Мешканці великих міст зі значною кількістю джерел штучного світла не надто часто звертають увагу на зоряне небо над власними головами, згадуючи про нього лише тоді, коли опиняються вдалині від населених пунктів. Ті ж, хто отримує можливість помилуватися різноманіттям далеких зір, відразу помічають дві речі. По-перше, всі світила мають різний блиск — від дуже яскравого до ледь помітного неозброєним оком. А по-друге, блищання практично всіх із них вельми швидко та нерегулярно змінюється з невеликою, але помітною амплітудою, причому найкраще це видно у найяскравіших об’єктів. Цей ефект називають мерехтінням зір, і він не є жодним «обманом зору» — прилади його теж реєструють.
Щоб зрозуміти, звідки виникає це мерехтіння, варто, як кажуть учені, набрати статистику та уважно роздивитися всі зорі на небосхилі. Легко помітити, що ті з них, що розташовуються поблизу зеніту, світять майже стабільно, а чим ближче світило до горизонту — тим сильніше воно мерехтить. Найяскравіші з «низьких» зір при цьому ще й здатні змінювати колір. А якщо провести спостереження в різні ночі, стане очевидним, що мерехтіння стає більш виразним у вітряну погоду. Звідси вже неважко дійти цілком логічного висновку: причиною цього явища є вплив земної атмосфери.
Наскільки б ефемерною не здавалася газова оболонка нашої планети, однак вона все ж являє собою оптично активне середовище з показником заломлення вищим, аніж космічний вакуум, що оточує Землю. Ба більше, наша атмосфера постійно живе своїм активним життям, і навіть якщо біля поверхні ми відчуваємо повний штиль — на великих висотах можуть вирувати шалені вітри, що розносять на значні відстані різноманітні забруднення (антропогенні чи природні, на кшталт продуктів вулканічних вивержень).
Атмосферні потоки несуть із собою газові «пухирі», що мають більшу або меншу густину, ніж їхнє оточення. Хоча ця різниця густини не здається суттєвою, але й розміри «пухирів» часто вимірюються десятками та навіть сотнями метрів, тому вони «працюють» як гігантські лінзи, що постійно рухаються та змінюють свої розміри. Світло зір, що проходить крізь них, може сфокусуватися на спостерігачеві (тоді він бачить короткочасне збільшення яскравості) або, навпаки, розсіятися (тоді воно ненадовго стане слабшим). У напрямку до зеніту лінія зору «пронизує» атмосферу найкоротшою відстанню, й на неї потрапляє найменше таких неоднорідностей. Ближче до горизонту ми бачимо їх більше, вони накладаються одна на одну і викликають сильніше мерехтіння.
Найкраще це можна розгледіти в телескоп, крізь який далекі зорі видно як маленькі кружечки (так звані дифракційні диски), оточені кількома дифракційними кільцями. Така картина є наслідком хвильової природи світла і виникає при взаємодії світлових хвиль з елементами оптичної системи. Та за умови нестабільної атмосфери ця картина перетворюється на дивну асиметричну пляму, форма якої постійно змінюється. Вести спостереження в цих умовах стає неможливим.
Для об’єктів, розташованих нижче над горизонтом, стає помітним ще й той факт, що промені з різною довжиною хвилі (які відповідають світлу різних кольорів) заломлюються атмосферою неоднаково. У певні моменти на спостерігачеві виявляється сконцентрованим світло якоїсь однієї ділянки видимого спектра, і тоді здається, що зоря ненадовго забарвлюється у певний колір. Причому чим вона яскравіша — тим чіткіше ми бачимо ці кольори.
Єдиний клас небесних тіл, що світять стабільним сяйвом і практично не мерехтять — це найбільші планети Сонячної системи. Вони мають достатньо великі диски, які неважко розгледіти вже у найпростіші телескопи (що й зробив у далекому 1609 році Галілео Галілей). Кутові діаметри цих дисків значно перевищують розмір «плями», яка виникає через атмосферні спотворення. По суті, кожне зображення планети складається з багатьох таких плям, яскравість яких змінюється незалежно одна від одної. А сумарний світловий потік від них виходить практично постійним, повільно стаючи інакшим лише відповідно до взаємного розташування Землі, планети та Сонця. Отже, якщо ви бачите на небі досить яскраву зорю, що не мерехтить — це майже напевно якась планета.
Як же астрономи примудряються вести дослідження в таких складних умовах? Передусім у багатьох випадках їм допомагають статистичні методи. Зоря може досить сильно та швидко «блимати», але на довших проміжках часу її видимий блиск «усереднюється», тож його можна виміряти з непоганою точністю. По-друге, основна частина атмосферних неоднорідностей, що впливають на якість зображення, перебуває у приземному шарі завтовшки приблизно 2 км. Тому зараз існує тенденція будувати великі обсерваторії в горах, на ще більших висотах. По-третє, над деякими ділянками земної поверхні висотні вітри дмуть напрочуд рівномірно, практично не створюючи турбулентності. Таких місць небагато (найчастіше вони розташовані в пустелях, далеко від густонаселених районів), і вони особливо цінні з точки зору астрономії. Нарешті, є й зовсім радикальний спосіб, він же — найдорожчий: можна підняти телескоп над атмосферою, запустивши його в космос. Але це можуть собі дозволити лише космічні держави чи організації з потужним фінансовим забезпеченням. До того ж розміри такого телескопа обмежені можливостями сучасних ракет-носіїв, а вченим хотілося б працювати з якомога більшими діаметрами об’єктива, що забезпечують кращу роздільну здатність.
Утім, наприкінці минулого століття було винайдено спосіб частково компенсувати атмосферні спотворення та досягти кращої якості зображень без виходу за межі атмосфери. Для цього спочатку в напрямку об’єкта спостережень за допомогою спеціального лазера на короткий час підсвічується атмосферний шар на висоті близько 90 км, де у відносно великій кількості присутній газоподібний атомарний натрій. Підсвічений «стовпчик» із поверхні Землі на вигляд як точка — так звана штучна зоря. Зображення цієї зорі фотографується цифровою камерою та аналізується за допомогою комп’ютера, який видає керуючі сигнали на дзеркало телескопа, сконструйоване таким чином, що воно може у деяких межах змінювати форму своєї поверхні (найчастіше це вторинне дзеркало). Ці «деформації» компенсують неоднорідності, створені атмосферою, та дозволяють отримати на диво чіткі фотографії небесних тіл. Така технологія отримала назву адаптивна оптика. Зараз вона використовується на найбільших астрономічних інструментах світу.
Чи мерехтять зорі на інших планетах Сонячної системи? Якщо не брати до уваги газові гіганти, які не мають твердої поверхні, у цьому контексті можна згадати лише Марс: меркуріанська атмосфера занадто розріджена (такі газові оболонки називають екзосферами), а Венера постійно вкрита щільними хмарами, що унеможливлює спостереження небесних світил. За даними космічних апаратів, загалом зорі в нічному небі Червоної планети світять стабільно, але перед початком сезону пилових штормів, коли її газова оболонка починає активно «вирувати», знайоме нам мерехтіння з’являється й там — щоправда, ненадовго, бо потім марсіанський небосхил затягують хмари дрібного пилу, майже непрозорі для видимого світла.
Автор: журналіст Володимир Манько
Ця стаття була опублікована у №6(187) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.
