Неподвижные звёзды: иллюзия стабильности в ночном небе

Введение

Астрономические тела, которые кажутся неподвижными относительно друг друга в ночном небе.

В астрономии фиксированные звезды (stellae fixae) — это светящиеся точки, преимущественно звезды, которые кажутся не перемещающимися относительно друг друга на фоне темноты ночного неба. Это отличает их от тех светил, видимых невооружённым глазом, а именно планет и комет, которые, кажется, медленно движутся среди этих "фиксированных" звёзд. Фиксированные звезды включают в себя все звёзды, видимые невооружённым глазом, за исключением Солнца, а также слабое свечение Млечного Пути. Из-за их звёздного вида при наблюдении невооружённым глазом, немногие видимые отдельные туманности и другие объекты глубокого космоса также причисляются к фиксированным звёздам. При оптимальных условиях невооружённым глазом можно увидеть приблизительно 6000 звёзд. Термин "фиксированные звезды" является неточным, поскольку эти небесные объекты на самом деле не являются неподвижными относительно друг друга или Земли. Из-за их огромного расстояния от Земли эти объекты кажутся движущимися в небе настолько медленно, что изменение их относительного положения почти незаметно в течение человеческой жизни, за исключением внимательного изучения с помощью современных инструментов, таких как телескопы, которые могут выявить их собственные движения. Следовательно, для многих целей, таких как навигация, составление звёздных карт, астрометрия и определение времени, их можно считать "неподвижными". Из-за больших расстояний до астрономических объектов человеческое зрение не способно воспринимать трёхмерную глубину космического пространства, создавая впечатление, что все звёзды и другие внесолнечные объекты находятся на одинаковом расстоянии от наблюдателя. Исторически фиксированные звёзды часто считались закреплёнными на гигантской небесной сфере, или небесном своде, который ежедневно вращается вокруг Земли, и поэтому она была известна как "сфера фиксированных звёзд", представлявшая собой предполагаемую границу всей Вселенной. На протяжении многих веков термин "фиксированные звёзды" был синонимом этой небесной сферы. В различных культурах люди представляли, что самые яркие звёзды образуют созвездия — видимые фигуры на небе, кажущиеся постоянными и также считающиеся неподвижными. Таким образом, созвездия на протяжении веков и до сих пор используются профессиональными и любительскими астрономами для идентификации областей ночного неба.

In astronomy, the fixed stars (stellae fixae) are the luminary points, mainly stars, that appear not to move relative to one another against the darkness of the night sky in the background. This is in contrast to those lights visible to naked eye, namely planets and comets, that appear to move slowly among those "fixed" stars. The fixed stars includes all the stars visible to the naked eye other than the Sun, as well as the faint band of the Milky Way. Due to their star like appearance when viewed with the naked eye, the few visible individual nebulae and other deep sky objects also are counted among the fixed stars. Approximately 6,000 stars are visible to the naked eye under optimal conditions. The term fixed stars is a misnomer because those celestial objects are not actually fixed with respect to one another or to Earth. Due to their immense distance from Earth, these objects appear to move so slowly in the sky that the change in their relative positions is nearly imperceptible on human timescales, except under careful examination with modern instruments, such as telescopes, that can reveal their proper motions. Hence, they can be considered to be "fixed" for many purposes, such as navigation, charting of stars, astrometry, and timekeeping. Due to the large distances of astronomical objects, human vision is unable to perceive the three dimensional depth of outer space, giving the impression that all stars and other extrasolar objects are equidistant from the observer. Historically, the fixed stars were often believed to exist attached on a giant celestial sphere, or firmament, which revolves daily around Earth, and hence it was known as the "sphere of fixed stars", which acted as the supposed limit of the whole universe. For many centuries, the term fixed stars was a synonym for that celestial sphere. People in many cultures have imagined that the brightest stars form constellations, which are apparent pictures in the sky seeming to be persistent, being deemed also as fixed. That way, constellations have been used for centuries, and still are today, to identify regions of the night sky by both professional and amateur astronomers.

Пифагорейцы

Философы-пифагорейцы придерживались различных взглядов на структуру Вселенной, но в каждом из них границей являлась сфера неподвижных звёзд. Филолай (ок. V в. до н.э.) предложил модель Вселенной, в центре которой находился центральный огонь, невидимый для человека. Все планеты, Луна, Солнце и звёзды вращались вокруг этого центрального огня, при этом Земля была ближайшим к нему объектом. В этой системе звёзды располагались в самой дальней сфере, которая также вращалась, но настолько медленно, что движение не наблюдалось. Движение звёзд объяснялось вращением Земли вокруг центрального огня. Эта сфера огня вращалась вокруг Земли, увлекая за собой звёзды. Вера в неподвижность звёзд в сфере огня имела большое значение для всей системы Платона. Положение звёзд служило ориентиром для всех небесных движений и использовалось для разработки платоновских представлений о планетах, обладающих сложными движениями.

Евдокс из Книда

Евдокс, ученик Платона, родился примерно в 400 году до н.э. Будучи математиком и астрономом, он разработал одну из самых ранних моделей планетных систем, основанную на сферах, опираясь на свои математические знания. Модель Евдокса была геоцентрической: Земля представлялась неподвижной сферой в центре системы, окруженной 27 вращающимися сферами.

Аристотель

Аристотель, живший с 384 по 322 год до н.э., отмечал, что нельзя услышать движение звезд и наблюдать за их перемещением. Поэтому он заключал, что, хотя планеты могут их сдвигать, сами звезды не движутся. В книге «О небесах» он пишет: «Если бы тела звезд двигались в воздухе или огне, то шум, который они производили, был бы неизбежно оглушительным и достиг бы земли, разрушая все вокруг». Его теория о том, что звезды могут перемещаться под воздействием других тел, но сами по себе неподвижны и не совершают самостоятельных движений или вращений, долгое время пользовалась широким признанием.

Аристарх Самосский

Аристарх (III в. до н.э.) предложил раннюю гелиоцентрическую модель Вселенной, которая впоследствии вдохновила работы Коперника. В его модели Солнце, абсолютно неподвижное, находилось в центре, а все планеты вращались вокруг него. За планетами располагалась сфера неподвижных звезд, также лишенная движения. Помимо гелиоцентричности, эта система содержала еще две уникальные идеи: Земля совершала суточное вращение, создавая день и ночь, а также кажущиеся движения других небесных тел, и сфера неподвижных звезд на ее границе была чрезвычайно удалена от центра. Эта огромная удаленность должна была быть постулирована, поскольку звезды не демонстрировали параллакс, что могло быть объяснено либо геоцентричностью, либо настолько большими расстояниями, что параллакс оказывался слишком мал для измерения.

Клавдий Птолемей

Птолемей, 100–175 гг. н.э. Вскоре после этого он написал продолжение под названием «Планетарные гипотезы». Он утверждал, что звезды неподвижно закреплены в своих небесных сферах, но сами сферы не являются неподвижными. Вращение этих сфер таким образом объясняло незначительные перемещения созвездий в течение года. Его модель не получила широкого признания, несмотря на его авторитет; он был одним из первых разработчиков системы семи свободных искусств – тривиума (грамматики, логики и риторики) и квадривиума (арифметики, геометрии, музыки и астрономии), которая структурировала образование в раннем Средневековье. Тем не менее, его единственный энциклопедический труд «De nuptiis Philologiae et Mercurii» («О браке Филологии и Меркурия»), также известный как «De septem disciplinis» («О семи дисциплинах»), читали, преподавали и комментировали на протяжении всего раннего Средневековья, и он оказал влияние на европейское образование в ранний средневековый период и в эпоху Каролингского Возрождения.

Николай Коперник

Николай Коперник (1473–1543) создал гелиоцентрическую систему, состоящую из сфер, несущих каждое из небесных тел. Самой внешней сферой в его модели была сфера неподвижных звезд. Эта сфера была самой большой в его космосе как по диаметру, так и по толщине. Эта звездная сфера полностью неподвижна, поскольку звезды заключены внутри сферы, а сама сфера неподвижна. Эта сфера вращается вокруг неподвижной Земли, создавая кажущееся движение звезд на небе. Она послужила математической основой для его собственных Рудольфиновых таблиц – рабочих таблиц, позволяющих определять положения планет. Это было подтверждено первыми наблюдениями в телескоп его современником Галилео Галилеем, также сторонником Коперника.

В скандинавской мифологии

Попытки объяснить Вселенную берут начало в наблюдениях за объектами, видимыми на небе. Различные культуры исторически предлагали различные истории в ответ на вопросы о том, что они видят. Норвежская мифология возникла в Северной Европе, на территории современного региона Скандинавии и Северной Германии. Норвежская мифология состоит из сказок и мифов, происходящих из древнеисландского языка, который был северогерманским языком Средневековья. Существует ряд рукописных текстов, написанных на древнеисландском языке, содержащих сборник [35] стихотворений, зафиксированных из устной традиции. Среди историков существуют предположения относительно точных дат написания этих стихотворений, однако, по оценкам, записи текстов относятся к началу тринадцатого века. При этом устная традиция передачи сказаний существовала задолго до появления письменных рукописей и печатных изданий. Среди сохранившихся текстов упоминается мифологический бог Один. Ученые пересказывают миф о сотворении мира богами асами, который включает в себя представление о неподвижных звездах, присутствующих в космологии этого повествования. Падарик Колум написал книгу «Дети Одина», в которой подробно излагается история о том, как боги асы привели к гибели великана Имира и создали мир из его тела, прикрепив искры из пылающего Муспельхейма, или неподвижных звезд, к небесному своду, который являлся черепом Имира. Норвежский миф о сотворении мира – один из нескольких примеров, в которых звезды рассматривались как закрепленные на сфере за пределами Земли. Позднейшая научная литература демонстрирует астрономическую мысль, сохранявшую эту идею вплоть до семнадцатого века.

"Фиксированные звезды" не фиксированы

Астрономы и философы-натуралисты ранее разделяли небесные светила на две группы. Одна группа включала в себя неподвижные звезды, которые, кажется, восходят и заходят, но сохраняют одинаковое относительное расположение с течением времени и не демонстрируют заметного звездного параллакса – кажущегося изменения положения, вызванного орбитальным движением Земли. Другая группа состояла из планет, видимых невооруженным глазом, которые они называли блуждающими звездами. (Солнце и Луну иногда также называли звездами и планетами.) Планеты, кажется, движутся то вперед, то назад, меняя свое положение за короткие промежутки времени (недели или месяцы). Они всегда, кажется, перемещаются в пределах звездного пояса, называемого зодиаком. Планеты также можно отличить от неподвижных звезд, поскольку звезды обычно мерцают, а планеты кажутся сияющими ровным светом. Однако неподвижные звезды демонстрируют параллакс, который можно использовать для определения расстояния до ближайших звезд. Это движение лишь кажущееся; на самом деле движется Земля. Этот эффект был слишком мал для точного измерения до XIX века, но начиная примерно с 1670 года астрономы, такие как Жан Пикар, Роберт Гук, Джон Флемстид и другие, начали обнаруживать движение звезд и пытаться его измерить. Эти движения составляли значительные, хотя и почти незаметно малые, величины. Однако и неподвижные звезды также обладают реальным движением. Это движение можно рассматривать как состоящее из компонентов: движения галактики, к которой принадлежит звезда, вращения этой галактики и собственного движения самой звезды внутри галактики. В случае звездных систем или звездных скоплений отдельные компоненты даже движутся относительно друг друга нелинейно. Относительно Солнечной системы реальное движение звезды разделяется на радиальное движение и собственное движение, при этом "собственное движение" – это компонент, перпендикулярный лучу зрения. В 1718 году Эдмунд Галлей объявил об открытии того, что неподвижные звезды действительно имеют собственное движение. Древние культуры не замечали собственного движения, поскольку для его обнаружения требуются точные измерения в течение длительных периодов времени. Фактически, сегодняшнее ночное небо выглядит почти так же, как и тысячи лет назад, настолько, что некоторые современные созвездия были впервые названы вавилонянами. Типичный метод определения собственного движения – измерение положения звезды относительно ограниченного, выбранного набора очень далеких объектов, которые не проявляют взаимного движения и, из-за своего расстояния, предположительно имеют очень небольшое собственное движение. Другой подход – сравнение фотографий звезды, сделанных в разное время, с фоном из более далеких объектов. Звезда с самым большим известным собственным движением – Звезда Барнарда. Фраза "неподвижная звезда" технически неверна, но тем не менее она используется в историческом контексте и в классической механике. При использовании в качестве визуальной точки отсчета для наблюдений их обычно называют звездами фона или просто далекими звездами, сохраняя интуитивное представление об их "неподвижности" в практическом смысле.

Astronomers and natural philosophers before divided the lights in the sky into two groups. One group contained the fixed stars, which appear to rise and set but keep the same relative arrangement over time, and show no evident stellar parallax, which is a change in apparent position caused by the orbital motion of the Earth. The other group contained the naked eye planets, which they called wandering stars. (The Sun and Moon were sometimes called stars and planets as well.) The planets seem to move forward and back, changing their position over short periods of time (weeks or months). They always seem to move within the band of stars called the zodiac by Westerners. The planets can also be distinguished from fixed stars because stars tend to twinkle, while planets appear to shine with a steady light. However, fixed stars show parallax. It can be used to find the distance to nearby stars. This motion is only apparent; it is the Earth that moves. This effect was small enough not to be accurately measured until the 19th century, but from about 1670 and onward, astronomers such as Jean Picard, Robert Hooke, John Flamsteed, and others began detecting motion from the stars and attempting measurements. These movements amounted to significant, if almost imperceptibly small, fractions. The fixed stars exhibit real motion as well, however. This motion may be viewed as having components that consist in part of motion of the galaxy to which the star belongs, in part of rotation of that galaxy, and in part of motion peculiar to the star itself within its galaxy. In the case of star systems or star clusters, the individual components even move with respect to each other in a non linear manner. Relative to the Solar System, this real motion of a star is divided into radial motion and proper motion, with "proper motion" being the component across the line of sight. In 1718 Edmund Halley announced his discovery that the fixed stars actually have proper motion. Proper motion was not noticed by ancient cultures because it requires precise measurements over long periods of time to notice. In fact, the night sky today looks very much as it did thousands of years ago, so much so that some modern constellations were first named by the Babylonians. A typical method to determine proper motion is to measure the position of a star relative to a limited, selected set of very distant objects that exhibit no mutual movement, and that, because of their distance, are assumed to have very small proper motion. Another approach is to compare photographs of a star at different times against a large background of more distant objects. The star with the largest known proper motion is Barnard's Star. The phrase "fixed star" is technically incorrect, but nonetheless it is used in an historical context, and in classical mechanics. When used as a visual reference for observations, they usually are called background stars or simply distant stars, still retaining the intuitive meaning of they being "fixed" in some practical sense.

В классической механике

Во времена Ньютона фиксированные звезды использовались в качестве системы отсчета, считавшейся неподвижной относительно абсолютного пространства. В других системах отсчета, находящихся либо в состоянии покоя относительно фиксированных звезд, либо в равномерном движении относительно них, законы движения Ньютона должны были выполняться. Напротив, в системах отсчета, ускоряющихся относительно фиксированных звезд, в частности, вращающихся относительно них, законы движения не действовали в своей простейшей форме и требовали дополнения фиктивными силами, например, силой Кориолиса и центробежной силой. Как мы теперь знаем, фиксированные звезды не являются неподвижными. Понятие инерциальной системы отсчета больше не привязано ни к фиксированным звездам, ни к абсолютному пространству. Скорее, идентификация инерциальной системы основывается на простоте законов физики в этой системе, в частности, на отсутствии фиктивных сил. Закон инерции справедлив для галилеевой системы координат, представляющей собой гипотетическую систему, относительно которой фиксированные звезды остаются неподвижными.