Лекции о Солнце

Во-первых, зарисовки Шейнера оказались едва ли не единственными свидетельствами уровня солнечной активности в начале XVII века, и поздние исследователи использовали его материалы для воссоздания картины пятнообразования на Солнце в эти годы. Уже из наблюдений Шейнера было видно, что число пятен на Солнце регулярно меняется – бывают периоды, когда их очень много, а бывает, что их нет совсем. Труды астронома-иезуита помогли впоследствии уточнить открытую позже закономерность: 11-летнюю цикличность солнечной активности.

Во-вторых, как и Галилей, Шейнер обнаружил, что пятна на Солнце появляются не где попало, а в пределах зоны, простирающейся на 30 градусов к северу и югу от экватора. Эту зону Шейнер назвал «королевской», так она называется на профессиональном языке гелиофизиков и по сей день.

В-третьих, регулярные наблюдения позволили Шейнеру выявить фундаментальное свойство вращения Солнца – его дифференциальность. Суть феномена заключается в том, что экваториальные слои Солнца вращаются быстрее, чем полярные, причем различие составляет почти 30 %! На сегодняшний день известно, что для широты 16 градусов средний синодический период (относительно Земли) составляет 27,275 суток. Во времена Шейнера в качестве реперов (опорных меток) на поверхности Солнца могли использоваться только пятна, поэтому о сказать что-либо о скорости вращения на высоких широтах было невозможно, – там просто не за что было зацепиться взгляду! Но дифференциальность вращения в королевской зоне наблюдалась (по пятнам) вполне отчетливо, и всякий мыслящий человек мог сделать заключение, что твердое тело так вращаться не может! Это был первый научный факт (конечно, кроме факта высокой излучающей способности и, соответственно, очевидно высокой температуры Солнца), который можно было использовать для понимания физической природы светила.

Наконец, на зарисовках из Rosa Ursina явственно видна неоднородная структура крупных пятен: темная «сердцевина» (тень) и окружающая ее серая «каемка» (полутень). Такие же выводы были сделаны и Галилеем.

Оба исследователя обратили внимание на то, что группы солнечных пятен, как правило, бывают окружены областью повышенной яркости. Эта область порой имела сложную форму, и в дни с хорошим качеством изображения было видно, что она состоит из множества ярких округлых узелков. Эти зоны первоначально были названы Шейнером «маленькими светочами», а позднее получили окончательное название – факелы. Удивительным было то, что факелы хорошо выделялись на восточном краю Солнца, но по мере того как Солнце поворачивалось ото дня ко дню и факелы оказывались в центральной зоне солнечного диска, их контраст почему-то резко понижался, и они становились неразличимыми. Приближаясь к западному краю Солнца по мере вращения светила, факелы снова становились заметными. Удалось отметить, что факельные поля меняют свою конфигурацию не так быстро, как пятна, могут появляться до пятен и исчезать существенно позже после исчезновения пятен.

И еще одно свойство (впрочем, не сразу замеченное) удалось отметить в процессе наблюдений Солнца в телескоп. Оказалось, что яркость светила неодинакова! Ближе к краям диска Солнце оказалось чуть темнее. Факт потемнения Солнца к краю свидетельствовал о каких-то его физических свойствах, которые также удалось расшифровать значительно позднее.

Впервые за всю историю удалось обнаружить хоть какие-то явления и процессы на Солнце. Светило оказалось «неидеальным». «Идеальность» (в смысле абсолютной неизменности) Солнца в прошлом не давала исследователям возможности понять его природу: им было не за что «зацепиться». Выдвигались совершенно умозрительные (в смысле бездоказательности) версии о его сущности только потому, что фактически не было известно никаких свойств Солнца, которые можно было бы хоть как-то интерпретировать! Все известные свойства можно было выразить одной фразой: «излучающий свет и тепло гигантский диск (или шар) в небе». Теперь же становилось понятно, что на Солнце идут какие-то процессы, причем достаточно нерегулярные: динамика солнечных пятен и факелов выглядела первоначально совершенно хаотичной.

Было бы справедливо, если бы и Галилео Галилей, и Христофор Шейнер, и Иоганн Фабрициус вспоминались почаще благодарными потомками как первые ученые, заложившие основу телескопических наблюдений Солнца. Эти наблюдения позволили наконец после полуторатысячелетнего перерыва сделать новый шаг в понимании того, что же представляет собой дневное светило.

К линзе мильонократной
Если глаза прильнут,
Белкой – по снегу —
Пятна
Вспыхивают там и тут…

Так написал поэт Николай Зиновьев. Понятие «солнечные пятна» прочно вошло в культурный код человечества.

Лекция третья

Солнце темное и холодное

Не тайна, что высокомудрый Гершель предполагал, что Солнце обитаемо. Он полагал, что солнечные пятна – подобья дыр в какой-то пылкой туче вкруг Солнца, а само оно не жгуче, и жизнь на нем, считал он, вероятна.

    Леонид Мартынов

В науке лучше исходить из неправильной гипотезы, чем из никакой.

    Д. И. Менделеев

Солнце – это такая планета, даже больше, чем Земля, на которой очень жарко. Люди там не живут, потому что там один огонь. Там ничего нет, только жара.

    Наташа Беляева, 6 лет

Каким же виделось Солнце нашим давним предшественникам с учетом выдающихся открытий начала XVII века?

История астрономии (да, впрочем, и всей естественной науки) показывает, как много значит для человека его опыт. Накопленный опыт мы стараемся перенести в новые сферы, туда, где появляются новые необъясненные факты.

В ряде случаев это оправдано. Знаменитое изречение Уильяма Оккама (1285–1347) – так называемая «бритва Оккама» – звучит так: «Не следует вводить новые сущности без необходимости». Это означает примерно следующее: для объяснения новых фактов сначала имеет смысл попытаться применить уже известные из накопленного опыта объяснения. И только в том случае, если известный опыт окажется неприменимым, можно переходить к введению неких новых сущностей для объяснения фактов.

Что и говорить, в нашей повседневной жизни «бритва Оккама» – правило полезное. Я уже приводил в своей книге «Мифы минувшего века» пример с пропавшим кошельком. Конечно же, можно для объяснения пропажи кошелька вводить новую сущность, например инопланетян, его похитивших. Но было бы полезнее (и эффективнее) сначала отработать другие версии, более привычные и следующие из нашего богатого опыта. Например, поискать в других карманах и сумках, вспомнить, где мы могли кошелек оставить или выронить. В большинстве случаев правило работает, и мы так и не добираемся до ввода новых сущностей, успешно находя объяснение среди сущностей давно известных. Когда российский уфолог Владимир Ажажа в своих интервью в конце ХХ века объяснял исчезновения людей в России похищениями инопланетянами, это было ярким примером ненаучного подхода и нарушением «бритвы Оккама»: данные МВД показывают, что инопланетяне тут совсем ни при чем.

Понятно, что правило работает не всегда – прежде всего тогда, когда мы сталкиваемся с такими фактами, где наш опыт уже не работает. Проблема заключается в том, что наперед неизвестно, можно ли для объяснения новых фактов использовать накопленный в других ситуациях опыт или нет. Но всегда имеет смысл попробовать это сделать и искать иные объяснения только тогда, когда окажется, что все известные объяснения противоречат другим фактам.

Попытки объяснить новые факты, касающиеся Солнца, в основном опирались на известный опыт. Время показало, что эти первые попытки оказались ошибочными. Применение (сознательное или несознательное) подхода, предложенного Оккамом, в данном случае не сработало: человечество столкнулось с фактами за пределами имеющегося опыта.

Любопытно, что почти за два века до наблюдений солнечных пятен Галилеем и его коллегами по цеху астрономов, о природе Солнца рассуждал кардинал Николай Кузанский (1401–1464) – широко образованный ученый, сын рыбака с берегов Мозеля. Николай Кузанский написал трактат De docta ignorantia («Об ученом невежестве»), который стал одним из заметных литературных памятников Раннего Возрождения. В этом трактате кардинал Кузанский рассуждает, помимо прочего, о Солнце:

«Для зрителя, находящегося на поверхности Солнца, незаметен тот блеск, который мы видим, так как центральное ядро Солнца похоже на Землю и помещено внутрь оболочки света и тепла, а в промежутке между ними заключена атмосфера воды, облаков и прозрачного воздуха… Так же и Земля должна казаться сияющей звездой для всех, кто находился бы по ту сторону огненного элемента».

Это замечательное рассуждение, конечно, было выполнено под влиянием древних представлений о существовании различных стихий – земли, воды, воздуха и огня. При этом сделана попытка «находить аналогии между небесными светилами и нашей ничтожной Землей», как писала Агнесса Кларк по поводу трактата кардинала. Согласно этому рассуждению, все светила оказываются одинаковыми и похожими на Землю. Они твердые и окружены воздушными атмосферами с облаками, на твердой поверхности может быть вода. Но снаружи все небесные тела окружены сияющими, ярко светящимися оболочками, и Земля со стороны должна выглядеть так же, как и Солнце!

В рамках такой модели специальный слой облаков должен спасать холодную поверхность твердого Солнца от жара внешней светоносной оболочки…

Рис. 10. Холодное Солнце по Гершелю. Внешний светоносный слой излучает наружу. Жителей Солнца спасает от потока света и тепла непрозрачный слой облаков

Такие представления, развитые в XV веке, опередили свое время. Позднее, в XVIII веке, эта точка зрения получила дальнейшее распространение – в частности, ее поддерживал и развивал великий английский астроном-наблюдатель, открыватель планеты Уран Уильям Гершель (1738–1822). По Гершелю, Солнце представляло собой холодный, темный твердый шар, поверхность которого «украшена горами и долинами, одета богатейшей растительностью и обильно снабжена живыми существами». Этот шар «прикрыт тяжелыми облаками от невыносимого зноя светоносной области, где ослепительный слой солнечных сполохов мощностью в несколько тысяч километров выделяет запасы света и тепла, дающие жизнь всему нашему миру».

«Этот взгляд на Солнце и его атмосферу, – писал далее Гершель, – уничтожает великую рознь между строением центрального светила и строением других больших тел Солнечной системы. Солнце, так истолкованное, является ничем другим, как планетой, громадной и сияющей, наибольшей среди остальных и даже, строго говоря, единственной планетой, так как остальные – просто его спутники. А полное сходство Солнца с планетами, выраженное в одинаковой прочности и твердости, одинаковой атмосфере, в веселом пейзаже поверхности, во вращении вокруг оси, в свойстве притягивать весомые тела – такое сходство ведет к заключению, что, по всей вероятности, Солнце, подобно всем остальным планетам, населено живыми существами, организмы которых, конечно, приспособлены к особенностям условий жизни на этом громадном шаре»[2 - Цитируется по уже упомянутой книге Агнессы Кларк «Общедоступная история астрономии в XIX столетии» в переводе товарища (заместителя) председателя Русского астрономического общества В. В. Серафимова, изданной в Одессе в 1913 году.].

Гершель в своей статье, опубликованной в 1795 году, приводил замечательные соображения против доводов, что жар светоносного слоя может опалить расположенную внизу темную поверхность: «На достаточно высоких вершинах гор… мы всегда находим участки, покрытые льдом и снегом. Теперь, если сами солнечные лучи передали все тепло, которое мы находим на этом небесном теле, они должны быть самыми горячими там, где их ход меньше всего прерывается. Опять же, наши аэронавты подтверждают, что в верхних слоях атмосферы холодно…»

Гершель полагал, что нижние слои атмосферы и темная твердая поверхность Солнца не способны подвергаться какому-либо особому воздействию лучей светоносного слоя.

Воистину, это была красивая идея, оказавшаяся абсолютно неверной. Она основывалась на стремлении «не вводить новые сущности» и объяснить все небесные тела одинаковым образом, знакомым на примере Земли. Наглядны здесь и попытки привлечь для объяснения солнечных явлений результаты наблюдений процессов и явлений на Земле (использование имеющегося опыта). Впрочем, для этой идеи все-таки понадобилась некая новая сущность: пришлось декларировать существование таинственного яркого светоносного слоя, охватывающего небесные тела над слоем непроницаемых облаков.

Заметим попутно, что идея кардинала Кузанского в приложении к Земле разбивается самим фактом возможности созерцать ясное звездное небо с поверхности нашей планеты: где же тогда охватывающий Землю светоносный слой? Или он анизотропен – излучает почему-то только вверх, а для нас, смотрящих снизу, прозрачен?

Второй удар по этой теории могли бы нанести наблюдения Луны: никакого светоносного слоя на Луне не видно, и еще Аристотель убедительно показал, что свечение Луны в небе полностью объясняется освещением ее Солнцем… Теоретики прошлого (впрочем, настоящего тоже!) иногда не видят очевидных фактов, опровергающих их концепции, и обсуждают только факты, говорящие в их пользу…

Но были и факты, которые интерпретировались в рамках концепции «холодного» Солнца. Речь идет об открытии солнечных пятен и факелов! Пятна на Солнце смотрелись черными, как уголь, на фоне ослепительно сверкающей поверхности Солнца. Как пытались современники Галилея объяснить эти новые для человечества явления?

Первую версию, объясняющую факт существования солнечных пятен через множество малых планет, проплывающих перед взглядом наблюдателя на фоне солнечного диска, мы уже упоминали. Автором этой версии был Христофор Шейнер, который высказал ее под контролем католических священников. Позднее эту же гипотезу высказывал Уильям Гаскойн – изобретатель микрометра. Но приверженцев этой версии было мало, особенно после убедительных контрдоводов Галилея.

Что думал сам Галилей о наблюдавшихся им солнечных пятнах? Он полагал, что пятна – это некие облака, плавающие в яркой атмосфере Солнца:

«На лике Солнца благодаря телескопу видны возникновение и распад плотных и темных материй, по внешности очень похожих на облака вокруг Земли, и многие из них столь обширны, что значительно превосходят не только поперечник Средиземного моря, но всю Африку и даже всю Азию», – произносит персонаж по имени Сальвиати в книге Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой». (Сальвиати в книге – это alter ego, второе «я» самого Галилея.)

Астроном и врач Симон Мариус выдвинул предположение, что пятна на Солнце – это шлак, плавающий на поверхности светила. В 1618 году эта точка зрения, как казалось, нашла дополнительные подтверждения. На небе тогда наблюдались три яркие кометы, а пятен на Солнце не было видно вообще (настал минимум солнечной активности, как мы говорим сегодня). На основании этих наблюдений появилась следующая версия: пятна – это пепел, продукт горения солнечного пламени. Теперь этот пепел оказался выброшенным в космическое пространство (он-то и наблюдался в виде комет!), а Солнце разгорелось с новой силой, как свеча, с которой сняли нагар.

Спустя почти век, анализируя свои наблюдения Солнца в 1703–1711 годах, астроном Уильям Дергам (Дерем) писал:

«Пятна на Солнце вызваны извержениями чего-то вроде солнечных вулканов; сначала такой вулкан выбрасывает громадные массы копоти, дыма и других непрозрачных веществ – мы видим пятна, когда же эта темная материя расползается и исчезает, а вулкан становится все более и более свирепым и полным огня, – пятна пропадают и обращаются в “полутени” и, наконец, в факелы».

Стоит заметить, что наличие вулканов предполагает существование твердой поверхности солнечного шара – как писали кардинал Кузанский, а затем Уильям Гершель. В модели Дерема находили объяснение и факелы, наблюдавшиеся после исчезновения темных пятен. Получалось, что это яркие выбросы вулканов, вышедших на максимальный режим энерговыделения, когда копоть и дым уже рассеялись…

Иная трактовка факта существования солнечных пятен была предложена астрономом Джованни Кассини (1625–1712) в 1671 году и развита Жозефом Лаландом (1732–1807). Согласно Лаланду, пятна на Солнце – это горные возвышенности, высокие вершины, случайно открываемые во время отливов светоносного океана. Полутени солнечных пятен в рамках такого подхода рассматривались как отмели этого океана, неглубокие места, где темные породы просвечивали сквозь океан, но выглядели не так контрастно, как сердцевины (тени) солнечных пятен – пики горных вершин.

7 марта 1681 года Джон Флэмстид (1646–1719), первый королевский астроном и директор обсерватории в Гринвиче, сообщил великому физику и астроному Исааку Ньютону (1642–1727) свое мнение о природе Солнца. «Вещество Солнца сходно с веществом Земли, а свет Солнца – это только некая жидкая субстанция, его окружающая», – писал он.

Спустя столетие немецкий астроном Иоганн Боде (1747–1826), автор названия «Уран» для открытой Гершелем новой планеты и будущий директор Берлинской обсерватории, пришел к следующему выводу, опубликованному им в 1776 году: «Солнце само по себе не горит и не сияет, оно не что иное, как темное планетарное тело; на нем, как на нашей Земле, существуют и материки, и океаны; на материках чередуются горы и равнины; а окружено Солнце атмосферой паров».

Большинство ученых в конце XVIII века одобряли и разделяли эти взгляды!