Наука и жизньНаука

Ярчайшая

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов.

Ослепительный, как Солнце,
южный Сириус горит…
К. Д. Бальмонт. Сириус

Сириус — самая яркая звезда ночного неба. Она помогала древним египтянам предсказывать несущий жизнь разлив Нила, с её помощью они определяли длину года. Мореплаватели использовали ярчайшую звезду для навигации, а поэтам она служила источником вдохновения. Сириус оказался в числе первых звёзд, до которых астрономы пытались определить расстояние и чьё собственное движение они обнаружили, и это первая звезда, у которой удалось сфотографировать спектр и по методу Доплера оценить скорость. Предсказание, а потом обнаружение невидимого спутника Сириуса явилось не только триумфом теории гравитации Ньютона, но и привело к одному из важнейших открытий в астрофизике и физике в целом — обнаружению белых карликов, что стало важной вехой в понимании эволюции звёзд.

Расположен Сириус в среднем по площади созвездии Большого Пса южного полушария неба*. Однако склонение Сириуса невелико, поэтому в России его можно наблюдать вплоть до 73° с. ш., хотя и невысоко над горизонтом. Осенью он виден под утро, зимой всю ночь, а весной — после захода Солнца. Летом Сириус не виден, поскольку восходит в дневное время. Он служит вершиной астеризма, получившего название Зимний треугольник. Помимо Сириуса в него входит Процион (α Малого Пса, 0,38^m) и Бетельгейзе (α Ориона, 0,5^m). Хотя Сириус очень заметная звезда, расположение близко к горизонту подчас скрадывает её блеск, и тогда в качестве ориентира для поиска можно использовать звёзды Пояса Ориона. Проведённая через них прямая на юго-восток (с наклоном вниз) укажет на Сириус. В этом направлении он будет ближайшей яркой звездой.

* См. статью: А. Понятов. Время Большого Пса. Зимнее Небо. — «Наука и жизнь» № 12, 2022 г.

Космический сосед Солнца

Сириус — самая яркая звезда неба, если исключить Солнце. Её видимая величина –1,46^m. Она почти в два раза ярче Канопуса (–0,72^m), второй по блеску звезды, которая в России не видна. Но сам по себе Сириус — типичная звезда главной последовательности, по массе всего в два раза больше Солнца, а по светимости превышает его в 25 раз. Такая выдающаяся яркость на земном небе связана с тем, что Сириус просто расположен близко к нам. До него лишь 8,6 св. года. По удалённости от Земли Сириус занимает седьмое место среди известных звёзд, но из заметных звёзд его опережает лишь ближайшая к нам Проксима Центавра**, которая находится на расстоянии 4,2 св. года.

**См. статью: А. Понятов. Ближайшая. — «Наука и жизнь» № 1, 2017 г.

Благодаря своей яркости Сириус с древности удобный объект наблюдения для астрономов. Птолемей даже выбрал Сириус, чтобы определить местоположение центрального меридиана земного шара. Астрономы изучают его и по сей день, используя всевозможные инструменты, как на земле, так и в космосе. Сириус — двойная звезда. Видимую невооружённым глазом главную яркую звезду также называют Сириус A, а тусклый компонент (8,44^m) — Сириус B. Исследования Сириуса B тоже имеют богатую историю, поскольку он оказался одним из первых открытых белых карликов. Библиографический обзор SIMBAD содержит свыше 1500 ссылок на статьи с 1850 года, посвящённые системе Сириуса.

А всё-таки звёзды движутся!

Имя Эдмунда Галлея прочно ассоциируется с названной в его честь кометой, возвращение которой он впервые предсказал в 1716 году. Это замечательное достижение, прославившее его и ставшее значимым подтверждением теории тяготения Ньютона, часто затмевает другие важные открытия Галлея. А ведь он в 1717 году обнаружил собственное движение звёзд. До этого считалось, что эти небесные светила зафиксированы на очень далёкой вращающейся «сфере неподвижных звёзд». Галлей изучал смещение точек весеннего и осеннего равноденствий, связанное в первую очередь с прецессией земной оси, в результате которой ось вращения Земли описывает в пространстве конус. Для определения параметров 59прецессии он сравнил современные ему координаты звёзд с приведёнными в «Альмагесте» Птолемея (II век) и обнаружил, что Сириус, Альдебаран и Арктур сместились на десятки угловых минут, а это значительно больше, чем могла дать прецессия и другие факторы. В частности, Сириус сместился примерно на 30′, что близко к диаметру полной Луны. Столь большие значения было невозможно списать на ошибки измерения, а значит, звёзды двигались! Более того, Галлей сделал вывод, что звёзды с большим движением должны располагаться ближе к нам. Это было важнейшим открытием не только в астрономии, но и в философии, поскольку изменило существовавшую картину мира. Исследование заметного (примерно 1,3 угловой секунды в год) движения Сириуса в будущем приведёт к открытию его спутника Ф. Бесселем, но об этом речь ниже.

В 1783 году английский астроном, первооткрыватель Урана Уильям Гершель, сравнив известные к тому времени собственные движения 13 звёзд, обнаружил, что 11 из них движутся в общую точку вблизи звезды лямбда Геркулеса. Так было открыто движение Солнечной системы.

А в 1868 году Сириус стал первой звездой, для которой была сделана попытка измерить скорость с помощью эффекта Доплера. Но об этом я расскажу в разделе про спектры.

Астрономия невидимого. Открытие спутника Сириуса

Достаточно быстро после открытия Уильямом Гершелем Урана в 1783 году астрономы обнаружили его странное «неровное» движение по небу. Уже в 1820—1830-х годах они накопили достаточно данных, чтобы уверенно утверждать, что новая планета движется не так, как положено по закону тяготения. Это вызвало большой интерес учёных того времени: ведь такой факт мог свидетельствовать о недостатках в теории Ньютона или о влиянии ещё одной, более далёкой планеты.

В 1840 году немецкий астроном и математик, основатель и директор Кёнигсбергской обсерватории Фридрих Бессель пришёл к выводу, что наиболее вероятным объяснением поведения Урана является существование «неизвестной планеты», а через два года он даже сообщил Джону Гершелю, что готовится заняться этой проблемой. Но его отвлекла другая задача. Проанализировав и сравнив видимые положения ряда звёзд, определённые наблюдателями в Гринвиче, Палермо, Пулково, Кёнигсберге (в настоящее время это город Калининград) и Кейптауне за 90-летний период, он выяснил, что Сириус и Процион тоже движутся по небу волнообразно. 10 августа 1844 года Бессель написал в письме Джону Гершелю, что предполагает существование невидимых компаньонов у этих звёзд. Гершель немедленно опубликовал письмо в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» («Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества»).

Современники восприняли идею Бесселя скептически. Ведь заметное влияние спутника должно было означать, что по массе и, соответственно, размеру он сравним с главной звездой, но тогда почему он невидим? В другом письме Бессель блестяще ответил своим оппонентам: «Я придерживаюсь убеждения, что Сириус — это двойная звёздная система, состоящая из видимой и невидимой звезды. Нет никаких причин полагать, что светимость — необходимое свойство космического тела. Наблюдаемость несметного числа звёзд — не достаточный довод, чтобы опровергнуть несметное число звёзд невидимых».

Это письмо — важная веха в истории астрономии, с него началась астрономия невидимого.

Одним из немногих, кто поддержал Бесселя, был французский астроном Урбен Леверье, и это неудивительно — он сам взялся в 1845 году за вычисление орбиты невидимой планеты, влияющей на Уран. Именно его расчёты позволили Иоганну Галле открыть Нептун в 1846 году.

К сожалению, смертельная болезнь помешала Бесселю довести решение проблемы до конца. Орбиту Сириуса B рассчитал в 1851 году немецкий астроном Кристиан Петерс, сменивший Бесселя на посту директора Кёнигсбергской обсерватории. До переезда в Кёнигсберг он работал в российской Пулковской обсерватории вблизи Санкт-Петербурга. Кроме того, Петерс определил период обращения спутника в 50,093 года, что очень близко к современному значению 50,1284 года, а также оценил его массу — более шести масс Юпитера. По данным на 2017 год, его масса 1,018 ± 0,011 М_☉ (знаком ☉ обозначаются параметры Солнца), что примерно в 1100 раз больше массы Юпитера. Расстояние между компонентами двойной системы колеблется от 8,2 до 31,5 астрономической единицы (1 а. е. ≈ 150 млн км — расстояние от Солнца до Земли, для сравнения: в Солнечной системе среднее расстояние от Солнца до Сатурна примерно 9,5 а. е., а до Нептуна — 30 а. е.).

Несмотря на это поиски компаньона Сириуса долгое время не приводили к успеху. И, как часто бывает, он был найден случайно. В январе 1862 года американская фирма «Алван Кларк и сыновья», завершив изготовление линз для самого большого в мире 18,5-дюймового (47 см) телескопа-рефрактора, решила по традиции испытать их качество на реальных объектах. Для этого собрали кранообразную конструкцию, на которую установили линзы, и 31 января младший сын Алван Грейам Кларк навёл её на Сириус. Неожиданно он обнаружил рядом с ним неизвестную доселе звезду.

Тут надо отметить, что в 1844 году Сириус B находился на минимальном расстоянии от Сириуса A (угловое расстояние около 3″). Поскольку по яркости они различаются примерно в 10 000 раз, то увидеть Сириус B в этот период практически невозможно, Сириус A его просто затмевает. К 1851 году расстояние увеличилось, но ненамного, до 5,1″. А вот в 1869-м году компоненты системы должны были разойтись на наибольшее расстояние (13,3″). Поэтому в 1860-е годы обнаружение Сириуса B было уже вполне возможно. Но почему же его не нашли профессионалы? Скорее всего, потому, что уже не искали. Десятилетие безуспешных поисков остудило их интерес. А Кларку просто повезло. Он-то как раз не искал.

Судя по всему, Кларки не оценили полностью важность совершённого открытия, поскольку не были профессиональными астрономами и вряд ли знали о предсказании Бесселя и ажиотаже вокруг него. Однако младший Кларк был увлечённым наблюдателем двойных звёзд и имел привычку сообщать о своих открытиях новых систем профессиональным астрономам и даже местной прессе. Так об этом открытии узнал директор обсерватории Гарвардского колледжа Джордж Бонд, а вот он уже ясно осознавал потенциальную важность обнаружения слабой звезды около Сириуса. Бонд тут же бросился проверять, но мешала погода. Наконец, через неделю ему улыбнулась удача, и уже 12 февраля, Бонд написал сразу две статьи — в американский и немецкий журналы, честно указав Алвана Грейама Кларка в качестве первооткрывателя. Это было воспринято как крупное открытие, и Кларк даже получил в 1862 году астрономическую премию Фонда Лаланда. Теперь, зная где искать, увидеть новую звезду могли все желающие.

Однако несмотря на это по-прежнему оставалось неясным, является ли открытая звезда тем самым «телом Бесселя» или это случайная фоновая звезда, просто расположенная в направлении Сириуса. Проблему решил Отто Струве, в 1862 году сменивший прославленного отца на посту директора Пулковской обсерватории. И это при всех сложностях наблюдения, и погодных, и потому что на широте Санкт-Петербурга Сириус никогда не поднимается выше 13° над горизонтом. Понаблюдав в течение трёх лет, он доказал, что независимые звёзды из-за быстрого движения Сириуса должны были бы разойтись на большее расстояние, следовательно, они связаны. Кроме того, оценив соотношение их масс как 2,09 : 1 (весьма точно! сейчас 2,026 : 1), Струве пришёл к выводу, что, имей Сириус B ту же природу, что и главная звезда, то и светить он должен был ненамного слабее. А в реальности, по оценке Струве, он имеет лишь восьмую звёздную величину (по современным данным 8,44), то есть примерно в 10 000 раз слабее Сириуса. Это было непонятно, и российский астроном пришёл к пророческому выводу: «Эти два тела имеют очень разные физические свойства». Правда, насколько он прав, стало ясно лишь через 60 лет, когда разобрались, что Сириус B — не обычная звезда, а белый карлик.

Однако до конца XIX века эта странность почему-то осталась без особого внимания астрономов. Некоторые из них даже высказали предположение, что Сириус B — просто крупная планета, светящая отражённым светом. Это вполне объясняло его тусклость и не требовало изобретения новых физических механизмов. Но эту гипотезу опроверг ирландский астроном-любитель и автор нескольких популярных книг по астрономии Джон Гор. В 1891 году, используя параллакс Сириуса, он оценил расстояние до него и пришёл к выводу, что Сириус — примерно в 40 раз ярче, чем Солнце (на самом деле в 25). Затем Гор рассчитал среднее расстояние между главной звездой и компаньоном и оценил его яркость в случае, если бы он только отражал свет главной звезды. Получилось, что тогда в лучшем случае Сириус B выглядел бы лишь как звезда шестнадцатой величины, что намного меньше наблюдаемого её блеска. Поэтому Гор сделал вывод, что она светит собственным светом и является звездой, пусть и остывшей. Хотя точность его измерений была не очень высока, аргументы были достаточно обоснованы. О более точных результатах Струве он, видимо, не знал.

Любопытно, что в 1905 году Гор вернулся к этой проблеме и рассмотрел альтернативную гипотезу маленькой, а не холодной звезды. Сделав ряд обоснованных предположений, он подсчитал, что тогда компаньон будет иметь плотность в 44 282 раза больше, чем у воды. В то время такая высокая плотность вещества представлялась просто немыслимой, и Гор категорически отверг гипотезу. А ведь он был на правильном пути, по современным оценкам, Сириус B ещё в 50 раз плотнее, чем вычислил ирландский астроном.

В 1896 году американский астроном Джон Шеберле в Ликской обсерватории открыл Процион B, подтвердив и второе предсказание Бесселя. Этот белый карлик оказался значительно холоднее и, соответственно, тусклее Сириуса B, его видимая звёздная величина всего 10,75^m, поэтому и отыскать его оказалось сложнее.