Астрономия и астрофизика: двадцатый век – К статье АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА
Астрономию 20 в. можно разделить на два периода - до и после Второй мировой войны. В первый период появление мощных телескопов и других приборов дало астрономам возможность наблюдать слабые и далекие объекты, а новые научные теории, в особенности теория относительности и квантовая механика, позволили интерпретировать эти наблюдения. Удалось понять механизмы выделения энергии у Солнца и звезд, а также их эволюционный путь от рождения до смерти. Еще более грандиозными были открытия в космологии: удалось многое узнать о мире, в котором протекает жизнь звезд и миллиардов звездных систем, подобных нашей Галактике, о рождении и возможных вариантах эволюции этого мира. Новые факты потребовали изменить не только смысл слова "Вселенная", которое прежде использовали лишь для обозначения нашей Галактики, но и масштабы времени в астрономии с миллионов на миллиарды лет. См. также ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.
Второй период астрономии 20 в. начался, когда ученые вернулись к своим прерванным войной занятиям с новыми идеями и ожиданиями, вооруженные новой техникой. Особенности этого периода состоят в расширении диапазона наблюдений за пределы оптического и в быстром росте, с развитием космонавтики, доступных для обобщения наблюдательных данных. Была создана стройная теория эволюции звезд и доказано, что в конце жизни звезды с ней могут происходить необычные и бурные явления. Астрономы приблизились к ответу на важнейшие вопросы космологии: каковы размер и возраст Вселенной, как эволюционируют галактики и даже какая судьба ожидает Вселенную. Вместе с геофизиками и специалистами по космической технике они изучают в благоприятных условиях объекты Солнечной системы, получая данные об их современном состоянии и прошлом. Астрономы наблюдают рождение звезд в далеких облаках, зарождающиеся в околозвездных газо-пылевых дисках планетные системы и даже сами эти планеты. К концу 20 в. с помощью наземных и орбитальных телескопов астрономы узнали почти всю историю Вселенной.
Хейл и развитие астрофизики. Физику Солнца и звезд в 19 в. изучало всего несколько ученых, интересовавшихся как физикой, так и астрономией. Объединение этих наук в 20 в. в астрофизику наилучшим образом иллюстрирует судьба человека, посвятившего этому свою жизнь. Дж.Хейл (1868-1938) использовал в астрономии новинки фото- и спектрографической техники. В 22 года он изобрел спектрогелиограф, позволивший обнаружить магнитное поле и вращение в солнечных пятнах. Он организовывал национальные и международные общества астрофизиков, учредил в 1895 "Астрофизический журнал". Он руководил созданием Йеркской, Маунт-Вилсоновской и Маунт-Паломарской обсерваторий, каждая из которых, начиная наблюдения, имела крупнейший в мире телескоп. Он добывал необходимые этим обсерваториям средства из многих источников, в особенности из частных пожертвований и фондов. Он занимался проектированием всех частей обсерватории: от планировки зданий до мелких деталей многих телескопов и приборов. Он был создателем многих современных обсерваторий, кроме Паломарской, строительство которой было завершено через 10 лет после его смерти. На обсерваториях Хейла за Солнцем постоянно наблюдали телескопы его собственной конструкции, а крупнейшие в мире звездные телескопы изучали далекие объекты Вселенной. См. также ХЕЙЛ, ДЖОРДЖ ЭЛЛЕРИ; ОБСЕРВАТОРИЯ.
Изучение Солнца и звезд. Развитие физики в конце 19 в. позволило астрономам получить важнейшую информацию о Солнце. В 1906 было определено, что температура поверхности Солнца составляет ок. 6000 К. Однако температуру хромосферы и короны удалось измерить лишь полвека спустя с помощью электронных приборов: в короне она достигает 2 000 000 К, а в центре Солнца ок. 13 000 000 К. Модели структуры Солнца и звезд разрабатывали между 1905 и 1928 К.Шварцшильд (1873-1916), Э.Милн (1896-1950), А.Эддингтон (1882-1944) и С.Чандрасекар (1910-1995). Они использовали достижения квантовой физики и теории относительности, рассматривая динамику звезды как газового шара. Было получено представление о строении недр и механизмах переноса энергии, а также предсказаны некоторые предельные типы звезд, такие, как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Эти результаты в основном оставались теоретическими до начала космической эры, когда появилась возможность наблюдать небесные объекты в высокоэнергичных диапазонах спектра. См. также ЭДДИНГТОН, АРТУР СТЭНЛИ.
В 19 в. было получено множество звездных спектров, и в 20 в. астрономы занялись их систематикой и классификацией, чтобы понять природу звезд. Около 225 300 спектров было классифицировано и расположено в принятую теперь последовательность - O B A F G K M R N S. Каждой буквой представлен конкретный тип спектра; исходный алфавитный порядок, соответствующий изменению интенсивности некоторых спектральных линий, пришлось позже поменять, чтобы последовательность спектральных типов (классов) соответствовала изменению температуры поверхности звезды. См. также ПИКЕРИНГ, ЭДУАРД ЧАРЛЗ; ЗВЕЗДЫ.
Распределение звезд по спектральным классам оставалось непонятным до тех пор, пока Э.Герцшпрунг (1873-1967) и Г.Рессел (1877-1957) независимо не обнаружили разделение звезд на определенные семейства по температуре и светимости. Диаграмма Герцшпрунга - Рессела в координатах спектральный класс (представляющий температуру) и абсолютная звездная величина (т.е. светимость) звезды - это современное объединение тех диаграмм, которые рисовали эти ученые в 1910-х годах. Несколько астрофизиков, сведущих в математических тонкостях теории относительности и квантовой теории, объединив исследования звездных населений с работами по внутреннему строению и физике звезд, объяснили эволюционный смысл диаграммы Герцшпрунга - Рессела. Оказалось, что типичная звезда должна большую часть жизни проводить на "главной последовательности", постепенно сжигая свое ядерное горючее, как это делает Солнце: именно поэтому в пределах главной последовательности на диаграмме сосредоточено большинство известных звезд. Затем их оболочки расширяются и охлаждаются, а ядра сжимаются до состояния белых карликов, и звезды покидают главную последовательность. Судьба некоторых звезд может быть еще более экзотична. Неожиданным был вывод, сделанный, например, Эддингтоном, что звезды должны жить миллионы лет. См. также РЕССЕЛ, ГЕНРИ НОРРИС.
Космология. Когда в спиральных туманностях было обнаружено несколько звезд, некоторые астрономы решили, что это довольно близкие молодые звезды, родившиеся в газо-пылевых облаках, похожих на то, из которого когда-то сформировалось Солнце. Но другие предполагали, что спиральные туманности - это настоящие галактики, большинство звезд в которых не видно из-за огромных расстояний. Между 1917 и 1920, сравнивая старые и новые фотографии этих туманностей, астрономы заметили появление в них новых звезд. Предположив, что все новые при вспышке достигают равной светимости, по их наблюдаемой яркости определили, что расстояния до туманностей очень велики, а их размеры сравнимы с размером галактики Млечный Путь и, следовательно, что это настоящие "островные вселенные". См. также ШЕПЛИ, ХАРЛОУ.
В 1923 Э.Хаббл (1889-1953) с помощью 152-см и 254-см рефлекторов обсерватории Маунт-Вилсон разрешил периферию спиральных туманностей на звезды. Он обнаружил там переменные звезды-цефеиды, у которых период изменения блеска связан с их абсолютной звездной величиной. С помощью этих "стандартных свечей" и другими методами он доказал, что некоторые спиральные туманности, в частности, Большая спираль в Андромеде, расположены очень далеко от Млечного Пути. Хаббл изучил 41 спиральную галактику для большинства из которых В.Слайфер (1875-1969) определил, что линии в их спектрах смещены к красному концу. Это смещение, если считать его эффектом Доплера, указывает на радиальное движение галактик от Солнца. В 1929 Хаббл обнаружил, что расстояния и скорости галактик пропорциональны друг другу. См. также ГАЛАКТИКИ; ХАББЛ, ЭДВИН ПАУЭЛЛ.
Константу пропорциональности теперь обозначают буквой H и называют постоянной Хаббла. Простое выражение 1/H дает оценку возраста Вселенной. Астрономы постоянно уточняют расстояния и скорости галактик для более точного определения этого важного числа. Вначале его определили как 2 млрд. лет, и это вызвало в 1940-е годы научный кризис, поскольку возраст земных пород по радиоизотопным измерениям составлял 4 млрд. лет, т.е. формально превышал возраст Вселенной. Проблему решило переопределение постоянной Хаббла в 1952. Возраст Земли сейчас считается равным 4,5 млрд. лет, а возраст Вселенной - от 10 до 20 млрд. лет.
Открытие расширения Вселенной вынудило физиков задуматься о начале этого процесса, астрономические и физические проблемы которого перерастают в философские. Одним из первых занялся этим Ж.Леметр (1894-1966) в 1930-х годах. С помощью термодинамики и квантовой теории он доказывал, что в момент рождения Вселенная была подобна первичному атому, в котором содержалась вся энергия и вся масса Вселенной. Затем первичный атом стал делиться, как при радиоактивном распаде, породив при этом наблюдаемую Вселенную.
В конце 1940-х годов Г.А.Гамов (1904-1968) и Р.Альфер (род. 1921) приступили к изучению физических процессов первичного образования элементов, когда нейтроны, протоны и электроны находились в излучательной среде. При этом Альфер полагал, что остатки этого излучения, подвергшиеся сильному красному смещению, должны наблюдаться сейчас в виде однородного фона с температурой ок. 3 К. См. также ГАМОВ, ДЖОРДЖ.
Вычисление расстояний до галактик основано на множестве допущений и различных факторов, еще окончательно не установленных. Иногда даже ставят под сомнение интерпретацию красного смещения эффектом Доплера. Поэтому возраст Вселенной выводится из закона Хаббла не столь уж просто и однозначно, как это порой представляют. Имеется еще немало возможностей для дальнейших уточнений.
Согласно космологической модели расширяющейся Вселенной, вещество возникло в самом начале, после чего быстро остыло, и физические процессы перешли в нормальное русло. Но предлагались и другие космологические модели, например, еще в первой половине 20 в. рассматривался вариант стационарной Вселенной, в которой вещество возникает непрерывно. После Второй мировой войны Г.Бонди, Т.Голд и Ф.Хойл рассматривали стационарную модель как альтернативу расширяющейся Вселенной. Предположение Голда о непрерывном рождении вещества, делавшее ненужной гипотезу об уникальном событии творения Вселенной в прошлом (которое Хойл в 1950 назвал Большим взрывом), стало основой для их совместных работ и последующих вариантов. Однако модель стационарной Вселенной была опровергнута открытием в 1965 фонового излучения с температурой 3 К, которое Альфер предсказал как остаток Большого взрыва.
Новые области астрономии. Достаточно разработанная к началу 20 в. физика электромагнитного излучения указывала, что многие астрономические объекты должны заметную или даже большую часть своей энергии излучать за пределами того узкого диапазона спектра, в котором чувствителен глаз человека, а именно, в более длинноволновых (инфракрасный и радио) или коротковолновых (ультрафиолетовый, рентгеновский, гамма) диапазонах. Хотя земная атмосфера не пропускает большую часть этих излучений, существует несколько "окон", в которых они частично достигают земной поверхности. Однако детальное изучение астрономических объектов за пределом оптического диапазона началось лишь в космическую эру. См. также ГАММА-АСТРОНОМИЯ; ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ.
Радиоастрономия. Было предпринято несколько неудачных попыток наблюдать радиоизлучение Солнца и других небесных объектов. В 1932 К.Янский (1905-1950), пытаясь изучить помехи трансатлантической радиосвязи, обнаружил мощное радиоизлучение Млечного Пути. Радиоинженер Г.Ребер составил в 1940-х годах карту излучения неба на более высоких частотах. В феврале 1942 Дж.Хей открыл радиоизлучение Солнца, когда исследовал предполагаемые немецкие помехи британским радарам. После войны теоретики рассмотрели возможность излучения радиоволн астрономическими объектами и развили теорию синхротронного излучения, которое испускают электроны, двигаясь в магнитном поле почти со скоростью света.
Радиоинженеры и ученые приспосабливали радиотехнику к астрономическим исследованиям, используя приборы, созданные для военных целей. Было воздвигнуто несколько радиотелескопов различной конструкции в США, СССР, Англии, Нидерландах и Австралии.
Подобно визуальным обзорам неба, открывавшим эру оптических телескопов, обзоры радионеба также выявили мириады источников. Одним из первых достижений радиоастрономии стало уточнение структуры Галактики и нашего места в ней. В время Второй мировой войны В.Бааде (1893-1960) использовал 2,5-м телескоп обсерватории Маунт-Вилсон для изучения галактики Андромеды (М 31). Он выявил в ней два населения звезд: молодые яркие голубые звезды, сконцентрированные в спиральных рукавах, и более старые красные звезды, населяющие ядро и гало. В 1950 он и другие выявили подобное распределение звезд и в нашей Галактике, определив место Солнца на краю ее спирального рукава. Тогда же другие астрономы, используя связь областей ионизованного водорода с характерными для спиральных рукавов молодыми звездами, установили положение двух рукавов Галактики. В 1951 было открыто радиоизлучение нейтрального водорода, и многие астрономы воспользовались им для составления карты спиральной структуры Галактики. В то время как далекие оптические объекты в плоскости Галактики закрыты от нас пылевыми облаками, радиоизлучение свободно проходит сквозь пыль, обрисовывая структуру всей Галактики. См. также МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ
.
В 1960 астрономы отождествили несколько радиоисточников со слабыми звездообразными объектами. У них оказались странные оптические спектры и скорости удаления больше, что у галактик; назвали их квазизвездными радиоисточниками, или квазарами. В 1960-х годах астрофизики столкнулись со множеством проблем, пытаясь понять природу этих удивительных объектов, очень далеких, а значит, выделяющих такую колоссальную энергию, источник которой просто трудно себе представить. В 1970-х годах квазары были найдены в ядрах некоторых активных галактик, и некоторые астрофизики теперь считают, что источниками энергии в центрах этих галактик служат прожорливые черные дыры. См. также КВАЗАР
.
Радиоастрономия смогла также подтвердить существование нейтронных звезд, впервые предсказанное в 1930-х годах. Аспирантка Кембриджского университета Дж.Белл в 1967 обнаружила сигнал, пульсирующий с периодом около секунды. Т.Голд предположил, что испускающие их объекты, названные пульсарами, могут быть быстро вращающимися нейтронными звездами, с поверхности которых выходит синхротронное излучение. Позже были открыты рентгеновские и другие пульсары. См. также НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА; ПУЛЬСАР; РАДИОАСТРОНОМИЯ.
Радиолокационная астрономия. Прототипом астрономических радиолокаторов были военные радары. Армейские радиоинженеры впервые получили отраженный от Луны сигнал в 1946. Когда в 1950-х годах началась холодная война и возникла опасность авиационной и ракетной ядерной бомбардировки, военные создали мощные радары для предупреждения о налете противника и для изучения атмосферы и ионосферы. Мощные радары были необходимы также для наблюдения за космическими зондами. Некоторые исследователи воспользовались этими приборами для определения расстояний до Луны, Венеры, Меркурия и Марса, впервые дав астрономам независимую шкалу расстояний в Солнечной системе с тех пор, как в 18 и 19 вв. для этого использовали прохождения Венеры и Меркурия по диску Солнца.
Радиолокационное зондирование ближайших планет в 1960-х годах дало первое представление о деталях поверхности закрытой облаками Венеры, о структуре и составе лунной поверхности, позволило измерить скорость и направление вращения Венеры и Меркурия. В 1970-х и 1980-х годах наземные радары, особенно гигантская антенна, сооруженная в естественном углублении близ Аресибо (о.Пуэрто-Рико), и большая антенна системы дальней космической связи на станции НАСА Голдстоун в калифорнийской пустыне Мохаве, начали зондировать спутники Юпитера, кольца Сатурна и приближающиеся к Земле астероиды и кометы. Радары космических зондов, выведенных на орбиту вокруг Венеры, позволили детально изучить ее поверхность. См. также РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ
.
Инфракрасная астрономия. ИК-излучение, частично проникающее сквозь водяной пар нашей атмосферы, несет информацию о довольно холодных объектах Вселенной. Это излучение обнаружил Гершель в конце 18 в. Ученые Европы и США в 19 в. с помощью термопар регистрировали ИК-излучение Солнца и Луны. С появлением в конце века более чувствительных радиометров астрономы стали измерять излучение ярких звезд и планет. ИК-спектроскопия позволила обнаружить двуокись углерода в атмосфере Венеры и метан в атмосферах планет-гигантов. Радиометрические измерения падения температуры поверхности Луны в ходе лунного затмения разрешили спор между конкурирующими гипотезами о составе и структуре лунного грунта.
Расцвет ИК-астрономии произошел в 1960-х годах благодаря применению охлаждаемых электронных детекторов и их выносу на самолетах и спутниках за пределы поглощающего слоя водяных паров атмосферы. Именно тогда были сделаны первые обзоры всего неба. Наилучшим местом для наземных ИК-наблюдений сейчас считается вершина Мауна-Кеа (о.Гавайи), где исключительно сухой и разреженный воздух.
Большой прогресс ИК-астрономии был связан с запуском 26 января 1983 спутника IRAS (Infrared Astronomical Satellite), созданного США, Великобританией и Нидерландами. Его охлаждаемый жидким гелием телескоп и чувствительный инфракрасный твердотельный детектор позволили выполнить обзор всего неба и исследовать множество дискретных источников. Были получены карты распределения пыли вдоль Млечного Пути и плоскости эклиптики. Были обнаружены две неизвестные ранее зодиакальные полосы пыли, наклоненные к эклиптике, а также множество разреженных "инфракрасных циррусов", напоминающих перистые облака земной атмосферы и довольно однородно распределенных по небу. Наблюдалось также множество астероидов, изучалась структура пылевых кометных хвостов, были найдены необычные галактики, излучающие почти всю свою энергию в ИК-диапазоне (тогда как Млечный Путь - только половину). Некоторые звезды, в частности, Вега (. Лиры), показали неожиданный избыток ИК-излучения, позволивший открыть у них протопланетные газопылевые диски и довольно холодные спутники, названные "коричневыми карликами".
Ультрафиолетовая астрономия. По другую сторону видимого диапазона простирается УФ-диапазон, в котором большую часть своего излучения испускают объекты с температурой от 10 000 до 1 000 000 К, - звезды горячее Солнца и разные экзотические звездные объекты. В этом диапазоне излучают и многие химические элементы и соединения, распространенные во Вселенной. Озон в земной атмосфере поглощает большую часть этого излучения. Наблюдать небесные объекты в этом диапазоне астрономы начали лишь после Второй мировой войны, когда стало возможным поднимать приборы на исследовательских ракетах.
В октябре 1946 Р.Таузи с коллегами из научно-исследовательской лаборатории ВМС США с помощью трофейной ракеты "Фау-2" подняли спектрограф и впервые получили УФ-спектр Солнца. Эти и последовавшие за ними более детальные наблюдения позволили изучить состав, температуру и динамику различных слоев Солнца и верхних слоев земной атмосферы, в особенности электрические и магнитные процессы в ней, стимулированные влиянием Солнца. В 1957 группа ученых из этой лаборатории провела первые УФ-наблюдения звезд. Развитие спутниковой УФ-астрономии привело к различным открытиям в эволюции горячих звезд, в изучении состава межзвездной среды и в исследовании атмосфер планет и комет.
Технические проблемы спутниковой УФ-астрономии удалось преодолеть лишь в конце 1960-х годов, когда несколько орбитальных астрономических обсерваторий ОАО обследовали из космоса все небо. Затем длительные и очень продуктивные наблюдения вел спутник IUE (запущен 26 января 1978, работал до 30 сентября 1996). Сейчас на орбите функционирует Космический телескоп им. Хаббла диаметром 2,4 м, запущенный 25 апреля 1990 с помощью многоразового космического корабля "Дискавери" и наблюдающий в широком диапазоне спектра от инфракрасного до крайнего ультрафиолетового.
Рентгеновская и гамма-астрономия. Рентгеновские и гамма-лучи были открыты в конце 19 в. как два вида проникающей радиации, излучаемой радиоактивными веществами. Поток космического гамма-излучения был зафиксирован в 1930-х годах при подъеме на аэростатах простых электрометров, реагирующих на ионизацию окружающего воздуха, хотя теоретики тогда не представляли физических механизмов, способных создать столь энергичное излучение. Новые данные о бурных космических процессах и объектах (таких, как сверхновые звезды, квазары, нейтронные звезды и черные дыры), а также развитие ракетной и наблюдательной техники после середины 1950-х годов привели к рождению рентгеновской и гамма-астрономии.
Космические гамма-лучи, взаимодействуя с атомами верхних слоев атмосферы, рождают каскадный ливень вторичных гамма-лучей и заряженных частиц, который можно регистрировать гейгеровскими и сцинтилляционными счетчиками высоко в горах или подняв их на аэростатах и ракетах. Рожденные высокоэнергичными гамма-лучами заряженные частицы, двигаясь в атмосфере, испускают слабое оптическое черенковское излучение, для регистрации которого созданы специальные наземные телескопы.
Созданные в 1960-х годах специальные искровые камеры, сцинтилляционные счетчики и другие твердотельные детекторы поднимали на аэростатах, небольших ракетах и некоторых спутниках - как военных, созданных для обнаружения вспышек гамма-излучения от ядерных взрывов на Земле и в космосе, так и гражданских, предназначенных для астрономических наблюдений. Рентгеновская и гамма-астрономия вошла в контакт с астрофизикой и космологией, с физикой высоких энергий, ядерной физикой и военной техникой.
Американская научно-инженерная группа в 1962 неожиданно обнаружила мощный источник рентгеновского излучения (Sco X-1) в созвездии Скорпиона. Вскоре эти специалисты открыли и другие источники, включая один в Крабовидной туманности. К ним подключились и другие ученые, обнаружившие с помощью многочисленных запусков высотных ракет немало источников и сильное фоновое излучение.
Обзор НАСА с помощью малого астрономического спутника SAS-1 выявил 337 источников рентгеновского излучения, среди которых особо мощным был Лебедь X-1. Спутники НАСА SAS-2 и Европейского космического агентства Cos-B сосредоточились на гамма-астрономических исследованиях и позволили составить грубую карту неба. На ней обнаружился диффузный фон, усиливающийся к плоскости Галактики, и около 30 отдельных источников. Поскольку разрешение этой карты было ок. 1?, лишь некоторые из источников удалось отождествить с соответствующими объектами в других диапазонах, например, с Крабовидной туманностью, оптическим пульсаром в Парусах и рентгеновским источником Лебедь Х-3.
Поскольку траектории гамма-лучей, проходящих сквозь Вселенную, практически не отклоняются (как это происходит с заряженными частицами космических лучей - протонами и др.), они точно указывают на источники излучения. Космические обсерватории высоких энергий HEAO занимались в основном рентгеновской астрономией, но имели также приборы для наблюдений в мягком гамма-диапазоне, например, гамма-спектрометр. HEAO-2 ("Эйнштейн") мог определять положение рентгеновских источников с точностью до 2??, достаточной для их однозначной идентификации. Международная гамма-обсерватория "Комптон", выведенная на многоразовом космическом корабле "Атлантис" 7 апреля 1991, получила подробные карты гамма-излучения Млечного Пути, измерила излучение квазаров, солнечных вспышек и зафиксировала множество загадочных вспыхивающих источников, известных как гамма-барстеры.
Исследования Солнечной системы. Расширение спектрального диапазона наблюдений способствовало изучению планет и других объектов Солнечной системы. ИК-спектроскопия позволила определить молекулярный состав планетных атмосфер и кое-что узнать о минеральном составе их поверхности. Последнее особенно важно для изучения семейств астероидов и формирования представлений о природе породивших их тел. УФ-спектроскопия и другие методы наблюдений оказались полезными для изучения верхних слоев планетных атмосфер и гигантских водородных корон, окружающих кометы.
Представления докосмической эпохи. До начала 1960-х годов астрономы представляли внутренние планеты Солнечной системы как каменистые тела с атмосферой. О Меркурии было известно мало. Было установлено, что плотная атмосфера Венеры в основном состоит из углекислого газа. Радионаблюдения указывали на очень высокую температуру, но неясно было, относится ли она к поверхности планеты или к верхним слоям ее атмосферы. Предполагалось, что у поверхности Венеры температура умеренная и, возможно, даже существует океан воды. Марс не давал астрономам покоя своими сезонными изменениями полярных шапок, облаками и трудноуловимыми деталями поверхности. После жарких дебатов в начале 20 в. между П.Ловеллом (1855-1916) и большинством других астрономов о том, есть ли на Марсе следы жизни, он оставался загадочной планетой. См. также ЛОВЕЛЛ, ПЕРСИВАЛЬ.
Луна, наиболее исследованный после Земли объект Солнечной системы, была хорошо картографирована еще до начала 20 в. Однако природа многочисленных кратеров на ее поверхности (вулканическая активность или метеоритные удары?) долгое время оставалась темой острых дискуссий, пока большинство ученых не склонились к гипотезе об ударной природе большинства лунных кратеров. Происхождение Луны и ее связь с Землей также оставались предметом споров. Если Луна, как считали некоторые известные ученые, является первичным телом, не изменившимся с эпохи формирования Солнечной системы, то именно на ней хранится ключевая информация, практически потерянная на Земле в результате эрозии и других процессов.
В начале 20 в. уже было ясно, что внешние планеты Солнечной системы существенно отличаются от внутренних планет своими огромными размерами, малой плотностью и низкой температурой. Спектроскопическое обнаружение метана как главной составляющей их атмосфер стимулировало работу астрономов над моделями внутреннего строения гигантских газовых планет. Развитая после войны ИК-спектроскопия принесла новые данные и позволила Дж.Койперу (1905-1973) впервые обнаружить атмосферу у спутника планеты (это был Титан, спутник Сатурна). В 1955 было открыто мощное радиоизлучение Юпитера, происхождение которого осталось неясным.
Исследования с помощью космических аппаратов. Во второй половине 20 в. изучение Солнечной системы совершенно изменили космические зонды, подлетевшие ко всем планетам (кроме Плутона), к Луне и многим другим спутникам, к нескольким астероидам и кометам, а также непосредственно изучавшие Луну, Венеру, Марс и Юпитер с помощью автоматических орбитальных и посадочных аппаратов и даже экспедиций космонавтов (на Луну). См. также АСТЕРОИД; КОМЕТА; ЛУНА; ЛУНЫ ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ИСТОРИЯ; СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ; КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД.
Межпланетный аппарат "Маринер-2" положил конец надеждам на умеренный климат Венеры, измерив очень высокую температуру ее поверхности. Десятки космических аппаратов, включая орбитальные, посадочные и атмосферные зонды, за прошедшие 40 лет довольно подробно изучили Венеру. При температуре поверхности выше точки плавления свинца, поддерживающей кору планеты в пластичном состоянии, и с чрезвычайно плотной атмосферой из углекислого газа, в которой плавают облака из серной кислоты, Венера выглядит малопривлекательным местом. "Маринер-10", пролетев мимо Венеры, затем трижды прошел мимо Меркурия, сфотографировав более половины его поверхности, покрытой кратерами, как лунная.
Марс после каждого визита к нему космических зондов представляется по-новому. "Маринер-4" поразил ученых изображениями луноподобной поверхности Марса, густо покрытой кратерами. "Маринеры-6 и -7" обнаружили пустые русла, как будто образованные протекавшей по ним в далеком прошлом водой. "Маринер-9" передал с орбиты изображения всей планеты и открыл на ней гигантские древние вулканы. Орбитальные аппараты двух "Викингов" составили подробную карту планеты, а их посадочные аппараты изучали атмосферу и образцы в двух точках на ее поверхности. Хотя признаков жизни там не было обнаружено, Марс показал себя динамичной планетой с богатой историей. Сопоставление различных эволюционных путей Венеры, Земли и Марса стало первым серьезным достижением космической планетологии, объединившей усилия астрономов, геологов, физиков, химиков и метеорологов для разгадки природы планет.
Хотя Луна привлекала к себе внимание в основном по политическим и прочим ненаучным соображениям, ее научные исследования весьма продуктивны. В 1960-х годах Луна была осмотрена и изучена автоматическими станциями: сначала - пролетавшими вблизи или падавшими на ее поверхность, а затем - орбитальными и посадочными. Двенадцать космонавтов на шести кораблях "Аполлон" (1969-1972) побывали на поверхности Луны, доставили туда приборы и привезли назад сотни килограммов образцов породы. Возраст Луны оказался близок к земному, а сама она предстала перед учеными хотя и не совсем реликтовой, как они надеялись, он все же проделавшей совершенно самостоятельный эволюционный путь, отличный от земного. Образцы лунного грунта и другие данные позволили воссоздать историю Луны и, опираясь на это, понять многие аспекты ранней истории Солнечной системы. В частности, статистический анализ лунных кратеров был использован при изучении поверхности других планет. Экспедиции к внешним планетам требуют дальнейшего развития космической техники, сооружения мощных носителей и больших вложений для реализации грандиозных проектов, результаты которых можно ожидать лишь через многие годы.
В 1970-1980-х годах несколько зондов были посланы с разведывательной целью к Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну. Даже самые прозорливые планетологи были удивлены переданными на Землю изображениям и данными. В атмосфере Юпитера темные полосы и светлые зоны между ними, а также пятна, которые астрономы напряженно изучали с Земли, "рассыпались" на многочисленные цветные, закрученные циклонами облака. Кольца Сатурна, в которых при наблюдении в телескоп было заметно лишь несколько щелей, с близкого расстояния стали похожи на грамофонную пластинку с сотнями бороздок, возможно, завитых в спираль. Системы колец Урана и Нептуна, незадолго до этого обнаруженные с Земли, оказались весьма сложными. У Юпитера также было открыто тонкое кольцо. Ледяные спутники всех больших планет, которые при наблюдении в телескоп выглядят светлыми точками или, в лучшем случае, крохотными дисками с цветными пятнышками, оказались самобытными объектами, каждый со своей сложной историей. Космические зонды обнаружили активные геологические процессы, такие, как действующие вулканы, извергающие серу, на спутнике Юпитера Ио, а также гейзеры, фонтанирующие азотом, на спутнике Нептуна Тритоне.
В 1986 армада космических зондов разных стран встретилась с кометой Галлея и передала изображения ее ядра. В начале 1990-х годов аппарат "Галилео" осмотрел два астероида во время своего 2-летнего путешествия в систему Юпитера, где он сбросил зонд в атмосферу этой планеты. Изображения нескольких астероидов были составлены по данным наземных радаров.
Комплексный подход. Исследование Солнечной системы космическими аппаратами привело к уточнению ее параметров и совершенно изменило представления о целых классах объектов. Но пока в Солнечной системе остаются области, не доступные для прямых исследований, невозможно полностью отказаться от дистанционных астрономических методов, как этого хотели бы некоторые энтузиасты. Наземные наблюдения не только позволяют планировать полеты зондов и помогают интерпретировать переданные ими данные, но и во время работы самих зондов обсерватории всего мира ведут наблюдения вместе с ними.
Доступность астрономической информации. Собранные космическими зондами данные доступны любому, кто в них нуждается; в этом залог успеха астрономических исследований. Так, продолжается традиция национальных обсерваторий, куда каждый может подать заявку и, получив одобрение, проводить наблюдения. Появление недорогих, но мощных компьютеров и возможность получать данные через Интернет позволила теоретикам работать весьма плодотворно, не ограничивая себя рамками своего учреждения или страны. Гигантские базы данных о тысячах астрономических объектов во всех спектральных диапазонах позволяют теоретикам оперировать множеством разнообразных фактов для объяснения изучаемых явлений. Современные астрономы-наблюдатели имеют и свои обширные персональные базы данных, обычно открытые для свободного доступа всех желающих.
