Рис. 1: Земля (синяя), Венера (серая) и Солнце (оранженвое), не в масштабе.

По поводу прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года написано уже . О том, как редко случается это событие, и почему именно: по идее, Венера, движущаяся вокруг Солнца чаще, чем Земля, должна проходить между Землёй и Солнцем во время каждого своего оборота (рис. 1), но из-за того, что орбиты двух планет не выровнены (не находятся в одной плоскости, см. рис. 2), Венера часто проходит выше или ниже Солнца с точки зрения Земли.

Но вместо того, чтобы повторять слова других, я хочу добавить несколько деталей, которые не так легко найти в интернете.

Вы, возможно, читали, что при помощи техники, основанной на рассуждениях астронома Эдмунда Галлея (известного кометой Галлея), сделанных им с 1678 по 1716 года, а также Джеймса Грегори до него, прохождение Венеры 1716 года был использован для определения расстояния от Земли до Солнца (и до Венеры, и всех остальных планет) с погрешностью в 2% - высочайшая из достигнутых на то время. Надеялись, что точность будет в 10 раз выше, но в процесс вмешался неожиданный оптический эффект под названием “ ” - по поводу точных причин его возникновения до сих пор идут споры. Но вы могли не прочесть, что это измерение - и множество других измерений расстояний в астрономии, вплоть до достаточно близко расположенных звёзд - основано на принципе , на том же геометрическом факте, который используется нашими глазами и мозгом для восприятия глубины, или нашей способности чувствовать, насколько далеко от нас находятся объекты, просто взглянув на них.



Рис. 2: Земля (синяя), Венера (серая) и Солнце (оранжевое), не в масштабе. Орбита Венеры (чёрный круг в сером прямоугольнике) наклонена относительно орбиты Земли (синий круг в голубом прямоугольнике). Градус наклона сильно преувеличен. Поскольку Земля и Венера вращаются вокруг Солнца с разными скоростями, они могут проходить мимо друг друга в любых точках орбит.
Верх: большую часть при таком проходе Венера находится выше или ниже (зелёная линия) линии, соединяющей Землю и Солнце (красная линия), поэтому прохождения Венеры по диску Солнца не происходит.
Внизу: В редких случаях линия, соединяющая Землю и Солнце, совпадает с линией пересечения плоскостей орбит, и Венера находится вблизи этой же линии, что и ведёт к прохождению.

Без параллакса тоже несложно определить относительное расстояние от Венеры до Солнца - то есть, отношение радиуса орбиты Венеры L V к радиусу орбиты Земли L E . Поэтому в астрономии эпохи Возрождения довольно рано были высчитаны относительные расстояния от планет до Земли и Солнца. Но чтобы определить L V и L E отдельно, необходимо измерить параллакс, и прохождение Венеры может его обеспечить. Прохождение Венеры в 1760-х дало довольно точное измерение величины L E - L V , «абсолютного» расстояния от Земли до Венеры; это позволило узнать L E , L V , и расстояния до всех остальных планет с погрешностью в пару процентов. До этого, в конце XVII в, было сделано измерение расстояния от Земли до Марса, имевшее погрешность около 10%; оно тоже было основано на параллаксе, но это совсем другая история.

Предварительное замечание: Земля и Венера, и даже Солнце очень малы по сравнению с расстояниями между ними, поэтому нарисовать точные изображения практически невозможно. На иллюстрациях всё время приходится рисовать планеты большими, чем они есть на самом деле, по отношению к расстояниям между ними, просто чтобы вы смогли понять концепцию. Имейте это в виду! Все мои иллюстрации сделаны не в масштабе.

Относительные размеры орбит Венеры и Земли

Рис. 3

Чтобы понять основную причину простоты определения L V /L E , предположим, что орбиты Земли и Венеры круговые и выровненные - они лежат в одной плоскости (как показано на рис. 1, изометрически, и на рис. 3 - вид «сверху»). На самом деле, орбиты Земли и Венеры немного вытянутые и не выровнены (рис. 2). Но эллиптичность и несовпадение плоскостей не сильно важны для наших рассуждений, поэтому сперва мы сможем их проигнорировать, а потом вновь вспомнить, чтобы получить более точные ответы.

Здесь мы применим классическую для физики технологию: сделаем приближение, достаточное для текущей задачи, и не будем углубляться больше, чем нужно. Это очень мощный способ размышления о науке и о знании вообще - на любой вопрос достаточно ответить с определённым уровнем точности, поэтому можно использовать простейшую технику из тех, что дадут вам нужный уровень точности. Этот метод прекрасно используется столетиями и применим не только к физике.

Поэтому мы примем приближение, по которому орбиты круговые и выровнены, и получим примерно правильные ответы, с погрешностью в несколько процентов. Этого будет достаточно для того, чтобы продемонстрировать основные концепции, чего я и добиваюсь. Поверьте мне, что можно сделать гораздо более точные вычисления - или же можете самостоятельно стать экспертом в этом вопросе. Но наше приближение не только даст очень неплохой ответ, но и сможет показать, почему так легко вычислить отношение L V к L E , но не сами значения L V и L E .

В течение года, когда Земля и Венера вращаются вокруг Солнца с разными скоростями, относительное положение Земли и Венеры по отношению к Солнцу меняется. Если в определённый день (день, месяц, год) я решу нарисовать картинку с Солнцем в центре и с Землёй слева, как на рис. 2, тогда Венера может оказаться в любом месте своей орбиты. Это значит, что с точки зрения Земли, угол между Венерой и Солнцем в небе будет меняться в зависимости от даты. Это показано на рис. 3, где угол назван γ. Угол легко измерить; найдите Венеру в небе после заката или перед восходом и измерьте угол между Венерой и Солнцем; см. рис. 4.

Рис. 4

Из рис. 3 видно, что у γ есть максимальный размер - угол между оранжевой и фиолетовой линиями. Перемещаясь по орбите, Венера с каждым закатом будет появляться в другом месте; некоторое время она будет несколько ночей подряд подниматься всё выше над горизонтом, а затем постепенно начнёт появляться ниже. Наблюдая за Венерой несколько ночей подряд и измеряя γ, мы можем определить максимальное значение γ, которое я назову γ max .

Из рис. 3 очевидно, что (как показано на рис. 4) γ max меньше 90°, поскольку фиолетовая линия должна лежать между оранжевой и красной, перпендикуляром. Геометрически это следствие того, что Венера всегда находится ближе к Солнцу, чем Земля. Эти углы объясняют, почему Венера всегда видна либо сразу после захода или перед рассветом (за исключением тех дней, когда она расположена за Солнцем). Венера не может быть в зените после наступления темноты, поскольку для этого ей надо было бы находиться слева от красной линии.

Рис. 5

Теперь мы можем определить отношение радиусов двух орбит - L V к L E - используя γ max . Это простейшая геометрия, см. рис. 5. Суть в том, что когда Венера находится на максимальном угле от Солнца, линия между Солнцем и Венерой перпендикулярна линии между Землёй и Венерой, поэтому линии, соединяющие эти три объекта, образуют прямоугольный треугольник. Отсюда получаем при помощи стандартной тригонометрии:

И отсюда же, при помощи других простейших геометрических формул, мы получаем отношения между расстояниями до других планет.

Это не совсем точно, по причинам, указанным в начале; орбиты планет - эллипсы, и не лежат водной плоскости. Иначе говоря, L V и L E не сохраняются в течение года, а γ max применяется немного сложнее, в трёх измерениях, как на рис. 2, а не в двух, как на рис. 1, 3 и 5. Но при помощи точных измерений положения Венеры и Солнца в небе возможно определить точные орбиты Венеры и Земли вокруг Солнца и улучшить расчёты. Смысл тот же; все измерения положения Венеры и Солнца в небе позволяют лишь измерить относительные размеры орбит Венеры и Земли. Но точные величины L V и L E так определить нельзя. Тут нужен другой подход.

Прохождение Венеры, параллакс и расстояние до Солнца

Причина, по которой прохождение Венеры позволяет измерить абсолютные величины орбит Земли и Венеры - этот процесс можно наблюдать с высокой точностью с разных мест земного шара, в результате чего у вас будут две перспективы видимого местонахождения Венеры по отношению к Солнцу, измеренные из разных мест с известным расстоянием между ними. Измерение параллакса позволяет определить абсолютную величину расстояние от Земли до Венеры из угла параллакса и расстояния между двумя точками измерения на Земле - точно так же, как разный вид объекта для левого и правого глаза позволяет нашему мозгу выдавать для нас ощущение глубины - чувство расстояния до объектов.

Рис. 6

Для демонстрации позвольте мне нарисовать то, как это будет выглядеть с крупной планеты. На рис. 6 показана планета, с которой мы будем наблюдать прохождение (это будет Земля) и проходящая перед звездой планета (это будет Венера). Я представлю упрощённую ситуацию (просто чтобы геометрия стала более простой и основную концепцию было проще увидеть), в которой планеты и звезда выровнены, поэтому с точки зрения наблюдателя на экваторе проходящая планета будет проходить по экватору звезды. Сверху на рис. 6 показан вид «сбоку»; обратите внимание на красную линию, идущую от экватора наблюдающей планеты к звезде через экватор планеты, проходящей по диску звезды.

В случае идеального выравнивания, наблюдатель на экваторе внешней планеты увидит, как внутренняя планета проходит по экватору звезды. Это показано в виде красной линии внизу рис. 6. Но наблюдатель с южного полюса внешней планеты увидит, как внутренняя планета проходит звезду по пути (фиолетовая линия) к северу от экватора звезды (в случае северного полюса всё будет наоборот). Если измерить угол α в небе между путями, по которым двигается проходящая планета, и знать радиус R наблюдающей планеты, мы сможем нарисовать прямоугольный треугольник, соединяющий проходящую планету, центр наблюдающей планеты и полюс наблюдающей планеты, с малым углом &alpha. Простая тригонометрия даст нам расстояние D между планетами во время прохождения, где

Рис. 7

То же верно для Земли, Венеры и Солнца, кроме того, что Земля и Венера так малы по сравнению с расстоянием между ними и Солнцем, что угол α окажется равным порядка 1/20°! (Это довольно малая величина, но вполне измеримая, хотя для точного измерения расстояния до Солнца, которое хотели получить астрономы XVIII века, потребовалось бы довольно сложное технически точное измерение величины небольшого угла). Такой маленький угол я не нарисую, поэтому придётся вам поверить мне на слово, что происходящее является доведённой до предела версией того, что я изобразил на рис. 6, с планетами и звездой (Солнцем) гораздо меньшими, чем нарисованы там, по отношению к расстояниям. Даже изображение на рис. 7 делает планеты гораздо больше, чем они есть. Но идея остаётся неизменной: расстояние D EV между Землёй и Венерой во время прохождения можно определить, измерив угол параллакса α (внизу рис. 7; отметьте, что угловой диаметр Солнца равен порядка 1/2°).

Однако осталось ещё много вопросов:

• Я рассказал, как измерить D EV , расстояние от Земли до Венеры во время прохождения. Но разве нашей целью было не измерить L E и L V , расстояние от Земли до Солнца и от Венеры до Солнца?
• Никто не отправлялся на южный полюс Земли, чтобы наблюдать прохождение Венеры в 1761 или 1769 году.
• Я предположил идеально выровненные орбиты Земли, Венеры и положение Солнца, такие, что из точки на экваторе Земли можно было бы видеть Венеру, двигающуюся по экватору Солнца. Но это на самом деле не так, и даже близко не похоже на типичное прохождение (и в 2012-м такого тоже не было).
• Угол α достаточно мал, чтобы его можно было точно измерить - особенно во времена до фотографии и мгновенных сообщений, в отсутствие чётких указаний на местоположение северного полюса Солнца, из-за чего сложно точно сравнить измерения пути Венеры, сделанные с двух разных точек Земли. Однако первичной целью было измерить угол не хуже, чем 1 часть из 500 (0,2%) (хотя из-за эффекта чёрной капли результат получился ближе к 1 части из 50 (2%)).

Как же справиться с этими проблемами?

Первое, как пройти от измерения D EV до измерения нужных величин, L E и L V ? Это просто - все взаимоотношения нам уже известны, в частности, мы уже знаем L E /L V (примерно, из рис. 4, или, если подойти к вопросу более тщательно, можно подсчитать и точнее) из максимального угла γ max между Венерой и Солнцем с точки зрения Земли. Нам также известно D EV = L E - L V = L E (1 - L V /L E) из рис. 7. Поэтому мы можем получить приближённое значение L E при помощи:

где α - угол параллакса, измеренный во время транзита, а γ max - максимальный угол между Венерой и Солнцем (рис. 5). Более точные измерения требуют более сложной геометрии, однако с той же основной идеей.

Второе, даже если бы орбиты планет были идеально выровнены, два измерения пути Венеры не нужно измерять с экватора и полюса Земли. Их можно измерить с двух любых широт. Геометрия становится немного сложнее, но не сильно, а принцип остаётся (см. рис. 8).

Рис. 8

Третье, даже без идеального выравнивания появится небольшой угол параллакса при измерении величин с двух разных точек Земли, и если хорошо измерить этот угол, это измерение можно превратить (через чуть более сложные уравнения) в измерение D. Это показано на рис. 8, внизу.

Четвёртый вопрос - исторически сложная проблема измерения углового сдвига пути Венеры во время прохождения на угол α ведёт нас к альтернативной попытке измерения времени - либо времени прохождения, либо просто начала и конца прохождения, а не углов. Первый вариант был предложен Галлеем на основе идей Грегори, а второй, в качестве дальнейшего улучшения, предложил Жозеф Никола Делиль. Метод Галлея не требовал синхронизации часов в разных местах Земли; метод Делиля требовал, поэтому основывался на более передовой часовой технологии.

Даже в XVII или XVIII веке гораздо проще выполнить точное измерение интервала, или моментов начала и завершения затмения, чем точно измерить местоположение Венеры относительно диска Солнца, особенно при отсутствии фотографии. На рис. 9 можно видеть, что фиолетовый и красный пути Венеры, пересекающей Солнце, имеют немного отличные длины из-за того, что они не пересекают его в одном месте, а это значит, что длительность прохождения будет отличаться на время, связанное с углом параллакса. К сожалению, всё оказывается сложнее, чем выглядит на первый взгляд - Земля вертится и движется вокруг Солнца, поэтому наблюдатель проходит довольно значительное расстояние во время прохождения Венеры по диску Солнца. Поэтому требуется много усилий (вычисления довольно сложны, хотя с современными компьютерами они гораздо проще) для определения разницы временных интервалов начала и конца прохождения, наблюдаемого двумя разными наблюдателями на Земле, в зависимости от расстояния до Солнца. Галлей в начале XVIII века понимал все необходимые геометрические принципы (если вычесть устаревшую английскую фразеологию и стиль из его текстов, вы будете удивлены, как современно звучат его сложные утверждения, и вы увидите, что учёные ещё триста лет назад были очень похожи на сегодняшних учёных, обладали таким же интеллектом и им не хватало только научной технологии сегодняшнего дня).

Рис. 9

Всё это говорит о том, что параллакс - различие в видимом положении, приписываемом Венере по отношению к Солнцу с точки зрения наблюдателей, измеряющих его в одно и то же время но с разных мест на Земле - исторически был очень важным методом, с помощью которого был определён размер Солнечной системы. Сегодня нам доступны и более мощные методы, но вам может быть интересным тот факт, что то, что вы видите сегодня в небе, имеет величайшую историческую важность, или же вы просто можете наслаждаться видом Венеры, величаво движущейся вокруг нашей звезды.

Астрономия - это целый мир, полный прекрасных образов. Эта удивительная наука помогает найти ответы на важнейшие вопросы нашего бытия: узнать об устройстве Вселенной и ее прошлом, о Солнечной системе, о том, каким образом вращается Земля, и о многом другом. Между астрономией и математикой существует особая связь, ведь астрономические прогнозы являются результатом строгих расчетов. По сути, многие задачи астрономии стало возможным решить благодаря развитию новых разделов математики.

Из этой книги читатель узнает о том, каким образом измеряется положение небесных тел и расстояние между ними, а также об астрономических явлениях, во время которых космические объекты занимают особое положение в пространстве.

Вы можете видеть траекторию Венеры и ее размер по сравнению с Солнцем. Так как орбиты Меркурия и Венеры слегка наклонены относительно эклиптики, транзит наблюдается только когда эти планеты располагаются вблизи линии узлов (линии пересечения плоскостей их орбит с плоскостью эклиптики). Существуют достаточно сложные правила, позволяющие рассчитать периодичность астрономических транзитов. В среднем прохождение Меркурия по диску Солнца наблюдается 13 раз за 100 лет и описывается очень сложными законами.

Прохождения Венеры по диску Солнца наблюдаются еще реже: они происходят 4 раза каждые 243 года с интервалами в 105,5; 8; 121,5 и 8 лет. Обычно рассматриваются пары прохождений с интервалом в 8 лет. Цикл в 243 года относительно стабилен, однако интервалы между отдельными прохождениями меняются, так как Венера отклоняется от орбиты под действием притяжения других планет.

Первое прохождение планеты по диску Солнца

Основываясь на результатах наблюдений Тихо Браге, Кеплер составил так называемые Рудольфинские, или Рудольфовы, таблицы, достаточно точно описывающие движение планет. Руководствуясь этими таблицами, в 1629 году Кеплер объявил, что Меркурий пройдет по диску Солнца 7 ноября 1631 года, Венера - 6 декабря того же года. Он предвидел, что наблюдение этих астрономических транзитов можно будет произвести с помощью камеры-обекуры, проделав небольшое отверстие в плотно закрытом окне и спроецировав изображение Солнца на экран.

Прохождение Меркурия по диску Солнца удалось увидеть благодаря тому, что некоторые астрономы установили возле отверстия камеры-обскуры подзорную трубу и получили таким образом увеличенное изображение Солнца. Так, одно из наблюдений было произведено в Париже, где Пьер Гассенди отметил, что диаметр Меркурия, к его удивлению, составлял всего лишь 12”, то есть намного меньше, чем ожидалось. Наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца в декабре того же года не удалось, так как оно произошло после того, как Солнце в Европе уже село.

Несколько лет спустя английский священник Джереми Хоррокс (1618–1641) , изучавший математику и астрономию в Кембридже, рассчитал, что следующее прохождение Венеры по диску Солнца произойдет 4 декабря 1639 года. В этот день Хоррокс произвел необходимые наблюдения - в 15:15, 15:35 и 15:45 - и заметил, что диаметр Венеры составлял менее 1’ (диаметр Солнца составлял примерно 30’).

В 1640 году английский астроном и математик Уильям Гаскойн расположил несколько нитей в фокусе телескопа, закрепив их так, что их можно было перемещать. Так был изобретен микрометр, и телескоп из простого прибора для качественных наблюдений стал устройством для проведения точных измерений даже очень маленьких углов. Кроме того, к такому телескопу можно было присоединить размеченный круг для измерения других угловых величин.

В различных изданиях «Математических начал натуральной философии» и «Оптики» Ньютон приводит разные оценки расстояния между Землей и Солнцем, то есть параллакса Солнца, которые варьировались от 10 до 13 м. В то время было достоверно известно лишь то, что параллакс Солнца не может превышать 15” (реальное значение, используемое в наши дни, составляет 8,794148 м). Точное значение параллакса Солнца требовалось для корректировки астрономических таблиц, которые использовали не только астрономы, но и мореплаватели. Кроме того, доступные на тот момент знания о Солнечной системе позволяли определить относительные расстояния между всеми планетами, и оставалось вычислить лишь одно из расстояний, к примеру параллакс Солнца, в явном виде.

Эдмунд Галлей, наблюдавший прохождение Меркурия по диску Солнца в 1677 году, предложил определить параллакс Солнца во время прохождения Венеры в 1761 и 1769 годах. Предложенный им метод заключался в наблюдении прохождения Венеры из двух удаленных точек, при этом требовалось точно зафиксировать момент начала и конца прохождения. Было необходимо выразить угловое расстояние между траекториями Венеры, наблюдаемыми из двух удаленных точек, как часть диаметра Солнца, затем определить этот диаметр в милях и, наконец, рассчитать расстояние от Солнца до Земли. Таким образом, для наблюдений требовались только хороший телескоп и точные часы. К тому же наблюдать за транзитом Венеры было удобнее, чем за транзитом Меркурия: даже при наблюдении Венеры угловое расстояние имеет порядок всего 1/30 диаметра Солнца, а поскольку Меркурий находится ближе к светилу, то искомое угловое расстояние еще меньше.

Астрономический транзит Венеры был крайне важен для расчета расстояния от Земли до Солнца , однако транзит Меркурия представлял не меньший интерес.

Французский математик Урбен Жан Жозеф Леверье, изучив результаты наблюдений транзита Меркурия, выполненные с 1631 года до середины XIX века, открыл движение перигелия Меркурия, которое оказало огромное влияние на теорию относительности Эйнштейна.

Причины парного транзита Венеры

Период обращения Венеры вокруг Солнца составляет 224,7 дня, период обращения Земли - 365,25 дня. Разделив 365,25 на 224,7, получим 1,6255. Таким образом, за то время, пока Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, Венера совершает 1,6255, или примерно 13/8 оборота. Следовательно, можно сказать, что если Земля совершает п оборотов вокруг Солнца, то Венера - 13n/8 оборотов.

Когда положение Земли и Венеры совпадет? Очевидно, тогда, когда 13n/8 будет натуральным числом, то есть когда п будет кратно 8. Таким образом, каждые 8 лет

Солнце, Земля и Венера должны располагаться на одной линии. Это означает, что прохождение Венеры по диску Солнца можно наблюдать с Земли каждые 8 лет, однако взглянув на таблицу, вы увидите, что в действительности все обстоит иначе.

Иногда прохождения Венеры действительно наблюдаются с интервалом в 8 лет, однако это бывает реже, чем раз в столетие. Почему так происходит? Ответ прост: приведенные выше расчеты были бы верны, если бы плоскости, в которых находятся орбиты Венеры и Земли (плоскости эклиптики), совпадали. Однако плоскость орбиты Венеры наклонена относительно плоскости орбиты Земли на 3,4°. Следовательно, транзит Венеры можно будет наблюдать только когда и Земля, и Венера будут располагаться вблизи линии узлов, то есть линии пересечения плоскостей их орбит. Иными словами, расстояние между орбитами планет должно быть меньше диаметра Солнца.

К примеру, прохождение Венеры наблюдалось в 2004 и 2012 году, но не в 1996-м, так как в этом году Венера находилась слишком далеко от плоскости эклиптики. Транзит Венеры наблюдается тогда, когда и Венера, и Земля находятся вблизи восходящего или нисходящего узла. Венера и Земля сближаются друг с другом дважды (с интервалом в 8 лет) возле восходящего узла в декабре, а затем, 121,5 года спустя, вновь дважды сближаются вблизи нисходящего узла в июне. По прошествии 105,5 года они вновь дважды сближаются у восходящего узла, и весь цикл повторяется снова.

Также следует отметить, что прохождение Венеры нельзя увидеть из любой точки Земли: очевидно, что наблюдения можно произвести только днем, когда Солнце находится над горизонтом. К примеру, в 2004 году прохождение можно было увидеть в Европе, а в 2012-м его нельзя было наблюдать в Португалии и в Атлантическом океане.

Экспедиции XVIII–XIX веков

Джереми Хоррокс полагал, что вычислить расстояние от Земли до Солнца можно по результатам наблюдений транзита Венеры, однако масштабные проекты наблюдений за прохождением планеты по диску Солнца в 1761 и 1769 годах начал Эдмунд Галлей. Это были первые совместные исследовательские проекты европейских ученых. В них приняли участие сотни наблюдателей из разных обсерваторий - только так можно было гарантировать успешное наблюдение транзита. Наблюдатели расположились в точках, максимально удаленных по долготе.

В XVIII веке путешествия в дальние страны были сопряжены с определенным риском: к множеству обычных опасностей добавилась война между англичанами и французами в Индийском океане. Многие ученые в попытках добраться до места назначения погибли либо, добравшись, по разным причинам не смогли получить точных результатов.

Большой интерес ученых того времени к определению расстояния между Землей и Солнцем был связан с тем, что благодаря третьему закону Кеплера отношения между расстояниями от всех планет до Солнца были уже известны. И теперь достаточно было вычислить расстояние до Солнца от одной из планет, и размеры Солнечной системы можно было определить автоматически. Галлей умер в 1742 году, однако европейское научное сообщество продолжило работу над проектом. В 1761 году в эксперименте участвовало более 120 человек, которые вели наблюдения из 62 точек, в 1769-м - 151 соглядатай в 77 разных точках. Исследователи сталкивались с громадными трудностями, а полученные результаты не всегда соответствовали ожидаемым. При проведении обеих кампаний основная сложность состояла в том, чтобы добраться до места назначения и точно определить координаты места и время.

Участники экспедиции 1769 года уже имели опыт наблюдений за транзитом Венеры, благодаря чему некоторые проблемы удалось решить. Одним из источников проблем была так называемая черная капля, которая впервые наблюдалась в 1761 году.

Это явление вызвано разными причинами, в том числе существованием атмосферы на Венере. Чем выше было разрешение астрономических приборов, тем заметнее становился данный феномен. Но наблюдался он всегда, так как поверхность Солнца вблизи края менее яркая. В результате астрономы ошибочно определяли точное время соприкосновения границы Венеры и диска Солнца - погрешность составляла от 20 секунд до 1 минуты. Ранее участники некоторых экспедиций сконструировали модели, позволявшие наблюдателям определить ошибку, вызванную этим эффектом, и точнее рассчитать время соприкосновения Венеры с диском Солнца.

За несколько лет до наблюдений Жозеф Никола Делиль упростил метод Галлея и определил, что достаточно зафиксировать момент захода Венеры на диск Солнца или схода с него. Делиль начал оживленную переписку с другими астрономами, чтобы подготовиться к наблюдениям. Многие участники проекта занялись сбором средств на его реализацию. В это время Франция и Великобритания участвовали в Семилетней войне, многие французские и британские астрономы были захвачены в плен войсками противника. Для наблюдения транзита 1761 года Французской Академией наук было организовано четыре экспедиции. Кассини отправился в Обсерваторию иезуитов в Вене и провел наблюдения вместе с эрцгерцогом Австрии Иосифом. Александр Гуа Пингре, напротив, отправился на остров Родригес в Индийском океане. Вскоре после того как его корабль обогнул южную оконечность Африки, мыс Доброй Надежды, на горизонте появились английские корабли. От них участники экспедиции сумели скрыться, однако затем они должны были прийти на помощь французскому кораблю и потеряли таким образом много времени. В результате Пингре прибыл на место назначения всего за девять дней до расчетной даты транзита. Из-за плохой погоды ему не удалось увидеть начало и конец прохождения Венеры по диску Солнца, и он смог провести лишь некоторые измерения, когда тучи ненадолго рассеялись. Но и на этом злоключения французского астронома не закончились: остров был захвачен англичанами, и Пингре провел в заключении почти три месяца, пока французы вновь не отвоевали остров. На обратном пути его корабль вновь был захвачен, и Пингре был вынужден высадиться в Лиссабоне, откуда прибыл в Париж по суше спустя год и четыре месяца с момента отплытия. Куда печальнее сложилась судьба Гийома Лежантиля, которая заслуживает отдельного рассказа (см. врезку на следующей странице).

Лондонское королевское общество профинансировало три путешествия: одно - на остров Святой Елены близ юго-западного побережья Африки, другое - в Ньюфаундленд, третье - в провинцию Бенкулу на острове Суматра. Последняя экспедиция по иронии судьбы также столкнулась с французским кораблем. В бою судно англичан было сильно повреждено, и капитан принял решение вернуться в порт. Со второй попытки участники экспедиции достигли мыса Доброй Надежды, но здесь им пришлось задержаться, так как провинция Бенкулу оказалась захвачена французами.

В проекте участвовали и испанские астрономы, которые вели наблюдения из Императорского колледжа в Мадриде и Обсерватории флота в Кадисе. Всего было проведено 120 наблюдений. По итогам анализа результатов астрономы получили различные значения параллакса Солнца: от 8,28” до 10,60”. Причиной расхождений отчасти был упомянутый выше эффект черной капли, а также неточности при определении долготы мест наблюдений.

ЭКСПЕДИЦИИ ГИЙОМА ЛЕЖАНТИЛЯ

Гийом Лежантиль участвовал в двух наблюдениях транзита Венеры в 1761 и 1769 годах, организованных Французской академией наук. В первом случае он планировал произвести наблюдения в Пондишери - французском владении на юго-востоке Индии. Экспедиция Лежантиля отправилась из Бреста 26 марта 1760 года. У участников было достаточно времени, чтобы прибыть на место назначения и не спеша подготовиться к наблюдениям. Однако Лежантиля задержали в пути трудности, вызванные военными действиями между Францией и Англией, плохая погода и даже ураган. Когда экспедиция была уже у цели, стало известно, что Пондишери захвачен англичанами, и ничего не оставалось, кроме как повернуть назад. В конечном итоге Лежантиль провел наблюдения, находясь в открытом море. Увы, они оказались бесполезными, так как точные координаты корабля были неизвестны. Разочарованный неудачей, Лежантиль решил не покидать регион и произвести наблюдения следующего транзита Венеры из Пондишери, куда на этот раз он прибыл за 14 месяцев до нужной даты. И вновь удача отвернулась от него: в день транзита небо было скрыто тучами.

Лежантиль вернулся во Францию в 1771 году, проведя на чужбине 11 лет, 6 месяцев и 13 дней, и обнаружил, что его объявили мертвым, а наследники уже делили его имущество.

Чтобы вернуть себе принадлежащее по праву, Лежантиль потратил немало времени, денег и сил, и везде ему сопутствовали неудачи. Рассказывая о своем путешествии, он писал: «Такая судьба часто ждет астрономов. Я преодолел почти десять тысяч лиг; я пересек моря, покинув Отечество, только для того, чтобы стать наблюдателем злополучного облака, которое заслонило Солнце точно в момент моих наблюдений, и чтобы пожать плоды злоключений, выпавших на мою долю».

Астрономическое сообщество приложило все возможные усилия, чтобы результаты наблюдений транзита Венеры в 1769 году были более точными, чем в 1761-м. И эта задача была успешно решена. Англичане организовали три экспедиции, о двух из которых рассказывается в приложении. Французы снарядили еще три: одну возглавил Лежантиль, который вновь столкнулся со множеством проблем, другую - Пингре, который отправился в Санто-Доминго и на этот раз добрался до цели без особых трудностей, третью - аббат Шапп, который отправился в Калифорнию в сопровождении двух испанских моряков. И англичане, и французы попросили у испанских властей разрешения произвести наблюдения на американских территориях. Разрешение испрашивали и предыдущие экспедиции, снаряженные Лондонским королевским обществом и Французской академией наук для проведения геодезических измерений и определения формы Земли. Ученый и мореплаватель Хорхе Хуан, который участвовал в геодезической экспедиции, изложил испанским властям свою точку зрения и сделал недвусмысленные замечания: «Причина рвения этих господ заключена в том, чтобы сделать насколько возможно следующее: не останется ни единого порта, укрепления, дороги, поселка и пустыни, который они не обследуют, с которого не составят план и не сообщат о коем публично. Сие в высшей степени нежелательно (…)»

Таким образом, испанцы согласились содействовать лишь миссии Жана-Батиста Шаппа: его сопровождали испанские моряки Висенте Дос и Сальвадор Медина, которые везли с собой все необходимые инструменты, чтобы произвести наблюдения независимо от французов. Экспедиция отправилась в путь из Кадиса 21 декабря 1768 года. Преодолев Атлантический океан и мексиканские территории, 15 апреля участники достигли Тихоокеанского побережья. Затем они сели на корабли и направились в Калифорнию, однако встречные ветры сменялись штилями, и путешественники увидели калифорнийское побережье лишь 18 мая. Так как транзит Венеры ожидался 3 июня, Шапп настоял на высадке на берегу вблизи обители Сан-Хоседель-Кабо, что участники экспедиции и сделали несмотря на то, что район был опустошен эпидемией тифа. Страх пропустить прохождение Венеры был сильнее страха перед болезнью. Необходимые наблюдения провели, однако Шапп, Сальвадор Медина и большая часть команды умерли от тифа. Следует добавить, что за прохождением Венеры по диску Солнца следили и другие испанские астрономы из Кадиса, Мехико и города Санта-Ана в Калифорнии.

Если учитывать только опубликованные результаты наблюдения, то за прохождением Венеры по диску Солнца следил 151 астроном из 77 разных точек земного шара. Результат наблюдений был таков: параллакс Солнца заключен на интервале между 8,43 м и 8,80 м - достаточно точная цифра, учитывая эффект черной капли. В XIX веке, располагая куда более качественными методами обработки данных и более точными координатами обсерваторий, Саймон Ньюкомб на основе этих же результатов получил значение параллакса в 8,79 м, которое весьма близко к тому, что используется в наши дни.

Транзит Венеры по диску Солнца в XIX веке наблюдался в 1874 и 1882 годах. На этот раз астрономов интересовало определение расстояний не только между планетами Солнечной системы, но и до ближайших звезд. Как мы уже упоминали, в 1838 году Фридрих Вильгельм Бессель впервые смог измерить параллакс звезды - это была звезда 61 Лебедя. К концу столетия были измерены параллаксы еще 21 звезды. При расчетах за основу бралось расстояние между двумя противоположными точками земной орбиты, а наблюдения за выбранными звездами производились с интервалом в 6 месяцев. Определить параллакс Солнца с максимально возможной точностью было крайне важно. При наблюдениях за прохождением Венеры ожидалось, что устранить эффект черной капли удастся с помощью фотографии, однако надежды астрономов не оправдались. Как бы то ни было, в 1874 году удалось получить достаточно точные результаты: по итогам измерений было определено, что параллакс Солнца лежит на интервале 8,79-8,83”. За прохождением Венеры в 1882 году следили не столь тщательно: чтобы существенно улучшить прежний результат, требовались новые методы, в то время недоступные.

Сегодня для определения расстояний между небесными телами результаты прошлых наблюдений астрономических транзитов не представляют ценности. Однако поиск внесолнечных планет ведется по точно такой же схеме.

<<< Назад

Вперед >>>

Наблюдение Венеры

Вид с Земли

Венеру легко распознать, так как по блеску она намного превосходит самые яркие звёзды. Отличительным признаком планеты является её ровный белый цвет. Венера, так же как и Меркурий, не отходит на небе на большое расстояние от Солнца. В моменты элонгаций Венера может удалиться от нашей звезды максимум на 47,8°. Как и у Меркурия, у Венеры есть периоды утренней и вечерней видимости: в древности считали, что утренняя и вечерняя Венеры - разные звёзды. Венера - третий по яркости объект на нашем небе. В периоды видимости её блеск в максимуме около?4,4m.

В телескоп, даже небольшой, можно без труда увидеть и пронаблюдать изменение видимой фазы диска планеты. Его впервые наблюдал в 1610 году Галилей.

Прохождение по диску Солнца

Так как Венера расположена ближе к Солнцу, чем Земля, с Земли можно наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца. При этом планета предстаёт в виде маленького чёрного диска на фоне огромного светила. Однако это очень редкое явление. В течение примерно двух с половиной столетий случается четыре прохождения - два декабрьских и два июньских. Последнее произошло 6 июня 2012 года. Следующее прохождение будет только 11 декабря 2117 года.

Впервые наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца 4 декабря 1639 года английский астроном Иеремия Хоррокс (1619-1641). Он же это явление предвычислил.

Особый интерес для науки представляли наблюдения «явления Венеры на Солнце», которые сделал М.В. Ломоносов 6 июня 1761 года. Это космическое явление было также заранее вычислено и с нетерпением ожидалось астрономами всего мира. Исследование его требовалось для определения параллакса, позволявшего уточнить расстояние от Земли до Солнца (по методу, разработанному английским астрономом Э. Галлеем), что требовало организации наблюдений из разных географических точек на поверхности земного шара - совместных усилий учёных многих стран.

Из рукописи М.В. Ломоносова «Явление Венеры на Солнце…». 1761

Аналогичные визуальные исследования производились в 40 пунктах при участии 112 человек. На территории России организатором их был М.В. Ломоносов, обратившийся 27 марта в Сенат с донесением, обосновывавшим необходимость снаряжения с этой целью астрономических экспедиций в Сибирь, ходатайствовал о выделении денежных средств на это дорогостоящее мероприятие, он составил руководства для наблюдателей и т.д. Результатом его усилий стало направление экспедиции Н.И. Попова в Иркутск и С.Я. Румовского - в Селенгинск. Немалых усилий также стоила ему организация наблюдений в Санкт-Петербурге, в Академической обсерватории, при участии А.Д. Красильникова и Н.Г. Курганова. В их задачу входило наблюдение контактов Венеры и Солнца - зрительного касания краёв их дисков. М.В. Ломоносов, более всего интересовавшийся физической стороной явления, ведя самостоятельные наблюдения в своей домашней обсерватории, обнаружил световой ободок вокруг Венеры.

Это прохождение наблюдалось во всём мире, но только М.В. Ломоносов обратил внимание на то, что при соприкосновении Венеры с диском Солнца вокруг планеты возникло «тонкое, как волос, сияние». Такой же светлый ореол наблюдался и при схождении Венеры с солнечного диска.

М.В. Ломоносов дал правильное научное объяснение этому явлению, считая его результатом рефракции солнечных лучей в атмосфере Венеры. «Планета Венера, - писал он, - окружена знатной воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного». Так впервые в истории астрономии, ещё за сто лет до открытия спектрального анализа, было положено начало физическому изучению планет. В то время о планетах Солнечной системы почти ничего не было известно. Поэтому наличие атмосферы на Венере М.В. Ломоносов рассматривал как неоспоримое доказательство сходства планет и, в частности, сходства между Венерой и Землёй. Эффект увидели многие наблюдатели: Т. Бергман, П. Варгентин, Шапп д"Отерош, С.Я. Румовский, но только М.В. Ломоносов правильно его истолковал. В астрономии этот феномен рассеяния света, отражение световых лучей при скользящем падении (у М.В. Ломоносова - «пупырь»), получил его имя - «явление Ломоносова» .

Интересен второй эффект, наблюдавшийся астрономами с приближением диска Венеры к внешнему краю диска Солнца или при удалении от него. Данное явление, открытое также М.В. Ломоносовым, не было удовлетворительно истолковано, и его, по всей видимости, следует расценивать как зеркальное отражение Солнца атмосферой планеты - особенно велико оно при незначительных углах скольжения, при нахождении Венеры вблизи Солнца. Учёный описывает его следующим образом :

Ожидая вступления Венерина на Солнце около сорока минут после предписанного в эфемеридах времени, увидел наконец, что солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде ровен. Полное выхождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к Солнцу при самом выходе, было также с некоторым отрывом и с неясностью солнечного края.

Прохожде́ние Вене́ры по ди́ску Со́лнца - разновидность астрономического прохождения (транзита), - имеет место тогда, когда планета Венера находится точно между Солнцем и Землёй, закрывая собой крошечную часть солнечного диска. При этом планета выглядит с Земли как маленькое чёрное пятнышко, перемещающееся по Солнцу. Прохождения схожи с солнечными затмениями, когда наша звезда закрывается Луной, но хотя диаметр Венеры почти в 4 раза больше, чем у Луны, во время прохождения она выглядит примерно в 30 раз меньше Солнца, так как находится значительно дальше от Земли, чем Луна. До наступления эпохи покорения космоса наблюдения этого явления позволили астрономам вычислить расстояние от Земли до Солнца методом параллакса.

Продолжительность прохождения обычно составляет несколько часов (в 2004 году оно длилось 6 часов). В то же время, это одно из самых редких предсказуемых астрономических явлений. Каждые 243 года повторяются 4 прохождения: два зимой (через 8 лет), затем долгий промежуток в 121,5 года, ещё два летом (опять через 8 лет) и промежуток в 105,5 года:247. Например, предыдущие зимние прохождения произошли 9 декабря 1874 года и 6 декабря 1882 года. Недавнее прохождение случилось в 2004 году, 8 июня, а следующее состоится в 2012 году 6 июня на восходе в восточном полушарии и 5 июня на закате в западном. Последующие прохождения будут только в 2117 и 2125 годах, опять в декабре.

Это явление можно безопасно наблюдать, принимая те же меры предосторожности, что и при частном солнечном затмении. Наблюдение яркого солнечного диска без защиты глаз может серьёзно или даже полностью повредить сетчатку глаза.

2012 год

Прохождение Венеры по диску Солнца 2012 года - последнее в XXI веке для земного наблюдателя. Его можно будет наблюдать полностью в тихоокеанском регионе, включая большую часть России. В большей части Европы будет наблюдаться лишь часть явления после восхода, Северной Америки - до заката (кроме тех районов, где Солнце не заходит за горизонт, в этих районах прохождение будет видно полностью).
Как и в предыдущее прохождение текущей пары, происходившее в 2004 году, с помощью специальных приборов было возможно наблюдение явления Ломоносова: при соприкосновении Венеры с диском Солнца вокруг планеты возникает «тонкое, как волос, сияние» - следствие наличия у планеты атмосферы, открытой М. В. Ломоносовым при прохождении Венеры по диску Солнца 1761 года. Во время более частых прохождений Меркурия по диску Солнца этот эффект не наблюдается, поскольку у Меркурия нет атмосферы.

On-line снимки и видео прошедшего транзита Венеры на нашем форуме!

Прохождение Венеры по диску Солнца - разновидность астрономического прохождения (транзита), - имеет место тогда, когда планета Венера находится точно между Солнцем и Землёй, закрывая собой крошечную часть солнечного диска. При этом планета выглядит с Земли как маленькое чёрное пятнышко, перемещающееся по Солнцу. Прохождения схожи с солнечными затмениями, когда наша звезда закрывается Луной, но хотя диаметр Венеры почти в 4 раза больше, чем у Луны, во время прохождения она выглядит примерно в 30 раз меньше Солнца, так как находится значительно дальше от Земли, чем Луна. До наступления эпохи покорения космоса наблюдения этого явления позволили астрономам вычислить расстояние от Земли до Солнца методом параллакса.

Продолжительность прохождения обычно составляет несколько часов (в 2004 году оно длилось 6 часов). В то же время, это одно из самых редких предсказуемых астрономических явлений. Каждые 243 года повторяются 4 прохождения: два зимой (через 8 лет), затем долгий промежуток в 121,5 год, и ещё два летом (опять через 8 лет). Например, предыдущие зимние прохождения произошли 9 декабря 1874 года и 6 декабря 1882 года. Недавнее прохождение случилось в 2004 году, 8 июня, а следующее состоится 6 июня 2012. Последующие прохождения будут только в 2117 и 2125 годах, опять в декабре.

• Восход Солнца 6 июня в Москве - 04ч:48м
• Заход Солнца 6 июня в Москве - 23ч:08м

В 2012 году 6 июня по Москве время прохождения следующее:

• 02ч:08м - начало прохождения планеты Венера по диску Солнца (восход с планетой на диске)
• 05ч:34м - середина прохождения планеты Венера по диску Солнца (восход с планетой на диске)
• 08ч:57м - конец прохождения планеты Венера по диску Солнца (восход с планетой на диске)

Это явление можно безопасно наблюдать, принимая те же меры предосторожности, что и при частичном солнечном затмении. Наблюдение яркого солнечного диска без защиты глаз может серьёзно или даже полностью повредить сетчатку глаза.

НАБЛЮДЕНИЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ВЕНЕРЫ ПО ДИСКУ СОЛНЦА НЕОБХОДИМО ПРОВОДИТЬ СКВОЗЬ ТЕМНОЕ СТЕКЛО, КОТОРОЕ ОСЛАБЛЯЕТ СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ! Иначе можно повредить зрение. Подойдет защитное стекло, которым пользуются электросварщики. Фильтр желательно устанавливать пред объективом, а не за окуляром оптического инструмента. Если нет возможности укрепить фильтр перед объективом, то ОБЯЗАТЕЛЬНО НУЖНО ЗАДИАФРАГМИРОВАТЬ ОБЪЕКТИВ примерно наполовину, т.е. закрыть объектив куском плотного картона с отверстием равным по диаметру половине диаметра объектива.

После этого можно использовать темное стекло у окуляра. Использование гибких плавящихся материалов типа засвеченной пленки или магнитных дисков в качестве окулярного фильтра не разрешается, т.к. они могут расплавиться от сфокусированных лучей Солнца и повредить зрение! Если наблюдать Солнце в телескоп без диафрагмы на объективе, то темное стекло, используемое в окуляре, может лопнуть от перегрева и также повредить глаз. Кроме темного стекла можно использовать засвеченную и проявленную фотопленку, сложенную в несколько слоев или отработанные магнитные диски от дискет для компьютера.

Для того чтобы пронаблюдать это замечательное астрономическое явление, необходимо иметь бинокль или телескоп, а зоркие люди смогут увидеть Венеру и невооруженным глазом! Диаметр видимого диска Венеры на момент прохождения будет равен 60 угловых секунд, что на пределе разрешения человеческого глаза. Видимый радиус Солнца в это время будет равен 945,3 угловых секунд или 15,75 угловых минут. Телескоп или бинокль должен быть установлен на жесткую опору (штатив), которая позволит избежать дрожания изображения. Наблюдения, имеющие некоторую научную ценность, заключаются в фиксации моментов контактов краев диска Венеры с краем диска Солнца. Точность такой фиксации может составлять 0,1 секунды.

А из за эффекта "черной капли" первый и последний контакт будет трудно зафиксировать с хорошей точностью. Для этого необходимо иметь секундомер показывающий десятые (лучше сотые) доли секунды. Для того чтобы более точно зафиксировать моменты контактов, нужно наблюдать Венеру в инструмент с увеличением 100 крат и более. Часы-секундомер должны быть выверены по сигналам точного времени по радио или по часам телевидения перед выпусками новостей. Начинать наблюдения нужно за несколько минут до расчетного времени. Нужно помнить, что в телескоп изображение видно перевернутым, нежели при наблюдении в бинокль.

Момент первого контакта при наблюдении в бинокль необходимо ожидать в верхней части солнечного диска, в точке находящейся в 118 градусах по лимбу Солнца против часовой стрелки (влево) от точки севера (позиционный угол 118 градусов, отсчитываемый от точки севера против часовой стрелки). При наблюдении в телескоп вступление Венеры на диск Солнца необходимо ожидать в верхней правой части солнечного диска. В момент первого контакта необходимо зафиксировать секундомер и записать показания с точностью, желательно, до 0,1 секунды. Во время приближения ко второму и к третьему контакту можно будет пронаблюдать тот самый светящийся ободок (атмосферу) на краю диска Венеры, который впервые описал М.В Ломоносов. Так же нужно сделать при втором, третьем и четвертом контакте. Труднее всего зафиксировать первый контакт, отчасти из-за эффекта "черной капли". Остальные контакты фиксировать легче, потому что Венера отчетливо наблюдается на диске Солнца, но опять же при четвертом контакте будет сказываться эффект "черной капли".