Видимость созвездий и планет

Рисунок созвездий на небе сохраняется тысячелетиями, несмотря на то, что звезды хаотически движутся в пространстве со скоростями десятки километров в секунду. Но расстояния до звезд так велики, что заметить глазом взаимное перемещение звезд невозможно даже на протяжении тысячелетий. Тем не менее картина созвездий, доступных жителям разных областей Земли, заметно меняется от эпохи к эпохе. В этом повинно движение самой Земли. Напомню, как оно происходит.

Земля вращается вокруг собственной оси и обращается по орбите вокруг Солнца. Эклиптика – это отраженная на небесной сфере плоскость орбиты Земли в ее движении вокруг Солнца. Второе движение Земли – суточное вращение вокруг оси – определяет другую важнейшую линию – небесный экватор (отражение земного экватора). Эти два небесных круга пересекаются под углом 23° 26′: под таким углом наклонена ось вращения Земли к ее орбитальной оси. Этот наклон определяет смену сезонов: полгода чуть больше солнечного тепла получает Северное полушарие Земли, вторые полгода – Южное. Будь этот угол больше, наше лето было бы жарче, а зима холоднее.

Для нас, жителей средней полосы, наклон земной оси проявляется в том, что зимой Солнце опускается под небесный экватор и ходит днем низко у горизонта, а летом, поднимаясь выше экватора (максимум на те же 23,4°), рано восходит, поздно заходит, а в полдень поднимается почти в зенит. Осенью и весной – в дни равноденствий – Солнце пересекает небесный экватор в точках, которые так и называют: точка осеннего равноденствия и точка весеннего равноденствия. Это и есть точки пересечения небесного экватора и эклиптики, с которыми связаны важнейшие системы небесных координат.

Рис. 1.2. Наклон оси вращения Земли к плоскости ее орбиты служит причиной смены времен года.

Легко понять, что не каждому жителю Земли доступны для наблюдения все 88 созвездий нашего неба. Рассмотрим предельные случаи. Наблюдатель на Северном полюсе каждую безоблачную ночь может видеть все созвездия северной полусферы неба, но только их; южные созвездия он никогда не увидит – для него они всегда под горизонтом. А наблюдатель на Южном полюсе может видеть только южные созвездия. Этих наблюдателей можно уподобить двум пассажирам автобуса, сидящим у противоположных окон: каждый видит только свою сторону улицы. Зато наблюдатель на экваторе, как водитель автобуса, может в течение года увидеть все уголки звездного неба (в течение суток этого сделать не удастся, поскольку мешает Солнце). Соответственно, в средних широтах Северного полушария доступны для наблюдения все северные и только часть южных созвездий. В Южном полушарии – наоборот.

Теперь представим себе, что земная ось немного изменила свою ориентацию. Для наблюдателей на Северном и Южном полюсах – то есть для «пассажиров», сидящих у противоположных «окон», – этот маневр равноценен повороту автобуса; в результате наблюдателям становятся видны иные части неба, но все равно каждому из них остается доступной лишь половина небосвода. Для наблюдателя на экваторе ничего не изменилось: в течение года он все равно увидит все уголки неба, только в несколько иной последовательности. А для жителя средней полосы ситуация изменилась частично: некоторые звезды становятся ему недоступны, зато ранее не наблюдавшиеся звезды он начинает видеть.

Но к чему весь этот мысленный эксперимент? Разве ось вращения Земли может изменить свою ориентацию? Да, может, и делает это постоянно, хотя и не очень быстро.

Рис. 1.3. Прецессия земной оси.

Движение Земли можно уподобить вращению волчка на полу: он быстро крутится вокруг оси и медленно покачивается на острие, описывая осью конус. Это покачивание вызвано притяжением волчка к Земле. Сама Земля – тоже своеобразный волчок: она испытывает притяжение со стороны Луны и Солнца. Под их гравитационным влиянием земная ось совершает медленное конусообразное движение. Один полный оборот по конусу с раствором в 23,4° ось Земли завершает за 25 770 лет. Соответствующее колебание совершает плоскость земного экватора и ее продолжение – небесный экватор. Эклиптика же, как отражение плоскости земной орбиты, остается практически неподвижной, поэтому точки ее пересечения с экватором на небе – точки весеннего и осеннего равноденствий – перемещаются по эклиптике вместе с движущимся экватором с востока на запад, навстречу годичному движению Солнца. Это явление называют прецессией (лат. praecessio предшествование), т. е. предварением равноденствия. Происходит оно не совсем равномерно: на него накладываются небольшие колебания – нутация, вызванная тем, что с периодом 18,6 года «покачивается» орбита Луны, а Луна – главный виновник прецессии земной оси.

Итак, под влиянием прецессии за несколько тысячелетий заметно изменяется направление земной оси, поэтому в разные эпохи она смотрит на разные звезды: сегодня ось Земли направлена почти точно на звезду а Малой Медведицы, которую мы называем Полярной, а, скажем, 5000 лет назад эту роль исполняла весьма тусклая звезда а Дракона, а через 12000 лет полярной звездой станет Вега – а Лиры. Поскольку Вега очень яркая, для путешественников это будет удобно. Но далеко не всегда ось Земли бывает направлена на заметное светило; чаще центр вращения (по астрономической терминологии – полюс мира) лежит вдали от ярких звезд. Например, сейчас положение северного полюса мира удачно отмечено довольно яркой Полярной звездой, зато вблизи южного полюса мира заметного светила нет, поэтому в Южном полушарии ориентироваться по звездам сложнее.

Вместе с перемещением полюсов мира иным становится и годичный ход созвездий по небу: для жителей определенных географических широт одни созвездия со временем становятся наблюдаемыми, а другие, меняя свое расстояние от полюса, на многие тысячелетия скрываются под горизонтом. Любопытный пример этого могли отметить те, кто читал «Одиссею» Гомера. Древнегреческий поэт упоминает созвездие Большая Медведица, которое «никогда не погружает своих звезд в волны моря». Но сегодня в Греции мы видим совсем иное: Большая Медведица исправно окунает свои звезды в волны Ионического и Эгейского морей. Это и не удивительно: Греция – южная страна, на ее широтах высота северного полюса мира мала, и Большая Медведица является заходящим за горизонт созвездием. Значит, Гомер ошибся? Нет. Просто за прошедшее время прецессия повернула земную ось, и видимое движение звезд изменилось. Ковш Большой Медведицы заметно удалился от полюса и стал описывать на небе более широкий круг. Для нас, жителей России, Большая Медведица по-прежнему осталась незаходящим созвездием, зато в более южной Греции ее Ковш стал пересекать горизонт и – с точки зрения морских путешественников – «черпать воду». Астрономы вычислили, что 3000 лет назад, во времена Гомера, звезды Ковша для наблюдателей в Греции не приближались к горизонту менее чем на 11°, так что действительно Медведица тогда не «окунала своих звезд в волны моря». Таким образом, стихи Гомера не оставляют сомнений относительно родины великого поэта, они подтверждают греческое происхождение поэмы.

Хотя направление земной оси меняется, ее наклон к плоскости орбиты, эклиптике, остается почти неизменным. Поэтому сохраняется смена сезонов года, так же как и видимый путь Солнца на небе для жителей каждой географической широты, и Зодиак всегда остается Зодиаком. То есть Солнце всегда перемещается по небу среди тех же звезд, что и сегодня. Единственное, что заметно меняется в результате прецессии земной оси, – это видимость созвездий в разные сезоны года: если сейчас для жителей Северного полушария Орион – зимнее созвездие, то через 13 тысяч лет оно станет летним. Незначительные изменения происходят и в видимости планет: если сейчас великие противостояния Марса приходятся на конец августа, то через 13 тысяч лет они будут наблюдаться в конце февраля. Для жителей Северного полушария это, с одной стороны, выгодно, поскольку зимой эклиптика по ночам выше над горизонтом и Марс будет виден лучше, но, с другой стороны, в феврале холодно, особенно в ясные ночи. Куда приятнее любоваться Марсом в августе.

Если уж мы заговорили о погоде, то можно вспомнить, что и она немного меняется в результате прецессии земной оси. Как мы уже знаем, смена сезонов в основном вызвана наклоном земной оси: полгода солнечные лучи обильнее освещают северное полушарие Земли, вторые полгода – южное. Но на этот главный эффект накладывается слабый второстепенный. Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, поэтому в декабре – январе она на 3 % ближе к Солнцу, чем в июне – июле. Это приводит к 6 %-му изменению интенсивности потока солнечного света у Земли и немного сглаживает колебания температуры от зимы к лету в нашем Северном полушарии. Зато в Южном это делает перепады температуры более резкими. Поэтому сейчас мы в выигрышном положении. Но через 13 тысяч лет ситуация изменится: в Австралии климат станет мягче, а у нас колебания температуры усилятся.

Древние созвездия

В письменных источниках имена созвездий хранятся уже несколько тысячелетий. В 275 г. до н. э. греческий поэт Арат в поэме «Явления» описал известные ему созвездия. Но исследования астрономов показали, что Арат использовал гораздо более раннее описание небесной сферы. Используя список созвездий Арата и учитывая прецессию земной оси, меняющую видимость созвездий от эпохи к эпохе, можно датировать первоисточник поэмы Арата и определить географическую широту наблюдений. Относительно широты исследователи пришли к сходным результатам: наблюдатели той далекой эпохи располагались вблизи 36° с. ш. С определением точной эпохи оказалось сложнее: Е. Маундер (1909) датировал первоисточник 2500 г. до н. э., А. Кромеллин (1923) – 2460 г. до н. э., М. Овенден (1966) – около 2600 г. до н. э., А. Рой (1984) – около 2000 г. до н. э., С.В.Житомирский (1997) – около 1800 г. до н. э. Несмотря на эти расхождения в датировке, мы видим, что знакомое нам разбиение звезд на группы в целом сложилось очень давно. Поразительно, как долго живет традиция деления неба на созвездия. Никак не меньше, чем сюжеты религиозных мифов и народных сказок.

Теперь мы называем описанные Аратом созвездия древними. Через 4 века после Арата, во II в. н. э., греческий астроном Птолемей описал 48 созвездий, указав в них положения ярчайших звезд; из этих созвездий 47 сохранили свои имена до наших дней, а одно большое созвездие Арго (корабль Язона и аргонавтов) было в XVIII в. разделено на четыре меньших: Киль, Корму, Паруса и Компас.

Разумеется, разные народы делили небо по-разному. Например, в Китае в древности была распространена карта, на которой звездное небо делилось на четыре части, в каждой из них насчитывалось по семь созвездий, т. е. всего созвездий было 28. А монгольские ученые XVIII в. насчитывали 237 созвездий.

В европейской науке и литературе закрепились те созвездия, которыми пользовались древние жители Средиземноморья. С территории этих стран (включая Северный Египет) в течение года можно видеть около 90 % всей небесной сферы. Однако народам, живущим вдали от экватора, значительная часть небосвода недоступна для наблюдения: на полюсе видна лишь половина небесной сферы, на широте Москвы – около 70 %. По этой причине даже жителям Средиземноморья не были видны самые южные звезды; эту часть неба поделили на созвездия только в новое время, в эпоху великих географических открытий.

Глубина астрономических традиций проявляется не только в делении неба на созвездия, но и в дожившем до нашей эпохи архаичном понятии о зодиакальных знаках. Изначально это был просто удобный способ обозначения двенадцати равновеликих отрезков эклиптики, на которых Солнце проводит примерно по одному месяцу – своеобразный календарь. Но позже астрологи придали этим знакам мистический смысл. Поскольку астрология не имеет отношения к науке, я не буду касаться ее в этой книге. Но связь зодиакальных знаков с созвездиями нужно пояснить.

Зодиакальные знаки, которыми пользуются астрологи, жестко связаны с точками равноденствия и следуют за ними. В результате прецессии точка весеннего равноденствия за прошедшие с античных времен два тысячелетия переместилась из созвездия Телец через Овен в Рыбы. Это привело к кажущемуся смещению всего зодиакального ряда созвездий на два «деления» (поскольку отсчет по традиции начинается от того созвездия, в котором расположена точка весеннего равноденствия). Например, Рыбы поначалу были одиннадцатым зодиакальным созвездием, а теперь – первое; Телец был первым – стал третьим. Примерно в 2600 г. точка весеннего равноденствия переместится из Рыб в Водолей, и тогда это созвездие станет первым в Зодиаке.

Таблица 2

Даты вступления Солнца в границы созвездий и в одноименные знаки Зодиака (для 2010 г.)*

* В другие годы эти даты могут отличаться на 1–2 дня.

Два тысячелетия назад, когда были написаны классические руководства, до сих пор используемые астрологами, зодиакальные знаки располагались в одноименных им созвездиях Зодиака. Но перемещение точек равноденствия привело к тому, что зодиакальные знаки теперь расположены в других созвездиях. Солнце теперь попадает в определенный знак Зодиака на 2–5 недель раньше, чем доберется до одноименного этому знаку созвездия. Кстати, в соответствии с современными границами созвездий эклиптика пересекает теперь не 12, а 13 созвездий: к «классической дюжине» добавился Змееносец.

Новые созвездия

Описанные Птолемеем созвездия много веков верой и правдой служили морякам и проводникам караванов в пустыне. Но после кругосветных плаваний Магеллана (1518–1521) и других мореплавателей стало ясно, что морякам нужны новые путеводные звезды для успешной ориентации в южных широтах. В 1595–1596 гг. во время плавания голландского купца Фредерика де Хоутмана вокруг мыса Доброй Надежды к острову Ява его штурман Питер Диркзоон Кейзер, известный также как Петрус Теодори, выделил на небе 12 новых южных созвездий: Журавль, Золотая Рыба, Индеец, Летучая Рыба, Муха, Павлин, Райская Птица, Тукан, Феникс, Хамелеон, Южная Гидра и Южный Треугольник. Эти звездные группы приняли окончательную форму немного позже, когда картографы нанесли их на небесные глобусы, а немецкий астроном Иоганн Байер изобразил их в своем атласе «Уранометрия» (1603).

Рис. 1.4. Изображения некоторых созвездий, названных в честь технических устройств. Фрагмент карты из атласа Иоганна Боде (1801).

Появление новых созвездий на южном небе подтолкнуло некоторых энтузиастов к тому, чтобы начать передел и северного небосвода. Три новых северных созвездия (Голубь, Единорог и Жираф) в 1624 г. ввел Якоб Барч, зять Иоганна Кеплера. Еще семь созвездий, в основном северных (Гончие Псы, Лисичка, Малый Лев, Рысь, Секстант, Щит и Ящерица), ввел польский астроном Ян Гевелий, использовав звезды в областях неба, не охваченных созвездиями Птолемея. Их описание опубликовано в атласе «Уранография» (1690), изданном уже после смерти Гевелия. Французский астроном Никола Луи де Лакайль, проводя наблюдения на мысе Доброй Надежды в 1751–1753 гг., выделил и привел в своем «Каталоге звезд южного неба» (1763) еще 17 южных созвездий, назвав их преимущественно в честь атрибутов науки и искусства: Живописец, Киль, Компас, Корма, Микроскоп, Насос, Наугольник, Октант, Паруса, Печь, Резец, Сетка, Скульптор, Столовая Гора, Телескоп, Циркуль и Часы. Они стали последними из 88 созвездий, используемых сейчас астрономами.

Разумеется, попыток переименовать участки ночного неба было значительно больше числа новых созвездий, сохранившихся до наших дней. Многие составители звездных карт в XVII–XIX вв. пробовали вводить новые созвездия. Например, первый русский звездный атлас Корнелия Рейссига, изданный в Петербурге в 1829 г., содержал 102 созвездия.

Рис. 1.5. Карта из атласа К. Рейссига (1829).

Но далеко не все предложения такого рода безоговорочно принимались астрономами. Иногда введение новых созвездий было оправдано; пример тому – разделение крупного созвездия южного неба Корабль Арго на четыре части: Корму, Киль, Паруса и Компас. Поскольку эта область неба чрезвычайно богата яркими звездами и прочими интересными объектами, против ее деления на небольшие созвездия никто не возражал. При общем согласии астрономов на небе разместились великие научные инструменты – Микроскоп, Телескоп, Циркуль, Насос, Печь (лабораторная), Часы.

Но были и неудачные попытки переименования созвездий. Например, европейские монахи не раз пытались «христианизировать» небесный свод, т. е. изгнать с него героев языческих легенд и населить персонажами Священного писания.

Рис. 1.6. Примеры «христианских» созвездий из атласа Ю. Шиллера: «Ноев ковчег» и «Святая Мария Магдалина», введенные автором взамен соответственно Корабля Арго и Кассиопеи.

Созвездия Зодиака при этом заменялись изображениями 12 апостолов и т. п. Буквально перекроил все звездное небо некто Юлиус Шиллер из Аугсбурга, издавший в 1627 г. атлас созвездий под заглавием «Христианское звездное небо». Но, несмотря на огромный авторитет церкви в те годы, новые названия созвездий не получили признания.