Уильям Гершель

Гершель был пионером во всём, что он делал. Как конструктор первых больших телескопов-рефлекторов и наблюдатель он оставил далеко позади своих современников. Ещё большее воздействие на историю астрономии он оказал как глубокий мыслитель, воссоздавший по отдельным деталям общую картину Вселенной. На основе собственных наблюдений Уильям Гершель впервые установил общую форму и сделал первые оценки размеров нашего грандиозного «звёздного дома» — Галактики. Он же первым вышел со своими телескопами в безграничный мир далёких «млечных» туманностей — других звёздных вселенных. Гершель вдвое расширил Солнечную систему и «сдвинул с места» Солнце, открыв его движение в мировом пространстве. В наблюдательной астрономии он был и Колумбом, и Магелланом. А началось всё с любознательности и любви к… музыке.
Фридрих Вильгельм (Уильям) Гершель родился 15 ноября 1738 г. в Ганновере (Германия) в семье полкового музыканта Ганноверской гвардии. С 15 лет он сам стал играть на гобое в том же оркестре, а в дальнейшем играл на скрипке и органе. В 19 лет жизненный путь его круто изменился. Спасаясь от рекрутчины, он с тайного благословения матери бежал в Англию (Ганновер подчинялся тогда английскому королю), навсегда расставшись с родиной. После многих невзгод и лишений Гершель приобрёл известность как музыкант-исполнитель, композитор и преподаватель музыки в приморском курортном городе Бате недалеко от Бристоля. Он серьёзно занимался теорией музыки. От неё увлечение перешло на математику и оптику, через которую он познакомился с астрономией.
Гершелю было 35 лет — жизнь, казалось, определилась. На концертах с ним успешно выступала его талантливая младшая сестра Каролина, которую он вызвал к себе в Англию. Но интерес Гершеля к звёздам, желание увидеть всё своими глазами и энергичная, деятельная натура решили его дальнейшую судьбу. В 1773 г. Гершель приобрёл небольшой отражательный телескоп с фокусным расстоянием 2,5 фута (около 76 см). Хотя наблюдения с ним не удовлетворили его, на больший инструмент не было средств. Тогда, скупив у одного оптика весь запас заготовок и материалов, Гершель приступил к изготовлению телескопа самостоятельно.
Уже в марте 1774 г. Гершель наблюдал красивую светлую туманность в созвездии Ориона с помощью своего первого самодельного телескопа-рефлектора ньютоновской системы длиной 5,5 футов (почти 2 м) и диаметром главного зеркала 20 см.
Дни Гершеля были отныне заполнены изготовлением зеркал, вечера — музыкой, а ночные часы он со всё большим увлечением отдавал астрономическим наблюдениям, которые ухитрялся проводить даже во время концертных антрактов. Изготовлять телескопы ему помогал младший брат Александр, талантливый механик, также вызванный им из Германии.
Неоценимую роль в жизни и научных исследованиях учёного сыграла сестра Каролина. Она проводила трудоёмкую обработку результатов наблюдений и в течение 16 лет вела хозяйство их небольшой семьи. Её дневники и воспоминания донесли до нас обстановку кипучей, весёлой и самозабвенной, освещённой глубокой взаимной привязанностью творческой жизни Уильяма Гершеля и его ближайших помощников. Однажды в мастерской взорвалась плавильная печь, в которой Гершель варил особый сплав из меди и олова для металлических зеркал своих телескопов. Каролину приводило в отчаяние то, что чистые комнаты их дома были превращены в мастерские, а традиционные кружевные манжеты на рукавах рубашек её братьев бывали безнадёжно испорчены при шлифовке и полировке зеркал. Эта многочасовая работа, сначала делавшаяся Гершелем вручную, не допускала перерывов. В дальнейшем он механизировал шлифовку длиннофокусных зеркал, которые были не сферическими, а параболическими и потому требовали особой точности в обработке.
Уже в Бате Гершель изготовил сотни зеркал для 7-, 10- и 20-футовых рефлекторов. Основным его рабочим инструментом был 20-футовый (фокусное расстояние трубы около 7 м) ньютоновский рефлектор с диаметром объектива почти в полметра. Вершиной же развития телескопостроения вплоть до середины XIX в. стал созданный Гершелем в 1787-1789гг. гигантский 40-футовый рефлектор с длиной трубы 12 м и диаметром зеркала 147 см (весом около 1 т!). Максимальное эффективное увеличение на больших телескопах Гершеля составляло 2,5 тыс. и применялось в особых целях — для наблюдений двойных звёзд. Свои знаменитые обзоры неба Гершель проводил обычно с увеличением 150-300. Наблюдения требовали немалой выносливости и смелости, так как велись с площадки на высоте нескольких метров над землёй.
Начиная с 1775 г. он провёл четыре систематических обзора звёздного неба, чтобы не пропустить ни одного неизвестного объекта, причём каждый обзор занимал несколько лет. Каролина вела запись всего увиденного братом под его диктовку. Во время второго такого обзора неожиданно закончилась его карьера музыканта: 13 марта 1781 г. Гершель впервые после жрецов Вавилона открыл планету — Уран. Солнечная планетная система сразу увеличилась по размерам более чем вдвое.
Гершель вступил в астрономию с триумфом. Золотая медаль Лондонского королевского общества, избрание в члены этого Общества, почётная и редкая для иностранца степень доктора Оксфордского университета, должность придворного астронома с пожизненной пенсией в 300 гиней были наградой Гершелю в Англии. Но главное: он стал астрономом-профессионалом. В 1782 г. Гершель переехал в Старый Виндзор, а в 1786 г. навсегда поселился в Слау в 30 км от Лондона (ныне в черте города). Именно Слау знаменитый Франсуа Араго назвал тем местом на Земле, где было сделано наибольшее количество астрономических открытий. В Солнечной системе помимо Урана Гершель открыл два его спутника (1787 г.), обнаружив у них обратное движение (1797 г.), а также два новых спутника Сатурна (1789 г.); весьма точно измерил период вращения Сатурна и его кольца (1790 г.); выявил сезонные изменения размеров полярных шапок на Марсе, что стало первым импульсом для размышлений о марсианах и многое другое. Однако планетные исследования Гершеля лишь «попутная мелочь», которую он порой случайно находил на обочине своей главной дороги — в неизведанный Мир Звезд.
Уже в 1783 г., сравнив известные собственные движения 13 звёзд в окрестностях Солнца, Гершель обнаружил его движение в пространстве и указал довольно точно его направление (апекс) к звезде ? Геркулеса.
Ещё более важным оказалось открытие двойных и кратных звёзд. Начав в 1778 г. с массовой переписи всех видимых на небе тесных пар звёзд, Гершель спустя лишь четверть века, 9 июня 1803 г., сделал в Лондонском королевском обществе знаменитое сообщение об открытии им реальной гравитационной связи между компонентами у 50 пар звёзд. Его последней работой стал каталог 145 физически двойных звёзд с детальным исследованием их орбит (1822 г.). Всего Гершель открыл свыше 800 двойных и кратных звёзд. Он же первым попытался внести ясность и в область звёздной фотометрии. Проводя систематические наблюдения в этой области с 1794 г., Гершель за шесть лет составил шесть каталогов относительного блеска звёзд. Он впервые ввёл надёжную шкалу звёздных величин (которая несколько отличалась от современной) и измерил блеск около 3 тыс. звёзд с точностью до 0,1 звёздной величины, максимальной для визуальных наблюдений. В результате он открыл несколько новых переменных.
Гершель умел видеть то, что совершенно выпадало из поля зрения его современников. В 1804 г. он обратил внимание на связь между ценами на пшеницу (определявшимися её урожайностью) и радиацией Солнца, зависевшей от числа пятен на его поверхности. Это курьёзное по тем временам сообщение было опубликовано в «Берлинском астрономическом ежегоднике» (Berliner astronomisches Jahrbuch) Иоганна Боде в 1808 г.
Не обошлось и без заблуждений: как многие тогда, Гершель был увлечён идеей множественности обитаемых миров и допускал, что даже Солнце может быть таким телом — холодным, окружённым лишь ярко светящейся атмосферой, сквозь разрывы в которой в виде пятен проглядывает тёмная поверхность…
В 1800 г. Гершель обнаружил, что термометр, оказавшийся за пределами видимого солнечного спектра со стороны его красного конца, тоже нагревается. Так были открыты тепловые лучи, или инфракрасное излучение. В спектрах звёзд Гершель первым отметил различие в положении максимума их яркости, отчего одни звёзды могли быть названы синими, а другие — жёлтыми или красными. Это явление, говорящее о разнице поверхностных температур звёзд, в дальнейшем легло в основу первых спектральных классификаций звёзд.
Главный вклад Гершель сделал в понимание общего устройства Вселенной. Первые же обзоры неба с 20-футовым телескопом открыли перед ним колоссальное обилие неразличимых невооружённым глазом звёзд и крайнюю неравномерность их видимого распределения по небу. Телескоп Гер-шеля раскрыл природу и самых загадочных в те времена объектов неба — неподвижных «млечных» туманностей. Эти маленькие туманные пятнышки мешали главному делу наблюдателей XVIII в. — поискам новых комет. Знаменитый открыватель новых комет Шарль Мессье в 1781- 1783 гг. даже опубликовал специальный каталог более сотни таких «помех» — «млечных» пятен, чтобы наблюдатели не принимали их за новые кометы. Каково же было удивление Гершеля, когда в его телескопы многие из туманностей Мессье разложились на кучи звёзд, как бы подтверждая теорию островных вселенных английского астронома Томаса Райта (1711-1786). Так звёздная Вселенная постепенно открывала сложную структуру своего устройства.
Необъятный мир, распахнувшийся перед Гершелем, уже невозможно было изучать по старинке, объект за объектом. Чтобы понять его строение, он создал статистический метод звёздных проб — «черпков». Он подсчитывал число звёзд в поле зрения 20-футового телескопа в разных частях неба и по их обилию судил, насколько далеко простирается наша звёздная Вселенная в данном направлении. При этом Гершель сознательно принял грубое допущение о равномерном распределении звёзд в пространстве. Сделав более тысячи таких «черпков», Гершель выявил общую форму Млечного Пути как упло-щённой системы звёзд и правильно оценил её сжатие в 1/5. Он обнаружил изолированность нашей системы в пространстве, впервые представшей в виде звёздного «острова». Даже при весьма приблизительных допущениях Гершеля размеры нашей Галактики оказались чудовищно огромными — 850 х 200 единиц — расстояний до Сириуса, равных 8 световым годам (6800 х 1600 световых лет), — и произвели глубокое впечатление на его современников. Здесь, однако, Гершеля и всех его последователей вплоть до 30-х гг. XX столетия ожидал подвох. Наблюдения отдельных звёзд не позволяют достигнуть границ Галактики, в результате чего возникает впечатление центрального положения в ней самого наблюдателя, а значит, и нашего Солнца. Впервые эту иллюзию разрушил Харлоу Шепли.
За год до того Гершель сделал открытие, значительность которого поняли лишь спустя полтора столетия. В 1784 г. во время обзора туманностей из каталога Мессье он убедился, что существуют и туманности особого рода. Гершель открыл свыше 400 новых, в основном намного более слабых, «неразложимых» на звёзды даже его мощным телескопом или «млечных» туманностей. На небе они располагались крайне неравномерно — кучами, а эти кучи и отдельные туманности объединялись в длинные полосы — пласты. Гершель выделил два пласта туманностей, и наиболее заметный из них назвал «пласт Волос Вероники», поскольку именно на это созвездие и соседнее созвездие Девы приходилась наиболее богатая туманностями часть пласта. Кроме того, Гершель отметил его продолжение в некоторых других северных созвездиях — Большой Медведицы, Льва — и указал на то, что его расположение перпендикулярно Млечному Пути. Он допустил, что этот пласт, подобно нашему Млечному Пути, может охватывать кольцом по большому кругу всё небо, продолжаясь в южной полусфере. С гениальной проницательностью он увидел в стремлении туманностей скучиваться и образовывать пласты — характерные структурные черты наблюдаемой Вселенной. Гершель сравнивал эти туманные пласты с геологическими пластами, в которых как бы записана история Земли.
Только в 1953 г., французский астроном Жерар де Вокулёр окончательно установил (видимо, даже не зная о пионерских работах Гершеля), что в характерных пластах, состоящих, как тогда уже было известно, не из туманностей, а из других- галактик, содержится экваториальная часть огромной сверхсистемы из десятков тысяч галактик, одной из которых является наша. Гершеля можно назвать первооткрывателем крупномасштабной структуры Вселенной, привлекающей сейчас столь большое внимание космологов.
Открытия Гершеля в мире туманностей поистине неисчерпаемы. Три его каталога новых туманностей и звёздных скоплений (1786, 1789 и 1802 гг.) содержали две с половиной тысячи этих объектов, большинство из которых являются, как оказалось, галактиками. Гершель открыл и описал множество форм туманностей, в том числе отметил «кометообразные» туманности, рассматривающиеся в наши дни как важный этап рождения звёзд. Он впервые обратил внимание на существование двойных и кратных туманностей и представил их как реальные физические системы.
Таким образом, Гершель первым высказал идею эволюции космической материи под действием сил гравитации. Так как ему удалось разложить некоторые туманности на звёзды, он считал тогда все их далёкими звёздными системами — «млечными путями» — и потому предложил во избежание путаницы писать название нашей системы с прописных букв — Млечный Путь. Среди отмеченных Гершелем почти 200 двойных и кратных туманностей около половины оказались реальными кратными системами, а 19 (у Гершеля — с перемычками) отнесены сейчас к так называемым взаимодействующим галактикам. Последние повторно были открыты и рассмотрены лишь в XX в. Фрицем Цвикки и особенно подробно — Борисом Александровичем Воронцовым-Вельяминовым. Высказал Гершель и важную идею о том, что в местах случайной повышенной пространственной плотности звёзд должна возникать «скапливающая сила», которая делает дальнейший процесс гравитационного сжатия необратимым. (Эти идеи много позже развил Джеймс Джине.)
Удивительное открытие Гершель сделал в 1791 г. К тому времени среди огромного разнообразия туманностей он выделил особый класс — туманности в виде маленьких дисков с совершенно равномерным распределением в них слабого зеленоватого свечения. По внешнему виду они напоминали Уран и были названы им планетарными. Сначала Гершель считал их также звёздными системами, причём самыми далёкими. Но когда в 1791 г. он обнаружил подобный объект в Пересе (известная ныне планетарная туманность NGC 1514), где в центре бледного диска находилась яркая точка, то сделал правильный вывод: материя вокруг яркого центра — обычной звезды — имеет не звёздную, а диффузную природу. Воображение Гершеля пленила яркая картина, как материя собирается силами тяготения к центру, таким образом формируя центральную звезду. (На самом деле, как сегодня известно, эти туманности расширяются.) Теперь Гершель мог разделить неразложимые «млечные» туманности на «истинные» и «ложные» (далёкие звёздные системы).
Разгадка структуры планетарных туманностей, однако, надолго увела Гершеля от правильного толкования «млечных» туманностей вообще, особенно с яркими ядрами. Он стал объяснять их как формирующиеся звёзды, а в разнообразии форм усматривал различные стадии этого процесса. Несмотря на ошибочность объяснения конкретных объектов, сама идея сыграла большую роль в развитии эволюционных представлений о природе вообще. В астрономии идея развития природы, впервые прозвучавшая в работах Иммануила Канта, благодаря Гершелю укрепилась даже раньше, чем в биологии, где её родоначальником стал Жан Батист Ламарк (1809 г.). Лаплас от издания к изданию корректировал свою космогоническую гипотезу в соответствии с открытиями Гершеля.
Выдвинув такие, казавшиеся в его время смелыми идеи, как пластообразное распределение туманностей, эволюция космической материи и продолжающееся формирование звёзд из диффузной материи, Гершель проявил себя глубоко мыслящим философом.
В последние годы жизни Гершель, наблюдая с 40-футовым телескопом, убедился в недостижимости границ Галактики. Убедился он и в том, что не все млечные туманности — сгустки диффузной материи и что даже самые слабые из них, обнаруженные на пределе видимости, могут быть другими далёкими «млечными путями».
Гершель вёл наблюдения каждую ясную ночь в течение более чем 30 лет и лишь в 1807 г., после тяжёлой болезни, стал отходить от них. Он скончался 23 (по другим источникам — 25) августа 1822 г. «Сломал засовы Небес», — написано на его могильном камне.
Сестра Уильяма Каролина Лукреция Гершель (1750-1848) — знаменитейшая женщина-астроном. Она обработала и после смерти брата издала каталог 2500 туманностей и звёздных скоплений Гершеля. Она самостоятельно открыла 8 комет и 14 туманностей.
Знаменитым астрономом был и его сын Джон Фредерик Уильям Гершель (1792-1871), продолживший наблюдения, начатые его отцом. Он также являлся почётным членом Петербургской Академии наук.