Как выйти из неприятного положения, астрономы не знали: надо бороться с ошибками наблюдений, надо их учесть, изучить и устранить. А ошибок множество. Они появляются в струйках воздуха, садятся пылинками на инструмент, подстерегают астронома на каждом шагу, норовят толкнуть его под руку и стремятся испортить всю его работу.
Астрономы взялись за изучение своих злейших врагов, чтобы понять, как их устранить.
Причин, по которым случаются ошибки астрономических наблюдений, в основном три.
Первая причина — в том, что мы — жители Земли и наши обсерватории расположены на дне воздушного океана. Над нашими головами простирается многокилометровая толща атмосферы. Воздух струится, колеблется. Его температура, давление, влажность, засоренность непрерывно и ежедневно меняются. Все это искажает изображение и положение звезды, заставляет ее дрожать.
Попробуйте при неспокойной погоде посадить звезду на горизонтальную нить; это легко сказать, а выполнить мудрено — изображение звезды в поле зрения инструмента прыгает, как мячик. Его колеблют струйки воздуха.
Уже много лет астрономы спорят: где лучше строить обсерватории? Где спокойнее атмосфера? В городах? А дым от фабричных труб? А теплый воздух от натопленных зданий? В горах? Нет, там часты туманы и дуют постоянные ветры. У моря нельзя — испарения сильны! Среди зелени полей, в рощах или парках? Растительность вокруг обсерватории полезна тем, что не позволяет солнцу сильно нагревать землю, поэтому ночью после захода солнца восходящие токи теплого воздуха не очень сильны. Это хорошо, но есть и недостаток. Деревья и кустарники каким-то образом под кроной, в листве ухитряются накапливать теплый воздух. Он собирается, а потом сразу неожиданно огромным пузырем вырывается из листвы и летит вверх, как невидимый воздушный шар.
Пулковская обсерватория, например, была расположена среди старинного парка, и это порой причиняло изрядные огорчения астрономам. Начнут с вечера наблюдения, все как будто идет хорошо, вдруг в самый ответственный момент звезды в поле зрения начинают прыгать, как молодые мустанги. Что такое? А это теплый воздух вырвался из-под листвы и смутил покой атмосферы.
Гринвичские астрономы тоже жаловались на проказы теплого воздуха, таившегося в старом парке. Видимо, его сюрпризы так надоели ученым, что когда часть обсерватории переехала на новое место, то там распорядились уничтожить всю растительность возле инструментов. Большую территорию сплошь залили асфальтом и теперь… жалуются на асфальт. Он слишком сильно нагревается солнцем и медленно остывает. Опять получилось плохо!
С атмосферными помехами астрономы все же борются, и довольно успешно. Они тщательно учитывают влияние преломления световых лучей в воздухе и вносят необходимые поправки. Кроме того, каждое наблюдение или измерение повторяют по нескольку раз, тщательно сопоставляя результаты.
Второй виновник ошибок — сам инструмент. Ничтожнейшая соринка, попавшая между осью инструмента и его опорой, уже искажает результаты. Пустяк, казалось бы, — невидимая глазом пылинка, а может вызвать заметную ошибку.
Некоторые ошибки, происходящие по вине инструмента, астрономы устраняют, бдительно наблюдая за его чистотой и исправностью. Затем ошибки пассажного инструмента выявляют перекладыванием трубы.
На рисунке пассажного инструмента под трубой видны рычаги, похожие на лапки. Астроном, повернув рукоятку, заставляет эти лапки приподняться, осторожно подхватить снизу ось и переложить ее так, что левая ось попадет на правую опору, а правая — на левую опору.
Перекладывание инструмента позволяет сразу же заметить ошибку инструмента. Если до перекладывания из-за маленького перекоса трубы звезда казалась чуть правее, то после перекладывания она покажется чуть левее или наоборот. Разделив разность пополам, получают весьма точный результат.
Третий виновник ошибок, и притом наиболее опасный, — это сам астроном.
Нет на свете двух одинаковых людей, нет и одинаковых глаз. Все люди видят по-разному. Когда астроном ловит звезду на перекрестке нитей, то одному она кажется чуть выше, другому чуть ниже, одному правее, другому левее. Когда астроном отмечает прохождение звезды через вертикальные нити, то каждый это делает по-своему. Один нажмет клавишу хронографа чуть раньше, другой позже.
Мало того, даже один человек в течение одной ночи не может работать совершенно одинаково. В начале наблюдений измерения бывают сравнительно точны, в конце, когда появляется усталость, увеличиваются и ошибки. Человеческий глаз самый капризный из инструментов.
В прошлом столетии пулковский астроном О. Струве, сын основателя Пулковской обсерватории, заметил, что в его работу неизменно закрадываются ошибки. Ученый убедился, что виновником ошибок является его зрению, его глаза, и решил уличить самого себя.
Для проверки точности своих измерений астроном поставил в двух километрах большой массивный щит и заказал в мастерской маленькие белые цилиндрики из слоновой кости, различного диаметра.
В щите для цилиндриков были высверлены гнезда. Ночью помощник астронома вставлял в гнезда цилиндрики, освещал их ярким фонарем и записывал, в каких гнездах сидят эти искусственные звезды из слоновой кости.
О. Струве, опустив телескоп горизонтально, нацеливал его, как пушку, на щит. Белые кружочки в щите казались ему звездочками различной величины, и он тщательно измерял их положение.
Затем ученый брал у помощника его тетрадь, сравнивал результаты своих измерений с истинным положением цилиндриков в щите и определял, насколько он ошибся.
Этот старинный способ определения ошибок с помощью искусственных звезд теперь уже не применяют — он не дает надежного результата.
Каждый астроном имеет свои личные ошибки, и никто не может сказать, будет ли он ошибаться сегодня так же, как вчера или как-нибудь иначе. Личная ошибка неуловима; она возникает неожиданно и потому опасна. Она всегда неизбежно искажает результаты измерений.
В тиши обсерваторий разыгрывается битва за точность. Сотые и даже тысячные доли секунды берутся на учет. Толщина паутинки, видимой с расстояния в сто метров, уже играет серьезную роль. И астроному есть отчего огорчаться. Он не может, не имеет права верить сам себе, доверять собственным глазам. Они обманывают его.
А как же наблюдать? Как улавливать тысячные доли секунды?
Выход один — нужно изобрести искусственные глаза, которые могли бы заменить астронома у телескопа. Пусть они смотрят на звезды, измеряют, учитывают и сами записывают результаты на ленты хронографов.
Создать искусственные, точные, зоркие глаза, способные улавливать слабый свет звезд, — вот это задача!
Искусственный глаз астронома
В тридцатых годах XX века молодой астроном Николай Никифорович Павлов вместе с директором обсерватории ехал по делу из Пулкова в Павловск. Лошадка не спеша трусила по дороге, а молодой ученый делился с директором своими планами и замыслами научных работ. Говорили они о повышении точности астрономических наблюдений, о том, как хорошо было бы изобрести прибор, способный заменить астронома у телескопа. Электрический глаз — равнодушный, вечно спокойный, точный, зоркий — вот чего не хватает ученым.
В разговоре Павлов обмолвился, что он давно уже обдумывает устройство такого прибора.
Директор, внимательно слушавший своего собеседника, улыбнулся и сказал:
— Вот и хорошо! Вот и займитесь этим делом! С сегодняшнего дня будем считать это темой вашей научно-исследовательской работы!
Отказываться было невозможно, да и не хотелось.
Так мысль, высказанная мимоходом в разговоре, превратилась в рабочее задание и, может быть, в задачу всей жизни ученого.
В 1934 году Николай Никифорович Павлов приступил к работе.
Вскоре стало известно, что за границей тоже конструируют электрический наблюдатель. Поступали сообщения об опытах. Потом в иностранных журналах перестали писать об этих работах. Опыты заканчивались неудачей. Изобретатели не находили способа сделать искусственный глаз более чувствительным и точным, чем человеческий. Их приборы «видели» только самые яркие звезды.