На основании своих инженерных и математических навыков Галилей изготовил ряд телескопов с гораздо лучшими оптическими свойствами, чем у голландского инструмента. Его первый телескоп давал примерно четырехкратное увеличение и был сделан из линз, уже имевшихся в его распоряжении. Для улучшения качества своих телескопов Галилей научился изготавливать и полировать собственные линзы и в августе 1609 г. получил инструмент с восьми– или девятикратным увеличением. Он быстро осознал коммерческую и военную (особенно для целей мореплавания) ценность своего прибора, который он назвал perspicillum. В холодные ясные ночи зимы 1609 г. Галилей поворачивал свой телескоп к ночному небу, и ему удалось сделать несколько замечательных открытий.
Астрономические открытия Галилея были описаны в небольшой книге под названием «Звездные послания», изданной в Венеции в мае следующего года. Они произвели настоящую сенсацию. Помимо всего прочего Галилей утверждал, что Млечный Путь состоит из крошечных звезд и что он видел четыре небольших спутника Юпитера и горы на Луне.
Научные исследования Галилея легко могли пасть жертвой католической церкви, если бы его изображения Луны стали достоянием общественности. Согласно христианской традиции Солнце и Луна были безупречными незапятнанными сферами. Они просто не могли быть иными, поскольку их создал Господь, чьи творения не могли содержать изъянов. В конце концов папа римский поместил Галилея под постоянный домашний арест за богохульное утверждение, что Солнце находится в центре Солнечной системы. Возможно, Галилей знал о Луне гораздо больше, чем был готов признать публично.
Для объяснения элементов лунного ландшафта, не противоречащего церковным доктринам, в христианских странах был предложен целый ряд гипотез. Вероятно, наиболее популярной из них – по крайней мере в течение некоторого времени – было предположение о том, что Луна является совершенным зеркалом. Таким образом на поверхности Луны люди видели не элементы лунного ландшафта, а отражение элементов земного ландшафта. Никому не пришло в голову, что, поскольку Луна вращается вокруг Земли, отметины на лунном диске должны постоянно изменяться, так как Земля под ним не остается неизменной.
Другая гипотеза, принятая в некоторых кругах, заключалась в существовании таинственных испарений между Землей и Луной. Считалось, что образы, присутствовавшие в солнечном свете, отражались от этих «паров». Но самая популярная теория, не нарушавшая церковную доктрину, гласила, что вариации плотности Луны создают оптические иллюзии, которые мы видим как отметины на лунной поверхности. Это странное объяснение было безопасным, хотя едва ли могло убедить ученых того времени и определенно не производило никакого впечатления на Галилея.
После Галилея конструкция телескопов была значительно усовершенствована, и всем, кто изучал Луну, стало ясно, что она представляет собой сферу со скалистой и неровной поверхностью. По мере того как церковь постепенно утрачивала свою власть над научной мыслью, многие старые представления о Луне становились неприемлемыми. Но никто не имел представления, откуда взялась Луна и почему она движется именно по такой орбите вокруг Земли.
Вскоре тема Луны приобрела важное значение для астрономов. Империи, создаваемые Британией, Францией и Испанией, неуклонно расширялись. Это требовало длительных морских путешествий и привело к настойчивым поискам определения долготы на корабле, который находится в море. Довольно легко установить положение на поверхности планеты по линии север – юг (широта), но долгое время было невозможно узнать, где вы находитесь на линии восток – запад (долгота). К примеру, в Северном полушарии широту можно быстро вычислить, измерив угловое расстояние между горизонтом и Полярной звездой. Этот угол также определяет положение наблюдателя к северу от экватора.
Проблема долготы в конце концов была решена с помощью чрезвычайно точных часов на борту корабля, установленных на время отплытия. Было нетрудно вычислить разницу между местным временем, скажем в полдень, и временем в порту отплытия. После этого определение истинного положения наблюдателя на земной поверхности сводилось к нескольким операциям сложения и вычитания. Тем не менее прошло много десятилетий, прежде чем удалось изготовить достаточно точные часы. Между тем астрономы искали другие способы определения долготы – не в последнюю очередь из-за баснословного приза, предложенного тому, кто сможет решить проблему. Многие из них обратились к Луне как к надежному средству определения долготы.
Астрономы предположили, что если бы были составлены действительно точные таблицы положения Луны по отношению к фоновым звездам, то можно было бы правильно определять время в порту отплытия. Луна находится довольно близко к Земле и быстро вращается вокруг нее, двигаясь по небосводу примерно на 13° в день. Наблюдение за Луной было довольно простым способом для того, чтобы установить местное время, а затем проделать необходимые расчеты для определения положения наблюдателя.
Однако таблицы, необходимые для выполнения такой задачи, были очень сложными, и вскоре после того как появились точные хронометры, было решено отказаться от Луны как средства для определения долготы. Но желание решить эту проблему и потенциальная возможность ее решения означали, что Луна привлекает большое внимание астрономов. В XVII в. начали появляться очень точные карты лунной поверхности.
Первое логическое объяснение происхождения Луны было выдвинуто в XIX в. Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина, автора теории естественного отбора, был известным и авторитетным астрономом, который тщательно изучал Луну и в 1878 г. выступил с так называемой теорией разделения. По всей видимости, Джордж Дарвин был первым астрономом, установившим, что Луна отдаляется от Земли. На основе скорости расхождения двух небесных тел Дж. Дарвин предположил, что когда-то Земля и Луна составляли единое целое. В далеком прошлом эта расплавленная вязкая сфера очень быстро вращалась вокруг своей оси, совершая один полный оборот примерно за пять с половиной часов.
Дарвин предположил, что в дальнейшем приливное воздействие Солнца стало причиной так называемого разделения: кусок расплавленной Земли размером с Луну отделился от главной массы и в конце концов занял свое положение на орбите. Эта теория выглядела вполне разумно и стала главенствующей в начале XX в. Она подверглась серьезной атаке лишь в 1920-х, когда британский астроном Гарольд Джеф-фрис показал, что вязкость Земли в полурасплавленном состоянии препятствовала бы возникновению достаточно мощной вибрации, которая могла привести к разделению двух небесных тел.
Вторая теория, некогда убедившая ряд специалистов, называлась аккреционной теорией. Она гласила, что вокруг уже сформировавшейся Земли постепенно аккумулировался диск из плотных частиц, напоминающий кольца Сатурна. Предполагалось, что частицы этого диска в конечном счете объединились и образовали Луну. Существует несколько причин, в силу которых такое объяснение не может быть удовлетворительным. Одной из главных является угловой момент движения системы Земля – Луна, который никогда не стал бы таким, как он есть, если бы Луна образовалась из аккреционного диска. Существуют также затруднения, связанные с образованием океанов расплавленной магмы на «новорожденной» Луне.