История науки: дело о Вулкане

Как на основе расчетов нашли несуществующую планету, как это «открытие» не прошло проверку и как поиски объяснения могут напоминать детективную историю, рассказываем в нашей рубрике «История науки».

Главный герой сегодняшней истории — математик, увлекавшийся небесной механикой, француз Урбен Леверье. По совету директора Парижской обсерватории, Франсуа Араго, Леверье занялся изучением орбиты Меркурия. На основе имеющихся наблюдений Леверье вычислил основные характеристики орбиты этой планеты. Подсчеты проводились в рамках господствовавших в то время ньютоновских представлений о движении и притяжении тел. Результаты работы Леверье опубликовал в 1843 году, предполагая, что их можно будет проверить во время прохождения Меркурия по диску Солнца.

Пока Леверье занимался другими проблемами, в том числе рассчитывал орбиту Нептуна по его влиянию на орбиту Урана, оказалось, что его выкладки для Меркурия неточны. Как полагал Леверье, ось орбиты первой планеты от Солнца должна поворачиваться в сторону орбитального движения со скоростью 527″ за столетие (что вызывает и смещение, или прецессию, перигелия — ближайшей к Солнцу точки орбиты), однако наблюдения давали другую цифру — 565″. Это различие (по современным данным оно немного больше — 43″) требовало объяснения.

Вдохновленные успехом при поисках Нептуна, астрономы попытались найти причину неточности расчетов в рамках классической теории тяготения. Они предположили, что у Меркурия тоже есть свой «Нептун». С легкой руки Леверье планета, которая еще не была замечена во время наблюдений, получила название «Вулкан». Гипотезу, так же как и родственную ей — о существовании пояса малых планет, поддержали многие известные астрономы. Вскоре стали поступать сообщения (продолжавшие приходить до начала 1970-х годов) о наблюдениях планеты (планет), однако рассчитанные на их основе орбиты не подтверждались в ходе дальнейших исследований. Кроме того, настораживали и небольшие размеры «планет»: при сходной с Меркурием плотности эти тела не могли повлиять на движение планеты достаточно сильно. Поиски малых планет, вулканоидов, также не увенчались успехом. Как и гипотезы о незамеченном еще спутнике Меркурия, недооцененной массе других планет и облаке вещества или кольцах вокруг Солнца.

В 1859 году Леверье издает работу, в которой признает, что полностью объяснить неточность расчетов, не выходя за рамки классической теории, невозможно. Выводы были сделаны на основе многочисленных наблюдений, в том числе прохождений Меркурия по диску Солнца. Позднее, в 1895 году, похожие результаты представил и американский астроном Саймон Ньюком. Он уточнил размер расхождения (те самые 43″) и раскритиковал, опираясь на свои наблюдения, большую часть существовавших версий.

Попытки скорректировать классическую теорию начались уже в XVIII веке. Часть их сводилась к модификации закона всемирного тяготения: введения дополнительных множителей, изменение степеней. Человеком же, раскрывшим тайну смещения перигелия Меркурия (и не ее одну), стал Альберт Эйнштейн. Его теория относительности была более цельной, чем классическая теория с ее многочисленными вариантами корректировки, и подтверждалась наблюдениями. Вычисления по формуле Эйнштейна давали результат 42,98″.

Поиски завершились, дело закрыто. На память о нем осталось название «вулканоиды»: сейчас так называют астероиды, орбиты которых находятся внутри орбиты Меркурия. Их существование астрономы допускают, хотя пока и не нашли ни одного.