные качества Леверье, его напористость и резкость, что было полной противоположностью застенчивости и наивности Адамса, - сработали против него: британское научное сообщество дружно выступило в защиту Адамса, тогда как Леверье был непопулярен среди коллег.

История еще раз демонстрирует, насколько важна удача при совершении открытия. Ведь ни Адамс, ни Леверье не предсказали правильную орбиту Нептуна. Оба они переоценили расстояние планеты от Солнца и смогли определить долготу только из-за удачного положения планет на орбитах. Такие вещи часто случаются в науке (что и произошло при открытии Плутона почти столетие спустя).

Теперь, когда страсти, вызванные международной конкуренцией 1840-х, утихли и оригиналы документов опять стали доступны историкам для исследований, мы можем подтвердить, что в деле открытия Нептуна достоин лавров лишь тот, кто верно предсказал положение планеты и убедил астрономов в необходимости ее поиска. А это сделал только Леверье.