Эффект Допплера, или Как важно быть двойной звездой

Зависимость орбитальных скоростей членов двойной звездной системы от их масс — вот что вызывает большой интерес к ним со стороны астрономов. У нас есть множество теорий о массах различных типов звезд, но мало способов их проверить. Что поделаешь, так мало способов взвесить звезду! Но, к счастью, астрономы так легко не сдаются. Они научились определять массу звезд, изучая двойные системы и используя простое физическое свойство наблюдаемого источника света.

Если масса одной звезды в три раза больше массы другой, то она движется по своей орбите в двойной системе со скоростью, в три раза меньшей скорости звезды-партнера. Поэтому, чтобы узнать относительные массы звезд (т. е. во сколько раз одна тяжелее другой), достаточно измерить их скорости. Только в очень редких случаях удается непосредственно следить за движением звезд, поскольку большинство двойных звезд настолько удалены, что мы не можем наблюдать за их перемещением по орбите. Но даже на большом расстоянии можно изучить спектр света, излучаемого двойной звездой. В этом спектре могут быть линии обеих звезд двойной системы.

А теперь давайте поговорим об эффекте Допплера, названного в честь физика XIX века Кристиана Допплера.

Частота, или длина волны, звука или света, регистрируемого наблюдателем, меняется в зависимости от скорости излучающего (или издающего) его источника по отношению к наблюдателю. Если говорить о звуке, то в качестве примера издающего его источника можно привести гудок паровоза. А источником, излучающим свет, может быть звезда. (О звуках более высокой частоты говорят, что они высокие; например, сопрано — это более высокий голос, чем тенор. У световых волн более высокой частоты длина волны меньше, и они смещены в фиолетовую область спектра, в то время как у световых волн более низкой частоты длина волны больше, и они смещены в красную область спектра.)

Коротко о спектроскопии звезд

Спектроскопия звезд — это анализ линий в спектре звезд. Это, без преувеличения, самый лучший инструмент астрономов для изучения физической природы звезд. С помощью спектроскопии можно определить следующее:

радиальные скорости звезд (движения по направлению к Земле или от нее);

относительные массы, орбитальные периоды и длины орбит звезд из двойных систем;

силу тяжести на поверхности звезд;

направления и напряженность магнитных полей звезд;

химический состав звезд (атомы каких элементов присутствуют и в каких состояниях они находятся);

циклы активности (т. е. пятнообразовательной деятельности) звезд (по аналогии с циклом солнечной активности).

Всю эту информацию получают, измеряя положение, ширину и интенсивность цвета (насколько он темный или светлый) маленьких темных (а иногда светлых) линий в спектре звезд. Ученые анализируют спектры звезд с помощью эффекта Допплера, чтобы узнать, насколько быстро движутся звезды, насколько протяженны их орбиты и каковы их относительные массы. Существуют и другие эффекты — Зеемана (Zeeman)^[34] и Штарка (Stark)^[35], которые влияют на внешний вид спектральных линий. Используя эти знания, с помощью эффекта Зеемана можно определить напряженность магнитного поля звезды, а с помощью эффекта Штарка — плотность атмосферы звезды и силу тяжести на ее поверхности. Само присутствие конкретных спектральных линий, каждая из которых соответствует атому определенного элемента, поглощающему (темные линии) или излучающему (светлые линии) свет в атмосфере звезды, говорит нам о присутствии некоторых химических элементов и температуре звезды.

Спектральные линии говорят даже о том, в каком состоянии находятся атомы, ионизированы ли они. Звезды настолько горячи, что атомы железа, например, могут лишиться одного или нескольких своих электронов. Тогда они превращаются в ионы железа. Для каждого типа ионов железа, в зависимости от того, скольких электронов он лишился, характерны особые узоры спектральных линий и положение в спектре. Сравнивая спектры звезд, полученные с помощью телескопов, со спектрами химических элементов, и ионов, полученными в результате лабораторных экспериментов или вычисленными на компьютерах, астрономы могут изучать характеристики звезд, находящихся на огромных расстояниях от Земли.

В холодных звездных газах многим атомам железа недостает только одного электрона, поэтому они создают спектр однократно ионизированного железа. Но в самых горячих зонах звезд, таких как солнечная корона, температура которой достигает миллионов градусов, атомы железа могут терять 10 электронов. Это значит, что железо находится в высоко ионизированном состоянии; оно создает соответствующий рисунок спектральных линий, который ясно говорит о том, что в этой зоне звезды очень высокая температура.

Некоторые участки солнечного спектра меняются в зависимости от изменения районов возмущений на Солнце, причем пик этих возмущений наблюдается каждые 11 лет. Аналогичные изменения происходят в спектре других солнцеподобных звезд. Поэтому с помощью спектроскопии астрономы могут даже определить продолжительность цикла активности далекой звезды, причем настолько далекой, что нечего и мечтать хоть краешком глаза увидеть пятна на ее поверхности.

Эффект Допплера заключается в следующем.

Если источник движется по направлению к вам, то частота повышается, поэтому:

• кажется, что высота звука гудка поезда выше;

• свет звезды кажется более голубым.

Если источник движется от вас, то частота понижается, поэтому:

• кажется, что высота звука гудка поезда ниже;

• свет звезды кажется более красным.

Гудок паровоза — это стандартный пример, который приводили для объяснения эффекта Допплера многим поколениям школьников и студентов, даже если их это иногда совершенно не интересовало. Но где сейчас услышишь гудок паровоза?

Возможно, более близкая аналогия — ощущение морских волн при движении на моторной лодке. Когда от берега вы движетесь в том направлении, откуда приходят волны, то чувствуете, что лодка быстро качается под ударами волн. Но когда вы направляетесь обратно к берегу, качка заметно уменьшается. В первом случае вы двигались навстречу волнам, сталкиваясь с ними раньше, чем это произошло бы, будь вы неподвижны. Поэтому частота ударов волн о лодку была выше, чем в случае, когда лодка находится в покое.

В спектре звезды есть несколько темных линий. Эти линии указывают на поглощение света различными атомами в атмосфере звезды. Так формируются узнаваемые спектральные рисунки. И когда звезда движется по орбите, эффект Допплера заставляет эти узоры линий перемещаться по спектру.

Поэтому, изучая спектры двойных звезд и наблюдая, как по мере движения звезд по орбитам их спектральные линии смещаются из красной области спектра в фиолетовую и обратно, астрономы могут сказать, насколько быстро они движутся и каковы их относительные массы. И отмечая, сколько времени требуется спектральной линии, чтобы достичь своего крайнего положения в красной области спектра, затем — крайнего положения в фиолетовой области спектра и, наконец, снова вернуться в красную область, можно определить продолжительность движения двойной звезды по орбите.

Если вы знаете, что полный оборот по орбите занимает, например, 60 дней, и знаете скорость движения звезды, то можете вычислить длину окружности орбиты, а значит, и радиус этой окружности.