Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Если одна из звезд гораздо крупнее второй, центр массы системы может даже находиться в самой массивной звезде. Например, в случае с Землей и Луной (которые представляют собой двойную систему) центр массы расположен почти на 1700 километров ниже поверхности Земли. (Я еще вернусь к этому вопросу в приложении II.)

Сириус, самая яркая звезда на небе (расположена на расстоянии около 8,6 световых года от Земли), тоже представляет собой систему из двух звезд, известных как Сириус А и Сириус Б. Они обращаются вокруг общего центра масс один раз за пятьдесят лет (мы называем это периодом орбитального движения).

Как же определить, что смотришь именно на двойную звезду? Увидеть эти звезды отдельно невооруженным глазом невозможно. Но, в зависимости от того, на каком расстоянии двойная звезда находится от Земли, и от мощности используемых телескопов, иногда можно получить визуальное подтверждение, увидев две такие звезды как отдельные небесные тела.

Известный немецкий математик и астроном Фридрих Вильгельм Бессель полагал, что самая яркая звезда на небе, Сириус, является двойной системой, состоящей из видимой и невидимой звезд. Он пришел к такому выводу на основании точных астрономических наблюдений: Бессель первым в 1838 году начал проводить параллакс-наблюдения (совсем чуть-чуть опередив Хендерсона – см. главу 2). В 1844 году он написал Александру фон Гумбольдту знаменитое письмо: «Я придерживаюсь убеждения, что звезда Сириус представляет собой двойную звезду, состоящую из видимой и невидимой звезд. Нет никаких оснований полагать, что светимость является неотъемлемым качеством космических тел. Видимость бесчисленных звезд не следует считать аргументом против невидимости столь же бесчисленного множества других». Это утверждение поистине огромной глубины, ведь мы, как правило, действительно не верим в то, что не можем увидеть. Бессель основал направление, которое сегодня называется астрономией невидимого.

Никто не видел «невидимого» спутника (Сириус Б) до 1862 года, пока Элвин Кларк не испытал совершенно новый 18,5-дюймовый телескоп (самый большой на то время, изготовленный компанией отца Кларка) в своем родном городе Кембридже. Ученый направил телескоп на Сириус, который как раз вставал над горизонтом Бостона, просто чтобы протестировать аппаратуру, и обнаружил на небе Сириус Б, который оказался в 10 тысяч раз менее ярким, чем Сириус А.

Проще всего выяснить, является ли звезда двойной, особенно если она находится очень далеко, прибегнув к помощи спектроскопии и измерению доплеровского сдвига. На свете, наверное, нет более мощного астрофизического инструмента, чем спектроскоп, и более важного открытия в астрономии за последние несколько столетий, чем доплеровский сдвиг.

Вы уже знаете, что достаточно горячие небесные объекты излучают видимый свет (излучение черного тела). Разложение солнечного света на составные части так, как это делает призма, капель дождя, из которых состоит радуга ( глава 5), показывает нам континуум цветов от красного на одном конце до фиолетового на другом, называемый спектром. Если разложить на части свет звезды, тоже увидишь спектр, но цвета в нем могут быть не равной насыщенности. Например, чем холоднее звезда, тем она (и ее спектр) краснее. Температура Бетельгейзе (в созвездии Орион) всего 2000 К – это самая красная звезда в небе. А температура Беллатрикс, тоже из Ориона, 28 000 К – это самая фиолетовая и яркая звезда в небе (ее часто называют «Звездой амазонок»).

При пристальном взгляде на звездный спектр видны узкие промежутки, где цвета урезаны или даже полностью отсутствуют; это линии поглощения. В спектре Солнца, например, тысячи таких линий. Они вызваны наличием многих различных элементов в атмосферах звезд. Атомы, как известно, состоят из ядер и электронов. Электроны не могут обладать произвольной энергией: у них дискретные энергетические уровни, и они не могут иметь энергию, промежуточную между этими уровнями. Иными словами, их энергии «квантованы» – этот термин лег в основу такой области физики, как квантовая механика.

У нейтрального водорода один электрон. Если в него ударяет фотон, электрон сможет перейти с одного энергетического уровня на более высокий, поглощая энергию фотона. Но из-за квантования уровней энергии электрона это не может произойти с фотонами любой энергии. Подойдут только фотоны с нужной энергией (с конкретной частотой и длиной волны), позволяющей электрону совершить квантовый скачок с одного уровня на другой. Данный процесс (так называемое резонансное поглощение) убивает фотоны и создает на этой частоте отсутствие цвета в спектре, которое мы называем линией поглощения.

В видимой части спектра звезды имеются четыре линии поглощения водорода (на точно известных длинах волн, или цветах). Большинство элементов могут произвести гораздо большее число линий, потому что у них намного больше электронов, чем у водорода. По сути, у каждого элемента есть собственная уникальная комбинация линий поглощения, нечто вроде отпечатка пальцев. Мы точно знаем это благодаря исследованиям в лаборатории. Таким образом, тщательное изучение линий поглощения в спектре звезды может нам сказать, какие элементы присутствуют в ее атмосфере.

Однако когда звезда удаляется от нас, явление, известное как доплеровский сдвиг, заставляет весь ее спектр (в том числе и линии поглощения) смещаться в сторону красной части спектра (красное смещение). Если же спектр, наоборот, сдвинут в фиолетовую сторону, значит, звезда движется по направлению к нам. Тщательно измерив величину сдвига в длине волны линий поглощения звезды, можно вычислить скорость ее движется по отношению к нам.

Например, если мы наблюдаем двойную систему, каждая звезда будет двигаться половину своей орбиты в нашу сторону и вторую половину от нас. А ее спутник – наоборот. Если обе звезды достаточно яркие, мы увидим линии поглощения, смещенные и в красную, и в фиолетовую стороны спектра. Это укажет нам на то, что мы наблюдаем двойную звезду. Но из-за орбитального движения звезд линии поглощения будут двигаться вдоль спектра. Скажем, если орбитальный период составляет двадцать лет, каждая линия поглощения сделает полный проход по спектру за двадцать лет (десять лет на красное смещение и десять лет на фиолетовое).

Когда мы видим только красное смещение (или только фиолетовое) линий поглощения, мы все равно знаем, что это двойная система, если линии двигаются по спектру туда-сюда; а замер времени, которое требуется для совершения линиями полного цикла, позволит нам определить орбитальный период звезды. В каких случаях такое бывает? Например, тогда, когда одна из звезд слишком тусклая, чтобы ее было видно с Земли в оптическом диапазоне.