Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

Всю свою жизнь Браге вел астрономические наблюдения. Инструменты, созданные по его чертежам, и усовершенствованные методы наблюдений давали поразительную, недостижимую до этого точность. (Еще более точные наблюдения буду проведены только через полтора столетия, когда Гершель построит свои великолепные телескопы. Среди инструментов Браге же телескопов не было.) Накопленные наблюдения, конечно же, подлежали анализу. И именно для этого Браге был нужен Кеплер. В 1601 году они начали работу над астрономическими таблицами, названными в честь императора Рудольфовыми. Но Браге не успел завершить начатый труд: он скоропостижно скончался в этом же году. Последние его слова были: «Надеюсь, жизнь прожита не зря». Кеплер занял его должность при дворе, получил в свое распоряжение все данные наблюдений и астрономические инструменты. Единственным условием стало продолжение работы над Рудольфовыми таблицами, которую Кеплер завершил лишь через 26 лет, попутно открыв законы движения небесных тел. Значение этих таблиц было настолько велико, что еще не одно столетие ими пользовались мореплаватели и астрономы.

В октябре 1604 года в созвездии Змееносца зажглась новая звезда – примерно в 20 000 св. лет от Солнца взорвалась сверхновая (мы называем ее SN 1604). Кеплер не сразу, а лишь через неделю приступил к наблюдениям за ней, которые продолжались в течение всего года. Результаты этих наблюдений он изложил в книге «О новой звезде в ноге Змееносца», изданной в 1606 году в Праге. В историю эта звезда вошла как «сверхновая Кеплера».

Работая над Рудольфовыми таблицами, Кеплер, используя только результаты наблюдений, открыл три закона движения планет. Первый закон описывает геометрию орбит планет и формулируется так: каждая планета Солнечной системы движется по эллипсу, причем Солнце располагается в одном из фокусов этого эллипса. Если по каким-то причинам вы не помните, что такое эллипс или фокус эллипса, то представьте себе следующую картинку: в дощечку на некотором расстоянии друг от друга вбиты два гвоздика, соединенные ниткой, причем длина нитки больше расстояния между гвоздиками. Если карандашом зацепить нитку и обвести им гвоздики, держа нитку в постоянном натяжении, то очерченная фигура окажется эллипсом, а два гвоздика станут его фокусами. Сумма расстояний от фокусов до любой точки эллипса, таким образом, есть величина постоянная. Не сложно заметить, что окружность – это частный случай эллипса, когда фокусы находятся в одной точке.

Двигаясь по эллиптической орбите, планета находится то ближе к Солнцу, то дальше от него. Также меняется ее скорость – чем больше расстояние между планетой и Солнцем, тем меньше скорость орбитального движения планеты. Второй закон Кеплера гласит: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, за равные промежутки времени «заметает» равные площади (см. рис. 8).

Рисунок 8. Эллиптическая орбита планеты. Закрашены равные площади, «заметаемые» радиус-вектором за равные промежутки времени

Третий закон Кеплера связывает геометрические характеристики орбит с характеристиками движения. Звучит он так: квадраты периодов обращения планет (T) вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет (a):

Конечно, выводы Кеплера распространялись только на Солнечную систему. Действительно, утверждать, что вокруг других звезд могут обращаться планеты и что законы, которым они подчиняются, совпадают с законами, действующими в нашей системе, было смертельно опасно: в воздухе еще пахло костром, на котором недавно сгорел Бруно. Кеплер не раз говорил о законе тяготения, который управляет движением планет. Но выразить этот закон в математической форме ему не удалось. Только к концу века Ньютон докажет, что особенности движения планет, сформулированные Кеплером, могут быть выведены из закона всеобщего тяготения.

Первые два закона Кеплер вывел на основании данных о движении Марса, доставшихся ему от Тихо Браге. Не располагая достаточным математическим аппаратом, Кеплер скрупулезно пытался найти кривую, правильным образом описывающую орбиты планет. В конце концов он полностью отказался от эпициклов и эксцентриков и пришел к выводу, что Марс движется по эллиптической орбите. Эти два закона Кеплера впервые были опубликованы в книге «Новая астрономия»[22] в 1609 году. Позже он доказал, что все известные ему планеты подчиняются этим законам. В 1612 году император Рудольф II умер, и Кеплер покинул Прагу. Он перебрался в город Линц, в котором жил до самой смерти. Третий закон был опубликован Кеплером в 1619 году в книге «Гармония мира».