Сергей Язев - Лекции о Солнце

Со временем выяснилось (а соответствующая идея возникла давно), что «мощность» линии, которая описывается формой ее контура, зависит от числа того или иного типа атомов в наружных слоях Солнца. Современная теория формирования спектральных линий, основанная на фундаментальных закономерностях строения атомов и их взаимодействия с излучением, позволяет построить модели, на основании которых рассчитываются относительные концентрации (количество атомов) различных химических элементов на Солнце. Зависимости получаются нелинейные: если одного элемента на Солнце вдвое больше, чем другого, это вовсе не значит, что ширина или глубина контура первой линии будет именно вдвое больше! Зависимости оказались более сложными, но главное, что они сегодня хорошо известны ученым.

Выяснилась удивительная вещь: основные закономерности распределения числа атомов различных элементов по их относительному количеству на Солнце оказались похожими для многих звезд! С этой точки зрения Солнце выглядит довольно типичной звездой, хотя абсолютно одинаковых звезд (т. е. звезд с абсолютно одинаковыми спектрами) не обнаружено, и Солнце тут не исключение – иногда заметные, иногда тонкие отличия в спектрах, конечно же, всегда находятся.

Итак, расчеты позволяют определить не только типы атомов, которые обнаруживаются на Солнце по линиям Фраунгофера, но и относительное количество разных типов атомов!

Теперь мы знаем, что больше всего на Солнце атомов водорода. По числу атомов его примерно в 10 раз больше, чем всех остальных атомов, вместе взятых: водорода на Солнце, по современным оценкам, 90,7 %. По массе же его там меньше, примерно 74 %. Это связано с тем обстоятельством, что водород – самый легкий элемент во Вселенной: его атомов много, но их суммарная масса не столь уж велика.

На втором месте после водорода стоит открытый Локьером гелий. Его наиболее вероятная концентрация – 9,1 % по числу атомов и около 24 % по массе. Нетрудно увидеть, что на все остальные типы атомов приходится всего 0,2 % по числу атомов и не более 2 % по массе. Суммарное число всех атомов обнаруженных на Солнце металлов (необходимо заметить, что астрофизики-спектроскописты непривычно называют металлами все атомы тяжелее гелия), например, почти в 10 тысяч раз меньше, чем атомов водорода.

Впрочем, нужно иметь в виду, что спектральный анализ позволяет изучать состав и относительное содержание элементов прежде всего в тонком слое нижней атмосферы Солнца – фотосфере, а также в находящихся над ней более разреженных слоях газа. Свет, который попадает в земные спектральные приборы, исходит из именно этих слоев. Что же касается более глубоких, непрозрачных и поэтому невидимых для нас слоев Солнца, то оценки их химического состава делаются косвенным методом на основе создаваемых физических моделей.

Таким образом, мы видим, что концентрации различных типов атомов различаются на Солнце очень сильно. Так, например, можно говорить о том, что в атмосфере Солнца на миллион атомов водорода приходится лишь один атом кальция. При этом кальций – вовсе не самый малораспространенный на Солнце элемент, а линия К кальция, – одна из самых заметных в спектре Солнца. Это еще раз показывает удивительную чувствительность спектрального анализа – метода, который уже давно стал основным способом изучения небесных тел в астрофизике.

Помимо данных о химическом составе далекого космического источника излучения (в нашем случае Солнца), спектральные линии способны дать информацию и о других его физических свойствах.

Австрийский физик, профессор математики Христиан Доплер (1803–1853), работавший в Праге, в 1842 году опубликовал результаты своего замечательного исследования. Пусть какой-то источник издает звук с определенной частотой. Согласно эффекту Доплера , частота (тон) звука будет меняться, если источник звука будет двигаться – к нам или от нас! Если поезд на большой скорости проносится мимо станции, тон его свистка (или гудка) будет казаться наблюдателю, стоящему на перроне, выше, пока поезд приближается, и ниже, когда поезд, проехав мимо станции, начнет удаляться. Читатели, которые пользуются электричками, наверное, вспомнят, что неоднократно сталкивались с этим эффектом: тон звука свистка встречной электрички мгновенно меняется (становится ниже), как только ее головной вагон проносится мимо нас.

Существует легенда о том, что в 1845 году для проверки эффекта Доплера был проведен грандиозный эксперимент с движущимся паровозом, тянувшим за собой платформу с музыкантами. Оркестр играл на духовых инструментах. Вдоль пути следования размещались другие музыканты (люди с музыкальным слухом!), которые должны были сравнить звуки, доносящиеся с движущейся платформы, со звуками, которые издавали их собственные инструменты. Тон, несомненно, изменялся! Предсказания Доплера блестяще подтвердились.

Но какое отношение эти опыты имеют к Солнцу?

Дело в том, что французский физик Арман Ипполит Физо (1819–1896) убедительно показал, что эффект Доплера должен проявляться в изменении частоты не только звуковых колебаний, но и частоты любых типов волн, испускаемых неким источником! Это означало, что должна меняться и частота световых волн. Поскольку частота – это величина, обратная уже известной нам характеристике излучения, которая называется длиной волны, – вследствие действия эффекта Доплера длина волны солнечного излучения также должна изменяться в зависимости от того, к нам или от нас движется излучающее электромагнитные волны вещество Солнца.

На первый взгляд, обнаружить такое изменение невозможно. Ведь Солнце излучает, как было сказано выше, на всех длинах волн! И это значит, что если длина какой-то волны изменится, она превратится в длину другой волны, которая тоже испускается светилом, а в целом ничего не изменится – весь непрерывный спектр чуть сдвинется, но заметить это мы не сможем. Но дело в том, что на фоне непрерывного спектра Солнца есть особые метки – фраунгоферовы линии. Согласно расчетам Доплера, эти линии должны сместиться в сторону более коротких волн (к «синему» концу спектра), если источник движется к нам, и в сторону более длинных волн («красному» концу спектра), если источник излучения движется от нас. Эти смещения по сравнению с ситуацией, когда источник никуда не двигается, физики так и называют – синим или красным смещением.

Эти расчеты в принципе было нетрудно проверить. Солнце вращается довольно быстро. Это означает, что на восточном крае Солнца его вещество на экваторе движется к нам (с довольно приличной скоростью – около двух километров в секунду), а вещество на западном краю все время удаляется от нас с такой же скоростью, повинуясь вращению Солнца. Если мы получим спектр не всего Солнца, а только света, идущего от его восточного края, и сравним со спектром света, излучаемым западным краем, положения фраунгоферовых линий должны различаться: на востоке они должны сдвинуться в «синюю» сторону, на западе – в «красную».