Чтение онлайн

Точно такие же колебания интенсивности света должны наблюдаться и у двойных звёзд, по мере удаления от двойной системы. Таким образом, СВЧ-прибор клистрон работает в полном соответствии с эффектом, предсказанным Ритцем ещё в начале XX века для двойных звёзд, так же модулирующих своим движением скорость светового пучка и несущих его реонов, не взаимодействующих между собой, подобно электронам в клистроне. Выходит, будь принята БТР, клистрон, находящий широкое и очень важное применение в СВЧ-технике, мог бы быть создан гораздо раньше, а не в 1930-х годах [36]. Хотя, не исключено, что к идее создания клистрона учёных подтолкнуло как раз обсуждение Ла Розой в 1924 г. эффектов двойных звёзд, в связи с теорией Ритца [5]. При этом, учёные, само собой, не пожелали упоминать об этой связи с БТР, хотя даже формулировки принципа группировки звучат сходно (см. эпиграфы к § 2.11, § 2.14, § 2.18). Само название "клистрон" происходит от греческого слова "прибой", поскольку принцип его действия иллюстрирует движение малых волновых возмущений поверхности моря, по мере приближения к берегу создающих всё более высокие и крутые гребни прибоя, способные даже опрокидываться. Так же, и световые волны, приходящие от далёких источников в космическом океане — к берегам Земли, наращивают величину и крутизну своих валов, создавая переменность блеска звёзд. Эти волны плотности света и электронов существенно отличаются от обычных волн в среде, и, потому, называются "кинематическими волнами", ибо движутся вместе со средой. Именно в этом основное отличие теории Ритца от эфирных теорий.

Итак, эффект Ритца — это, по сути, эффект временн'oй (фазовой) фокусировки света. Тем же, по сути, является и эффект Доплера, приводящий к видимому сжатию или растяжению временных интервалов, хотя, обычно, и гораздо более слабому, чем в эффекте Ритца. И это естественно: как уже говорилось, существует единый эффект Доплера-Ритца, меняющий за счёт движения источника и запаздывания световых сигналов их видимую длительность (§ 1.10). Ещё раз отметим, что, в отличие от релятивистского изменения масштаба времени, темпа течения процессов, в эффекте Доплера-Ритца мы сталкиваемся лишь с кажущимися изменениями длительности. Сквозь доплер-ритцеву временн'yю линзу мы наблюдаем временные интервалы сжатыми или растянутыми, так же, как через обычные линзы видим предметы уменьшенными или увеличенными. Но это — лишь иллюзия, видимость, ибо размер предметов, так же как и ритм процессов в них, реально не меняется. Примечательно, что ключевую роль в астрономическом подтверждении реальности времяфокусирующего эффекта Доплера-Ритца сыграл А.А. Белопольский, который не только доказал реальность эффекта Доплера в оптике [51, 74], первым применив его для систематического измерения скоростей космических объектов, но и сделал первый шаг по установлению роли в космосе эффекта Ритца: сближения-расхождения гребней световых волн за счёт их неравной скорости [17]. Как говорилось, реальность подобного эффекта для двойных звёзд была обнаружена ещё в 1924 г. Ла Розой, в виде переменности блеска некоторых звёзд [5]. По-видимому, именно этот итальянский учёный первым чётко связал переменный блеск таких звёзд с переменной скоростью света. Далее покажем, что у большинства переменных звёзд: цефеид, новых, пульсаров, — колебания блеска и спектра, яркие вспышки вызваны именно этим эффектом, оказывающимся одним из наиболее ярких и значимых проявлений эффекта Ритца.

Продолжим рассматривать двойные звёзды. Как уже отмечали, эффект Ритца ведёт к искажению расчётной формы орбит этих звёзд, а также к сильному смещению их спектральных линий, которое, будучи ошибочно приписано эффекту Доплера, даёт по доплеровской формуле завышенные значения орбитальной скорости звёзд (§ 2.10). Но есть и гораздо более яркие, значимые проявления эффекта Ритца, который, как нашли выше, ведёт не только к изменению видимой частоты излучения источника, но и к модуляции его яркости. Хотя галактические расстояния L, на которых расположены двойные звёзды, и невелики (в сравнении с вселенскими, достаточными для создания красного смещения § 2.4), эффект Ритца должен проявиться и здесь. Ведь ускорения в тесных звёздных системах много больше галактических, что может с лихвой окупать малость расстояний. Эффект Ритца T= T(1+ La r/ c 2) начинает заметно менять яркость звезды, если La r/ c 2сопоставимо с единицей, то есть, если L/ cPпорядка c/v(если выразить амплитуду лучевого ускорения a r=2 v/Pчерез орбитальные скорость vи период звезды P). Поскольку типичная орбитальная скорость vсоставляет десятки км/с, и c/v10000, то уже для звёзд, расположенных на удалении L/ cв сотни световых лет, колебания блеска станут заметны при орбитальном периоде Pв несколько суток. Именно такой случай рассмотрел в своей книге [111] В.И. Секерин, показавший, что такие переменные звёзды, предсказанные теорией Ритца, реально открыты. Как видели выше (§ 2.11), далёкая звезда, обходя орбиту за время P, должна, по БТР, с тем же периодом Pплавно менять свою яркость пропорционально T/T=1/(1+ La r/ c 2).

Так, для круговой орбиты кривая лучевого ускорения a rимеет форму синусоиды: a r= axsin(2 t/ P) (Рис. 68. а), и, потому, видимая яркость тоже периодически меняется, пропорционально T/T=1/[1+ Laxsin(2 t/ P)/ c 2]. Причину изменения яркости за счёт временной фокусировки света можно пояснить и наглядно. От перекоса кривой лучевых скоростей (Рис. 67. а) пара точек 1 и 2, соответствующих началу и концу промежутка времени T, смещаются, причём в разной степени, и расстояние между 1 'и 2 ', измеренное вдоль оси времени t, даст видимый интервал времени T', отличный от T. Свет, испущенный звездой за период T, воспринимается в течение иного времени T', и, потому, он станет казаться пропорционально T/Tярче или слабее, в зависимости от положения звезды.

Но, именно такая переменная яркость, периодичная кривая блеска, как заметил Секерин, характерна для переменных звёзд типа цефеид. По Секерину, цефеиды — это не что иное, как двойные звёзды. Впервые эту мысль высказал уже упомянутый выше русский астрофизик А.А. Белопольский (Рис. 54): сняв у цефеид кривые лучевых скоростей, он подметил их сходство с таковыми у двойных звёзд и предложил гипотезу, по которой именно вращением цефеид в двойных системах вызваны колебания их блеска и спектра [51]. Но от его точки зрения отказались, посчитав, что цефеиды — это пульсирующие, периодично раскаляющиеся звёзды. Учёт эффекта Ритца позволяет вернуться к гипотезе Белопольского. Если цефеиды — это двойные звёзды, то простое толкование получат многие их странности и особенности. Так, легко объяснятся синхронные с колебаниями яркости колебания температур и лучевых скоростей цефеид (Рис. 74): и то и другое суть следствия эффекта Ритца, — смещения, соответственно, спектров излучения и поглощения. И все эти колебания — кажущиеся. Видимо, и предсказанные БТР искажения в движении двойных звёзд не были обнаружены только потому, что, когда такие искажения становятся заметны за счёт перекоса кривых скоростей (Рис. 67. а), начинает заметно колебаться и яркость звезды, и её считают уже не двойной, а цефеидой. Сравнение типичных кривых скоростей цефеид (Рис. 74. б) с Рис. 67. аподтверждает баллистический принцип, по которому у двойных звёздных систем с круговыми орбитами, за счёт кажущегося изменения масштаба времени, кривая лучевых скоростей сильно скошена (эффект Барра), — наклонена вправо [33, 158]. Кстати, и сам Барр в своей статье 1908 г.связал перекос графиков скоростей спектрально-двойных — с колебаниями блеска цефеид, которые по гипотезе Белопольского считал тоже двойными звёздами и именно их орбитальным и осевым вращением объяснял колебания блеска.

Если колебания блеска и спектра вызваны единой причиной, — эффектом Ритца от ускоренного движения звезды по орбите, то должна быть определённая связь между характеристиками кривых блеска, "лучевых скоростей" и температур. И, действительно, известно, что, вместе с нарастанием амплитуды колебаний блеска, растёт амплитуда колебаний температур и лучевых скоростей [65, 102, 140]. Рассмотрим звезду, расположенную на расстоянии L, движущуюся по круговой орбите с ускорением aи обладающую средней яркостью I. Тогда, по ритц-эффекту временной фокусировки света (§ 2.11), величина яркости в максимуме есть I(1+ La/c 2), а в минимуме I(1- La/c 2). Таким образом, глубина модуляции яркости I/I=2 La/c 2. Те же преобразования испытывает и частота, и длина волны. Поэтому, в спектре излучения звезды спектральный максимум maxсмещается то в красную, то в синюю сторону с размахом f/f=/=2 La/c 2. То есть, звезда будет казаться то синее, то краснее, меняя цвет синхронно с яркостью. Эти вариации спектра излучения интерпретируют как изменение температуры звезды, хотя реально спектральный анализ, по закону смещения Вина T c max= b=0,003 м·K, даёт лишь оценочную цветовую температуру тела T c, часто не совпадающую с реальной температурой [74, 136]. Согласно закону Вина: чем краснее излучение тела, чем дальше его цвет и отвечающее ему значение maxсдвинуты в длинноволновую область, тем ниже температура тела T c, в чём легко убедиться, наблюдая остывание раскалённого над пламенем металлического прутка. Соответственно, периодичные смещения спектрального максимума цефеиды расценивают как колебания её температуры T c/T c= max/ max =2 La/c 2. То есть, глубины модуляции температуры T cи яркости Iдолжны быть, согласно БТР, одинаковы, что и наблюдается у цефеид. Но, ещё раз отметим, что это лишь видимые колебания параметров, вызванные эффектом Ритца, тогда как реальная яркость и температура цефеид (отличная от цветовой) — не меняются.

Но между амплитудой колебаний блеска и лучевых скоростей может уже и не быть столь точного соответствия. Спектр поглощения испытывает гораздо меньшие колебания, чем спектр излучения. Причина этого, по-видимому, в том, что, если спектр излучения наблюдают преобразованным на всём пути следования, то спектр поглощения может создаваться слоями газа, расположенными гораздо ближе к Земле. Соответственно, смещения, вызванные эффектом Ритца, будут много меньше. Не исключено, поэтому, что колебания спектра поглощения вызваны, в основном, эффектом Доплера, а не Ритца. Интересно отметить, что сам Х. Доплер объяснял различие цвета звёзд в двойных системах их движением и открытым им эффектом, смещающим цвет звезды в зависимости от её положения на орбите и лучевой скорости то в красную, то в синюю сторону. Эта интересная гипотеза критиковалась многими и тормозила признание эффекта Доплера [153]. Но, выходит, чешский физик был в чём-то прав: именно такие колебания цвета, вызванные движением звёзд в двойных системах, мы и наблюдаем у цефеид. Только вызывает их не эффект Доплера, а — эффект Ритца, или ЭДР, поскольку скорости звёзд недостаточны для сильного изменения их спектра, тогда как ускорения и эффект Ритца за счёт большой удалённости Lменяют цвет весьма заметно.

Наконец, была уверенно обнаружена и связь амплитуды блеска со степенью асимметрии кривой блеска и кривой скоростей. Все цефеиды имеют тенденцию резко наращивать яркость и долго снижать её до прежнего уровня. Степень этой асимметрии, как оказалось, растёт с увеличением амплитуды колебаний блеска. Это так же находит объяснение в рамках БТР. Большинство двойных звёзд имеет круговую орбиту и потому должны иметь синусоидальную кривую лучевых скоростей. Однако, видимое изменение масштаба времени от эффекта Ритца приводит к тому, что кривые лучевых скоростей, а, значит, и кривые блеска становятся асимметричными, перекошенными (эффект Барра, Рис. 67). И, чем выше этот перекос, тем выше сопровождающие его по эффекту временной концентрации света вариации яркости. Именно этим объясняется наблюдаемая зависимость, впервые отмеченная тем же Барром в его статье 1908 г. Поэтому, классические цефеиды, имеющие резко асимметричные спектральные кривые, показывают сильные колебания блеска. Зато переменные звёзды с почти симметричной, синусоидальной кривой блеска, имеют слабые колебания яркости, как, например, малоамплитудные цефеиды типа Близнецов [157, 158]. Этот эффект легко наблюдать на трёхмерной диаграмме клистрона, где хорошо видно, что, по мере нарастания амплитуды колебаний плотности потока электронов, увеличивается и асимметрия волн, становящихся из синусоидальных — коноидальными, с острыми пиками (Рис. 72, Рис. 73).

Другой причиной асимметрии кривой блеска цефеид могут быть эффекты взаимодействия света подвижной звезды со средой. Как было показано Фоксом, свет, проходя через межзвёздный газ, в ходе переизлучения атомами, постепенно теряет дополнительную скорость, приданную звездой (§ 1.13). Это тормозящее действие среды оказывается разным для лучей света, испущенных с разной частотой и скоростью в моменты приближения и отдаления звезды. Поэтому, преобразование кривой лучевых скоростей усложняется в сравнении с Рис. 67, становясь нелинейным, что и создаёт добавочную асимметрию кривых блеска и лучевых скоростей цефеид, тем ярче выраженную, чем выше амплитуда колебаний лучевой скорости и блеска. Вот почему, яркость цефеид нарастает быстро, а спадает медленно: гребни световых волн (колебаний интенсивности) не только нарастают по мере движения, но и укручают передний фронт, подобно волнам морского прибоя, становящимся, по мере движения, резко асимметричными, из-за нелинейных эффектов при трении о дно (§ 2.11). Подобное торможение средой света цефеид надо учитывать ещё и потому, что оно ведёт к сокращению эффективного расстояния L, на котором идёт преобразование света по эффекту Ритца. Временная фокусировка света происходит не на всём пути, а лишь на начальном его участке, на эффективном расстоянии L(составляющем по оценкам Дж. Фокса порядка светового года [2]), по прохождении которого скорость света приводится средой почти к значению c, и колебания яркости практически перестают нарастать. Этот эффект особенно существенен для определения расстояний до цефеид по эффекту Ритца (§ 2.13).

Итак, принцип работы мигающих звёзд, — этих "маяков Вселенной", как их порой называют, состоит в чисто механическом сложении скорости света со скоростью испустившей его звезды. Изучим попристальней эти мигающие, пульсирующие звёзды-маяки. Кроме цефеид, к ним относят ещё звёзды типов RR Лиры, RV Тельца и Миры Кита [158]. Пульсирующими все эти звёзды назвали потому, что периодичные спады-нарастания их яркости и температуры принято связывать с пульсацией (расширением-сжатием) этих звёзд. Но теория пульсаций (ТП), разработанная уже упоминавшимся астрофизиком А. Эддингтоном и необоснованно сместившая теорию цефеид Белопольского [51], имеет массу нестыковок. К примеру, если бы звезда пульсировала, то наибольшей температурой и яркостью она б обладала в момент предельного сжатия. Реально же, звезда ярче всего в момент расширения с максимальной скоростью, если судить по эффекту Доплера (Рис. 75).