|
|
ГЛАВА I "ЧТО ТАКОЕ ДВОЙНАЯ СИСТЕМА?"
Эффект Доплера
Когда рассказывают об эффекте Доплера, часто вспоминают шутку про физика, который проехал перекресток на красный свет. Находчивый нарушитель объяснил полицейскому, что из-за эффекта Доплера красный свет светофора ему показался зеленым. Но полицейский оказался не менее сообразительным человеком и оштрафовал физика за превышение скорости. Этот анекдот, по-видимому, глубоко запал в сознание службы дорожного движения. Сейчас на обочинах дорог часто можно увидеть милицейскую машину, в которой находится специальный прибор, измеряющий скорость проходящего транспорта. Работа этого прибора основана на эффекте Доплера, который состоит в следующем.
Пусть имеется излучатель периодических импульсов и их приемник. Если излучатель покоится, то приемник будет принимать сигналы с той же периодичностью, с которой они излучаются (пусть, например, период излучателя равен Ризл). Теперь пусть излучатель движется в направлении на приемник (или от него) со скоростью v. За время Ризл излучатель пройдет расстояние v * Ризл. Значит, следующий импульс придет с меньшего (большего) расстояния. Причем импульс придет раньше (позже) на время, за которое сигнал проходит сдвиг излучателя, т. е. v * Ризл/с, где с ≈ скорость распространения сигналов. Период сигналов, поступающих в приемник, изменится на
величину delta Р = Рпр - Ризл. Относительное изменение периода и есть эффект Доплера:
Если период излучателя известен, то, сравнивая его с принимаемым периодом, можно найти скорость приближения или удаления излучателя. Прибор, измеряющий скорость автомобилей, ≈ одновременно и излучатель, и приемник. Он облучает машины и принимает отраженный сигнал. Следовательно, в этом случае нет проблем с величиной Ризл.
Астрономы тоже измеряют скорости с помощью эффекта Доплера. Ведь свет звезд ≈ это электромагнитные волны, особые объекты, состоящие из колеблющихся магнитных и электрических полей. Как правило, здесь работают не с периодами, а с длинами волн. Напомним, что длина волны ≈ это путь, который волна проходит за
один период: Lambda = с*Р. Относительное изменение длины волны определяется также отношением скорости движения источника света к скорости света. Ясно, что эффект Доплера зависит только от компоненты скорости, направленной вдоль луча зрения. Эту компоненту называют лучевой скоростью Уд:
Но возникает вопрос, откуда астроном знает длину волны света, излученного звездой? В излучении звезд имеется полный набор электромагнитных волн с разными длинами ≈ спектр. Вообще говоря, спектр излучения, выходящего из недр звезды на ее поверхность (фотосферу),≈ совершенно гладкий и непрерывный: количество
Рис. 23. Возникновение линий поглощения в непрерывном спектре
энергии, излучаемое звездой в той или иной длине волны, меняется плавно с изменением длины волны (рис. 23).
Мы уже приводили понятие абсолютно черного тела ≈ тела, находящегося в термодинамическом равновесии. Чтобы получить абсолютно черное тело, нужно его окружить со всех сторон тепло- и светонепроницаемыми стенками. Это необходимо для того, чтобы вещество и электромагнитные волны пришли в тепловое равновесие, при котором в среднем энергия не переходит от вещества к излучению, и наоборот. Так бывает с телами, имеющими одинаковую температуру. В этом смысле говорят о температуре излучения. Спектр абсолютно черного тела описывается формулой, которую на рубеже
XIX и XX веков вывел Макс Планк.Недра звезд столь непрозрачны, что электромагнитные волны очень долго поглощаются и излучаются, прежде чем выйти на поверхность звезды. За это время вещество и излучение приходят в квазиравновесие, поэтому спектр выходящего из фотосферы излучения близок к спектру абсолютно черного тела. На этом спектре нет ⌠ни сучка ни задоринки■. Если вы приняли свет с определенной длиной волны, изменившейся из-за движения звезды, то это не поможет вам определить скорость
звезды.К счастью, природа не так совершенна, и потому познаваема. У звезд есть атмосферы. Ведь звезды ≈ ⌠это раскаленные плазменные шары■. Внутри они горячие, а вокруг них ≈ космос с температурой ≈- 270 ╟С. Как правило, атмосферы звезд холоднее самих звезд. Излучение практически беспрепятственно проходит сквозь атмосферу и потому не успевает прийти в равновесие с ее веществом. Спектр начинает ⌠портиться■;
на нем появляются ⌠зазубрины■ ≈ спектральные линии.
Вспомним, что свет ≈ не только электромагнитная волна, но и частица. Свет излучается и поглощается порциями ≈ квантами. Каждый атом может излучать кванты только определенной длины волны, соответствующие переходу электрона с одного дискретного уровня на другой. (см.Рис. 24). Тот же Макс Планк доказал, что энергия каждого кванта определяется только его длиной волны:
E= h c/lambda
Атомы атмосферы звезды, которая более холодная, чем сама звезда, поглощают кванты, соответствующие определенным энергетическим переходам, т. е. определенным длинам волн. В результате в спектре звезды будет недоставать света на определенных длинах волн ≈ появляются темные линии поглощения. Говоря о ⌠холодных атмосферах■, мы несколько упрощаем ситуацию. Ведь у звезд нет твердой поверхности, поэтому и нет атмосфер в обычном смысле этого слова. Атмосферой звезды называют тот слой ее вещества, в котором формируются спектральные линии (⌠зазубрины■). Вид спектральной линии определяется тем, как меняется температура в атмосфере с глубиной. Если температура в слое падает при приближении к наблюдателю, образуются темные линии поглощения. В противном случае могут появляться яркие линии излучения (их называют эмиссионными). У подавляющего большинства звезд температура наружу сначала падает, а потом растет. Рост температуры начинается уже в том месте, где плотность вещества мала и кванты свободно выходят к наблюдателю. Так что у большинства звезд в оптическом диапазоне видны темные линии поглощения.
Длина волны линии определяется только законами взаимодействия электронов и ядер. Законы эти одинаковы везде во Вселенной. Измерив на Земле длины волн квантов, излучаемых или поглощаемых атомами того или иного химического элемента, мы тем самым решим задачу нахождения Хдзд. Сравнивая лабораторный спектр со спектром звезды, найдем скорость ее движения.
