[Перевод] Научный эксперимент длиною в 315 лет
Как подсчёт солнечных пятен объединяет прошлое и будущее науки
Самым высокомерным астрономом Швейцарии в середине XX века был специалист по солнечной физике Макс Валдмайер. После его выхода на пенсию в 1980 коллеги испытали такое облегчение, что почти отправили следом и инициативу, которой он руководил в качестве директора Цюрихской обсерватории. Валдмайер отвечал за практику, уходящую корнями во времена Галилея, и остающуюся одной из самых длинных научных практик в истории: подсчёт пятен на Солнце.
Цюрихская обсерватория была мировой столицей подсчёта солнечных пятен: холодных тёмных участков на поверхности Солнца, в которых циркуляция внутреннего тепла подавляется магнитными полями. С XIX века астрономы связывали солнечные пятна с солнечными вспышками, способными нарушить ход жизни на Земле. Сегодня учёным известно, что пятна отмечают участки, создающие колоссальные электромагнитные поля, способные вмешиваться в работу всего, от системы глобального позиционирования и электрических сетей до химического состава атмосферы.
Что отталкивало потенциальных последователей Валдмайера, так это его враждебность по отношению к методам, отличавшимся от его собственного. В космическую эру он настаивал на ручном методе подсчёта пятен при помощи рефрактора Фраунгофера, названного в честь изобретателя XVIII века, и установленного первым директором Цюрихской обсерватории, Рудольфом Вольфом в 1849. После ухода Валдмайера его ассистент, воспользовавшись неопределённостью в вопросе наследия, увёз и установил телескоп Фраунгофера у себя в саду. Автоматические наблюдения и отслеживание Солнца со спутников было очевидным улучшением, а также менее субъективным, чем прищуренный взгляд человека.
Но, несмотря на всю враждебность к Валдмайеру, его метод сохранился. Пятна появляются циклично. Их число постоянно увеличивается в течение примерно 11 лет, за которыми следует около 11 лет уменьшений. Валдмайер понял, что интерпретацию нельзя подгонять из-за присущей циклу медлительности. «Процесс не разогнать», — говорит астроном Фредерик Клетт, директор Центра анализа данных солнечного влияния в Королевской обсерватории Бельгии. «Чтобы понять Солнце, необходимо вести записи циклов на длительных временных промежутках».
А лучший способ поддерживать непрерывность данных, поясняет Клетт, это использовать метод наблюдений, связывающий прошлое с будущим. В отличие от большей части современной науки, идущей в ногу с технологическими разработками, наиболее стабильным устройством для обнаружения изменений звезды, дающей нам всем жизнь, остаётся человеческий мозг и глаз.
«Современные технологии и оборудование очень на многое способны, но эти технологии существовали всего несколько солнечных циклов подряд, поэтому они не показывают изменения циклов в течение столетий», — говорит Клетт, смотритель общемировой процедуры подсчёта пятен, которую начал Вольф в Цюрихе, теперь известной, как Международное число солнечных пятен или число Вольфа. Под присмотром Клетта дефекты всё ещё считают вручную. «Считая их на глаз, мы можем связать то, что видим сегодня, с тем, что видели в далёком прошлом».
Это удивительная история, говорит Клетт. Один из самых долгоживущих научных методов — это простое наблюдение. «Это долгая, систематическая эволюция сбора информации, приведшая к пониманию явления солнечных пятен, и, вишенка на торте — возможность предсказывать будущее».
Работает — не трогай: рефрактор Фраунгофера, названный именем его изобретателя XVIII века, использовался специалистами по физике Солнца для подсчёта пятен большую часть XX столетия.
Наблюдения за пятнами начались раньше современной астрономии, по меньшей мере, на три тысячелетия. Поскольку Солнце было центральным объектом нескольких древних религий, любые пятна считались значительным явлением. Для древних африканцев с берегов Замбези солнечные пятна были грязью, которой ревнивая Луна заляпывала лицо Солнца. Древние китайцы считали пятна строительными блоками летающего дворца, или даже мазками кисти, определяющими характер короля. Вергилий использовал более практичный подход, предупреждая в своих «Георгиках»:
Если же пятна начнут мешаться с огнем золотистым,
Всё — ты увидишь — тогда закипит одновременно ветром
И облаками
Галилей изучал пятна более научно, и считал их полезными отметками для калибровки в своих изучениях солнечного диска. Из тщательных наблюдений в телескоп за ежедневными изменениями их внешнего вида, он правильно решил, что Солнце сферическое и поворачивается вокруг своей оси, перенося изменяющиеся дефекты. Но с его точки зрения пятна были случайными. Это оставляло много возможностей для воображения. Философ Рене Декарт считал, что пятна были океанами доисторической пены. Астроном Уильям Гершель считал, что это были проходы в тёмный подсолнечный мир, где люди живут под яркой оболочкой светила.
Однако был один астроном-любитель, которому просто хватало наблюдений за небом и записей обо всём, что он видел. Генрих Швабе, работая аптекарем, начал наблюдать за Солнцем в 1826, и постоянно занимался этим более 300 дней в году сорок лет. Изначально он искал неоткрытые планеты внутри орбиты Меркурия. Не найдя ничего определённого, он постепенно занялся наблюдением за пятнистой поверхностью Солнца.
К 1844, насчитав десятки тысяч пятен, Швабе убедился, что пятнистость имеет цикл: количество пятен увеличивалось и уменьшалось каждые 10 лет. У него не было тому объяснения, но он решил, что другие могут узнать что-то полезное из его наблюдений, поэтому он опубликовал одностраничную заметку в журнале Astronomische Nachrichten. Его работу прочёл Рудольф Вольф, 30-летний директор Бернской обсерватории. Когда Вольф стал директором Цюрихской обсерватории в 1864, он решил выбрать темой для исследования цикл солнечных пятен.
Вольфа не удовлетворяли расчёты только по течению времени. Чтобы установить наличие цикла и измерить его правильно, он благоразумно решил собрать прошлые данные — начиная со Швабе — и интегрировать их в собственные ежедневные наблюдения.
Проблема была в том, что цифры не совпадали. Количество не совпадало даже при подсчётах в течение одного дня, проводившихся тысячи раз с 1849 по 1868, до последнего подсчёта Швабе. Телескоп Фраунгофера был значительно мощнее старого инструмента Швабе, и в него было видно, что многие из пятен Швабе на самом деле были скоплениями. Для компенсации этого, Вольф принял два важных решения. Первое — пересмотреть собственные подсчёты — ведь на самом деле была важна относительная активность пятен. Вторым решением было установить отношение между количеством пятен, подсчитанных им и Швабе, когда их наблюдения проходили в один и тот же день. Он получил коэффициент, назвал его k, и это был множитель, который можно было применять к старым наблюдениям Швабе до 1849 года, статистически совмещая их с новыми данными Вольфа.
Коэффициент сделал возможным нечто ещё более интересное. Благодаря множеству одновременных наблюдений, Вольф смог использовать старые данные Швабе, чтобы вывести коэффициенты k для других учёных, и надёжно продлил свои данные по количеству пятен до 1700 года. Затем Вольф создал на континенте целую сеть подсчётчиков пятен, и их ежедневные подсчёты, разнящиеся от нуля до пары сотен, стали одним из самых надёжных наборов данных в астрономии.
Данные показали, что Швабе был прав насчёт цикла солнечных пятен, но не насчёт его длительности. Сначала Вольф пересчитал этот период в 11 лет, и решил, что открыл его причину: Юпитеру на обход Солнца по орбите требуется как раз 11 лет. Однако чем больше циклов он собирал, тем менее достоверной выглядела эта корреляция. Некоторые циклы длились по 14 лет. Другие по 9. Поскольку орбитальный период Юпитера не изменялся, учёному пришлось признать поражение.
Он продолжал подсчёты в уверенности, что кто-нибудь, имея достаточно данных, сумеет раскрыть механизм появления солнечных пятен. Он считал вплоть до своей смерти в 1893 году. К тому времени его ассистент Альфред Вольфер занимался подсчётом пятен вместе с ним уже 17 лет. Их коэффициент k обеспечил плавный переход наблюдений к другим директорам Цюрихской обсерватории, вплоть до надменного Валдмайера, разработавшего эволюционную классификацию пятен и метод предсказания геомагнитных штормов, серьёзно продвинувший солнечную науку.
Потрясающее изображение солнечного пятна обозначает то место, где магнетизм подавил перемещение тепла в Солнце, солнечную конвекцию. Солнечные пятна отмечают области, из которых вырываются колоссальные вспышки, влияющие на GPS и электрические сети Земли.
Так почему же периоды тёмных пятен сменялись периодами чистого Солнца? «По правде говоря, мы до сих пор точно не знаем, от чего зависит периодичность», — признаёт Клетт. Даже после 315 лет сбора данных механизм цикла солнечных пятен ещё предстоит полностью осветить.
Однако со времён Швабе был сделан серьёзный прогресс, в особенности в области влияния солнечных вспышек. В 1859 году два астронома-любителя в наблюдательной сети Вольфа заметили две ярких вспышки внутри скопления пятен. В последующие дни была нарушена работа телеграфа, а по всей Европе наблюдалось северное сияние. Несколько таких эпизодов убедили учёных в связи этих явлений, объяснение которой пришло в 1908 году, когда астроном Джордж Эллери Хейл использовал спектроскоп для определения магнитной природы солнечных пятен (магнетизм немного влияет на цветовой спектр). Тёмные дефекты Солнца, наконец, можно было понять. Они были не доисторической пеной или признаками населённости Солнца, а областями, в которых магнетизм подавлял перемещение тепла в Солнце, в процессе, известном, как солнечная конвекция.
Сегодня благодаря солнечной физике мы знаем, что циклы пятен управляются вращательным движением плазмы внутри вращающегося Солнца. Поскольку плазма электрически заряжена, и слои плазмы вращаются с разными скоростями, сфера Солнца ведёт себя, как динамо-машина, производя электромагнитные поля в тысячи раз сильнее полярного магнетизма Земли. Циркуляцию плазмы, создающей солнечное динамо, моделируют на суперкомпьютерах. Веками собиравшиеся данные по солнечным пятнам помогли учёным уточнить и проверить эти модели, запуская симуляции, наблюдая за тем, какие из моделей ближе всего походят на различную периодичность последовательных циклов. Чем совершеннее становятся модели, тем лучше мы будем понимать цикл солнечных пятен.
Необходимость подсчёта солнечных пятен, поясняет Клетт, лишь увеличилась при переходе от телеграфов к спутникам. «Количество пятен помогает установить тенденцию на следующие месяцы и годы для предсказания частоты и силы возмущений», — говорит он. Королевская обсерватория Бельгии постоянно получает запросы на данные от телекоммуникационных и энергетических компаний. Коммерческие авиалинии также зависят от тенденций солнечных пятен, поскольку солнечный магнетизм влияет на скорость прохождения радиоволн в ионосфере и искажает координаты GPS. Если солнечная погода приближается к штормовой, пилоты перенесут внимание на другие инструменты навигации.
Между жизнью Земли и солнечными пятнами выводят и менее подтверждённые корреляции. Медицинские исследователи пытаются найти связь между солнечным магнетизмом и раком. Экономисты смотрят за взаимосвязью между солнечными циклами и сельским хозяйством. Климатологи хотят знать, не вызваны ли малые ледниковые периоды периодами «великих минимумов» — когда на Солнце почти нет пятен — как это происходило в XVIII столетии. На картинах того периода изображены люди, катающиеся на коньках по Темзе и Венеции.
Прогресс в климатологии особенно интересен. Известно, что излучение Солнца меняет химический состав верхних слоёв атмосферы, а солнечные пятна модулируют интенсивность различных длин волн — от инфракрасных до рентгеновских — бомбардирующих нашу планету. Связывая количество пятен с изменениями солнечного спектра, климатологи скоро смогут определить спектральную картинку Солнца во время великого минимума XVIII века.
До такого применения данных Вольф никогда бы не додумался — это будет уроком для других Вольфов настоящего и будущего: решение одной из наиболее важных проблем в современной науке — глобальное изменение климата — будет зависеть от данных, собранных задолго до того, как о ней стало известно. «Думаю, в этом суть научного исследования, во время которого вы наблюдаете за новым явлением, которое не можете понять, — говорит Клетт. — Это похоже на открытие новой территории. Вы знаете, что получите новые знания, даже сил они придут не с тех направлений, с которых вы ожидаете».
Объяснение цикла солнечных пятен станет итоговым подтверждением многовекового гамбита Вольфа. Но, как смотритель исследования солнечных пятен, Клетт с ликованием встречает и другой прорыв: недавно он связался с человеком, унаследовавшим инструменты Вольфа от предательского ассистента Валдмайера. Наблюдения при помощи старого телескопа Фраунгофера снова вносят свой вклад в дело международного подсчёта солнечных пятен.
Восторг Клетт не имеет отношения к сантиментам, а лишь отмечает главную роль Вольфа в превращении подсчёта пятен в последовательную процедуру. «Я смог определить коэффициент k этого телескопа, — говорит он. — Он идеально совпадает с тем, что определил Вольф в XIX веке — и это если учесть, что сегодня подсчётом занимается не Вольф. Совпадение k — признак того, что система мозг-глаз не претерпела изменений за последние пару столетий».
И если последняя пара столетий является хорошим индикатором, то простые наблюдения будут иметь ценность ещё очень долго. Подсчёт солнечных пятен может быть моделью любого исследования, требующего долговременного сбора данных — таких, как неуловимые изменения в поведении древней звезды за тысячи лет до превращения в сверхновую. По сравнению с исследованием сверхновых, требующим времени десятков или сотен поколений, подсчёт солнечных пятен кажется очень быстрым.
Такой долговременный эксперимент станет эпической задачей. Он будет зависеть от статистической хитроумности, достойной Вольфа, и упрямого традиционализма, достойного Волдмайера. Но, чтобы достичь наивысшего потенциала, потребуется такой спокойный склад ума, как у Швабе, которому не обязательно было знать, что именно в итоге найдут в его данных — заслуга была и в простом наблюдении за явлением природы.
