Эффект чёрной капли

11 ноября 2019 года, произошло довольно редкое астрономическое явление — прохождение Меркурия по диску Солнца. Хотя на фотографии по диску Солнца проходит не Меркурий, а Венера (что случается ещё реже), изображение имеет непосредственное отношение к недавнему событию. Обратите внимание на тонкую полоску между планетой и краем солнечного диска — её принято называть «черной каплей». Эффект чёрной капли можно наблюдать и при транзите Меркурия.

Этот эффект был обнаружен в XVIII веке любителем астрономии Торберном Бергманом при наблюдении транзита Венеры в 1761 году. Основной целью наблюдений было уточнение диаметра Венеры и, с его помощью, вычисление расстояния от Земли до Солнца — а значит, и астрономической единицы, лежащей в основе всей небесной механики. При прохождении Венеры по Солнцу нужно было точно зафиксировать время второго и третьего контактов — касаний планеты с солнечным диском с внутренней стороны. Но с этим неожиданно возникли проблемы из-за эффекта чёрной капли.

Время касания предполагалось выяснить с точностью до одной секунды, но из-за растекания капли погрешность измерения времени контакта могла быть более минуты. Это соответствовало возможной ошибке в расчёте диаметра Венеры до 2000 км. С такими неточными наблюдениями говорить об аккуратном вычислении астрономической единицы не приходилось. Для решения этой проблемы стали искать объяснения эффекта — в надежде, что это позволит его скорректировать.

Основной возможной причиной появления чёрной капли считалось наличие у Венеры толстой атмосферы, которая продолжает поглощать свет после того, как точка контакта дисков Венеры и Солнца пройдена. Это предположение обобщалось и на Меркурий — считалось, что у него тоже есть атмосфера, но из-за того, что она гораздо тоньше, чем у Венеры, эффект чёрной капли заметен значительно меньше.

Второе объяснение явления предполагало связь чёрной капли с эффектами дифракции. Действительно, если медленно сводить большой и указательный пальцы, глядя между ними на свет, то ещё до того, как почувствовать касание, вы заметите маленький тёмный мостик между ними. Что-то похожее, вероятно, происходит и с диском планеты при прохождении края Солнца.

Третье объяснение было связано с эффектом потемнения солнечного диска к краю Солнца. Толщина области Солнца, из которой может выйти свет, у края значительно меньше, чем в центре. В момент касания диск планеты проходит по самому тонкому и тёмному слою — и на контрасте с другими слоями создаётся впечатление наличия тёмного мостика.

Ещё одно возможное объяснение связано с дрожанием слоёв воздуха в атмосфере Земли. Свет, проходя через слои различной плотности, преломляется и искажается; при этом могут создаваться более тёмные и светлые области.

Все эти явления могли накладываться друг на друга и действовать сообща. Разобраться в том, какой вклад в эффект чёрной капли вносит каждое из них, долгое время не удавалось.

Поскольку устранить эффект не получалось, в XIX веке пытались рассчитать его влияние и длительность, чтобы всё-таки узнать более точное значение астрономической единицы. Для этого использовали специальные приборы, которые позволяли воспроизвести прохождение планеты по диску Солнца и оценить длительность эффекта, — но даже они не позволяли достичь необходимой точности.

В XX веке одно из объяснений — причём как раз то, которое долго считали главным, — было исключено. Стало доподлинно известно, что у Меркурия атмосферы практически нет. Поскольку эффект чёрной капли для него наблюдается, «атмосферную» гипотезу его появления можно признать несостоятельной.

Кстати, предположение о наличии атмосферы у Венеры первым выдвинул М. В. Ломоносов, наблюдавший то же самое прохождение Венеры в 1761 году, что и Бергман. Перед первым контактом с диском Солнца (с внешней стороны) Ломоносов заметил «пупырь» вокруг части планеты, который он объяснил рефракцией в атмосфере Венеры. Появление светящегося ореола — очень слабый эффект, и высказывалось предположение, что Ломоносов не мог его наблюдать и перепутал свой «пупырь» с чёрной каплей — т. е. сделал правильное заключение, используя неверные наблюдения. Однако в 2012 году удалось доказать, что увидеть свечения атмосферы Венеры можно было и с той оптикой, которая была в распоряжении Ломоносова.

Хотя значения астрономической единицы и радиуса Венеры получены уже несколькими различными способами, эффект чёрной капли всё ещё остаётся интересным для исследования и отчасти спорным. Пока его не удаётся объяснить до конца, однако последние наблюдения дают уверенность, что эффекты дифракции и потемнения Солнца к краю верны. При наблюдениях транзита Меркурия в 1999 году с помощью орбитального космического телескопа TRACE эффект чёрной капли был устранён, а в 2004 году от него удалось избавиться и при транзите Венеры; подробнее об этом см. в статье The black-drop effect explained.

11 ноября 2019 года был редкий шанс наблюдать транзит Меркурия — следующего придётся ждать довольно долго, до 13 ноября 2032 года (см. календарь). Чёрную каплю можно увидеть только в достаточно большой телескоп, но даже без этого эффекта наблюдение за транзитом — всегда интригующий опыт.

Фото (с) Rodney Pommier с сайта astronomy.com: третий контакт при прохождении Венеры по диску Солнца 5 июня 2012 года, Гавайи.

Автор Александр Яровитчук

Источник: m.vk.com