10.4. Лунные законы Кассини

Фамилия Кассини широко известна в истории астрономии, т.к. она объединяет ряд астрономов, принадлежащих к блестящей династии французских учёных XVII ─ XIX веков. Наиболее знаменитым является её основатель, выдающийся итальянский астроном -наблюдатель Джованни Доменико Кассини (1625 ─ 1712), именем которого названы многие астрономические объекты: кратеры Кассини на Луне и на Марсе, щель Кассини в кольцах Сатурна, законы Кассини – три закона движения Луны. Первый искусственный спутник Сатурна, запущенный 15.1.1997 и достигший цели 1.07.2004, также носил имя «Кассини – Гюйгенс». Спускаемый с него зонд «Кассини» совершил посадку на поверхность Титана – спутника Сатурна, открытого Гюйгенсом в 1655 г.

10.4.1. От астрологии к астрономии

Родился Дж. Кассини 08.06.1625 г. в Италии в небольшом городе Перинальдо (Генуэзская республика). Получив начальное образование в иезуитском колледже в Генуе, а затем в аббатстве Сан - Фруктуозо, он заинтересовался, а затем и увлекся астрологией, добившись на этом поприще немалых успехов и даже признания. Об этих успехах прослышал богатый астроном-любитель, сенатор Болоньи маркиз Корнелио Мальвазия, увлекавшийся составлением астрологических таблиц и в связи с этим искавший квалифицированного помощника для работы в своей обсерватории. Получив приглашение маркиза, молодой астролог с 1644 и до 1650 г. становится его активным помощником, совершенствуя наблюдательные инструменты и проводя тщательные наблюдения небесных светил.

Несмотря на полученное иезуитское образование, пытливый юноша в своих наблюдениях начинает постигать и чувствовать логичность и красоту научных фактов, а также их отстранённость от стандартных астрологических построений. Критическое отношение к астрологии ещё более укрепилось после ознакомления Кассини с трактатом Пико делла Мирандолы «Против предсказательной астрологии». В результате молодой астролог стал постепенно превращаться в астронома, исповедующего совершенно иные цели, принципы и убеждения. Он начал более серьёзно изучать математику, и в 1650 г. после смерти Б. Кавальери занял его место профессора математики и астрономии в Болонском университете, на котором и оставался вплоть до 1669 года. За это время он провёл множество высокоточных наблюдений Солнца, Луны и планет, зарекомендовав себя как проницательного наблюдателя. Так в 1662 г. он издал уточнённые солнечные таблицы и определил период вращения Солнца вокруг его оси. В это же время он на основе своих наблюдений разработал первую количественную теорию атмосферной рефракции, использующую законы преломления света.

Начиная с 1664 г., Кассини получил возможность изучения поверхностей планет посредством больших телескопов с высококачественной оптикой. И результаты не заставили себя ждать: наблюдая за облачной поверхностью Юпитера и зарисовывая её неоднородности, он впервые определил период суточного вращения планеты (9 часов, 56 минут, современное же значение – 9 часов, 55 минут и 30 секунд). Также он вычислил сплюснутость диска планеты и описал систему темных полос на нём. Двумя годами позднее аналогичные наблюдения Марса и Венеры позволили Кассини весьма точно найти периоды их суточного вращения. Важное значение для мореходов приобрели таблицы эфемерид спутников Юпитера, составленные Кассини в 1668 г. и предназначенные для счисления географической долготы судна (положения спутников относительно диска планеты позволяли, по мнению Галилея, достаточно точно определять время суток на земном корабле). Расчеты и наблюдения Кассини наглядно продемонстрировали практические возможности новой астрономии, пробудив интерес к ней в широких кругах европейского общества. В 1669 г. он был избран членом Парижской академии наук, после чего по рекомендации известного французского астронома Ж. Пикара (1620 ─ 1682) был приглашён королем Людовиком XIV занять пост директора строившейся Парижской обсерватории, на котором он и оставался вплоть до своей смерти. И вскоре в этой обсерватории (в 1675г) ее сотрудник,молодой датский астроном Оле Ремер (1644-1710) прославил свое имя выдающимся результатом – он из наблюдений спутников Юпитера и Эфемерид Кассины сумел определить скорость света.

Переехав в 1669 г. в Париж уже сложившимся и известным ученым, Кассини с энтузиазмом отдаётся наблюдениям планет в новой обсерватории и на новом оборудовании, причем основным объектом его наблюдений стал Сатурн и его спутники. Он последовательно открывает Япет (1671), Рею (1672), Тетис и Диону (1684), а заметив периодические изменения яркости Япета, дал правильное объяснение этому явлению: он всегда обращён к центральному светилу одной стороной. В 1675г. он обнаружил, что кольцо Сатурна не является сплошным, а разделено на два концентрических кольца довольно широкой щелью, которая получила впоследствии название «щель Кассини». Размышляя над физической природой колец Сатурна, он в 1705 г. пришёл к выводу, что они состоят из огромного количества небольших частиц, как это и подтвердилось в дальнейшем.

В 1672 году сотрудник Парижской обсерватории Жан Реше обнаружил, что период качаний маятника различен на разных широтах Земного шара. Этот факт в свете нарождавшейся теории тяготения мог свидетельствовать о том, что Земля не является идеальным шаром и обладает либо сплющенной, либо вытянутой формой относительно своей оси. В разгоревшейся дискуссии Ньютон придерживался первой точки зрения, тогда как парижские астрономы, а вместе с ними и Кассини – второй. Обнаруженное Реше замедление колебаний маятника близ экватора первоначально объясняли лишь действием центробежной силы, так что для выяснения сплюснутости или вытянутости Земли потребовалось точное измерение длины её меридиана. В решении этой задачи принимал участие как сам Дж. Кассини, так и его потомки и родственники по династии. Окончательное решение этой проблемы было достигнуто только в 1736 году и оно, как и следовало ожидать, совпало с мнением Ньютона.

Сотрудничество Кассини с Ж. Реше имело ещё один важный аспект: занимаясь фиксацией положений Марса на небесной сфере, им впервые удалось весьма точно вычислить и расстояния до него, после чего уже нетрудно было определить и расстояние от Земли до Солнца. Оно оказалось равным 140 млн. км, что было достаточно близко к его современному значению, равному 150 млн. км (до этого считалось, что оно составляет 8 млн. км).

Последние астрономические работы Кассини были связаны с наблюдением Луны и изучением её движений. На основе этих наблюдений, проведённых в 1671 ─ 1679 гг., Кассини составил подробную карту видимой поверхности Луны, а в 1693 году сформулировал три кинематических закономерности лунных движений (т.н. «законы Кассини»):

1) Луна равномерно вращается вокруг своей оси и с такой же угловой скоростью обращается по своей орбите вокруг Земли, «глядя» на неё одной своей стороной;

2) ось собственного вращения Луны образует постоянный угол (около 1,5º) с осью мира (нормалью к плоскости орбиты Земли);

3) ось вращения Луны, ось лунной орбиты и ось Мира всегда лежат в одной плоскости.

Эти законы сыграли важную роль при построении теории движения Луны и, в частности, позволили достаточно точно вычислить величину лунных либраций, позволяющих земному наблюдателю видеть несколько более 50% лунной поверхности.

Из сказанного видно, что именно Кассини положил начало наблюдательной планетной астрономии, причём он не ограничивался одной лишь констатацией своих результатов, но и давал им обоснованные физические объяснения и интерпретации. Cвоё научное кредо он лаконично выразил следующей фразой: «Я полагаюсь исключительно на собственную интуицию, т.к. никакие расчёты не оправдывают себя, если за точностью не стоят эмоции».