Аномальное смещение перигелия Меркурия — обнаруженная в 1859 году особенность движения планеты Меркурий, сыгравшая исключительную роль в истории физики.

Это смещение оказалось первым движением небесного тела, которое не подчинялось ньютоновскому закону всемирного тяготения. Физики были поставлены перед необходимостью искать пути модифицировать или обобщить теорию тяготения. Поиски увенчались успехом в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности (ОТО); из уравнений ОТО вытекало именно такое значение смещения, которое фактически наблюдалось. Позже были измерены аналогичные смещения орбит нескольких других небесных тел, значения которых также совпали с предсказанными ОТО.
Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман заметил, что долгое время ньютоновская теория тяготения полностью подтверждалась наблюдениями, но для объяснения едва заметного отклонения в движении Меркурия потребовалась коренная перестройка всей теории на основе нового понимания гравитации.
Открытие эффекта
Параметры орбит планет Солнечной системы из-за взаимовлияния этих планет со временем претерпевают медленные изменения. В частности, ось орбиты Меркурия постепенно поворачивается (в плоскости орбиты) в сторону орбитального движения, соответственно, смещается и ближайшая к Солнцу точка орбиты — перигелий («прецессия перигелия»). Угловая скорость поворота составляет примерно 500″ (угловых секунд) за 100 земных лет, так что в исходное положение перигелий возвращается каждые 260 тыс. лет.
Урбен Леверье
В середине XIX века астрономические расчёты движения небесных тел, основанные на ньютоновской теории тяготения, давали чрезвычайно точные результаты, неизменно подтверждаемые наблюдениями («астрономическая точность» вошла в поговорку). Триумфом небесной механики в 1846 году стало открытие Нептуна в теоретически предсказанном месте небосвода.
В 1840—1850-е годы французский астроном Урбен Леверье, один из первооткрывателей Нептуна, на основе 40-летних наблюдений Парижской обсерватории разработал теорию движения Меркурия. В своих статьях 1859 года Леверье сообщил, что в 1846 году обнаружил небольшое, но существенное расхождение теории с наблюдениями — перигелий смещался несколько быстрее, чем следовало из теории. В своих расчётах Леверье учёл влияние всех планет:
Планета Вклад в смещение перигелия Меркурия
(в угловых секундах за столетие)
Венера 280,6
Земля 83,6
Марс 2,6
Юпитер 152,6
Сатурн 7,2
Уран 0,1
В итоге рассчитанное Леверье теоретическое значение смещения составило 526,7″ за столетие, а наблюдения показали примерно 565″. По современным уточнённым данным, смещение несколько выше и равно 570″. Таким образом, разница составляет около 43″ за столетие. Хотя это различие невелико, оно значительно превышает погрешности наблюдения и нуждается в объяснении.
Для решения проблемы аномалии выдвигались гипотезы в основном двух типов.
«Материальные гипотезы»: смещение вызвано влиянием какой-то материи вблизи Солнца.
Новые теории тяготения, отличные от ньютоновской.
Попытки объяснения в рамках классической теории тяготения
Вулкан и вулканоиды
Леверье предположил, что аномалия объясняется наличием неизвестной планеты (или нескольких малых планет) внутри орбиты Меркурия. Эту гипотезу поддержал авторитетный французский астроном Франсуа Феликс Тиссеран. По предложению физика Жака Бабинэ гипотетической планете дали имя «Вулкан». Из-за её близости к Солнцу наилучшим способом обнаружить Вулкан были наблюдения во время солнечного затмения или во время прохождения Вулкана между Землёй и Солнцем; в последнем случае планета была бы видна как тёмное пятно, быстро пересекающее солнечный диск.
Предполагаемая орбита Вулкана (VULCAN) на схеме внутренних планет Солнечной системы
Вскоре после публикаций 1859 года французский астроном-любитель Эдмон Лескарбо (Edmond Modeste Lescarbault) сообщил Леверье, что в 1845 году наблюдал перед Солнцем тёмный объект, зарегистрировал его координаты, однако тогда не придал наблюдению должного значения. Леверье по результатам Лескарбо вычислил, что объект втрое ближе к Солнцу, чем Меркурий, период обращения составляет 19 дней 7 часов, диаметр около 2000 км. При этом, если плотность Вулкана близка к плотности Меркурия, его масса составляет 1/17 массы Меркурия. Однако тело с такой небольшой массой не может вызвать наблюдаемый сдвиг перигелия Меркурия, поэтому Леверье предположил, что Вулкан — не единственная малая планета между Меркурием и Солнцем. Он рассчитал примерную орбиту Вулкана и в 1860 году, когда ожидалось полное солнечное затмение, призвал астрономов всего мира посодействовать в обнаружении Вулкана. Все наблюдения оказались безрезультатны.
Планету искали несколько десятилетий, но по-прежнему безо всякого успеха. Были ещё несколько неподтвердившихся сообщений об открытии — за новую планету принимали солнечные протуберанцы, солнечные пятна, а также звёзды и мелкие околоземные астероиды, близко расположенные к диску Солнца во время затмения. После каждого такого сообщения астрономы заново рассчитывали орбиту предполагаемого Вулкана и ждали, что при следующем прохождении перед Солнцем планета будет повторно найдена, но она больше не появлялась. Последние сообщения о возможном открытии Вулкана были опубликованы в начале 1970-х годов, причиной оказалось падение кометы на Солнце.
Вариант с несколькими малыми планетами, которых заранее назвали «Вулканоидами», был также тщательно проверен. Леверье верил в существование Вулкана или вулканоидов до конца жизни (1877), однако ни одного прохождения сколько-нибудь крупного неизвестного объекта по диску Солнца достоверно зарегистрировать не удалось. В 1909 году американский астроном Уильям Уоллес Кэмпбелл уже имел основания уверенно заявить, что между Меркурием и Солнцем нет объектов крупнее 50 км в диаметре.
Anomalous displacement of the perihelion of mercury-discovered in 1859, a feature of the movement of the planet mercury, which played an exceptional role in the history of physics. This shift was the first movement of a celestial body that did not obey Newton's law of universal gravitation. Physicists were faced with the need to find ways to modify or generalize the theory of gravity. The search was crowned with success in 1915, when albert Einstein developed the General theory of relativity (GRT); from THE GRT equations followed exactly the value of the displacement that was actually observed. Later, similar displacements of the orbits of several other celestial bodies were measured, the values of which also coincided with the predicted GRO.
The Nobel prize-winning physicist Richard Feynman noted that for a long time, Newton's theory of gravity was fully supported by observations, but to explain the barely noticeable deviation in the motion of mercury, it required a radical restructuring of the entire theory based on a new understanding of gravity.
Opening an effect
The parameters of the orbits of the planets of the Solar system due to the mutual influence of these planets undergo slow changes over time. In particular, the axis of the orbit of mercury gradually turns (in the plane of the orbit) in the direction of orbital motion, and accordingly, the closest point of the orbit to the Sun — the perihelion ("precession of the perihelion") is shifted. The angular velocity of rotation is approximately 500 " (arc seconds) per 100 earth years, so that the perihelion returns to its original position every 260 thousand years.
Urbain Le Verrier
In the mid-nineteenth century, astronomical calculations of the motion of celestial bodies based on Newton's theory of gravity produced extremely accurate results, which were invariably confirmed by observations ("astronomical accuracy" is proverbial). The triumph of celestial mechanics in 1846 was the discovery of Neptune in the theoretically predicted location of the firmament.
In the 1840s and 1850s, French astronomer Urbain Leverrier, one of the discoverers of Neptune, based on 40 years of observations at the Paris Observatory, developed a theory of the movement of mercury. In his 1859 papers, Leverrier reported that in 1846 he found a small but significant discrepancy between the theory and observations — the perihelion shifted slightly faster than the theory suggested. In his calculations Leverrier took into account the influence of all the planets:
Planet Contribution to mercury's perihelion shift
(in arcseconds per century)
Venus 280.6
Land 83.6
Mars 2.6
Jupiter of 152.6
Saturn of 7.2
Uranium 0.1
As a result, leverier's calculated theoretical displacement value was 526.7 "per century, and observations showed approximately 565". According to modern updated data, the offset is slightly higher and equal to 570". So the difference is about 43" per century. Although this difference is small, it significantly exceeds the error of observation and needs to be explained.
Two types of hypotheses were put forward to solve the anomaly problem.
"Material hypotheses": the displacement is caused by the influence of some matter near the Sun.
New theories of gravity other than Newton's.
Attempts to explain within the framework of the classical theory of gravitation
The volcano and vulcanite
Leverrier suggested that the anomaly was due to the presence of an unknown planet (or several minor planets) inside the orbit of mercury. This hypothesis was supported by the authoritative French astronomer Francois Felix Tisserand. At the suggestion of physicist Jacques Babinet, the hypothetical planet was given the name "Volcano". Because of its proximity to the Sun, the best way to detect a Volcano was to observe during a solar Eclipse or during the passage of a Volcano between Earth and the Sun; in the latter case, the planet would be visible as a dark spot rapidly crossing the solar disk.
The assumed orbit of Vulcan on the diagram of the inner planets of the Solar system
Soon after the publication of 1859, the French Amateur astronomer Edmond lescarbault (Edmond Modeste Lescarbault) told Leverrier that in 1845 he had observed a dark object in front of the Sun, registered its coordinates, but then did not attach the necessary significance to the observation. Le Verrier's results Lescarbot figured out that the object three times closer to the Sun than mercury, its orbital period is 19 days, 7 hours, diameter is about 2000 km if the density of a Volcano is close to the density of mercury, its mass is 1/17 of mercury's mass. However, a body with such a small mass cannot cause the observed shift in mercury's perihelion, so Leverrier suggested that Vulcan is not the only minor planet between mercury and the Sun. He calculated the approximate orbit of the Volcano and in 1860, when a total solar Eclipse was expected, called on astronomers around the world to help in detecting the Volcano. All observations were fruitless.
The planet was searched for several decades, but still without any success. There were several other unconfirmed reports of discovery — solar prominences, sunspots, as well as stars and small near-earth asteroids close to The sun's disk during the Eclipse were taken for a new planet. After each such report, astronomers re-calculated the orbit of the supposed Volcano and waited for the planet to be rediscovered the next time it passed in front of the Sun, but it did not appear again. The last reports about the possible discovery of the Volcano were published in the early 1970s, the cause was the fall of a comet on the Sun.
The option of several small planets, which previously called "Vulcanoids", was also carefully checked. Leverrier believed in the existence of a Volcano or volcanoids until the end of his life (1877), but no passage of any large unknown object on the disk of the Sun could be reliably recorded. In 1909, the American astronomer William Wallace Campbell already had reason to confidently state that there are no objects larger than 50 km in diameter between mercury and the Sun.