Что такое аберрация в астрономии

Аберрация света — в астрономии, изменение направления светового луча, идущего от небесного светила, вследствие конечности скорости света и движения наблюдателя относительно светила. А. с. вызывает смещение видимого положения светила на небесной сфере.… … Большая советская энциклопедия

аберрация света — šviesos aberacija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. light aberration vok. Lichtaberration, f rus. аберрация света, f pranc. aberration de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

Аберрация света — состоит в том, что мы, наблюдая звезду, видим последнюю не в том месте, где она находится, вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света. Если бы Земля была недвижима или если бы свет распространялся… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Аберрация света — изменение видимого положения светила на небесной сфере, обусловленное конечным значением скорости света и движением наблюдателя вместе с Землей в космическом пространстве. Различают вековую А. с., вызванную движением Солнечной системы в Галактике … Астрономический словарь

АБЕРРАЦИЯ — (лат. aberratio уклонение) 1) отклонение от нормы2)] Аберрация оптических систем, искажения изображения, вызванные неидеальностью оптической системы: изображение не вполне отчетливо, неточно соответствует объекту или окрашено. Различают… … Большой Энциклопедический словарь

АБЕРРАЦИЯ — • АБЕРРАЦИЯ, в астрономии кажущееся незначительное смещение местоположения звезды, вызванное влиянием движения Земли по орбите и конечностью скорости света. Для того, чтобы компенсировать этот эффект, телескоп необходимо установить под углом до… … Научно-технический энциклопедический словарь

Аберрация — света состоит в том, что мы, наблюдая звезду, видимпоследнюю не в том месте, где она находится, вследствие движения земливокруг солнца и времени, необходимого для распространения света. Если быземля была недвижима, или если бы свет… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

Аберрация (значения) — В Викисловаре есть статья «аберрация» Аберрация отклонение от нормы, ошибки, нарушения погрешности (лат. aberratio «уклонение, удаление, отвлечение», от лат. … Википедия

Источник

Вид космоса из субсветовой ракеты. Фото субсветового объекта. Вывод аберрации света без преобразований Лоренца

Начнём конечно с аберрации. Затем рассчитаем и проиллюстрируем графиками, как выглядит звёздное небо в иллюминаторах ракеты в зависимости от её скорости. И, наконец, выясним, как выглядит на фотографии, пролетая мимо Земли, сама эта ракета. Но предупреждаю, картина будет только одна (и то так себе), остальное чертежи, аналитика и графики. Из них, кстати, видно, что несмотря на лоренцево сжатие, только что появившаяся на горизонте приближающаяся ракета возможно даже визуально будет казаться длиннее, и уж точно должна такой оказаться на фотографии, чем если бы она была неподвижна в той же точке траектории. Поскольку все вычисления будем проводить опираясь на физическую суть явлений при субсветовых скоростях, преобразования Лоренца не понадобятся. Автор будет признателен за замечания.

Угол аберрации соответствует такому направлению зрительной трубы, что квант света от Источника, попавший в её входное отверстие или линзу, будет двигаться именно вдоль оси трубы по мере перемещения Приёмника и жёстко прикреплённой к нему трубы, и в конце концов будет им принят. Этот угол оказывается различным в классической и релятивистской механике. Вывод формулы релятивистской аберрации света подробно изложен, например, в статье на стр.338, но начинается он на стр.334, и естественно значительный объём там занимает вывод преобразований Лоренца.

Однако сама суть релятивистской аберрации света связана с лоренцевым сокращением масштабов Приёмника, имеет наглядную интерпретацию и вполне понятна даже школьникам. Этот же метод применялся автором для вывода формулы доплер-эффекта. Все нужные обозначения указаны на рис.1 и там все события отражены в системе отсчёта (СО) Источника. Приёмник движется вправо со скоростью V от точки B к точке C.

Явление аберрации, как видно на схеме слева, состоит в том, что видимое направление на Источник будет отклонено от фактического в сторону движения Приёмника, т.е. Источник будет наблюдаться Приёмником (в СО Источника) не под углом α, а под углом γ параллельно линии AB.

На рисунке фронт первой волны (отмечен цифрой 1 в кружочке) принимается в точке B. Расположение в этот момент фронта следующей (второй) волны отмечено цифрой 2 в кружочке. Расстояние между фронтами равна длине λи волны Источника.

Рис.1

Приёмник примет фронт 2-й волны (отмеченной 2′ в кружочке) в точке C. Фронты перпендикулярны лучу света. От приёма 1-го фронта до приёма 2-го пройдёт время Т. Расстояния: BC = V∙T, AC = c∙T, AB = a, откуда получаем (1) и (2).

Разделив уравнение (1) на (2) получим выражение (3), откуда, разделив числитель и знаменатель на c∙T, получим искомую формулу аберрации света (4), где β = V/c. И тут угол аберрации именно таков, как и должен быть в классической механике.

Но так как в системе Источника Приёмник движется, то, следовательно, является в ней сжатым по Лоренцу вдоль траектории, как на рис.1 справа. Однако в собственной СО Приёмника этот эллипсоид будет восприниматься как сфера вследствие такого же изменения эталонов длины. В таком случае и собственный угол аберрации изменится, как показано красной пунктирной линией. Точка A пересечения лучом аберрации эллипсоида перейдёт по зелёной пунктирной стрелке в точку B пересечения им сферы. Соответственно, тангенс угла γ₀ станет меньше тангенса угла γ в отношении лоренцева сокращения согласно (5). Умножая выражение в формуле классической аберрации на этот коэффициент получим искомую формулу релятивистской аберрации (6). Точно такая же формула для угла аберрации приводится в курсе теоретической физики Ландау и Лифшица, «Теория поля», §5, ф-ла (5,5). Но там она выведена посредством пересчёта координат ИСО движущейся в 4-х мерном абстрактном пространстве Минковского. А здесь вывод проведён согласно евклидовой геометрии в ньютоновом пространстве и реальная физика релятивизма видна явно в явлении лоренцева сокращения движущихся тел.

Вид звёздного неба из субсветовой ракеты

Интересно феномены теории относительности (ТО) проиллюстрировать картинкой звёздного неба, которую в иллюминаторы увидела бы команда звездолёта при скорости близкой к световой. Звёзды условно считаются неподвижными. Описание того, что будет видно из звездолёта при скорости 0,8660254 световой опубликовано проф. С.М.Рытовым, но практически без формул, в статье. Можно убедиться, что для этой скорости его и мои расчёты совпадают. Отмечу, что азимуты в статье Рытова считаются не от направления движения ракеты к цели, а в обратном порядке. Эти же вопросы рассматриваются в лекциях Фейнмана.

В данной статье приводится наглядный вывод всех необходимых формул и графиков в широком диапазоне скоростей, включая и 0,866. Задачу будем решать в системе отсчёта Источника света. Наблюдатель (изображён смайликом) движется налево со скоростью V и принимает свет от неподвижных Источников, находящихся под разными углами α (азимутами) относительно его вектора скорости.

Рис.2

На левом верхнем чертеже рис.2 свет принимается от звёзд с азимутами менее 90°. Позиция, когда был принят фронт первой волны отмечена цифрой 1 в кружочке. Расположение в этот момент фронта следующей (второй) волны отмечено цифрой 2 в кружочке. Расстояние между фронтами, т.е. длина «λи» волны Источника указана рядом красным текстом в рамке, где «Ти» длительность периода волны. Приёмник примет фронт 2-й волны в позиции отмеченной 2′ в кружочке. Фронты перпендикулярны лучу света. От приёма 1-го фронта до приёма 2-го пройдёт время Т, а длина принятой волны λ=с∙Т. Все эти отношения изображены на рисунке красным шрифтом в рамках. Угол аберрации обозначен γ, а луч аберрации изображён красной пунктирной линией. Мы перейдём к безразмерным координатам, разделив все длины на с∙Т. Тогда скорость звездолёта выразится отношением V/c = β. А «λи» следует заменить на n = λи / λ = Ти / Т.

На правом верхнем чертеже рис.2 показана схема при приёме света от звёзд в задней полусфере относительно звездолёта уже в безразмерных величинах. Формулы (7) и (8) следуют непосредственно из чертежа. Как известно, отношения между замедленным собственным временем Т₀ в системе движущегося Наблюдателя и временем процессов Т в системе Источника выражаются формулой (9). Применяя её к (8) получаем (10). Поскольку в любой СО скорость света численно одинакова, для Источника и для Наблюдателя длина волны света и период связаны формулами (11). Подставляя их в (10) получим (12).

На рис.2 угол аберрации γ показан в системе Источника. А в системе Наблюдателя ему соответствует угол γ₀, который вычисляется по ранее выведенной формуле (6).

Для построения зависимости угла аберрации и доплеровского сдвига от скорости звездолёта нам понадобятся формулы (6) и (12).

Для сравнения покажем на рис.3, как эти графики выглядят без релятивизма, например, для звуковых волн, где «с» просто скорость звука. Видим, что минимальный угол аберрации равен половине исходного азимута, а минимальная длина принятой спереди волны равна половине излученной. Так и должно быть.

Рис.3

Графики с релятивистскими поправками показаны на рис.4. Белая штриховая кривая соединяет точки соответствующие скорости 0,866 световой.

Рис.4

Итак, что же увидит звездолётчик при скоростях близких к световой?

Звёзды в передней полусфере уже при «небольшой» скорости звездолёта посинеют, а из задней полусферы покраснеют, и даже выйдут за пределы видимого диапазона, отмеченного «границами синего и красного». Но с ростом скорости, все звёзды со всего небосклона соберутся в колечко прямо по курсу и будут двигаться к его центру по мере ускорения звездолёта. И в этом колечке опять станут видимы звёзды из задней полусферы небосклона. Внешние края колечка будут окрашены в красные, а внутренние преимущественно в синие цвета. В центре будет тёмное пятно, так как там спектры всех звёзд перейдут в область невидимого ультрафиолета.

Впрочем, возможно станут видимыми участки их спектра инфракрасного излучения. В боковые иллюминаторы возможно станут наблюдаемы расположенные позади объекты излучающие в рентгеновском диапазоне волн. В общем, прямо по курсу звездолётчики увидят картинку похожую на рис.5.
Рис.5

Фотографии субсветового объекта

Чтобы избежать смазывания картинки и искажений формы при фотографировании объекта важно, чтобы он не успел существенно переместиться за время выдержки. Для субсветового объекта это означает, что свет от любых точек объекта за время выдержки должен проходить расстояние существенно меньшее деталей объекта. И значит лучи несущие изображение всех точек объекта должны одновременно попасть в объектив за время выдержки. В идеале, лучи с изображением от точек А, Б и В исходного объекта должны находиться в пределах одного волнового фронта, обозначенного цифрой 3 на рис.6.I.

Для этого свет от точки Б должен отправиться в момент, когда она находилась в точке Г, чтобы оказаться в одном волновом фронте (3 в кружочке) одновременно с изображением от точки А. Чтобы одновременно сюда попал и свет от точки В, он должен был отправиться, когда она находилась в точке Е. Таким образом видимое изображение реального объекта АБВ будет образовано точками АГЕ. Нас интересует изменение визуальной длины L’ объекта относительно его реальной длины L или собственной длины L₀ и угол φ наклона элементов перпендикулярных движению в плоскости образованной векторами оси зрения и скорости.

Рис.6

Из чертежа на рис.6.I очевидно:

Таким образом, исходный объект с размерами L₀ и h₀ в собственных координатах, связанных с реальными размерами L и h соотношением (16) и h = h₀ и приведенный на рис.6.III (белый), на снимке будет выглядеть в соответствии с формулами (17) и (20) как там же красный. Графики функций угла φ (подписаны «Угл») из формулы (20) и отношения L’/L₀ из формулы (17) показаны на рис.7 для скоростей объекта 0,5 0,866 0,95 и 0,99 относительно световой.

Рис.7

Следует иметь в виду, что по оси абсцисс отложен угол ϑ = (180-α°) характеризующий направление зрения на встречный объект. На рис.6.II показано, что для объекта следующего прямолинейно на расстоянии S от наблюдателя, угловой размер длины объекта L видимого под углом ϑ будет, вследствие перспективы, сжат пропорционально sin ϑ, а расстояние до объекта будет в 1/sin ϑ больше, чем S, когда он будет виден в зените (или по траверсу), так что визуально размер объекта будет во столько же раз меньше, а в итоге в (sin ϑ)² раз. Именно такие размеры длины объекта отражают кривые «Прп» относительно видимой собственной длины объекта, когда бы он неподвижно находился в зените на той же траектории. В зените же (или по траверсу) движущийся объект имеет видимую длину соответственно его лоренцеву сокращению.

Кривая «Прп 0» соответствует длинам объекта, если бы он неподвижно находился в точках траектории соответствующих азимутам наблюдения. Обратим внимание, что передняя сторона объекта (фас) будет видна только при азимутах меньших, чем при которых соответствующая кривая «Угл» пересекает линию «Фас». При бо́льших углах, вследствие скоса фасада назад, он будет заслонён нижней (или ближайшей к наблюдателю) стороной объекта. Например, в направлении по траверсу (или в зените) у движущихся объектов в рассматриваемом диапазоне скоростей (0,5–0,99) углы φ наклона переднего фасада назад лежат в диапазоне от 25° до 45°, но этого не будет видно. Зато с азимута 90° и далее становится видна задняя сторона объекта. Сначала без деталей, так как несущие изображение лучи скользят вдоль стенки, а затем и с деталями видимыми под данным азимутом, но видимое изображение задних перпендикулярных поверхностей будет растянуто (в плоскости траектории и наблюдателя) в 1/cos φ раз относительно размера у неподвижного объекта в том же месте.

Источник

Аберрация (астрономия)

СОДЕРЖАНИЕ

Объяснение [ править ]

В результате световые лучи, падающие на движущегося наблюдателя сбоку в неподвижной системе координат, будут попадать под углом вперед в кадре движущегося наблюдателя. Этот эффект иногда называют эффектом «прожектора» или «фары».

В случае ежегодной аберрации звездного света направление падающего звездного света, видимое в движущейся системе координат Земли, наклонено относительно угла, наблюдаемого в системе координат Солнца. Поскольку направление движения Земли меняется во время ее орбиты, направление этого наклона меняется в течение года и приводит к тому, что видимое положение звезды отличается от ее истинного положения, измеренного в инерциальной системе отсчета Солнца.

Классическое объяснение [ править ]

Релятивистское объяснение [ править ]

Связь с коррекцией светового времени и релятивистским излучением [ править ]

Рассмотрим случай, когда наблюдатель и источник света движутся относительно друг друга с постоянной скоростью, а луч света движется от источника к наблюдателю. В момент излучения луч в системе покоя наблюдателя наклонен по сравнению с лучом в системе покоя источника, что понимается под релятивистским излучением. В течение времени, необходимого лучу света, чтобы достичь наблюдателя, источник света перемещается в кадре наблюдателя, и «истинное положение» источника света смещается относительно видимого положения, которое видит наблюдатель, что объясняется поправкой на время света. Наконец, луч в кадре наблюдателя в момент наблюдения наклонен по сравнению с лучом в кадре источника, что можно понимать как аберрационный эффект. Таким образом, человек в источнике света ‘Рамка s описала бы очевидный наклон луча с точки зрения аберрации, в то время как человек в кадре наблюдателя описал бы это как световой эффект времени.

Связь между этими явлениями действительна только в том случае, если кадры наблюдателя и источника являются инерциальными. На практике, поскольку Земля не является инерциальной системой покоя, но испытывает центростремительное ускорение по направлению к Солнцу, многие аберрационные эффекты, такие как годовая аберрация на Земле, не могут считаться поправками на световое время. Однако, если время между излучением и обнаружением света мало по сравнению с периодом обращения Земли, Землю можно аппроксимировать как инерциальную систему отсчета, а аберрационные эффекты эквивалентны поправкам времени света.

Типы [ править ]

Существует ряд типов аберраций, вызванных разными компонентами движения Земли и наблюдаемого объекта:

Ежегодная аберрация [ править ]

На самом деле орбита Земли немного эллиптическая, а не круговая, и ее скорость несколько меняется в течение ее орбиты, что означает, что приведенное выше описание является лишь приблизительным. Аберрация более точно рассчитывается с использованием мгновенной скорости Земли относительно барицентра Солнечной системы. [8]

Солнечная годовая аберрация [ править ]

Планетарная аберрация [ править ]

Суточная аберрация [ править ]

Светская аберрация [ править ]

Солнце и Солнечная система вращаются вокруг центра Галактики. Аберрация из-за этого движения известна как вековая аберрация и влияет на видимое положение далеких звезд и внегалактических объектов. Однако, поскольку галактический год составляет около 230 миллионов лет, аберрация меняется очень медленно, и это изменение чрезвычайно трудно наблюдать. Поэтому при рассмотрении положения звезд вековая аберрация обычно игнорируется. Другими словами, звездные карты показывают наблюдаемые видимые положения звезд, а не их рассчитанные истинные положения с учетом вековых аберраций.

Открытие и первые наблюдения [ править ]

Поиск звездного параллакса [ править ]

Наблюдения Джеймса Брэдли [ править ]

Ранние гипотезы [ править ]

Развитие теории аберраций [ править ]

В следующей таблице показана величина отклонения от истинного склонения для γ Draconis и направление на плоскостях солнечного цвета и нулевого эклиптического меридиана тангенса скорости Земли на ее орбите для каждого из четырех месяцев, когда найдены крайности, а также ожидаемое отклонение от истинной долготы эклиптики, если Брэдли измерил ее отклонение от прямого восхождения:

Брэдли предположил, что аберрация света влияет не только на склонение, но и на прямое восхождение, так что звезда на полюсе эклиптики будет описывать небольшой эллипс диаметром около 40 дюймов, но для простоты он предположил, что это круг.Поскольку он наблюдал только отклонение по склонению, а не по прямому восхождению, его расчеты максимального отклонения звезды на полюсе эклиптики относятся только к ее склонению, которое будет совпадать с диаметром описанного небольшого круга. по такой звезде. Для восьми различных звезд его расчеты таковы:

Таким образом, скорость света относительно скорости годового движения Земли по ее орбите составляет 10210 к единице, откуда следует, что свет перемещается или распространяется от Солнца до Земли за 8 минут 12 секунд. [15]

Исторические теории аберрации [ править ]

Феномен аберрации стал движущей силой многих физических теорий за 200 лет между его наблюдением и окончательным объяснением Альберта Эйнштейна.

Классическое объяснение Брэдли [ править ]

Брэдли придумал объяснение в терминах корпускулярной теории света, в которой свет состоит из частиц. [1] Его классическое объяснение обращается к движению Земли относительно луча световых частиц, движущихся с конечной скоростью, и развито в системе отсчета Солнца, в отличие от классического вывода, приведенного выше.

tan ⁡ ( ϕ ) = h sin ⁡ ( θ ) h v / c + h cos ⁡ ( θ ) = sin ⁡ ( θ ) v / c + cos ⁡ ( θ ) <\displaystyle \tan(\phi )=<\frac >=<\frac <\sin(\theta )>>> .

Светоносный эфир [ править ]

После рассмотрения феномена аберрации звезд я склонен полагать, что светоносный эфир проникает в субстанцию ​​всех материальных тел с небольшим сопротивлением или без него, возможно, так же свободно, как ветер проходит через рощу деревьев.

tan ⁡ ( ϕ ) = sin ⁡ ( θ ) v / ( c / n ) + cos ⁡ ( θ ) <\displaystyle \tan(\phi )=<\frac <\sin(\theta )>>> .

который предсказывает зависящий от среды угол аберрации. Если учесть рефракцию на объективе телескопа, этот результат еще больше отличается от результата вакуума. В 1810 году Франсуа Араго провел аналогичный эксперимент и обнаружил, что среда в телескопе не повлияла на аберрацию, что послужило убедительным доказательством против теории Юнга. Этот эксперимент был впоследствии подтвержден многими другими в последующие десятилетия, наиболее точно Эйри в 1871 году, с тем же результатом. [17]

Модели перетаскивания эфира [ править ]

Эфирное сопротивление Френеля [ править ]

Эфирное сопротивление Стокса [ править ]

Однако тот факт, что свет поляризован (открытый самим Френелем), заставил таких ученых, как Коши и Грин, поверить в то, что эфир был полностью неподвижным упругим твердым телом, в отличие от жидкого эфира Френеля. Таким образом, вновь возникла потребность в объяснении аберрации, совместимом как с предсказаниями Френеля (и наблюдениями Араго), так и с поляризацией.

Теории Френеля и Стокса были популярны. Однако вопрос об аберрации оставался в стороне на протяжении большей части второй половины XIX века, поскольку основное внимание уделялось электромагнитным свойствам эфира.

Сокращение длины Лоренца [ править ]

Хендрик Лоренц приложил значительные усилия в этом направлении. После десятилетней работы над этой проблемой проблемы с теорией Стокса заставили его отказаться от нее и последовать предложению Френеля о (в основном) стационарном эфире (1892, 1895). Однако в модели Лоренца эфир был полностью неподвижен, как электромагнитные эфиры Коши, Грина и Максвелла и в отличие от эфира Френеля. Он получил коэффициент увлечения Френеля из модификаций электромагнитной теории Максвелла, включая модификацию временных координат в движущихся системах отсчета («местное время»). Чтобы объяснить эксперимент Майкельсона – Морли(1887), который явно противоречил теориям неподвижного эфира Френеля и Лоренца и, по-видимому, подтвердил полное сопротивление эфира Стокса, Лоренц предположил (1892), что объекты претерпевают « сокращение длины » в несколько раз в направлении их движения в эфире. Таким образом, аберрацию (и все связанные с ней оптические явления) можно учесть в контексте неподвижного эфира. Теория Лоренца стала основой многих исследований в следующем десятилетии и в последующие годы. Его предсказания относительно аберрации идентичны предсказаниям релятивистской теории. [17] [19] 1 − v 2 / c 2 <\displaystyle <\sqrt <1-v^<2>/c^<2>>>>

Специальная теория относительности [ править ]

Теория Лоренца хорошо согласовывалась с экспериментом, но была сложной и делала много необоснованных физических предположений о микроскопической природе электромагнитных сред. В своей специальной теории относительности 1905 года Альберт Эйнштейн переосмыслил результаты теории Лоренца в гораздо более простых и естественных концептуальных рамках, которые отказались от идеи эфира. Его вывод дан выше и теперь является общепринятым объяснением. Роберт С. Шенкленд сообщил о некоторых беседах с Эйнштейном, в которых Эйнштейн подчеркивал важность аберраций: [20]

Другими важными мотивами для разработки Эйнштейном теории относительности были проблема движущегося магнита и проводника и (косвенно) эксперименты с отрицательным дрейфом эфира, уже упомянутые им во введении к его первой статье по теории относительности. Эйнштейн писал в 1952 году: [5]

На мою собственную мысль более косвенно повлиял знаменитый эксперимент Майкельсона-Морли. Я узнал об этом из новаторского исследования Лоренца по электродинамике движущихся тел (1895 г.), о котором я знал до создания специальной теории относительности. Основное предположение Лоренца о покоящемся эфире не показалось мне напрямую убедительным, поскольку оно привело к [вычеркнутой: для меня искусственно появившейся] интерпретации эксперимента Майкельсона-Морли, которая [вычеркнута: не убедила меня] казалась неестественной. мне. Мой прямой путь к зр. тыс. отн. в основном определялся убеждением, что электродвижущая сила, индуцированная в проводнике, движущемся в магнитном поле, есть не что иное, как электрическое поле. Но результат эксперимента Физо и феномен аберрации также направляли меня.

См. Также [ править ]

Заметки [ править ]

что является известным результатом аберрации.

Источник