В ясную ночь звёзды редко выглядят совершенно неподвижными точками. Их свет словно дрожит, становится то ярче, то слабее, а у горизонта иногда даже меняет оттенок. При этом яркие планеты обычно светят заметно спокойнее. Разница объясняется не свойствами самих звёзд, а тем, как их свет проходит через неоднородную атмосферу Земли.
Звезда не мигает сама по себе
Свет от далёкой звезды проходит через космическое пространство практически без тех быстрых изменений, которые мы замечаем с поверхности Земли. Мерцание появляется на последнем участке пути — в атмосфере. Воздух над нами постоянно движется, перемешивается, нагревается и охлаждается, поэтому его плотность и показатель преломления немного меняются от места к месту.
Когда узкий пучок звёздного света проходит через множество таких участков, его направление слегка отклоняется. Эти отклонения непрерывно меняются вместе с движением воздушных масс. Для наблюдателя точечное изображение звезды начинает немного смещаться, а количество света, попадающего в глаз или телескоп, колеблется. Это явление называют атмосферной сцинтилляцией.
Почему сильнее мерцают звёзды у горизонта
Высоко над головой луч от звезды проходит через атмосферу по сравнительно короткому пути. У горизонта он идёт через гораздо более толстый слой воздуха. По дороге свет встречает больше областей с разной температурой, плотностью и влажностью, а значит, испытывает больше случайных отклонений.
Поэтому низко расположенные звёзды часто мерцают особенно заметно. Иногда наблюдателю кажется, что яркая звезда быстро переливается красным, синим и белым. Это связано с тем, что атмосфера не только меняет направление лучей, но и немного по-разному воздействует на свет разных длин волн.
Почему планеты ведут себя иначе
Для невооружённого глаза и звезда, и планета могут казаться крошечной светящейся точкой. Однако физически их изображения устроены по-разному. Из-за огромных расстояний обычная звезда остаётся для наземного наблюдателя почти идеальным точечным источником. Планеты Солнечной системы находятся намного ближе и имеют заметный угловой размер, даже если глаз не различает их диски.
Свет от разных участков диска планеты проходит через несколько атмосферных ячеек одновременно. Одни участки изображения в конкретный момент могут стать немного ярче, другие — слабее. Эти изменения частично усредняются, поэтому общая яркость планеты выглядит стабильнее. Именно поэтому яркая точка, которая почти не мерцает, нередко оказывается планетой, хотя этот признак нельзя считать единственным способом распознавания объектов на небе.
Что такое астрономический «син»
Те же атмосферные процессы, которые заставляют звёзды мерцать, мешают наземным телескопам получать идеально резкие изображения. Астрономы называют влияние турбулентности на качество изображения seeing, или атмосферным «сином». Даже при безоблачном небе изображение далёкого объекта может постоянно слегка деформироваться.
Для профессиональной астрономии это имеет большое значение. Поэтому крупные наземные обсерватории стараются строить в местах с сухим климатом, устойчивой атмосферой и подходящим рельефом. Высокая гора сама по себе не устраняет турбулентность, но позволяет поднять телескоп над частью наиболее плотного воздуха и часто обеспечивает более благоприятные условия наблюдений.
Как телескопы компенсируют атмосферу
Современные обсерватории используют адаптивную оптику. Специальные системы много раз в секунду оценивают искажения, внесённые атмосферой, и изменяют форму небольшого деформируемого зеркала. Так часть искажений удаётся компенсировать ещё во время наблюдения.
Другой способ полностью убрать этот фактор — вынести телескоп за пределы атмосферы. Космические обсерватории не сталкиваются с земной атмосферной турбулентностью, поэтому свет от звёзд там не испытывает привычного наземного мерцания. Однако у космических телескопов есть собственные ограничения, включая размеры, стоимость запуска и сложность обслуживания.
Почему мерцание может рассказать об атмосфере
Сцинтилляция — не просто красивый эффект ночного неба. Характер изменений света несёт информацию о состоянии воздуха на пути луча. Астрономы учитывают турбулентность при выборе площадок для телескопов и во время наблюдений, поскольку от неё зависит реальное разрешение наземных инструментов.
Подобные принципы важны и для передачи оптических сигналов через атмосферу. Если свет должен пройти большое расстояние в воздухе, изменения плотности и температуры могут влиять на его распространение. Поэтому изучение атмосферной оптики имеет значение не только для наблюдения звёзд.
Что увидит наблюдатель без атмосферы
Если наблюдать звёзды из космоса, привычного мерцания, вызванного земным воздухом, не будет. Светила сохранят собственные изменения яркости, если они действительно являются переменными звёздами, но быстрый хаотичный блеск исчезнет. Это позволяет отделить физические процессы на самой звезде от эффекта среды между источником и наблюдателем.
Таким образом, знакомое «мерцание звёзд» — наглядная демонстрация того, что атмосфера не является оптически неподвижной оболочкой. Воздух постоянно движется и меняет свойства, а лучи от далёких точечных источников делают эти изменения заметными человеческому глазу.