Владимир Сурдин - Вселенная в вопросах и ответах. Задачи и тесты по астрономии и космонавтике

Глаз — очень сложный приемник информации, и в некотором роде он подобен «умному» электронному устройству, например радиоприемнику. У глаза также есть система автоматической регулировки усиления, которая снижает его чувствительность при ярком свете и повышает в темноте. Есть у него и система шумоподавления, которая сглаживает случайные флуктуации светового потока как по времени, так и по поверхности сетчатки. Эта система имеет определенные пороговые характеристики, поэтому глаз не замечает быстрых изменений изображения (принцип кино) и малых флуктуаций яркости.

Когда мы наблюдаем звезду ночью, поток света от нее на один фоторецептор хотя и мал, но существенно превосходит поток от темного неба, падающий на соседние рецепторы. Поэтому мозг фиксирует это как значимый сигнал. Но днем на все рецепторы падает так много света от неба, что небольшая добавка в виде света звезды, приходящая на один из этих элементов, не ощущается мозгом как реальное различие потоков света, а «списывается на флуктуации».

Звезда может стать видимой на фоне дневного неба только в том случае, если поток света от нее сравним с потоком от площадки неба, которую зрачок проецирует на одну светочувствительную клетку. Угловой размер этой площадки называется угловой разрешающей способностью человеческого глаза и составляет около 1′.

Из всех звездообразных объектов лишь Венера иногда видна на дневном небе. Увидеть ее очень непросто: небо должно быть идеально чистым, и нужно хотя бы приблизительно знать, в каком месте на небе в данный момент находится Венера. Все остальные планеты и звезды имеют блеск значительно слабее, чем у Венеры, поэтому увидеть их без телескопа днем совершенно невозможно. Впрочем, некоторые астрономы утверждают, что при идеальных условиях им удавалось днем наблюдать Юпитер, который в несколько раз слабее Венеры. Но вот ярчайшую звезду нашего небосвода — Сириус — пока еще никому не удалось увидеть днем на уровне моря. Говорят, что его видели высоко в горах, на фоне темно-фиолетового неба.

Довольно легко убедиться, что яркий фон скрывает от нас светлые точки. Вот что советует по этому поводу Яков Перельман (1949, с. 155):

Несложный опыт может наглядно пояснить это исчезновение звезд 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 темную комнату и освещают изнутри: на пробитой стенке явственно выступают тогда освещенные изнутри дырочки — это звезды на ночном небе. Но стоит только, не прекращая освещения изнутри, зажечь в комнате достаточно яркую лампу — и искусственные звезды на листе бумаги бесследно исчезают: это «дневной свет» гасит звезды.

Что же делает телескоп, позволяя нам без труда наблюдать днем ночные светила? Разумеется, объектив телескопа собирает значительно больше света, чем зрачок глаза. Но в этом смысле изображение звезды и неба равноценны — при наблюдении в телескоп поток света от них в глаз увеличивается в одинаковое число раз, приблизительно равное отношению площади объектива к площади зрачка. Гораздо важнее другое — телескоп улучшает разрешающую способность глаза, ведь он увеличивает угловой размер наблюдаемых объектов. При этом та же площадка неба проецируется на большее число фоторецепторов, и значит, на каждый из них приходится пропорционально меньше света. Например, если телескоп увеличивает угловой размер объектов в А раз, то наблюдаемая яркость неба уменьшается в А 2раз. Однако звезда имеет очень малый угловой размер, и ее свет по-прежнему попадает на один рецептор.

Но теперь добавочный свет звезды может уже стать «солидным» на фоне уменьшенной яркости неба. Например, при 45-кратном увеличении телескопа яркость неба эффективно снижается в 45 2≈ 2000 раз, и на фоне неба становятся видны некоторые — самые яркие — звезды и планеты.

Что же получается: бери телескоп с большим увеличением и можешь рассматривать днем самые слабые звезды? Нет, это не так. Земная атмосфера неоднородна, поэтому изображение звезды размывается и имеет вполне определенный угловой размер, хотя и очень малый. Ночью при хорошей погоде высоко в горах он составляет около 1″, а днем на уровне моря — не менее 2–3″. Поэтому, если телескоп увеличивает более чем в 30÷60 раз, угловой размер звезды для наблюдателя превышает разрешающую способность глаза и ее изображение попадает на несколько фоторецепторов. Поэтому в более сильном увеличении смысла нет: яркость изображения звезды будет ослабевать так же, как и яркость неба.

Давайте оценим, какие звезды можно увидеть днем в телескоп. В ясную погоду дневное небо имеет яркость примерно −5 mна квадратную минуту дуги, т. е. приблизительно на одну светочувствительную клетку сетчатки. Блеск Венеры около −4 m. Поэтому будем считать, что звезда становится видна, если ее блеск не более чем на 1 mменьше поверхностной яркости неба с квадратной минуты. Как мы выяснили, используя телескоп, мы можем понизить яркость неба не более чем в 2000 раз, т. е. примерно на 8 m. Значит, яркость неба снизится до (−5 m+ 8 m) = 3 mс квадратной минуты и станут видны звезды с блеском до 4 m. Опыт астрономических наблюдений показывает, что так оно и есть.

Важное замечание. Если вы сами решите проверить, видны ли звезды днем в телескоп, то запомните, что наблюдать в телескоп звезды днем очень опасно! Ведь ненароком вы можете повернуть трубу в сторону Солнца — и тогда вы ослепнете.

Автор книжки забыл про атмосферу. Именно она, рассеивая солнечный свет, служит ярким фоном, на котором не видно днем звезд. Ранним вечером, когда Солнце уже опустилось под горизонт, звезды не видны из-за рассеянного в атмосфере света. Они плохо видны даже ночью при полной Луне, поскольку и ее свет заметно рассеивается в воздухе. На небесных телах, лишенных атмосферы, звезды днем видны.

Если иметь в виду звездные сутки, то каждое светило за это время завершает свою суточную параллель, дважды пересекая при этом любой из альмукантаратов, лежащих между точками верхней и нижней кульминаций светила, а также небесный меридиан, понимаемый в широком смысле — как большой круг, проходящий через зенит и полюсы мира.

Если же иметь в виду солнечные сутки, то возможно и троекратное пересечение этих кругов, если светило стартует вблизи одного из них и пересекает его первый раз не позже чем через 3 мин 56 сек солнечного времени. Частным случаем альмукантарата служит линия математического горизонта, поэтому все сказанное относится и к ней (см. задачу «Эх, раз! Еще раз?» в разделе «Прогулка по Земле»).