Чем вызвано мерцание звезд
Почему звезды мерцают и переливаются разными цветами?
Довольно часто звезды на небе заметно мерцают — вспыхивают, дрожат, быстро меняют яркость. Хотя мерцание звезд мешает проведению качественных астрономических наблюдений, благодаря этому явлению ночное небо кажется живым и близким.
Особенно заметно мерцание звезд в ветреные и морозные ночи, а летом сильное мерцание указывает на приближение сильного циклона. Зимой нередко звезды вдобавок переливаются разными цветами, подобно драгоценным камням на свету. Это относится прежде всего к звездам, находящимся невысоко над горизонтом. Так, ярчайшая звезда ночного неба, Сириус, мерцает и переливается разными цветами почти всегда, привлекая к себе повышенное внимание.
Даже самые красивые фотографии ночного неба не могут передать мерцание звезд. Фото: Руслан Мерзляков
В чем причина подобных явлений?
Мерцание и переливание звезд разными цветами — это не свойства, присущие самим звездам, а явления, порождаемые земной атмосферой. Воздушная оболочка нашей планеты неспокойна: массы воздуха находятся в постоянном движении — поднимаются и опускаются, сдвигаются в разные стороны. Кроме того, они имеют разную температуру и плотность в зависимости от высоты над поверхностью Земли, атмосферных течений и еще множества факторов. Как результат, в атмосфере образуются воздушные линзы и призмы, преломляющие и отклоняющие проходящий через них свет далеких небесных светил.
Но ведь это всего лишь воздух, можете возразить вы. Как он может играть роль призмы или линзы?
Свету все равно, что перед ним — твердый материал, воздух или жидкость. Свет неизбежно преломляется на границе двух сред, имеющих разную плотность. Чем больше разница в плотности, тем заметнее преломляется свет. Классические примеры — призма или стакан с водой. Ложка, стоящая в стакане, кажется надломленной из-за преломления света на границе воздуха и воды.
Так как воздушные массы в атмосфере имеют разную плотность в зависимости от высоты, течений, образующихся то тут то там ячеек Хэдли и других факторов, то они сами по себе способны играть роль таких призм и линз, пусть и довольно слабых. Когда свет звезды проходит через линзу, он приходит к нам усиленным, когда отклоняется — приходит ослабленным. Это быстрое колебание света мы и называем мерцанием.
Почему звезды мерцают и переливаются разными цветами. Источник: Natskies Observatory
Что касается переливания звезд разными цветами, то и здесь причиной является циркуляция воздуха в атмосфере. На примере обычной призмы видно, что свет разной длины волны искривляется по-разному. То же происходит и со светом звезды, когда он проходит сквозь воздушные призмы. Но до нас доходит то один цвет, то другой, то третий. Если фотографировать такую дрожащую и мерцающую разными цветами звезду очень короткими экспозициями, то на фотографиях мы увидим буквально всю палитру цветов!
Звезды мерцают гораздо сильнее у горизонта, чем в зените, поскольку их свет проходит через большую толщу воздуха. Рисунок: Bob King / Большая Вселенная
Нам осталось лишь объяснить, почему звезды, расположенные низко над горизонтом, мерцают и переливаются разными цветами гораздо сильнее, чем звезды вблизи зенита. Объяснение на удивление просто: прежде чем дойти до наших глаз, свет от низко расположенных звезд проходит через бо́льшую толщу атмосферы! Соответственно, и искажается он гораздо сильнее.
А в космосе звезды тоже дрожат и мерцают? Конечно, нет! Летая по орбите вокруг Земли за пределами плотных слоев атмосферы, космонавты наблюдают ровный и спокойный свет звезд.
Мерцание звезд
Различные цветные лучи распространяются и преломляются в атмосфере неодинаково. В связи с этим мерцание звезд неодинаково по окраске.
Планеты почти не мерцают, так как они представляются нам не световыми точками, а маленькими дисками, различные точки которых мерцают как бы независимо друг от друга, вследствие чего средняя сила света остается одинаковой. Мерцание звезд усиливается при понижении температуры, увеличении влажности и усилении ветра на различных высотах. Следовательно, интенсивное мерцание звезд говорит о большой влажности воздуха, о неспокойном состоянии атмосферы в верхних слоях, если даже внизу наблюдается штиль.
Такая зависимость между метеорологическими элементами и мерцанием звезд позволяет судить о предстоящих переменах погоды.
В каплях дождя, как в маленьких оптических стеклах, солнечные лучи преломляются и отражаются, белый свет при этом разлагается на составные части, и получается разноцветная полоса, называемая радугой.
Белая радуга. Фото сделано на мосту Золотые Ворота в Сан-Франциско
Число и яркость цветов, а также ширина радуги зависят от размера капель, образующих ее, и от запаса влаги в атмосфере вообще. Чем крупнее капли, тем ярче выражены ее цвета и тем она уже. При небольших каплях, например в тумане, образуется широкая и белая радуга, она бывает слабо окрашена по краям. Иногда такую радугу можно увидеть во время дождя ночью, при лунном свете.
Радуга утром и вечером имеет разное значение. Объясняется это тем, что облачность и осадки чаще всего движутся с запада на восток и, следовательно, если радуга наблюдается утром, т. е. в западной части неба, то к вечеру дождевые облака оттуда могут прийти к месту наблюдения.
Если же радуга наблюдается вечером, т. е. в восточной стороне неба, то это значит, что дождевые облака уходят от места наблюдения дальше на восток.
Радуга утром или перед полуднем предвещает ливневый дождь, сильный ветер со шквалами и часто с грозой.
Переход цветной радуги в белую указывает на уменьшение размеров капель и на скорое прекращение дождя.
Для возникновения лунной радуги необходимо: полная Луна, не закрытая облаками, и выпадение ливневого дождя. Настоящая лунная радуга имеет размер в половину небосвода.
Почему звезды «мигают»?
Сами по себе звезды не мерцают. Это впечатление создается у земного наблюдателя, когда он воспринимает свет звезды после того, как он прошел через атмосферу. Это непременное условие мерцания. Если наблюдать даже очень далекую звезду из космоса, она не будет мерцать. Космонавты, наблюдавшие звезды с Луны, где нет атмосферы, видели небо, усеянное звездами, которые светили ровным немигающим светом. Но здесь, на Земле, покрытой толстым «одеялом» атмосферы, лучи света звезд, прежде чем достигнуть поверхности, многократно преломляются в различных направлениях. Свет звезды становится мерцающим, когда он переходит из слоя атмосферы с высокой плотностью в слой с меньшей плотностью. Почему? Массы воздуха вокруг нас не стоят на месте. Они постоянно перемещаются относительно друг друга. Теплый воздух поднимается вверх, холодный — опускается вниз. Воздух преломляет свет по разному, в зависимости от температуры. При прохождении света из слоя воздуха меньшей плотности в слой большей плотности начинается мерцание света. При этом очертания звезд становятся расплывчатыми, их изображения увеличиваются. Интенсивность излучения звезд, то есть их яркость, меняется.
Свет, который исходит от звезд, беспрепятственно проходит пространство вплоть до атмосферы Земли. Но потом, попадая в эту зону, он начинает искажаться в слоях воздуха. Примерно таким же эффектом является марево – оптическое явление, при котором «переливается» слой воздуха над горячей поверхностью. Получается, что если смотреть на эти газовые шары не с Земли, а из космоса, то такого эффекта уже не будет. На ночном небе, кроме мигающих точек, можно заметить и маленькие неподвижные кружочки, которые просто излучают ровное сияние и не переливаются. Это планеты. Они находятся ближе к Земле, и их излучение воспринимается как однородное. Дело в том, что каждая отдельная точка планеты светит – только что одна была ярче, а другая более тусклой, а через долю секунды все поменялось. Такая быстрая смена вспышек позволяет планете оставаться постоянно и равномерно сверкающей.
Иногда в небесах можно увидеть не просто мигающие точки, а переливающиеся определенными цветами. Так можно увидеть и красную точку, а через секунду зажигается желтая или белая. Почему звезды мерцают разными цветами, создавая эффект новогодней гирлянды? Особенно хорошо это заметно в безоблачную погоду зимой. Именно в это время года небо более темное, и на нем особенно контрастно выделяются созвездия. Например, Орион. На его поясе есть Бетельгейзе и Ригель, сияние их мощнее солнечного в несколько десятков тысяч раз! А цвет этих гигантов – бело-голубой, и это неслучайно. Именно такой оттенок имеют звезды, которые, по меркам Вселенной, родились относительно недавно. Еще одно из самых ярких небесных тел – Сириус, он буквально окутан противоречиями. Древние наблюдатели указывали, что он имеет красный оттенок. Хотя сейчас видно, что Сириус голубовато-белый. Однозначного ответа на этот вопрос ученые найти не могут, предполагая, что все же это поэтическая метафора, и Сириус всегда был одного и того же цвета. Но не только возраст влияет на цвет звезды. Те светила, которые кажутся людям красными – самые холодные, средняя температура дает желтый оттенок, а самые горячие – это белые и голубые. Хотя всем привычней думать, что все как раз наоборот!
Мерцание звёзд
Амплитуда изменений блеска во время мерцания очень зависит от состояния атмосферы и увеличивается с ростом зенитного расстояния. Вблизи горизонта изменения блеска могут достигать одной звездной величины, иногда и больше. Также вблизи горизонта типичным является цветное мерцание, то есть изменение цвета звезды, для ярких звезд заметно даже невооруженным глазом. Частота мерцания лежит в диапазоне от одного герца до сотен герц, но наибольшие амплитуды характерны для узкого диапазона 3-15 Гц.
Во время телескопических наблюдений с большими объективами эффект сглаживается, но остается существенным препятствием для точных астрометрических наблюдений.
Следует заметить, что мерцание касается именно звёзд. Планеты не склонны к мерцанию. Это обусловлено тем, что угловой размер планетных дисков хоть и не различается невооруженным глазом, однако намного больше, чем отдаленных звёзд: последние выглядят как точки даже в самых мощных астрономических инструментах. Поэтому когда яркость одних частей планетного диска усиливается мерцанием, яркость других слабеет, и общий блеск планеты остается почти постоянным.
Связанные понятия
Полуправильные переменные звёзды — долгопериодические пульсирующие переменные звёзды с заметной периодичностью и значительными неправильностями в изменениях блеска. Эти звёзды — гиганты или сверхгиганты промежуточного и позднего спектрального типа, показывающие значительную периодичность их яркостных изменений, сопровождаемых или иногда прерываемых различными нарушениями. Периоды изменений их блеска лежат в диапазоне от 20 до 2000 и более дней, в то время как формы кривых блеска могут быть различными.
Вспыхивающие звёзды или звёзды типа UV Кита — переменные звёзды, резко и непериодически увеличивающие свою светимость в несколько раз во всём диапазоне от радиоволн до рентгеновского излучения.
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Карликовые новые или звезды типа U Близнецов (U Gem, UG) являются одним из видов катаклизмических переменных звёзд — тесной двойной звёздной системой, в которой один из компонентов — белый карлик, на который аккрецируется вещество со спутника. Они похожи на классические новые звёзды в том плане, что белый карлик участвует в периодических вспышках, но механизмы вспышек разные: в классических новых звёздах вспышка — результат термоядерной реакции и детонации аккрецировавшего водорода, в то время как.
Спектрально-двойной — называют систему двойных звёзд, если двойственность обнаруживается при помощи спектральных наблюдений. Обычно это системы, у которых скорости компонентов достаточно велики, а расположены они настолько близко, что увидеть их раздельно с использованием современных телескопов невозможно. В результате орбитального движения звёзд вокруг центра масс одна из них приближается к нам, а другая от нас удаляется, их лучевые скорости (вдоль направления на наблюдателя) неодинаковы и, как.
Яркие голубые переменные (ЯГП; англ. Luminous blue variables, LBV), также известные как переменные типа S Золотой Рыбы (англ. S Doradus variables, SDOR) — очень яркие голубые пульсирующие гипергиганты, названные по звезде S Золотой Рыбы (S Dor) в Большом Магеллановом Облаке. Они показывают неправильные (иногда циклические) изменения блеска с амплитудой от 1m до 7m. Обычно, это самые яркие голубые звезды галактик, в которых они наблюдаются. Как правило, связаны с диффузными туманностями и окружены.
Мириды — класс пульсирующих переменных звёзд, названный по имени звезды Мира из созвездия Кита. К этому классу относятся звезды поздних спектральных классов с изменениями блеска более чем на 2,5 звёздной величины в видимом диапазоне. Период их пульсации может составлять от 80 до 1000 дней. Мириды — гиганты, находящиеся на конечных этапах звёздной эволюции, которые в течение нескольких миллионов лет сбрасывают свою внешнюю оболочку и превращаются в белых карликов.
Катаклизмические переменные (англ. Cataclysmic Variable(s), CV(s)) — класс астрономических объектов, относящихся к переменным звёздам и проявляющие катаклизмическую (вспышечную и проч.) активность. Представляют собой тесные двойные системы, состоящие из белого карлика (главная звезда) и компаньона, роль которого чаще всего исполняет маломассивная слабо проэволюционировавшая звезда главной последовательности, то есть красный карлик. Иногда роль компаньона может исполнять и другой объект — например.
В списке приведены самые массивные звёзды, известные на сей день. Список упорядочен в порядке убывания массы звезды. За единицу измерения взята масса Солнца.
Почему на ночном небе мерцают звезды?
Взглянув на небеса ночью, легко потеряться в красоте и необъятности Вселенной: мы видим серебристый свет Луны, планеты, движущиеся по своим орбитам, далекие звезды, мерцающие светом, испущенным миллионы лет назад.
Этот танец света, который мы видим, когда смотрим на звезды, завораживает людей на протяжении веков — даже самых маленьких людей. По мере взросления мы узнаем имена звезд и созвездий.
Но почему же звезды мерцают? Почему они словно «танцуют» в ночном небе?
Для начала обратим наш взгляд на уровень земли. Представьте, что вы видите волнообразное движение воздуха прямо над горячим песком. Мы видим этот эффект, потому что горячий воздух имеет меньшую плотность по сравнению с более прохладным воздухом, находящимся над ним, и поэтому он поднимается вверх. Теплых воздух рассеивает и преломляет свет несколько иначе, чем холодный, поэтому он немного меняет направление его распространения. Нам при этом кажется, что воздух словно становиться жидким.
Таким способом можно управлять направлением распространения света, изменяя то, что называется показателем преломления. По существу, этот показатель говорит о том, насколько именно луч света изменил направление: высокий показатель преломления означает, что направление распространения света будет изменено достаточно сильно.
Но вернемся к звездам: между нами и миллиардами солнц в космосе есть толстый слой плотной земной атмосферы. Хотя атмосфера и позволяет нам выжить, оно искажает для нас истинный свет Вселенной.
Атмосфера похожа на многослойный «торт», со сложными уровнями плотности, которая уменьшается по мере того, как вы удаляетесь от Земли. Точно так же, как тепло песка вызывает «помехи» в воздухе над ним, звездный свет не имеет прямого пути, поскольку он добирается до наших глаз из космоса. Там, где встречаются разные по плотности слои воздуха, свет слегка преломляется в новом направлении, и процесс повторяется при прохождении каждого последующего слоя.
Это приводит к эффекту зигзага, создавая иллюзию, что звезда слегка смещается. Научное название этого эффекта — «звездная сцинтилляция», и по причине его существования космические телескопы создают гораздо более совершенные изображения, чем наземные обсерватории.
Но почему же, в таком случае, не все звезды мерцают? Есть две основные причины. Во-первых, свет от звезд, которые находятся в момент наблюдения ближе к горизонту должен проделать путь к нашим глазам через большее расстояние в атмосфере, и поэтому он проходит более причудливую траекторию, чем свет от звезд, расположенных высоко. Дело может быть еще в том, что тот объект, который кажется звездой, иногда является планетой.
Звезда мерцает не только потому, что ее свет должен проходить через атмосферу, но также потому, что ее свет очень слабый. Расстояние от этих звезд до Земли настолько велико, что они кажутся просто точками. Планеты, конечно, гораздо ближе, поэтому их свет выглядит скорее как диск, а не точка.
Так что в следующий раз, когда вы будете смотреть на небо в ночное время, и задаваться вопросом — почему же танцуют звезды? — или ваш ребенок, или внук спросят вас об этом, вы будете знать, что ответить.