Эффект черной капли

На фото — прохождение Венеры по диску Солнца 5 июня 2012 года. Обратите внимание на тонкую полоску между планетой и краем солнечного диска — ее принято называть «черной каплей». И хотя сегодня по диску Солнца пройдет не Венера, а Меркурий (см. картинку дня Транзит Меркурия), это фото имеет непосредственное отношение к сегодняшнему событию: эффект черной капли можно наблюдать и при транзите Меркурия.

Этот эффект был обнаружен любителем астрономии Торберном Бергманом при наблюдении транзита Венеры в 1761 году. Бергман собирался рассчитать время касания края планеты с диском Солнца и на основе этих данных вычислить диаметр Венеры и более точное значение расстояния от Земли до Солнца (и тем самым уточнить значение астрономической единицы). 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 черной капли.

Зарисовка эффекта черной капли австралийским любителем астрономии, часовщиком Ф. Аллердингом, при транзите Венеры 9 декабря 1874 года. Чем дальше от края солнечного диска уходит планета, тем тоньше становится черная капля, постепенно превращаясь в «нитку». Изображение с сайта SkyAndTelescope.com

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 расчете диаметра Венеры до 2000 км. С такими неточными наблюдениями говорить об аккуратном вычислении астрономической единицы не приходилось. Тогда стали искать объяснение этого эффекта — в надежде, что это позволит его скорректировать.

Основной возможной причиной появления черной 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 черной капли заметен значительно меньше.

Второе объяснение явления предполагало связь черной капли с эффектом дифракции. Действительно, если медленно сводить большой и указательный пальцы, глядя между ними на свет, то еще до того, как почувствовать касание, вы заметите маленький темный 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 темному слою — и на контрасте с другими слоями создается впечатление наличия темного мостика.

«Черная капля» могла быть таже вызвана дрожанием слоев воздуха в атмосфере Земли. Свет, проходя через слои различной плотности, преломляется и искажается; при этом могут создаваться более темные и светлые области.

Все эти явления могли накладываться друг на друга и действовать сообща. Разобраться в том, какой вклад в эффект черной 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.

Прибор для моделирования эффекта черной капли, использовавшийся во время наблюдений за транзитом Венеры 1874 года Голландской астрономической экспедицией на Реюньон. Прибор устанавливали в нескольких сотнях метров от телескопов и при помощи винта имитировали второй и третий контакты, чтобы лучше оценить ошибки измерений, проводимых учеными. Фото с сайта eso.org

В XX веке одно из объяснений — причем как раз то, которое долго считали главным, — было исключено. Стало доподлинно известно, что у Меркурия атмосферы практически нет. Поскольку эффект черной 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 черной каплей — то есть сделал правильное заключение, используя неверные наблюдения. Однако в 2012 году удалось доказать, что увидеть свечение 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 черной капли всё еще остается интересным для исследования и отчасти спорным. Пока его не удается объяснить до конца, однако последние наблюдения дают уверенность, что дифракция и потемнение Солнца к краю вносят в него свой вклад. При наблюдениях транзита Меркурия в 1999 году с помощью орбитального космического телескопа TRACE эффект черной капли был устранен, а в 2004 году от него удалось избавиться и при транзите Венеры; подробнее об этом см. в статье The black-drop effect explained.

Эффект черной капли тем слабее, чем выше разрешение телескопа. Фото с сайта eso.org.

Сегодня, 11 ноября 2019 года, есть редкий шанс наблюдать транзит Меркурия — следующего придется ждать довольно долго, до 13 ноября 2032 года (см. календарь). Сегодняшний транзит начнется в 15:36 по московскому времени (в 11:36 по всемирному времени)  и закончится в 21:04; подробнее см. на сайте eclipsewise.com. В европейской части России, если позволит погода, можно будет увидеть только начало прохождения Меркурия по солнечному диску (заход Солнца в Москве в 16:30). Для наблюдения потребуется бинокль или телескоп, а также специальные фильтры, либо экран для проекции. Ни в коем случае не смотрите на Солнце невооруженным глазом (и тем более при помощи оптики без светофильтра)!

Черную каплю можно увидеть только в достаточно большой телескоп, но даже без этого эффекта наблюдение за транзитом — всегда интригующий опыт.

UPDATE. См. видео транзита меркурия 11 ноября 2019 года, сделанное Обсерваторией солнечной динамики НАСА (Solar Dynamics Observatory, SDO), а также много других видео на страничке 2019 Mercury Transit.

Фото © Rodney Pommier с сайта astronomy.com. Третий контакт при прохождении Венеры по диску Солнца. Вулкан Халеакала, остров Мауи, Гавайские острова, 5 июня 2012 года, 18:27:54 по гавайско-алеутскому стандартному времени (Hawaii–Aleutian Standard Time, HST).

Александр Яровитчук