Жители больших городов с обилием источников искусственного света не слишком часто обращают внимание на звездное небо над собственными головами, вспоминая о нем лишь тогда, когда оказываются вдали от населенных пунктов. Те же, кто получает возможность полюбоваться многообразием далеких звезд, сразу замечают две вещи. Во-первых, все светила имеют разный блеск — от очень яркого до едва заметного невооруженным глазом. А во-вторых, блеск практически всех из них весьма быстро и нерегулярно меняется с небольшой, но заметной амплитудой, причем лучше всего это видно у самых ярких объектов. Этот эффект называют мерцанием звезд, и он не является никаким «обманом зрения» — приборы его тоже регистрируют.
Чтобы понять, откуда возникает это мерцание, стоит, как говорят учёные, собрать статистику и внимательно рассмотреть все звёзды на небосклоне. Легко заметить, что те из них, которые располагаются вблизи зенита, светят почти стабильно, а чем ближе светило к горизонту — тем сильнее оно мерцает. Самые яркие из «низких» звезд при этом еще и способны менять цвет. А если провести наблюдения в разные ночи, станет очевидным, что мерцание становится более отчетливым в ветреную погоду. Отсюда уже нетрудно прийти к вполне логичному выводу: причиной этого явления является влияние земной атмосферы.
Сколь бы эфемерной ни казалась газовая оболочка нашей планеты, однако она все же представляет собой оптически активную среду с показателем преломления выше, чем космический вакуум, окружающий Землю. Более того, наша атмосфера постоянно живет своей активной жизнью, и даже если у поверхности мы чувствуем полный штиль — на больших высотах могут бушевать бешеные ветры, разносящие на значительные расстояния всевозможные загрязнения (антропогенные или природные, вроде продуктов вулканических извержений).
Атмосферные потоки несут с собой газовые «пузыри», имеющие большую или меньшую плотность, чем их окружение. Хотя эта разница плотности не кажется существенной, но и размеры «пузырей» часто измеряются десятками и даже сотнями метров, поэтому они «работают» как гигантские линзы, которые постоянно движутся и меняют свои размеры. Свет звезд, проходящий сквозь них, может сфокусироваться на наблюдателе (тогда он видит кратковременное увеличение яркости) или, наоборот, рассеяться (тогда он ненадолго станет слабее). По направлению к зениту линия зрения «пронизывает» атмосферу на самое короткое расстояние, и на нее попадает меньше всего таких неоднородностей. Ближе к горизонту мы видим их больше, они накладываются друг на друга и вызывают более сильное мерцание.
Лучше всего это можно рассмотреть в телескоп, сквозь который далекие звезды видны как маленькие кружочки (так называемые дифракционные диски), окруженные несколькими дифракционными кольцами. Такая картина является следствием волновой природы света и возникает при взаимодействии световых волн с элементами оптической системы. Но при условии нестабильной атмосферы эта картина превращается в странное асимметричное пятно, форма которого постоянно меняется. Вести наблюдения в этих условиях становится невозможным.
Для объектов, расположенных ниже над горизонтом, становится заметным еще и тот факт, что лучи с разной длиной волны (которые соответствуют свету разных цветов) преломляются атмосферой неодинаково. В определенные моменты на наблюдателе оказывается сконцентрированным свет какого-то одного участка видимого спектра, и тогда, кажется, что звезда ненадолго окрашивается в определенный цвет. Причем чем она ярче — тем четче мы видим эти цвета.
Единственный класс небесных тел, которые светят стабильным сиянием и практически не мерцают — это самые большие планеты Солнечной системы. Они имеют достаточно большие диски, которые нетрудно рассмотреть уже в простейшие телескопы (что и сделал в далеком 1609 году Галилео Галилей). Угловые диаметры этих дисков значительно превышают размер «пятна», которое возникает из-за атмосферных искажений. По сути, каждое изображение планеты состоит из многих таких пятен, яркость которых меняется независимо друг от друга. А суммарный световой поток от них получается практически постоянным, медленно становясь иным только в соответствии с взаимным расположением Земли, планеты и Солнца. Итак, если вы видите на небе достаточно яркую, не мерцающую звезду — это почти наверняка какая-то планета.
Как же астрономы умудряются вести исследования в таких сложных условиях? Прежде всего во многих случаях им помогают статистические методы. Звезда может довольно сильно и быстро «мигать», но на более длинных промежутках времени ее видимый блеск «усредняется», поэтому его можно измерить с неплохой точностью. Во-вторых, основная часть атмосферных неоднородностей, влияющих на качество изображения, находится в приземном слое толщиной примерно 2 км. Поэтому сейчас существует тенденция строить большие обсерватории в горах, на еще больших высотах. В-третьих, над некоторыми участками земной поверхности высотные ветры дуют удивительно равномерно, практически не создавая турбулентности. Таких мест немного (чаще всего они расположены в пустынях, вдали от густонаселенных районов), и они особенно ценны с точки зрения астрономии. Наконец, есть и совсем радикальный способ, он же — самый дорогой: можно поднять телескоп над атмосферой, запустив его в космос. Но это могут себе позволить лишь космические государства или организации с мощным финансовым обеспечением. К тому же размеры такого телескопа ограничены возможностями современных ракет-носителей, а ученым хотелось бы работать с как можно большими диаметрами объектива, обеспечивающими лучшее разрешение.
Впрочем, в конце прошлого века был изобретен способ частично компенсировать атмосферные искажения и достичь лучшего качества изображений без выхода за пределы атмосферы. Для этого сначала в направлении объекта наблюдений с помощью специального лазера на короткое время подсвечивается атмосферный слой на высоте около 90 км, где в относительно большом количестве присутствует газообразный атомарный натрий. Подсвеченный «столбик» с поверхности Земли выглядит как точка — так называемая искусственная звезда. Изображение этой звезды фотографируется цифровой камерой и анализируется с помощью компьютера, который выдает управляющие сигналы на зеркало телескопа, сконструированное таким образом, что оно может в некоторых пределах изменять форму своей поверхности (чаще всего это вторичное зеркало). Эти «деформации» компенсируют неоднородности, созданные атмосферой, и позволяют получить удивительно четкие фотографии небесных тел. Такая технология получила название адаптивная оптика. Сейчас она используется на крупнейших астрономических инструментах мира.
Мерцают ли звезды на других планетах Солнечной системы? Если не брать во внимание газовые гиганты, которые не имеют твердой поверхности, в этом контексте можно вспомнить только Марс: меркурианская атмосфера слишком разрежена (такие газовые оболочки называют экзосферами), а Венера постоянно покрыта плотными облаками, что делает невозможным наблюдение небесных светил. По данным космических аппаратов, в целом звезды в ночном небе Красной планеты светят стабильно, но перед началом сезона пылевых штормов, когда ее газовая оболочка начинает активно «бушевать», знакомое нам мерцание появляется и там — правда, ненадолго, потому что потом марсианский небосвод затягивают облака мелкой пыли, почти непрозрачные для видимого света.
Автор: журналист Владимир Манько
Эта статья была опубликована в №6 (187) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.
