 |
Астронет: Е. С. Шалденкова/ГАИШ Открытие атмосферы Венеры Ломоносовым: экспериментальная реконструкция события во время прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года при помощи старинных рефракторов http://variable-stars.ru/db/msg/1271283 |
Открытие атмосферы Венеры Ломоносовым: экспериментальная реконструкция события во время прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года при помощи старинных рефракторов14.10.2012 20:01 | Е. С. Шалденкова/ГАИШ, Москва
Авторы:
Александр Кукарин, Игорь Нестеренко, Юрий Петрунин, Владимир Шильцев
Перевод статьи "Experimental Reconstruction of Lomonosov's Discovery of Venus's Atmosphere with Antique Refractors During the 2012 Transit of Venus"
I. Введение
Михаил Ломоносов представил свою рукопись "Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санктпетербургской императорской Академии наук майя 26 дня 1761 года" (Ломоносов, 1761a) к публикации 4 июля 1761 года по старому стилю, и 17 июля 1761 года Санкт-Петербургской императорской Академией наук было напечатано 250 экземпляров работы. Вскоре после этого, вероятно, самим Ломоносовым, был сделан перевод рукописи на немецкий язык (Ломоносов, 1761b), и в августе 1761 года было отпечатано 250 экземпляров этого перевода для широкого распространения заграницей. На рис.1 представлен лист с иллюстрациями из немецкого перевода. Полный перевод работы на английский язык с обширными комментариями появился недавно (Шильцев, 2012).
Ломоносов проводил наблюдения в своем имении в Санкт-Петербурге (современный адрес - Большая Морская ул., 61), которое находилось примерно на 1.3 км южнее обсерватории Санкт-Петербургской императорской Академии наук, географические координаты - 59°55′50″ северной широты и 30°17′59″ восточной долготы. Его домашняя обсерватория располагалась на открытой плоской крыше строения, которое имело длину 6м, ширину 5м, и высоту 4м; на крыше были установлены перила высотой ¾ м. Ломоносов использовал "зрительную трубу о двух стеклах длиною в 4½ фута". Оригинальный телескоп, использованный Ломоносовым, не сохранился, как и многие телескопы 18 века, уничтоженные пожаром в Пулковской обсерватории недалеко от Санкт-Петербурга при бомбардировках во Вторую Мировую Войну. Из самой работы 1761 года и сопровождающих ее иллюстраций можно заключить, что Ломоносов использовал астрономический телескоп-рефрактор (который дает перевернутое изображение) с двухлинзовым объективом-ахроматом. Были найдены некоторые указания на то, что это мог быть один из первых двухлинзовых ахроматов-рефракторов, изготовленных Джоном Доллондом, известным английским оптиком (1706-1761). Однако прямое доказательство того, что Ломоносов использовал ахромат Доллонда, было найдено лишь недавно в публикации, вышедшей перед Второй Мировой Войной (для более подробного обсуждения см. работу Шильцев, 2012).
Рис. I: Иллюстрация с рисунками Ломоносова из работы Ломоносов, 1761b
В своей работе Ломоносов отдельно отметил, что использовал очень слабый солнечный фильтр - "весьма не густо копченое стекло", - и далее в тексте упоминал, что ему приходилось регулярно давать отдых глазам.
Техническую часть своей работы Ломоносов закончил следующими словами: "По сим примечаниям господин советник Ломоносов рассуждает, что планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою". Такой вывод он сделал на основании трех явлений, которые наблюдал (из полного списка, который он представил ранее): "неявственность" края Солнца в моменты первого и четвертого контактов (проиллюстрировано в точке B на рис.1 из его работы - см. Рисунок I; физическое объяснение приведено на рис.6 из работы Ломоносова), а также наблюдение "пупыря", который был виден в течение нескольких минут после третьего контакта (проиллюстрировано на рис.3, 4, 5 и в точке А на рис.1 из работы Ломоносова - см. Рисунок I; правильное физическое объяснение эффекта преломлением в атмосфере проиллюстрировано на рис.7 из работы Ломоносова). На рис. 3-5 в работе Ломоносова показано, что "пупырь" в ходе третьего контакта появился с началом выхода Венеры с диска Солнца (фаза схождения 1.0), когда планета целиком находилась на фоне Солнца, и наблюдался до фазы схождения 0.9-0.94.
В дополнение к этим трем явлениям, Ломоносов пишет о наблюдении "тонкого, как волос, сияния" вблизи второго контакта. Это явление, которое наблюдалось около секунды, Ломоносов не проиллюстрировал и не использовал в качестве аргумента о наличии у Венеры атмосферы. В.В. Шаронов (Шаронов, 1952) предполагал, что "тонкое, как волос, сияние" вблизи второго контакта также может наблюдаться из-за преломления солнечных лучей в атмосфере Венеры. В более поздних работах Шаронов и Ченакал (Шаронов, 1955; Ченакал и Шаронов, 1955) провели сравнение наблюдений Ломоносова с отчетами других наблюдателей, которые упоминали похожие оптические эффекты при описании прохождения Венеры по диску Солнца 1761 года, например, С.Румовский, Ж.Шапп д'Отрош, Т.Бергман, П. Варгентин и А.Малле (явления при вхождении/схождении), а также С.Данн и Б.Ферне (сияние вокруг Венеры, когда она находится на диске Солнца). Они безусловно установили первенство Ломоносова на основе: а) его первенства в публикации; б) полноты приведенного им описания наблюдений; в) полного понимания им наблюдаемых явлений как важных физических эффектов, а не просто оптических или атмосферных помех в земной атмосфере и г) того факта, что он был единственным, кто дал верное физическое объяснение этому явлению.
Детальное сравнение результатов, полученных Ломоносовым в 1761 году с наблюдениями атмосферных эффектов Венеры, наблюдаемых в ходе транзитов 1761, 1769, 1874, 1882, 2004 и 2012 годов будут предметом отдельных исследований, однако мы можем сказать, что: а) многие из более поздних наблюдений были, вероятно, аналогичны наблюдениям Ломоносова; и б) Ломоносов не наблюдал так называемый "эффект черной капли" (см., например, Шефер, 2001), который часто наблюдался в ходе транзитов.
В преддверии прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года разгорелись споры вокруг того, мог ли вообще Ломоносов наблюдать ободок света за пределами диска Солнца. Например, Пасачофф и Шихан (2012) поставили под сомнение это открытие, ссылаясь на свой опыт наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца 2004 года, когда у них возникли проблемы с тем, чтобы обнаружить такой тонкий эффект даже при использовании предположительно гораздо более совершенных инструментов, чем телескопы 18 века. В данной статье мы описываем реконструкцию наблюдений Ломоносова, в ходе которой использовались старинные телескопы-рефракторы 18 века. Во второй части статьи мы описываем телескопы, которые использовали для наблюдений прохождения Венеры 5-6 июня 2012 года, а также описываем наши попытки тщательно воспроизвести использованный Ломоносовым фильтр и его экспериментальную методику с нашими инструментами, вполне сравнимыми с доступными энциклопедисту 18 века. Результаты наблюдений представлены в третьей части. Завершает статью небольшое обсуждение и резюме.
II. Телескопы, фильтры и методы
Для эксперимента были приготовлены старинные телескопы-рефракторы (см. фотографии на рис. II-IV). Основные параметры телескопов приведены в Таблице I.
| #1-AK | #2-VS | #3-YP | #4-IN | |
|---|---|---|---|---|
| Изготовитель | Доллонд, Лондон | Доллонд, Лондон | Доллонд, Лондон | Уэст, Лондон |
| Тип | двухлинзовый ахромат-рефрактор | двухлинзовый ахромат-рефрактор | двухлинзовый ахромат-рефрактор | двухлинзовый ахромат-рефрактор |
| Время изготовления | около последней трети 18 века | около 1800 г. | около второй половины 18 века | около 1806-1824 г. |
| Длина телескопа | 55 дюймов (1400 мм) | 28.3 дюйма (718 мм) | 24 дюйма (610 мм) | 18.6 дюймов (474 мм) |
| Диаметр апертуры объектива | 2.5 дюйма (67 мм) | 1.6 дюйма (40 мм) | 2.25 дюймов (57 мм) | 1.2 дюйма (30.5 мм) |
| Увеличение | 37±3 | 23±2 | 19±1 | 37±1 |
| Тип солнечного фильтра | ND M3.8 | закопченое стекло | ND M3.8 | стеклянный ND M2.6 |
| Поле зрения | около 3/4 градуса | около 1 градуса | 1.2 градуса | 1.2 градуса |
| Ослабление потока солнечным фильтром на длине волны 590 нм | 1/4000 | 1/1700 | 1/4000 | 1/400 |
| Место наблюдения | Калифорния (США) | Иллинойс (США) | Колорадо (США) | Новосибирск (Россия) |
Рефракторы (обозначенные в соответствии с инициалами наблюдателей) были использованы для наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца в Калифорнии (телескоп #1-AK), Иллинойсе (#2-VS), Колорадо (#3-YP) и в Новосибирске, Россия (#4-IN). Поскольку наблюдателям в Колорадо и в России ((#3-YP и #4-IN) не повезло с погодой и атмосферными условиями (в дополнение к небольшим дефектам в оптике телескопа #4-IN), приведенное ниже обсуждение будет касаться, в первую очередь, наблюдений прохождения Венеры 2012 года и оборудования на станциях в Калифорнии и Иллинойсе.
II.1 Наблюдения в Калифорнии с телескопом #1-AK:
Телескоп #1-AK (см. рис. II) был оснащен оригинальным окуляром Гюйгенса с фокусным расстоянием 30мм и двумя дополнительными линзами для переворачивания изображения, изготовленным Доллондом. Поле зрения телескопа составляло приблизительно 45 угловых минут. Выходной зрачок телескопа был равен примерно 1.7 мм, что близко к оптимальному значению для достижения максимального углового разрешения глаза для человека среднего возраста. Интерферометрический анализ объектива телескопа приведен на рис. III. Объектив телескопа был исследован с помощью интерферометра ZYGO на длине волны 546мм (зеленый лазер) с прецизионным сферическим зеркалом в качестве опорного элемента (см. рис. III). Результаты теста следующие (для сравнения в скобках указаны те же параметры для диффракционной системы): амплитуда ошибки волнового фронта 1/3.9 длины волны (¼ или менее); среднеквадратическая ошибка волнового фронта 1/21 длины волны (1/14 или менее); число Штреля 0.916 (0.8 или более). Из этого можно заключить, что качество оптики телескопа, сделанного почти два с половиной века назад, довольно высоко даже по сегодняшним меркам.
Рис. II: Двухлинзовый ахромат-рефрактор, изготовленный Доллондом приблизительно в последней трети 18 века: a) (сверху) общий вид; b) передний конец телескопа; c) окулярный конец телескопа.
Рис. III: Данные интерферометрического анализа объектива рефрактора #1-AK.
Наблюдатель также отметил, что хроматическая аберрация инструмента скорректирована очень хорошо: хроматизм полос был заметен только на краю поля зрения (примерно на ¾ от центра оптической оси). Однако область минимальных аберраций была смещена примерно на 15 минут от центра к правому краю. Этот небольшой недостаток оптики был на руку наблюдателю, поскольку он мог удерживать большую часть диска Солнца вне поля зрения, помещая при этом Венеру в центр области минимальных аберраций. Солнечные пятна и поверхность Солнца вокруг них были видны очень четко и детально в день прохождения Венеры и в течение нескольких дней до его наступления.
Телескоп был зафиксирован на обычном фотоштативе с алюминиевой треногой с помощью двух хомутов, что обеспечивало ему плавное движение по азимутальным координатам. Штатив имел регулировку по высоте, что позволяло настраивать расстояние от земли до окуляра. Дополнительный вес окуляра (см. ниже) был скомпенсирован грузом, закрепленным на переднем конце трубы.
Необходимое для данных наблюдений ослабление солнечного света было достигнуто с помощью пленки AstroSolar (производства фирмы Baader), установленной перед объективом. Пленка имела плотность M3.8, таким образом она обеспечивала уменьшение потока от Солнца примерно в 6000 раз. Спектральная кривая пропускания фильтра была измерена в обсерватории Новосибирского Государственного Университета (Новосибирск, Россия), результаты представлены на рис. IV. Вместе с фильтром низкой плотности, установленным перед объективом, также был использован фильтр переменной плотности (лунный) фирмы Orion. Фильтр был установлен в самодельной оправе между окуляром и глазом наблюдателя (см. рис. V). Такая конфигурация фильтров позволяла наблюдателю осуществлять точную подстройку ослабления света прямо в процессе наблюдений.
Рис. IV: Спектральные кривые пропускания солнечных фильтров. Синим отмечена кривая пропускания для фильтра Baader AstroSolar Photo Film ND M3.8, установленной перед объективом рефрактора #1-AK; красным отмечена кривая пропускания для слабо закопченного стекла, установленного на окуляре рефрактора #2-VS (фильтр #3 см. в тексте); черным отмечена кривая пропускания для фильтра Baader AstroSolar Photo Film ND M5.0, рекомендованного для проведения безопасных наблюдений (приведена для сравнения).
Рис. V: Фильтр переменной плотности, закрепленный на окулярном конце рефрактора #1-AK.
Несмотря на использование слабого солнечного фильтра, такого как Baader AstroSolar с коэффициентом ослабления в 16 раз меньше, чем у стандартного оптического фильтра плотностью M5.0, оставались опасения, что он все же мог оказаться слишком сильным для такой задачи как обнаружение света, преломленного атмосферой Венеры. Поэтому в качестве меры предосторожности наблюдатель проводил длительное время в темноте. Этот метод часто используется при наблюдении объектов глубокого космоса сейчас, и использовался во времена Вильяма Гершеля. Это сильно помогло увеличить чувствительность глаз в условиях слабого светового потока.
Примерно за час до начала прохождения наблюдатель надевал плотную, не пропускающую свет повязку на правый глаз под солнечные очки. Во время наблюдения прохождения он надевал лыжную шапку ("балаклаву"), так чтобы прорезь для глаз плотно прилегала к окуляру большую часть времени, с тем чтобы минимизировать возможность того, что прямые солнечные лучи нарушат адаптацию глаза к темноте. Он полностью открывал фильтр переменной плотности каждые 20-30 секунд на 2-3 секунды, после этого снова затемняя изображение, или сменяя глаз для сравнения условий видимости и закрывая правый глаз повязкой.
Поскольку Солнце было достаточно высоко (примерно 60 градусов над горизонтом), для наблюдателя оптимально было лечь на подстилку и использовать при необходимости регулировку штатива по высоте для настройки высоты окуляра, так чтобы в него было удобно смотреть. Такая расслабленная поза помогала наблюдателю концентрироваться на деталях наблюдения и дольше не уставать.
II.2 Наблюдения в Иллинойсе с телескопом #2-VS:
Поле зрения телескопа (фотографии телескопа приведены на рис.VI) составляло около 1 градуса (примерно в два раза больше углового размера Солнца). Наблюдатель был впечатлен высоким качеством телескопа, что проявилось в четкости изображений Солнца, солнечных пятен и Венеры практически во всем поле зрения. В пределах половины диаметра поля зрения не было заметно значительного ухудшения четкости. Минимальная хроматическая аберрация была заметна только на краю поля зрения, и наблюдатель всегда старался держать северную часть Солнца (вместе с Венерой) близко к центру поля зрения.
Рис. VI: Двухлинзовый ахромат-рефрактор #2-VS, изготовленный Доллондом приблизительно в конце 18 - начале 19 века: a) общий вид; b) окулярный конец и два закопченных стеклянных фильтра.
Для наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года было приготовлено и протестировано четыре различных фильтра: 1) фильтр AstroSolar Safe Film ND M5.0 фирмы Baader (ослабление в видимом диапазоне около 100000 раз); 2) фильтр AstroSolar Safe Film ND M3.8 фирмы Baader (ослабление около 6000 раз); 3) вручную закопченный стеклянный фильтр, установленный внутри корпуса лунного фильтра 15% Hirsh ND, и 4) еще один вручную закопченный стеклянный фильтр, установленный внутри корпуса лунного фильтра 30% Hirsh ND. Все наблюдения прохождения Венеры 2012 года с использованием телескопа-рефрактора #2-VS были проведены с третьим фильтром (15% Hirsch ND), установленным прямо за окуляром, перед глазом наблюдателя (см. рис. VI b). На рис. IV приведена спектральная кривая пропускания фильтра, измеренная в Новосибирском Государственном Университете (Новосибирск, Россия).
Выбор фильтра был обусловлен следующими соображениями: a) оба фильтра Baader оказались слишком плотными; b) изображение Солнца, полученное с их использованием, выглядело белесым; c) у Ломоносова в 1761 году не было таких фильтров, и он использовал для наблюдений Солнца закопченное стекло. Кроме того, Ломоносов упоминал, что использовал "весьма не густо копченое стекло" (то есть слабый фильтр) и ему приходилось давать отдых глазам после короткого периода наблюдений. При наблюдениях прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года с фильтром #3 также необходимо было периодически давать глазам отдых. Вообще наблюдатель придерживался следующей методики: i) помещал Солнце и Венеру в поле зрения телескопа; ii) закрывал глаз, которым он должен был наблюдать, и давал ему отдых в течение примерно 10 секунд; iii) открывал глаз, смотрел на Венеру и пытался увидеть ореол; iv) продолжал наблюдение до тех пор, пока глаз не привыкал к яркости Солнца и не становились видны солнечные пятна; v) повторял процедуру (начиная с шага ii). После открытия глаза вначале Солнце кажется очень ярким (первые несколько секунд нельзя различить солнечные пятна), однако эта яркость терпима для глаза, и в то же время можно различить более тонкие и менее яркие детали. После привыкания глаза (шаг iv) солнечные пятна и другие детали высокой яркости были легко заметны, и единственной проблемой было избегать того, чтобы смотреть на очень яркое желтоватое изображение Солнца слишком долго. При проведении предварительных наблюдений перед началом прохождения Венеры наблюдателю было некомфортно использовать фильтр #4 (позднее оказалось, что он в 2-3 раза слабее в видимой части спектра, чем фильтр #3); несмотря на то, что после адаптации глаза можно было без каких-либо серьезных проблем наблюдать Солнце, высокая яркость в самые первые секунды (для отдохнувшего глаза) вызывала неприятные ощущения. Поэтому фильтр #3 был выбран как наиболее подходящий для нашей задачи, был установлен на окуляре и использовался для наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года с рефрактором #2-VS.
Телескоп #2-VS был закреплен на штативе из дерева и металла. Был установлен специальный навес для защиты телескопа от прямых солнечных лучей и от ветра, и для того чтобы избегать дополнительной засветки глаз солнечным светом и отвлечения другими людьми, наблюдающими прохождение Венеры на других инструментах. Наблюдатель лежал под навесом, хорошо укрытый тканью, закрепленной на телескопе. Наручные часы и большой будильник с циферблатом, которые находились под навесом, были установлены с точностью до секунды в соответствии с местным временем.
Рис. VII: a) рефрактор #3-YP, изготовленный Доллондом во второй половине 18 века; b) рефрактор #4-IN изготовленный Уэстом (Лондон) в первой половине 19 века и установленный на современной монтировке.
III. День наблюдений и результаты
Наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года на телескопах #1-AK и #2-VS были проведены 5 июня 2012 года, и оба наблюдателя смогли увидеть только вхождение планеты на диск Солнца. Краткая информация об условиях прохождения в обоих наблюдательных пунктах приведена в Таблице II. Более подробные отчеты и результаты наблюдений представлены ниже, отдельно для каждого наблюдателя.
| Ликская обсерватория, Калифорния
#1-AK |
Батавиа, Иллинойс
#2-VS |
|
|---|---|---|
| Координаты | 37°20'52'' северной широты
121°37'23'' западной долготы |
41°51'00'' северной широты
88°18'45'' западной долготы |
| Момент первого контакта | 15:06:30 UT-7 | 17:05:08 UT-5 |
| Момент второго контакта | 15:23:58 UT-7 | 17:22:39 UT-5 |
| Высота Солнца | 58 градусов | 34 градуса |
| Азимут Солнца | 250 градусов | 90 градусов |
| Температура воздуха | 7°C | 20°C |
| Атмосферное давление | 723.9 мм рт.ст. | 762 мм рт.ст. |
| Ветер | юго-западный, 5.8 м/с
(по ощущениям 1 м/с в ветровой тени горы) |
северо-восточный, 6.3 м/с |
| Видимость | отличная | 16 км |
| Облачность | переменная | отсутствует |
| Высота | 1.2 км | 0.2 км |
III.1 Наблюдения в Калифорнии с телескопом #1-AK:
Для того чтобы минимизировать вероятность облачной погоды в день прохождения (5 июня 2012 года), а также минимизировать эффекты нестабильности горячего воздуха, возможные на уровне моря в области залива Сан-Франциско, было решено установить инструмент на территории Ликской обсерватории, которая относится к Калифорнийскому университету и расположена на вершине горы Гамильтон, Сан-Хосе (Калифорния, США). Точные координаты места наблюдения: широта 37.°346534, долгота -121.°623728, и высота 4000 футов (1.2 км). Выбранное местоположение позволило наблюдателю избежать проблем, связанных с ожидаемым большим скоплением людей на наблюдениях, организованных обсерваторией для всех желающих, а также снизило вероятность западного ветра, обычно появляющегося после полудня. Фактические погодные условия на первый взгляд казались не слишком благоприятными для наблюдений. Все небо было закрыто множеством небольших кучевых облаков, которые медленно перемещались в юго-восточном направлении. Между облаками, однако, были обнадеживающие просветы, и в этих просветах было видно кристально чистое небо без перистых облаков. Прозрачность атмосферы после прошедших накануне дождей была потрясающая. Наблюдатель мог прекрасно разглядеть гребни гор Сьерра-Невада за долиной Сан Хоакин, которые находились в более чем 100 милях (160 км) к востоку.
Из-за переменной облачности было всего 4 периода времени, когда видимость была прекрасной. Наблюдатель не зафиксировал время наступления этих моментов, а также не делал зарисовок во время наблюдений, поскольку сосредоточился на сохранении адаптации глаз к темноте, чтобы поддерживать их оптимальную чувствительность, и запоминал все, что он видел. Во время первого продолжительного периода хорошей видимости удалось наблюдать первый контакт до того момента, как Венера примерно на ¼ зашла на диск Солнца (фаза вхождения 0.25). На этой стадии не было заметно никаких необычных визуальных эффектов при наблюдении обоими глазами.
Второй период хорошей видимости был довольно коротким - около 2 минут, - и позволил увидеть атмосферу Венеры в виде ореола без необходимости использования бокового зрения в фазе вхождения приблизительно от 0.7 до 0.75. Это явление выглядело как гладкая дуга, тонкая, как волос, которая начиналась от северного края диска Венеры и протягивалась чуть дальше, чем до половины пути до другого края. Она была очень тонкой, но прекрасно различимой у западного (правого) своего конца. На рис. VIII a) представлена зарисовка наблюдателя. На самом деле период наблюдения был слишком коротким для того, чтобы точно оценить общую динамику, однако наблюдатель различил, как неполная дуга постепенно увеличивала свою протяженность по направлению к правому краю по мере того, как Венера заходила на диск Солнца. Левым, менее подготовленным глазом, также удалось различить дугу; однако она была видна только в случае, когда наблюдатель использовал боковое зрение. Также наблюдатель попробовал перемещать Венеру в поле зрения телескопа, проверяя, меняется ли видимость дуги. Это нисколько не изменило форму дуги, кроме области вблизи края поля зрения, где на нее начинало влиять гало, вызванное хроматизмом (что определенно свидетельствует в пользу высокого качества оптики ахромата Долланда).
Рис. VIII: Наблюдения с рефрактором #1-AK во время вхождения Венеры на диск Солнца: a) дуга света, простирающаяся немного дальше середины темного промежутка; b) "пупырь" на краю диска Солнца
Третья возможность представилась как раз, когда можно было наблюдать "пупырь" на краю Солнца в момент полного вхождения диска Венеры на диск Солнца. Явление можно было наблюдать, начиная с фазы вхождения 0.9, через тонкий край проходящего облака. Вначале наблюдатель не видел никакого света от ободка, только темный промежуток. Когда облако совсем ушло, наблюдатель решил, что пропустил ободок, поскольку край Солнца выглядел очень четко. Однако когда он опять полностью открыл фильтр, он заметил, что край Солнца над Венерой имел довольно малое, но протяженное отклонение от идеальной формы - "пупырь". Этот "пупырь" был проявлением атмосферы Венеры (см. рис. VIII b). В какой-то момент он пропал, возможно, когда наблюдатель попытался сменить глаз. После возвращения к правому глазу "пупырь" больше не удалось увидеть.
Наблюдения вхождения Венеры на диск Солнца продолжались еще около минуты, и наблюдатель пытался увидеть так называемый "эффект черной капли" или схожее явление. Однако он смог заметить только яркую область между краями дисков Солнца и Венеры, которая увеличивалась без каких-либо видимых особенностей.
III.2 Наблюдения в Иллинойсе с телескопом #2-VS:
Наблюдения проводились на заднем дворе частного участка в Батавии, Иллинойс (США), координаты места: 41°51′00″.0 северной широты, 88°18′45″.4 западной долготы, высота 696 футов (212 м). Небо было абсолютно ясным в течение всего вхождения Венеры на диск Солнца, и оставалось таким до заката. Высота Солнца над горизонтом в градусах и его азимут (отсчитывается от юга в направлении на запад) приведены в Таблице II. Температура во время вхождения Венеры на диск Солнца была около 68F (20° C), дул легкий ветер.
Наблюдатель отметил, что было сложно засечь точный момент первого контакта - в 17:05:05 CST(UT-5h) он смог четко увидеть, что лидирующий край диска Венеры зашел на Солнце (хотя он не был уверен, что вхождение не произошло за какое-то время до этого). Следующие 5 минут вхождение продолжалось без каких-либо примечательных явлений. Около 17:11:00 небольшой световой "ус" появился у левого (северного) края Венеры за пределами диска Солнца, его протяженность составляла менее 0.1-0.2 диаметра Венеры (см. Рис. IX a). Наблюдения были повторены еще раз тем же глазом, и затем другим. К 17:13:00 стало понятно, что "ус" не был артефактом. На противоположном (правом) краю Венеры подобного "уса" не было, вместо этого край диска Солнца казался слегка загнутым по направлению внутрь диска Солнца.
Рис. IX: Венера на разных стадиях вхождения на диск Солнца, наблюдения с рефрактором #2-VS (слева направо): a) примерно в 17:11; b) в 17:16; c) в 17:19; e) приблизительно между 17:21 и 17:22 (везде приведено время CST=UT-5)
Около 17:16:00, когда Венера примерно наполовину зашла на диск Солнца, "ус" (неполная световая дуга) стало быть достаточно хорошо видно, при этом он увеличивался в длине приблизительно до 1/4 - 1/3 полуокружности Венеры (см. рис. IX b). Около 17:19:00 длина "уса" увеличилась примерно до ½ полуокружности Венеры (см. рис. IX c). Левый и правый края Солнца сомкнулись над диском Венеры около 17:20:15, и хотя "пупырь" не был хорошо заметен, некоторая асимметрия дуги была все еще различима. До 17:22:00 левая и правая части дуги были соединены, при этом участок между диском Венеры и областью вне диска Солнца был виден размытым (см. рис. IX d). Только после 17:22:00 CST область, окружающая диск Венеры, стала полностью симметрична. В последующие три минуты ничего особенно интересного не наблюдалось (например, явного "эффекта черной капли" заметно не было), Венера плавно продолжила перемещаться по диску Солнца, и наблюдения с рефрактором #2-VS завершились около 17:26:00.
Итак, между 17:11 и 17:20:15 наблюдатель четко видел неполную дугу света ("ус") у левого (северного) края Венеры, дуга была сначала небольшого размера, и затем стала увеличиваться, простираясь все дальше вокруг диска планеты. Наблюдатель отметил, что между 17:20:15 и 17:22:00 определенно видел свет (хотя и не такой яркий, как на диске Солнца) над всем диском Венеры, хотя было неясно, находится Венера на диске Солнца полностью или частично. Около 17:21:00 наблюдатель оказался в крайне неудобном положении после того, как сменил положение своего тела (в тот момент он лежал), и в результате ему пришлось поднять голову (с опоры) и оставаться в таком положении, чтобы иметь возможность продолжить наблюдения. Все время держать голову на весу было тяжело, и приходилось довольно часто расслаблять мышцы шеи, что могло сказаться на качестве наблюдений в последние 1.5 минуты вхождения. В результате наблюдатель не был уверен, видел ли он полную дугу Ломоносова ("пупырь") в последние 105 секунд наблюдений до 17:22:00.
IV. Выводы
По итогам наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца 2012 года, проведенных с использованием старинных рефракторов, можно сделать несколько выводов:
1)Дуга Ломоносова наблюдалась на двухлинзовом 4.5-футовом (137 см) ахромате-рефракторе Доллонда (#1-AK) - инструменте, аналогичном тому, который использовал Михаил Ломоносов в 1761 году;
2)Во время вхождения Венеры на диск Солнца также наблюдалась неполная световая дуга ("ус") у северного края диска Венеры за пределами диска Солнца с использованием телескопа-рефрактора (#1-AK), аналогичного использованному Ломоносовым и другого, немного меньшего, двухлинзового 2.4-футового (73 см) ахромата-рефрактора Доллонда (#2-VS) примерно конца 18 века;
3)Слабые солнечные фильтры и специальные методики сохранения максимальной чувствительности глаз, подобные тем, которые описывал в своей работе Михаил Ломоносов, сильно помогли в наблюдениях эффектов венерианской атмосферы ("дуги Ломоносова" и "усов") с рефракторами 18 века;
4)Мы пришли к выводу, что наблюдатель 18 века мог увидеть ореол вокруг Венеры, вызванный рефракцией света в ее атмосфере ("дугу Ломоносова") во время прохождения Венеры по диску Солнца 1761 года, используя слабые солнечные фильтры и двухлинзовый ахромат-рефрактор Доллонда, подобный тем, которые использовали мы (#1-AK and #2-VS).
В дополнение к этому стоит отметить, что ни один из двух наблюдателей не сообщал о том, что видел явный "эффект черной капли" с использованием старинных телескопов-рефракторов 18 века, оснащенных слабыми солнечными фильтрами, или что заметил "неявственность" края диска Солнца вблизи Венеры в момент наступления 1 контакта (и оба отметили неоднозначность определения времени наступления первого контакта). Также стоит подчеркнуть, что современные наблюдатели были полностью удовлетворены отличным качеством изображений, получаемых на старинных ахроматах Доллонда. Это исследование добавляет еще один аргумент в пользу первенства Ломоносова в открытии атмосферы Венеры, поскольку он был первым и единственным наблюдателем прохождения Венеры 1761 года, кто осознал необходимость, реализовал на практике и описал экспериментальные методы (слабый солнечный фильтр и необходимость давать регулярный отдых глазам для увеличения их чувствительности), которые позволили успешно воспроизвести наблюдения ореола даже спустя два с половиной века.
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить многих людей, которые сделали возможным эту реконструкцию: профессоров Р.З.Сагдеева, В.Г.Дудникова и Г.И.Дудникову за помощь в организации наблюдений; профессоров Б.С.Елепова и И.А.Мальцева за предоставление копий многочисленных статей по научным достижениям Ломоносова; профессоров Р.К.Криза и Р.А.Розенфельда за плодотворные обсуждения деталей реконструкции и результатов наблюдений. Также мы очень признательны за множество полезных комментариев, которые получили от посетителей форума astronomy.ru, где публиковали свои предварительные отчеты
Ссылки
Ченакал, В.Л.; Шаронов, В.В., 1955. Комментарии к статье #9 в Полном собрании сочинений М.В.Ломоносова под ред. С.Вавилова и Т.Кравеца. АН СССР, Москва и Ленинград (1950-1983) том 4, 767-773.
Ломоносов, М.В., 1761a. Явление Венеры на Солнце Наблюденное в Санктпетербургской Императорской Академии наук маия 26 дня 1761 года. СПб, Тип.Акад.наук, 1761
Lomonosov, M.V., 1761b. Erscheinung der Venus vor der Sonne beobachtet bey der Kayserlichen Academie der Wissenschafften in St. Petersburg, den 26 May 1761. Aus dem Rußischen übersezt. СПб, Тип.Акад.наук, 1761.
Максутов, Д.Д., 1946. Астрономическая оптика, Москва
Pasachoff J.M., Sheehan W., 2012. Lomonosov, The Discovery of Venuss Atmosphere, and Eighteenth Century Transits of Venus, Journal of Astronomical History and Heritage, 15(1), 3-14.
Schaefer B.E., 2001. The Transit of Venus and the Notorious Black Drop Effect, Journal for the History of Astronomy, v.32, 325-336.
Шаронов В.В.,Определение горизонтальной рефракции в атмосфере Венеры из наблюдений явления Ломоносова, Докл. АН СССР, 1952, т. 82, 3, стр. 351-353
Шаронов В.В., К вопросу о приоритете М. В. Ломоносова в открытии атмосферы Венеры. Научный бюллетень Ленинградского ордена Ленина Государственного университета им. А. А. Жданова, 13, 1955, стр. 12-15
Shiltsev V., 2012. Lomonosovs Discovery of Venus Atmosphere: English Translation of the Original Publication and Commentaries; http://arxiv.org/abs/1206.3489 (представлена к публикации в Journal of Astronomical History and Heritage).