Почему звезды кажутся звездами?
Глядя на звёзды невооружённым глазом, мы видим их лучистыми. Причина лучистого вида звёзд кроется в нашем глазу, в недостаточной прозрачности хрусталика, имеющего не однородное строение, как хорошее стекло, а волокнистое. Существует способ освободиться от влияния этого недостатка нашего хрусталика и видеть звёзды без лучей, не обращаясь притом к услугам телескопа. Способ этот ещё 400 лет назад указан был Леонардо да Винчи.
«Посмотри, — писал он, — на звёзды без лучей. Этого можно достигнуть, наблюдая их сквозь малое отверстие, сделанное концом тонкой иглы и помещённое вплотную к глазу. Ты увидишь звёзды столь малыми, что ничто другое не может казаться меньше».
Это не противоречит тому, что оказано о происхождении звёздных «лучей» у Гельмгольца. Напротив, описанный опыт подтверждает его теорию: смотря сквозь весьма небольшое отверстие, мы пропускаем в свой глаз лишь тонкий световой пучок, проходящий сквозь центральную часть хрусталика и потому не претерпевающий воздействия его лучистой структуры.
Итак, будь наш глаз устроен совершеннее, мы видели бы на небе не «звёзды», а светящиеся точки.
Почему звезды мерцают, а планеты сияют спокойно?
Отличить простым глазом неподвижную звезду от «блуждающей», т. е. планеты, очень легко, даже не зная карты неба. Планеты сияют спокойным светом, звёзды же непрестанно мерцают, как бы вспыхивают, дрожат, меняют яркость, а яркие звёзды невысоко над горизонтом ещё непрестанно переливаются разными цветами. Особенно сильно и красочно мерцают звёзды в морозные ночи и в ветреную погоду, а также после дождя, когда небо быстро очистилось от туч. Звёзды, стоящие над горизонтом, мерцают заметнее, чем горящие высоко в небе; звёзды белые — сильнее, чем желтоватые и красноватые.
Как и лучистость, мерцание не есть свойство, присущее самим звёздам; оно придаётся им земной атмосферой, через которую лучи звёзд должны пройти, прежде чем достигнуть глаза. Поднявшись выше неспокойной газовой оболочки, сквозь которую мы рассматриваем вселенную, мы не заметили бы мерцания звёзд: они сияют там спокойным, постоянным светом.
Причина мерцания — та же, что заставляет дрожать отдалённые предметы, когда в знойные дни почва сильно нагрета Солнцем.
Звёздному свету приходится пронизывать тогда не однородную среду, но газовые слои различной температуры, различной плотности, а значит, и различной преломляемости. В подобной атмосфере словно рассеяны многочисленные оптические призмы, выпуклые и вогнутые линзы, непрестанно меняющие своё расположение. Лучи света претерпевают в них многочисленные отклонения от прямого пути, то сосредоточиваясь, то рассеиваясь. Отсюда — частые изменения яркости звезды. А так как преломление сопровождается цветорассеянием, то наряду с колебаниями яркости наблюдаются и изменения окраски.
Планеты гораздо ближе к нам, чем звёзды; они поэтому представляются глазу не точкой, а светящимся кружочком, диском, хотя и столь малых угловых размеров, что вследствие их слепящей яркости эти угловые размеры почти неощутимы.
Каждая отдельная точка такого кружка мерцает, но перемены яркости и цвета отдельных точек совершаются независимо одна от другой, в разные моменты времени, а потому восполняют друг друга; ослабление яркости одной точки совпадает с усилением яркости другой, так что общая сила света планеты остаётся неизменной. Отсюда — спокойный, немерцающий блеск планет.
Значит, планеты представляются нам немерцающими потому, что мерцают сразу во многих точках, но в разные моменты времени.
Видны ли звезды днем?
Днём над нашими головами находятся те созвездия, которые полгода назад видны были ночью и спустя шесть месяцев вновь украсят ночное небо. Освещенная атмосфера Земли мешает нам их видеть, так как частицы воздуха рассеивают солнечные лучи в большем количестве, чем посылают нам звёзды.
Несложный опыт может наглядно пояснить это исчезание звёзд при дневном свете. В боковой стенке картонного ящика пробивают несколько дырочек, расположенных наподобие какого-нибудь созвездия, а снаружи наклеивают лист белой бумаги. Ящик помещают в тёмную комнату и освещают изнутри: на пробитой стенке явственно выступают тогда освещенные изнутри дырочки — это звёзды на ночном небе. Но стоит только, не прекращая освещения изнутри, зажечь в комнате достаточно яркую лампу, и искусственные звёзды на листе бумаги бесследно исчезают: это «дневной свет» гасит звёзды.
Часто приходится читать о том, что со дна глубоких шахт, колодцев, высоких дымовых труб и т. п. можно различать звёзды и днём. Это распространённое убеждение, поддерживаемое ссылками на авторитетные имена, только в недавнее вррмя подвергнуто было критической проверке и не подтвердилось.
В сущности, ни один из писавших об этом авторов — от Аристотеля в древности до Джона Гершеля в XIX в. — не наблюдал звёзд сам при подобных условиях. Все ссылаются на свидетельство третьих лиц. Насколько, однако, мало надёжны бывают свидетельства «очевидцев», показывает следующий любопытный пример. В американском журнале появилась статья, относившая дневную видимость звёзд со дна колодцев к числу басен. Мнение это было энергично опровергнуто письмом одного фермера, утверждавшего, что он сам видел днём 'Капеллу и Аль-голя из 20-метровой силосной башни. Проверка выяснила, однако, что на той широте, где находится ферма наблюдателя, ни та, ни другая звезда не бывают в зените в указанное время года и, следовательно, не могли быть видны из глубины башни.
Теоретически нет оснований к тому, чтобы шахта или колодец могли помочь увидеть звёзды днём. Как мы уже говорили, звёзды не видны днём потому, что тонут в свете неба. Это условие не изменяется для глаза, помещённого на дне шахты. Отпадает лишь боковой свет на протяжении шахты, но лучи, испускаемые всеми частицами воздушного слоя выше отверстия шахты, должны попрежнему мешать видимости звёзд.
Имеет значение в данном случае лишь то, что стены колодца ограждают глаза от ярких лучей Солнца; но это может облегчить лишь наблюдение ярких планет, а не звёзд.
В телескоп звёзды видны днём вовсе не потому, как многие думают, что на них смотрят «со дна трубы», а потому, что преломление лучей в стёклах или отражение в зеркалах ослабляет яркость рассматриваемого участка неба, между тем как яркость самой звезды (представляющейся в виде точки), напротив, усиливается. В телескоп, имеющий объектив диаметром в 7 см, можно уже видеть днём звёзды первой и даже второй величины. Но к колодцам, шахтам, печным трубам сказанное неприменимо.
Другое дело — яркие планеты: Венера, Юпитер, Марс в противостоянии. Они светят гораздо ярче звёзд, а потому при благоприятных условиях могут быть видны и на дневном небе.
Почему телескоп не увеличивает звезд?
Людей, впервые направляющих зрительную трубу на неподвижные звёзды, поражает то, что труба, так заметно увеличивающая Луну и планеты, нисколько не увеличивает размеров звёзд, даже уменьшает их, превращая в яркую точку, не имеющую диска. Это заметил ещё Галилей, первый человек, взглянувший на небо вооружённым глазом. Описывая свои ранние наблюдения с помощью изобретённой им трубы, он говорит:
«Достойно замечания различие в виде планет и неподвижных звёзд при наблюдении через трубу. Планеты представляются маленькими кружками, резко очерченными, как бы малыми лунами; неподвижные же звёзды не имеют различимых очертаний... Труба увеличивает только их блеск, так что звёзды 5-й и 6-й величины делаются по яркости равными Сириусу, который является самой блестящей из неподвижных звёзд».
Чтобы объяснить такое бессилие телескопа по отношению к звёздам, придётся напомнить кое-что из физиологии и физики зрения. Когда мы следим за удаляющимся от нас человеком, его изображение на сетчатке глаза становится всё меньше. При достаточном удалении голова и ноги человека настолько сближаются на сетчатке, что попадают уже не на разные её элементы (нервные окончания), но на один и тот же, и тогда человеческая фигура кажется нам точкой, лишённой очертаний. У большинства людей это наступает тогда, когда угол, под которым усматривается предмет, уменьшается до 1'. Назначение телескопа состоит в том, чтобы увеличить угол, под которым глаз видит предмет, или, что то же самое, растянуть изображение каждой детали предмета на несколько смежных элементов сетчатки. О телескопе говорят, что он «увеличивает в 100 раз», если угол, под которым мы видим предметы в этот телескоп, в 100 раз больше угла, под которым мы на том же расстоянии видим их простым глазом. Если же какая-нибудь деталь и при таком увеличении усматривается под углом меньше V, то данный телескоп недостаточен для рассмотрения этой подробности.
Нетрудно рассчитать, что самая мелкая подробность, какую можно различить на расстоянии Луны в телескоп, увеличивающий в 1000 раз, имеет в поперечнике 110 м, а на расстоянии Солнца — 40 км. Но если тот же расчёт сделать для ближайшей звезды, то получим огромную величину— 12 000 000 км.
Поперечник нашего Солнца меньше этой величины в 8'/г раз. Значит, перенесённое на расстояние ближайшей звезды, Солнце наше должно казаться точкой даже в телескоп с 1000-кратным увеличением. Ближайшая звезда должна обладать объёмом, в 600 раз большим Солнца, чтобы сильные телескопы могли показать её диск. На расстоянии Сириуса звезда должна для этого быть больше Солнца по объёму в 5000 раз. Так как большинство звёзд расположено гораздо дальше сейчас упомянутых, а размеры их в среднем не превышают в такой степени размеров Солнца, то звёзды и в сильные телескопы представляются нам точками.
«Ни одна звезда на небе, — говорит Джине, — не имеет большего углового размера, чем булавочная головка с расстояния в 10 км, и нет ещё такого телескопа, в который предмет столь малых размеров был бы виден, как диск». Напротив, крупные небесные тела, входящие в состав нашей солнечной системы, показывают при наблюдении в телескоп свои диски тем крупнее, чем больше увеличение. Но, как мы уже имели случай упомянуть, астроном встречается здесь с другим неудобством: вместе с увеличением изображения ослабевает его яркость (вследствие распределения потока лучей на большую поверхность), слабая же яркость затрудняет различение подробностей. Потому при наблюдении планет и особенно комет приходится пользоваться лишь умеренными увеличениями телескопа.
Если телескоп не увеличивает звёзд, то зачем же употребляют его при их наблюдении? Телескоп бессилен увеличить видимые размеры звёзд, но он усиливает их яркости, а следовательно, умножает число звёзд, доступных зрению.
Второе, что достигается благодаря телескопу, это разделение тех звёзд, которые представляются невооружённому глазу сливающимися в одну. Телескоп не может увеличить видимого поперечника звёзд, но увеличивает видимое расстояние между ними. Поэтому телескоп открывает нам двойные, тройные и ещё более сложные звёзды там, где невооружённый глаз видит одиночную звезду. Звёздные скопления, для простого глаза сливающиеся за дальностью расстояния в туманное пятнышко, а в большинстве случаев и вовсе невидимые, рассыпаются в поле телескопа на многие тысячи отдельных звёзд.
Как измерили поперечники звезд?
В самый сильный телескоп, как мы сейчас объяснили, нельзя увидеть поперечники неподвижных звёзд. До недавнего времени все соображения о том, каковы размеры звёзд, были только догадками. Допускали, что каждая звезда в среднем примерно такой же величины, как наше Солнце, но ничем не могли подкрепить этой догадки. И так как для различения звёздных диаметров необходимы более мощные телескопы, чем самые сильные телескопы нашего времени, то задача определения истинных диаметров звёзд казалась неразрешимой.
Так обстояло дело до 1920 г., когда новые приёмы и орудия исследования открыли астрономам путь к измерению истинных размеров звёзд.
Этим новейшим достижением астрономия обязана своей верной союзнице — физике, не раз оказывавшей ей самые ценные услуги.
Мы сейчас изложим сущность способа, основанного на явлении интерференции света.
Чтобы уяснить принцип, на котором основан этот метод измерений, произведём опыт, требующий несложных средств: небольшого телескопа, дающего увеличение в 30 раз, и находящегося на расстоянии 10—15 м от него яркого источника света, загороженного экраном с очень узкой (несколько десятых долей миллиметра) вертикальной щелью. Объектив закроем непрозрачной крышкой с двумя круглыми отверстиями около 3 мм в диаметре и расположенных по горизонтали симметрично относительно центра объектива на расстоянии! 15 мм друг от друга. Без крышки щель в телескоп имеет вид узкой полосы со значительно более слабыми полосками по бокам. При наблюдении же с крышкой центральная яркая полоса представляется исчерченной вертикальными тём«ыми полосами. Эти полосы появились как следствие взаимодействия (интерференции) двух световых пучков, прошедших сквозь два отверстия в крышке объектива. Если закрыть одно из отверстий, — полоски исчезнут.
Если отверстия перед объективом сделать подвижными, так что расстояние между ними можно будет изменять, то по мере их раздвижения тёмные полоски будут становиться всё менее ясными и, наконец, исчезнут. Зная расстояние между отверстиями в этот момент, можно определить угловую ширину щели, т. е. угол, под которым видна ширина щели наблюдателю. Если же знать расстояние до самой щели, то можно вычислить её действительную ширину. Если вместо щели у нас будет маленькое круглое отверстие, то способ определения ширины такой «круглой щели» (т. е. диаметра кружка) остаётся тем же самым, надо лишь полученный угол умножить на 1,22.
При измерении диаметров звёзд мы следуем тем же путём, но ввиду чрезвычайной малости углового диаметра звёзд должны применять весьма большие телескопы.
Помимо работы описанным инструментом, «интерферометром», есть и другой, более окольный способ оценки истинного диаметра звёзд, основанный на исследовании их спектров.
По спектру звезды астроном узнаёт её температуру, а отсюда вычисляет величину излучения 1 см2 её поверхности. Если, кроме того, известны расстояние до звезды и её видимый блеск, то определяется и величина излучения всей её поверхности. Отношение второй величины к первой даёт размер поверхности звезды, а значит, и её диаметр. Таким образом, найдено, например, что поперечник Капеллы в 12 раз больше солнечного, Бетельгейзе — в 360 раз, Сириуса — в два раза, а поперечник спутника Сириуса составляет 0,02 солнечного.
Результаты определения звёздных поперечников оказались поистине поразительными. Астрономы не подозревали раньше, что во вселенной могут быть такие гигантские звёзды. Первой звездой, истинные размеры которой удалось определить (в 1920 г.), была яркая звезда а Ориона, носящая арабское название Бетельгейзе. Её поперечник оказался превышающим диаметр орбиты Марса! Другим гигантом является Антарес, самая яркая звезда в созвездии Скорпиона: её поперечник примерно в полтора раза больше диаметра земной орбиты. В ряду открытых пока звёздных гигантов надо поставить и так называемую Дивную («Мира») звезду в созвездии Кита, диаметр которой в 330 раз больше диаметра нашего Солнца.
|
|
Читайте в рубрике «Небо, Солнце и звезды»: |