Пятна на Марсе

Когда оптические инструменты позволили астрономам различать детали на поверхности Марса, уже была хорошо известна продолжительность марсианского года – 687 земных дней. Но оставался открытым вопрос о скорости вращения красной планеты вокруг собственной оси, то есть о продолжительности марсианских суток. Чтобы определить их, необходимо было выявить на Марсе некую заметную деталь и засечь время между ее первым и вторым наблюдениями.

Еще Галилео Галилей, итальянский профессор математики, на своем примитивном телескопе проводил в 1610 году наблюдения Марса и установил, что красная планета имеет такие же фазы, как Луна и Венера.

Интересная деталь. В те времена открытие, которое требовало подтверждения в ходе дальнейших продолжительных наблюдений, шифровали анаграммами (перестановкой букв в послании, при котором утрачивается исходный смысл), чтобы позднее можно было восстановить и отстоять приоритет. По результатам очередной серии наблюдений планет Галилей составил такую анаграмму: «s m a i s m r m i l m e p o e t a l e u m i b u n e n u g t t a u i r a s». Иоганн Кеплер, получивший эту шифровку в Праге, тут же поспешил поздравить ученого с обнаружением двух спутников Марса. Дело в том, что великий математик после открытия четырех спутников Юпитера (сделанного тем же Галилеем в январе 1610 года) решил, что существует определенная зависимость («пропорция») в распределении спутников у планет по Солнечной системе. От практиков он ждал подтверждения своей гипотезе, то есть открытия одного спутника у Венеры, двух спутников – у Марса и шести или восьми спутников – у Сатурна. Однако Кеплер ошибся не только в своем предположении, но и в расшифровке анаграммы. На самом деле послание имело отношение не к Марсу, а к Сатурну и звучало так: «Altissimum planetam tergeminum observavi» («Высочайшую планету тройною наблюдал»). Кстати, объяснение этому странному наблюдению дали только через полстолетия, когда нидерландский ученый Христиан Гюйгенс открыл у Сатурна кольца.

Но вернемся к Марсу. Честь называться первым, кто различил детали на красной планете, видимые как темные пятна, принадлежит неаполитанскому адвокату Франческо Фонтане, увлекавшемуся любительской астрономией. Работая с собственноручно построенным телескопом, Фонтана в 1636 году зарисовал диск Марса, на котором мы видим темное пятно, названное астрономом «черной пилюлей». Сегодня никто не осмелился бы подставить под сомнение приоритет Фонтаны, однако он зарисовал такую же «пилюлю» и для Венеры, что говорит не об открытии, а о дефекте прибора.

Двумя годами позже, 24 августа 1638, Фонтана сделал еще один рисунок Марса. На этом рисунке тоже есть «пилюля», но и еще одно – астроном изобразил диск неполным, что стало первой зарисовкой фаз Марса, открытых Галилеем.

Наблюдения Фонтаны кажутся примитивными, но не следует забывать, что Марс – вообще очень трудная для наблюдений планета. Его размеры невелики (половина Земли), он в 140 раз дальше от Земли, чем Луна, и разглядеть детали на его поверхности представляется непростой задачей. В любом случае, рисунки астронома-любителя открывают первый этап в истории планомерного изучения Марса, который продолжался до 1830 года.

Следующим в эту историю попытался войти неаполитанский иезуит отец Бартоли. Во время наблюдения 24 декабря 1644 года он описал два темных пятна в нижней части диска красной планеты. Аналогичные описания были сделаны и другими итальянскими астрономами: например, в июле и августе 1655 года, в год Великого противостояния Марса (противостояние, во время которого Марс находится в перигелии, то есть ближе всего к Солнцу и Земле; случается раз в 15–17 лет, преимущественно в августе).

Так или иначе, приоритет первого астронома, заметившего видимую деталь поверхности Марса, достался вышеупомянутому Христиану Гюйгенсу. С помощью нового телескопа, в котором он применил составной окуляр собственного изобретения, Гюйгенс совершил ряд выдающихся астрономических открытий. 28 ноября 1659 года, когда Марс находился вблизи очередного противостояния, астроном направил на него свою трубу и сделал зарисовку V-образного темного пятна. На современных картах это гористое плато, оказавшееся действительно самой темной областью Марса, называется Большим Сиртом (Syrtis Major) в честь средиземноморского залива у побережья Ливии (современное название – залив Сидра), однако во времена Гюйгенса его именовали Морем Песочных Часов (Mer du Sablier), поскольку его заостренная к северу форма напоминает песочные часы.

Сделав это выдающееся открытие, Гюйгенс пошел дальше. Он зафиксировал момент положения пятна и проследил его новые появления в поле зрения земного наблюдателя. 1 декабря он сделал в своем рабочем журнале важную запись: «Вращение Марса подобно Земле и имеет период около 24 часов». Позднее более точные измерения показали, что продолжительность суток на Марсе точно равна 24 часам 37 минутам 22 секундам. Во времена полетов космических аппаратов этот период получил название «сол» («sol») – во избежание путаницы с земными сутками. Марсианский год состоит из 669 солов. На Марсе северное лето (и южная зима) продолжается 178 солов, а северная зима (и южное лето) – 154 сола.

Марсом занимался и другой знаменитый современник Гюйгенса – Джованни Кассини, первый директор Парижской обсерватории. В марте 1666 года он изучал красную планету, хотя это был не самый подходящий период – при том противостоянии Марс находился в афелии (то есть на максимальном удалении от Солнца). Рисунки Кассини довольно примитивны, а открытые им пятна (он изобразил их в виде гири) не получили подтверждения в ходе дальнейших наблюдений Марса. И тем не менее независимо от Гюйгенса французский астроном сумел установить суточное вращение Марса куда точнее – он определил продолжительность сола в 24 часа 40 минут.

Два важных открытия были сделаны в период Великого противостояния в сентябре 1672 года. Гюйгенс вновь зарисовал Большой Сирт и яркую южную полярную шапку. В то же время Кассини измерил параллакс Марса и определил точное расстояние красной планеты от Солнца.

В XVIII веке европейская астрономия бурно развивалась, однако исследования Марса отошли на второй план. Астрономы обнаруживали новые большие и малые пятна, но чаще всего их зарисовки оказывались иллюзией, порожденной несовершенством оптической техники. Современные историки науки даже называют три первые четверти XVIII века «темными временами» в изучении Марса, однако нельзя не упомянуть, например, об интересных зарисовках, которые оставил Джиакомо Филиппо Маральди, племянник Кассини-старшего. По итогам наблюдений Великих противостояний 1704 и 1719 годов он составил фактически первую карту Марса, изобразив и Большой Сирт, и некоторые другие темные области, идентифицируемые сегодня. Однако сам Маральди свои эскизы картой не считал, и более того – ему показалось, что пятна на Марсе непостоянны, меняются со временем, а потому являются не элементами поверхности, а облаками. Другим примечательным наблюдением Маральди стало изучение полярных шапок. Он четко зафиксировал, что белое пятно вокруг южного полюса всегда больше и ярче белого пятна у северного полюса. Кроме того, в течение августа-сентября 1719 года он заметил постепенное сокращение и исчезновение южной полярной шапки. Напрашивалась аналогия с таянием земного снега, но Маральди не рискнул сделать обобщение.

Новую волну интереса «созерцателей неба» к Марсу породил англичанин немецкого происхождения Уильям Гершель (Фредерик Вильгельм Гершель), основоположник звездной астрономии и первооткрыватель планеты Уран (которую он, кстати, назвал Светилом Георга в честь короля Георга III, назначившего ученому пожизненную стипендию для занятий астрономией).

В 1784 году, после шести лет кропотливых наблюдений, Гершель объявил, что полярные шапки Марса испытывают значительные изменения: они поочередно растут и убывают, причем этот процесс напрямую связан с временами года. К примеру, когда в северном полушарии Марса бывает зима, северная шапка имеет наибольшие размеры. С наступлением весны она начинает уменьшаться, а летом это уменьшение идет особенно интенсивно. Параллельно южная шапка растет, поскольку в этом полушарии наступает зимний период.

Вывод Гершеля звучал однозначно. Марс, как и Земля, находится довольно близко к Солнцу. Продолжительность суток Марса близка к продолжительности суток на Земле. На Марсе имеются полярные шапки, как и на Земле. На Марсе имеются времена года, как и на Земле. На Марсе заметны климатические изменения, как и на Земле. Следовательно, Марс больше других планет Солнечной системы похож на Землю.

Гершель не сделал следующий шаг и не попытался представить себе гипотетических обитателей красной планеты. Вместо этого он осторожно записал: «Жители Марса, вероятно, обитают в мире, во многих отношениях подобном нашему».

На этом убеждении будет держаться наука о Марсе в течение всего XIX и первой половины ХХ веков.

Глава 2
Рождение марсиан

В XIX веке общепринятой среди образованных европейцев научной теорией, описывающей возникновение и формирование Солнечной системы, стала теория Канта – Лапласа.

В очерке «Всеобщая естественная история и теория неба» («Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels», 1755) знаменитый немецкий философ Иммануил Кант предположил, что до образования планет и Солнца существовала огромная рассеянная туманность. Она обязательно должна была вращаться, чтобы из нее могло возникнуть большое центральное тело и малые планеты. Кант, правда, не сумел внятно объяснить причину вращения этой первичной туманности и высказал гипотезу, что сначала туманность была совершенно неподвижной, а движение ее возникло из местных «локальных» вращений.

Через сорок лет после выхода в свет очерка Канта великий французский математик Пьер Лаплас изложил теорию о том, что первичная туманность вращалась с самого начала и была горячей. По мере охлаждения она сжималась, а скорость ее вращения росла. С увеличением скорости вращения возрастали центробежные силы, что привело к удалению части туманности от центрального тела к периферии и к ее расслоению на кольца. Из этих колец впоследствии образовались планеты и спутники.

Предложенная схема хорошо объясняла, почему планеты Солнечной системы лежат в плоскости эклиптики и движутся в одном направлении. Кроме того, теория Канта-Лапласа позволяла определить сравнительный возраст планет. Считалось, что более удаленные от Солнца планеты имеют более почтенный возраст, поскольку за счет центробежной силы удалились и сформировались раньше тех, которые сегодня находятся ближе к Солнцу.

Таким образом, если брать современную Землю за точку отсчета, то Венера должна быть горячим молодым миром, планетой хвощей и динозавров, а Марс – холодным высушенным старым миром, обиталищем древних и мудрых существ, в которых когда-нибудь превратимся и мы, люди. Тут следует заметить, что великие ученые прошлого ошибались. Если сама идея о формировании Солнечной системы из туманности (сегодня ее называют «протопланетным облаком» или «протооблаком») была в общем верна, то с определением возраста планет вышла неувязка.

С помощью методики радиоактивного датирования удалось определить возраст Земли – он составляет 4,54 миллиардов лет. Марс является сверстником нашей планеты или чуть моложе ее – есть основания считать, что мелкие планеты формируются в протооблаке позже крупных.

Но в XVIII и XIX веках не было методики радиоактивной датировки. Как не было и орбитальных телескопов, позволяющих разглядеть протопланетные облака, формирующиеся у далеких молодых звезд. И остается только восхищаться, сколь сильны были умы европейских ученых того времени, что они без инструментов, одной силой мысли, подошли к разгадке самой великой тайны – Тайны Сотворения.

Начала ареографии

Итак, на рубеже XVIII и XIX веков стало складываться вполне определенное отношение к Марсу.

Популярный астроном своего времени Уильям Гершель показал, что Марс очень похож на Землю. Популярный философ своего времени Иммануил Кант показал, что Марс древнее Земли. Однако эпоха более широких обобщений еще не наступила. Общественное мнение не было готово признать новую ослепляющую гипотезу, а потому потребовалось довольно продолжительное время, чтобы Марс из «незаметного светила» превратился в «суперзвезду» небосвода.

Астрономы не потратили это время зря. Осторожные выводы Гершеля разбудили «сонное царство», призвав в ряды наблюдателей новых энтузиастов.

Одним из первых был немецкий астроном-любитель Иоганн Шретер. Ради изучения планет он оставил выгодную должность в Ганновере и переехал в деревню, где построил собственную обсерваторию. Многие ночные часы он провел за наблюдениями Марса. До нашего времени удалось сберечь 231 рисунок Шретера. Он создал их в период с 1785 по 1810 год, затем, в апреле 1813 года, его обсерватория была разграблена отступающими отрядами французов. На зарисовках Шретера изображены многие характерные детали поверхности Марса. В частности, он первым сделал зарисовку и описание огромного округлого плато, впоследствии получившего название Озеро Солнца (Solis Lacus). Наибольший интерес представляют рисунки, на которых запечатлено темное изогнутое пятно, напоминающее крюк и простиравшееся от Киммерийского моря (Mare Cimmerium) до области, известной под названием Эфиопия (Aethiops). Пятно (оно даже получило название Arrowhead – Наконечник) было одной из самых заметных деталей поверхности Марса в течение двух последних десятилетий XVIII века, а затем исчезло. Современные исследователи отмечают, что это наиболее поразительное изменение на Марсе, зафиксированное за всю историю его наблюдений. Важно, что «крюк-наконечник» видели независимо друг от друга в разное время и Гершель, и Шретер, а значит, пятно действительно существовало.

Впрочем, подобные изменения в карте Марса будут фиксироваться и позже. Любопытно другое. Шретер проявил удивительную научную слепоту – он не считал пятна на Марсе постоянными образованиями, полагая, что наблюдает облачные покровы. Сохранилась запись, в которой он прямо заявляет, будто бы такие пятна, как Большой Сирт, значительно меняют форму в ходе наблюдения. Он зарисовывал этот самый Сирт многократно, но так и не смог увидеть, что это постоянный элемент поверхности Марса. Современные исследователи предположили, что непостоянство форм могли вызвать глобальные песчаные бури, однако внимательное изучение рисунков не подтвердило эту гипотезу. На Марсе не было бурь в тот период, и выводы Шретера целиком остаются на его совести.

На смену Шретеру пришел Оноре Фложерг, распоряжавшийся частной обсерваторией на юго-востоке Франции. Он наблюдал Марс во время противостояний 1796, 1809 и 1813 годов (кстати, последнее противостояние было первым Великим в новом столетии). Зная продолжительность суточного вращения Марса, он подгадывал наблюдения так, чтобы зафиксировать вторичное появление характерных пятен. Но коварная планета раз за разом обманывала прилежного астронома. В своих записях Фложерг жалуется, что не может точно определить границы пятен и единственный вывод, который он способен сделать после сотен часов, проведенных у телескопа, это то, что в южном полушарии пятен больше, чем в северном. В итоге француз принял и отстаивал впоследствии идею Шретера о том, что марсианские пятна – это облачность.

Совершенно новый этап в изучении Марса начался после Великого противостояния 1830 года. В маленькой частной обсерватории, устроенной на балконе виллы в Тиргартене (парк в Берлине), банкир Вильгельм Бэр и школьный учитель Иоганн Медлер приступили к изучению Марса. Несмотря на скромные размеры их телескопа, они добились выдающихся результатов. Главной их задачей стало определить раз и навсегда, имеют пятна на Марсе устойчивую конфигурацию или нет. Используя в качестве привязки южную полярную шапку, они стали составлять первую настоящую карту Марса, проверяя друг друга. Объект наносился на карту, только когда оба подтверждали, что видели его. После их работы сомнений не оставалось: пятна на Марсе – это элементы поверхности. Бэр и Медлер докладывали научной общественности: «Наши наблюдения находятся в разногласии с более ранними. <…> Гипотеза, что пятна подобны нашим облакам, кажется, полностью отвергнута».