Планета, открита на хартия: Как математиката намери Нептун

Точно преди 180 години, на 23 септември 1846 г., е открит Нептун. Той става първата планета, чието местоположение е установено с помощта на теоретични изчисления – и едва след това е открит в космоса. Ето как Нептун става последната планета в Слънчевата система, губи този статус и след това пак си го възвръща.

Не можеш да я видиш, но е там

Само пет планети могат да се видят в нощното небе с просто око. Древните хора, които са наблюдавали звездите, са познавали Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Тези небесни тела са изумявали наблюдателите: за разлика от звездите, те са се движели по небето. Не е изненадващо тогава, че са били свързвани с божествени сили. Именно заради тази характеристика те са били наричани „планети“ (от древногръцката дума planētēs), което означава „скитници“.

В продължение на хилядолетия тези пет планети представлявали степента на разбиране на човечеството за Слънчевата система. Едва през 18-ти век английският астроном Уилям Хершел използва телескоп, за да открие нова планета - Уран. При идеални условия и с много остро зрение, тя може да се види без инструменти, въпреки че планетата е доста слаба и изисква прецизно наблюдение. Преди модерната епоха човечеството често бъркало Уран със звезда или комета.

Нептун дори няма тази способност: може да се види само с телескоп. Астрономите сега са съгласни, че наблюдението на тази планета е станало възможно едва след разработването на първите малки устройства. Смята се, че Галилео Галилей е първият, който я е документирал в небето през 1612 и 1613 г.

През 2009 г. физикът Дейвид Джеймисън открива два записа в един от бележниците на Галилей за движението на „фонова звезда“, отбелязани с различен химикал. Джеймисън предполага, че астрономът е следил Нептун, въпреки че е невъзможно да се определи със сигурност дали Галилей е участвал в специфични изследвания на този обект.

Галилей никога не е разпознал това небесно тяло като планета, като го е сбъркал със звезда. Това вероятно е така, защото Нептун се движи много бавно и в този момент се е движил срещуположно на другите планети (ретроградно движение) и следователно е изглеждал неподвижен. Нептун е наблюдаван и от Жером Лаланд през 1795 г. и Джон Хершел през 1830 г., но те също не са го идентифицирали като нова планета в Слънчевата система.

На върха на писалката

Математикът Юрбен льо Верие

Търсенето на евентуална нова планета започва едва в началото на 19 век, подтикнато от откриването на Уран. През 1821 г. са публикувани астрономически таблици, предсказващи орбиталната позиция на Уран според законите на гравитацията на Исак Нютон. Изследователите обаче забелязват несъответствия: Уран понякога напредва, понякога изостава от изчислените позиции, а понякога изглежда по-далеч от Слънцето от очакваното.

Учените вярвали, че това движение може да се дължи на гравитационното влияние на Слънцето, на наблюдателна грешка или на факта, че друго, неоткрито небесно тяло влияе на орбитата му. Последната теория е предложена през 1821 г. от френския астроном Алексис Бувар, който е изучавал Уран. Самото откритие обаче е направено едва няколко години по-късно от друг френски математик и астроном: Юрбен льо Верие е сред учените, които подкрепят теорията, че друга планета влияе на движението на Уран.

До 1845 г. Уран е завършил почти пълна орбита около Слънцето. Въз основа на данни за движението му, Льо Верие математически изчислява местоположението на хипотетичното небесно тяло. На 31 август 1846 г. той представя прогнозираното си положение на новата планета на Френската академия на науките и едновременно с това изпраща писмо до Йохан Гал в Берлинската обсерватория, в което описва откритията си. Гал веднага започва търсене. В нощта на 23 септември той насочва 9-инчов рефракторен телескоп към желаната област на небето и за по-малко от час открива планетата - в рамките на 1 градус от прогнозираното положение.

„Планетата, чието местоположение посочихте, наистина съществува. В същия ден, в който получих писмото ви, открих звезда с осма величина, която не беше отбелязана на картата <...> Наблюдение на следващия ден потвърди, че това е въпросната планета“, пише Гал до френския математик.

Кой обра лаврите?

Така Нептун станал първата планета, открита не чрез наблюдение, а чрез математически изчисления. Много теоретици били във възторг: използвайки само изчисления, те предсказали съществуването на небесно тяло и допълнително потвърдили валидността на законите на Нютон, формулирани два века по-рано. Това събитие предизвикало широко обществено възмущение – руският поет Афанасий Фет му посветил стихотворение „На Нептун Леверие“.

Както често се случва в историята на науката обаче, Льо Верие не е единственият, който прави това откритие. През септември 1845 г. английски студент в университета в Кеймбридж, Джон Куч Адамс, също търсещ хипотетичната планета, изчислява вероятното ѝ местоположение и изпраща изчисленията си на Джон Чалис в обсерваторията в Кеймбридж. Но Чалис е скептичен и не успява да открие Нептун.

Когато планетата е официално открита, изчисленията на Адамс се оказват до голяма степен правилни, макар и с грешка от приблизително 12 градуса. По-късно Чалис съжалява, че не е подходил към проблема по-сериозно. Той си спомня също, че е наблюдавал Нептун два пъти (на 8 и 12 август), но не го е разпознал като планета поради остаряла звездна карта.

Въпреки че по-късно учените във Франция и Англия спореха кой заслужава заслугата, самият Адамс призна приоритета на Льо Верие. „Няма съмнение, че неговите изследвания са първите, публикувани пред света и са довели до самото откриване на планетата“, пише Адамс.

Приносът на Адамс обаче не остава незабелязан от общността – един от пръстените на Нептун е кръстен на него. Други два носят имената на Льо Верие и Гал. Льо Верие също получава множество награди, а през 1854 г. става директор на Парижката обсерватория. Умира на 23 септември 1877 г. На гроба му в гробището Монпарнас сега има каменен паметник във формата на голяма планета, в памет на приноса му към науката.  

„Планетата след Уран“

Преди откриването си небесното тяло е било наричано „планетата след Уран“ или „трансуранската планета“. Льо Верие предлага да му се даде неговото име. Той дори се опитва да създаде прецедент, като публикува книга за Уран през 1846 г., на корицата на която я преименува на „планетата на Хершел“ – в чест на учения, който я е открил. Но този подход предизвиква възмущение сред немските астрономи.

Името на древноримското божество „Янус“ също е било смятано, според една теория, за демиург, създал този свят. Самият Льо Верие обаче отхвърля това име, вярвайки, че „името Янус би показвало, че тази планета е последната в Слънчевата система, но ние нямаме основание да вярваме в това“.

Заради наситено синия цвят на планетата е предложено името „Океан“. Но в крайна сметка Льо Верие предлага да я нарекат Нептун, на името на римския бог на морето, което става прието международно име. Освен това, другите планети също са кръстени на герои от древната митология.

Само няколко седмици след откриването му, първият от 16-те спътника на Нептун, Тритон, е открит. Отнема обаче повече от век, за да бъде открит вторият: едва през 1949 г. е открит друг спътник, наречен Нереида. Всички следващи спътници са кръстени на морски божества и други същества, свързани с Нептун.

Студено, тъмно и ветровито 

Снимка на пръстените на Нептун от космическия апарат Voyager

Докато Уран има подобен синьо-зелен оттенък поради наличието на метан в атмосферата си, Нептун има по-богат, по-ярък син цвят. От земната повърхност планетата изглежда безметежна, но това спокойствие е измамно.

Нептун е доста студен: температурите в горните слоеве достигат минус 200 градуса по Целзий, въпреки че се повишават по-близо до центъра. Въпреки че е 30 пъти по-далеч от Слънцето, отколкото Земята, планетата излъчва повече енергия, отколкото получава от слънцето.

Ако човек посети Нептун по обяд, ще види само слаб здрач. Светлината достига до планетата за около четири часа. Нептун прави пълна обиколка около Слънцето за 165 земни години – което означава, че след откриването си е завършил една пълна обиколка едва през 2011 г.

За да изучава далечните гигантски планети, НАСА изстрелва космическия кораб Voyager 2 през втората половина на 20-ти век. На 25 август 1989 г. сондата прелита покрай Нептун. Това ѝ позволява да изучи планетата отблизо и да направи няколко снимки, които значително променят нашето разбиране за нея.

(От "Известия")