Как три астронома обманули природу

 

Этот «обман», как и многие другие «обманы», был основан на глубоком знании свойств той же природы. Помехи, создаваемые нашему исследованию одними свойствами природы, мы обходим, используя другие ее свойства.

26 октября 1868 г. на заседании Парижской Академии наук было зачитано только что полученное письмо английского астрофизика Нормана Локьера. Оно было датировано 20 октября и содержало описание способа, который Локьер изобрел для наблюдения протуберанцев в любое время, а не только во время полных затмений.

Этим способом Локьер с успехом наблюдал ежедневно то, что раньше удавалось наблюдать в течение нескольких минут затмения, однажды в несколько лет, да и то лишь предпринимая для этого далекие путешествия в полосу полного затмения.

Не успели еще присутствующие прийти в себя от восторга и изумления от этого ценного изобретения Локьера, как секретарь Академии взял второй конверт с почтовым штемпелем Гунтур (Индия) и зачитал письмо, вынутое им из этого конверта. Его написал французский ученый Жюль Жансен еще 19 августа, но оно только что добралось до Парижа. Жансен сообщал об открытом им способе наблюдать протуберанцы ежедневно, вне солнечного затмения. Способ Жансена оказался совершенно тождественным способу, независимо от него и в то же время открытому Локьером. Обоих ученых разделяло расстояние в четверть земной окружности.

Жансен отправился в далекое морское путешествие в Индию с целью наблюдать полное затмение Солнца 18 августа 1868 г. Наведя спектроскоп на протуберанцы, вздымавшиеся над краем Солнца и ставшие видимыми, как только Луна скрыла Солнце, Жансен увидел, что спектр протуберанцев состоит из ярких линий.

В его мозгу блеснула неожиданная мысль, и он тотчас же крикнул откружающим: «Я увижу эти протуберанцы и без затмения!». И действительно: на следующее утро он уже показывал их всем желающим, хотя затмение давно кончилось.

 

Рис. 130. Наблюдения протуберанцев с помощью спектроскопа

Идея Жансена и Локьера состояла в увеличении контраста между протуберанцами и небом вблизи солнечного края за счет различия их спектров. В обычное время видеть протуберанцы мешает яркий фон неба, освещенного Солнцем.

Установим широкую щель спектроскопа (S на рис. 130) касательно к изображению Солнца (RPR) в фокусе телескопа так, чтобы в нее попадало изображение протуберанца. Тогда свет протуберанца распределится по нескольким его ярким цветным изображениям (например С в спектре, изображенном справа) соответственно испускаемым им длинам волн. Свет же неба, также попавший в щель спектроскопа, распределится по всему непрерывному спектру, ибо свет неба ‑ это рассеянный свет Солнца и его спектр ‑ это спектр Солнца.

В результате яркость цветных изображений протуберанца на фоне непрерывного спектра повысится, контраст будет сильнее, чем при обычном наблюдении, и протуберанцы станут видны. Мало того, что они становятся видны, видно еще, из каких газов они состоят, так как изображения протуберанцев в спектре получаются лишь в тех длинах волн, которые испускаются составляющими их газами.

В память этого поразительного совпадения Парижская Академия наук выбила золотую медаль с портретами Жансена и Локьера на одной стороне. На другой был изображен бог Солнца Аполлон в колеснице, запряженной четверкой коней, и надпись: «Анализ солнечных протуберанцев 18 августа 1868 года». Но где же третий ученый, ‑ спросите вы, так как в заголовке этого параграфа говорилось о трех ученых.

Третий ученый выступил на сцену шестьюдесятью годами позднее, и сценой этой была вершина «Полуденный пик» (Пик дю‑Миди) во Французских Альпах. Ее высота 2800 м. Но прежде чем этот ученый достиг своего успеха, много других билось над той же проблемой и всех их постигло жестокое разочарование.

Всем хотелось увидеть протуберанцы непосредственно и сразу кругом всего Солнца, а не в спектроскоп и не обводя его щелью шаг за шагом солнечный диск. Еще больше мечтали увидеть или сфотографировать солнечную корону вне затмения.

После многих попыток и неудач ученых всех стран неизвестный дотоле немецкий астроном‑любитель Блюнк в 1930 г., казалось, разрешил эту задачу. Он рассчитывал сфотографировать корону через стекло, пропускающее только инфракрасные лучи, надеясь, что в них контраст между светом короны и светом неба больше, чем в обычных лучах. После упорной работы в течение ряда лет ему удалось изготовить специального рода пластинки и опубликовать фотографию солнечной короны вне затмения. К концу своих трудов изобретатель тяжело заболел, отравившись парами ядовитых веществ, с которыми он имел дело в своих опытах. Увы, его жертва была напрасна, так как вскоре было доказано, что Блюнк сфотографировал не корону..., а тот ореол, который создают вокруг Солнца пылинки нашей атмосферы и который можно видеть невооруженным глазом без всяких затей.

После неудачи Блюнка успех казался невозможным, но в 1930 г. француз Лио описал опыты с построенным им коронографом. С помощью него на вершинах гор, где небо темнее и чище, чем внизу, можно ежедневно видеть кругом Солнца протуберанцы и наблюдать в спектроскоп яркие линии солнечной короны, хотя ее саму непосредственно и не видно.

Лио решил, что контраст между фоном неба и протуберанцами, а также короной, будет повышен, если уменьшить рассеяние света в телескопе, поскольку нельзя в достаточной мере уменьшить его рассеяние в земной атмосфере.

Влияние последнего можно ослабить, только поднявшись на гору, оставив ниже себя наиболее сильно рассеивающие свет слои воздуха.

Как сильно уменьшает контрасты рассеяние света между источником его и наблюдателем, показывает следующий интересный опыт. Возьмите ящик и вместо одной из его стенок вставьте диапозитив светлой солнечной короны на темном фоне. Место, занятое черным диском Луны на диапозитиве, выскоблите и вставьте в ящик электрическую лампочку. Повесьте перед ящиком кусок марли, сетка которой рассеивает наподобие атмосферы идущий через нее к наблюдателю свет лампы. Закрывайте теперь понемногу прозрачный круг, освещенный изнутри лампой и изображающий Солнце. Пока на марлю (атмосферу) падает хоть единый луч лампы (Солнца), корона невидима. Как только круг Солнца вы вполне закроете подходящим непрозрачным кружком картона, так тотчас же вокруг «затмившегося Солнца» вспыхивает слабое сияние короны. Повесьте более редкую марлю, дающую меньшее рассеяние, и корона выступит еще отчетливее.

Чтобы уменьшить рассеяние света в телескопе, Лио делал объектив из наиболее прозрачного стекла, оберегал его от самых микроскопических царапин и пылинок, устранял каждую пылинку из воздуха внутри трубы. Каждая из этих мелочей, складываясь с другими, уже заметно уменьшала рассеяние света на пути от Солнца к глазу наблюдателя и оправдывала поговорку: «с миру по нитке ‑ голому рубашка». Установив в фокусе телескопа черный кружок, который только‑только закрывал изображение Солнца, Лио мог прямо в окуляр своего коронографа видеть вокруг Солнца розовые протуберанцы.

Так трое ученых обманули природу, мешавшую нам изучать протуберанцы и корону.

В настоящее время на обсерваториях Советского Союза ведется исследование протуберанцев и короны вне затмения при помощи коронографов типа Лио, построенных в СССР.

 

Химия Солнца

 

Спектр нижних частей хромосферы, наблюдаемый в течение одной‑двух секунд во время полных затмений (отчего он и получил название спектра вспышки), и темные фраунгоферовы линии в обычном спектре Солнца позволяют определить химический состав солнечной атмосферы. Надо твердо это помнить. Химический состав недр Солнца по спектру определить нельзя: мы видим спектр только атмосферы.

На Солнце мы по его спектру находим только те элементы, которые нам известны на Земле, но не все. Из 92 (104, считая искусственно полученные элементы, более тяжелые, чем уран)) элементов периодической системы Менделеева в атмосфере Солнца открыто 67, или 2/3.

В любой прежней книжке по астрономии говорилось, что Солнце, «золотое Солнце», не содержит золота. Но из этой книги вы узнаете, что золото на Солнце есть, хотя и в ничтожной доле. Его нашли в 1942 г. по крайне слабой линии, происхождение которой раньше было неясно.

Химические элементы, отсутствующие в солнечном спектре, могут, конечно, отсутствовать в солнечной атмосфере, но могут быть и другие причины отсутствия заметных линий в спектре. Например, последнее может быть обусловлено малым содержанием этого элемента, сопровождаемым чрезмерной слабостью линий, либо действительным отсутствием его линий в доступной наблюдениям части спектра, или недостаточной изученостью спектра данного элемента в лаборатории.

В спектре Солнца отсутствуют линии большинства тяжелых радиоактивных элементов, редких земель, инертных газов (кроме гелия и неона) и галоидов, но обнаружен радиоактивный технеций.

Кроме атомов многих элементов, в атмосфере Солнца, преимущественно в области пятен (обладающих более низкой температурой), обнаружены простейшие молекулы: углерода, циана, водородных соединений и многих других. Кроме того, в пятнах есть еще окись титана, гидриды магния, алюминия и кальция, окислы алюминия, циркония и другие соединения.

Изучение интенсивности линий спектра Солнца позволило, не ограничиваясь установлением наличия разных элементов в солнечной атмосфере, определить их количественное содержание. Так, установлено (Эти данные непрерывно уточняются)), что солнечная атмосфера содержит:

 

 

Из этих данных следует, что на водород по массе приходится более 70 %, а на гелий 28 %.

Недра Солнца согласно теоретическим расчетам должны быть беднее водородом.

 

История двух незнакомцев

 

В 1868 г. астрономы обратили внимание на то, что в спектре протуберанцев есть яркая желтая линия, которая никогда и нигде до этого не наблюдалась. Очевидно, она принадлежит какому‑то веществу, которого нет на Земле и которое есть только на Солнце. Предложили назвать это вещество «гелий», от греческого слова «гелиос», что значит Солнце. Астрономы предположили, что это должен быть очень легкий газ, потому что он поднимается высоко в атмосфере Солнца.

25 лет протекло на Земле, в течение которых считали, что на Солнце есть свое особое «солнечное вещество» ‑ гелий.

В 1893 г. при новом точном определении веса азота английский физик Рэлей обнаружил расхождение между весом азота, добытого из аммиака и из воздуха. На литр газа расхождение в весе равнялось весу блохи. Но примириться с ним Рэлей не мог и стал доискиваться причины. Чтобы скорее справиться с задачей, пригласили для сотрудничества известного химика Рамзея, и он заподозрил, что азот, добытый из воздуха, не чистый. К нему, должно быть, подмешан какой‑то газ, который тяжелее азота, оттого и вес «воздушного» азота тяжелее; так, грязная соль с примесью песка тяжелее чистой соли в том же объеме.

Ломая голову над этой задачей, Рамзей вспомнил описание Кавендишем одного из своих опытов, о котором он читал еще в студенческие годы. Кавендиш делал его еще в 1785 г., но на него не обратили внимания. Опыт состоял в том, что с помощью электрических разрядов Кавендиш соединял азот с кислородом, получая окислы азота. Как он ни бился, у него в сосуде с ртутью, занявшей место азота, бывшего там ранее и перешедшего в состав окислов, остался крохотный пузырек газа. Этот пузырек газа никак не хотел соединиться с кислородом. Кавендиш свой азот брал из воздуха, и потому Рамзей заподозрил, что Кавендиш столкнулся с тем же газом, который причиняет столько забот его другу Рэлею. Взялись за расшифровку воздушного пузырька. Для этого в большом масштабе повторили опыт Кавендиша и получили упрямый газ, не желавший соединяться с кислородом, уже не в объеме пузырька, а в объеме, допускавшем точное определение его веса. Поступили еще и иначе, прогоняя «воздушный» азот сквозь раскаленный магний, пока они не соединились полностью. В остатке получился тот же самый, не желающий соединяться, или инертный, газ. Он оказался в полтора раза тяжелее азота.

Новый газ не желал соединяться ни с каким другим веществом. За его химическую лень назвали его «ленивым» или, по‑гречески, «аргоном». Аргон оказался новым химическим элементом. Аргон был бы открыт на сто с лишним лет раньше, если бы Кавендиш, «державший его в руках», имел точные весы, чтобы взвесить свой пузырек газа.

После своего открытия Рэлей и Рамзей успокоились, но покою их не пришлось быть долгим. Один химик написал в феврале 1895 г., что известный путешественник Норденшельд уже давно привез из Норвегии новый минерал ‑ клевеит. Из этого черного минерала можно было выделить газ, который не соединяется с кислородом. «Геолог, описавший этот минерал, считает его азотом, но, быть может, на самом деле это не азот, а аргон», ‑ писал химик.

Тогда Рамзей достал клевеит, выделил из него газ и посмотрел, какой у него спектр. Спектр вовсе не был спектром аргона. Это было что‑то новое, с яркой желтой линией.

Долго думая, он вспомнил, что такую линию четверть века тому назад астрономы открыли в спектре протуберанцев, и с тех пор наблюдают ее ежедневно, приписывая ее неземному газу ‑ гелию. Почти в то же время гелий был открыт в Швеции физиком Лангле. Так открыли солнечное вещество ‑ гелий ‑ на Земле.

Астрономы оказались правы. Гелий ‑ легкий газ, самый легкий после водорода. В небольшом количестве гелий был открыт и в воздухе. Гелий обладает множеством интереснейших свойств и, в частности, для его сжижения нужна очень низкая температура (269° ниже нуля). Любопытно, что при изучении гелия были открыты еще три новых инертных газа.

В 1914 г. английская артиллерия безуспешно обстреляла германский цеппелин, направлявшийся к Парижу. Он, хотя и пробитый осколками снарядов, не загорался, как все дирижабли, наполнявшиеся водородом. Английские химики догадались, что немцы наполнили свой цеппелин гелием, но возникала загадка, откуда они его добывают. В то время лишь немного гелия, добытого с большим трудом, находилось в руках ученых. Английское правительство бросило все силы на поиски природного гелия в своих владениях, и в 1918 г. его нашли в составе нефтяных газов в Канаде, откуда его и стали добывать для военных целей. Только к 1930 г. англичане накопили гелия достаточно для наполнения дирижабля «R‑100». Германия, как выяснилось, добывала гелий из монацитового песка, который она в течение многих лет ввозила на пароходах вместо балласта из Индии и Бразилии.

На Солнце гелия чрезвычайно много, но, увы, он для нас там недосягаем. Через 40 лет после того как гелий был открыт на Земле, он представлял еще чрезвычайную редкость, а теперь этот солнечный газ сверкает на Земле желтовато‑розовым цветом в витринах московских магазинов, где в длинных стеклянных трубках электрический разряд заставляет его привлекать покупателей. Солнечное вещество стало совершенно прирученным, земным.

Иной была история разоблачения таинственного незнакомца, выступившего перед нами в виде ряда цветных линий спектра солнечной короны. Незнакомца, обнаруженного в спектре солнечной короны в 1869 г., через год после открытия гелия назвали «коронием». Короний был упорнее гелия: он не хотел показываться на Земле. Не показывается он и сейчас. Мало того, гелий по крайней мере был обнаружен в спектрах других небесных тел ‑ звезд и туманностей, короний же обитал только в солнечной короне.

Лишь в 1933 г. короний показался на несколько месяцев в спектре так называемой новоподобной звезды RS Змеедержца (Это созвездие называют также Змееносцем, что вряд ли правильно. Многие люди, особенно на Востоке, могут держать змею, но едва ли есть смысл носить ее в руках)). В этом году слабенькая звездочка, вспыхнувшая уже однажды ненадолго в 1893 г., вспыхнула снова, и в газах, выброшенных ею в момент наибольшего блеска, ненадолго промелькнул короний. Этот случай заинтриговал астрономов, но не пролил света на тайну корония, хотя некоторые соображения еще тогда приводили автора к мысли, что короний как‑то связан с железом.

Дело в том, что каждому химическому элементу в таблице Менделеева предоставлена своя клетка ‑ своя квартира. Как только открывался новый элемент, для него тотчас находилась приличествующая ему и незанятая квартира в том или другом этаже таблицы. Уже четверть века назад практически все квартиры во всех этажах дома, построенного для элементов Менделеевым, были заняты. Новым элементам в таблице не оказалось места. Это значит, что им нет места и в природе. Значит, всякий новый незнакомец, и в том числе короний, вовсе не незнакомец, а кто‑то из старых знакомых, только в маскарадном костюме и в маске. И имя его ‑ «короний», ‑ не настоящее, а псевдоним, под которым он скрывается. Маскарад его ‑ подневольный, маскарадный костюм в виде незнакомых линий спектра на него надели необычные физические условия, в которые он попал, находясь в солнечной короне, и которых на Земле нет. Сорвите маскарадную маску, и вы увидите под ней знакомый кислород, азот или другой какой‑нибудь элемент, смеющийся над нашими тщетными усилиями разоблачить его вот уже более 70 лет.

Убеждение в возможности именно такой расшифровки корония поддерживалось успехом аналогичного случая со спектром разреженных масс газа, образующих туманности, расположенные в межзвездном пространстве. Обнаруженный в них элемент, названный «небулием» (от латинского слова «небула» ‑ туманность) и скрывавшийся под зелеными линиями спектра, был «допрошен с пристрастием» физиком Боуэном в США. После долгого «запирательства» в 1927 г. он «сознался», что он... попросту кислород. Впрочем ‑ не попросту, а кислород, дважды ионизованный, т. е. потерявший два электрона. Но и в этом виде мы бы его разоблачили раньше, если бы он не умудрялся испускать те линии спектра, которые ему «запрещено» испускать.

По сути дела, никто ему, собственно говоря, эти линии не запрещал испускать, но излучение их в земных условиях для него так трудно, что практически обнаружить их в спектре кислорода на Земле невозможно, и потому физики условно назвали эти линии «запрещенными». Линии возникают, когда электрон перескакивает сам по себе, ничем «не принужденный», с одной орбиты на другую. Но вот на той орбите, с которой он должен перескочить, покрутившись на ней некоторое положенное ему время, электрон крутится очень долго ‑ секунды, часы, дни и даже месяцы, прежде чем электрон сам по себе ее покинет и излучит соответствующего «запрещенную» линию.

В земных условиях плотности газа так велики и столкновения атомов поэтому так часты, что с подобной орбиты электрон при ударе сталкивают насильно на другую орбиту раньше, чем он успеет с нее уйти «по своей воле». На обычных же орбитах электрон остается всего лишь около 10~8 сек. Это и не дает возможности атому излучить запрещенную линию.

В газовых туманностях плотность газа так ничтожно мала, что столкновения атомов происходят крайне редко, и излучение ими линий, «запрещенных» в земных условиях, тут происходит беспрепятственно.

По примеру с небулием, линии корония стали искать среди запрещенных линий известных элементов. Их длину волны можно установить только теоретически, зная структуру атомов, но она пока еще не для всех них известна. В газах, выброшенных в пространство звездой RS Змеедержца, были необычайно сильны запрещенные линии атомов железа, ионизованных не слишком сильно. Можно было поэтому поставить линии корония в спектре этой звезды в связь с необычными для звезд условиями свечения паров железа. Многие попытки, сделанные в этом направлении, были безрезультатны, но в 1941 г. шведский ученый Эдлен сообщил давно желанную весть ‑ «короний оказался железом»...

Одни линии корония оказались запрещенными линиями девятикратно ионизованного железа, другие ‑ такими же линиями тринадцатикратно (!) ионизованного железа, а менее яркие линии ‑ принадлежащими многократно ионизованному никелю и другим элементам.

Плотность газа в короне, несомненно, очень мала и могла бы допустить излучение запрещенных линий. А железо в солнечной короне могло бы получаться за счет испарения железной метеоритной пыли, когда она достаточно приближается к Солнцу и нагревается.

В первый момент к отождествлению корония астрономы отнеслись недоверчиво. Как может быть, чтобы вблизи Солнца, которое само имеет температуру «всего лишь» в 6000°, могли существовать столь сильно ионизованные атомы железа. Для такой ионизации в обычных условиях нужна температура выше 100 000°, и потому никто раньше не искал короний среди ионов, существование которых требует таких высоких температур. В последнее время стало, однако, намечаться объяснение существованию вблизи Солнца паров железа, атомы которого лишились 9 и даже 13 электронов. Это может произойти не только от высокой температуры, но и от влияния некоторых других процессов, возникающих в разных местах хромосферы. Описание их здесь было бы слишком сложно, но укажем, что московский астроном И. С. Шкловский представляет обстоятельства дела следующим образом. В условиях короны достаточно наличия слабого электрического поля в ней, чтобы возникло движение электронов наружу со скоростью, соответствующей температуре в 1 000 000°.

Эти электроны, возникающие в самой короне, с бешеными скоростями налетая на находящиеся в ней же атомы железа и никеля, ионизуют их так сильно, как при других условиях это осуществлялось бы при температуре в миллион градусов.

Как показали В. А. Крат и С. Б. Пикельнер, поверхность Солнца, выбрасывая свои электроны в мировое пространство, получает положительный заряд благодаря накапливанию положительно заряженных ионов. Но это ведет тогда к взаимному отталкиванию ионов и к выбросу их из Солнца, заряд которого, уменьшаясь, позволяет электронам выбрасываться снова. Так Солнце постепенно теряет свою массу.

Разгадку корония можно считать решенной, и можно считать решенной загадку спектра солнечной короны, в целом. К настоящему времени в спектрах небесных светил не осталось ни одного «небесного вещества», все их линии принадлежат веществам, имеющимся и на Земле. Мы потеряли в науке два химических «элемента» ‑ небулий и короний, но взамен них приобрели знания о строении и поведении как мельчайших атомов, так и грандиозных мировых тел...