Звездная аберрация. катание на карусели
В прошлой заметке мы указали, что 300 лет объяснения аберрации сложением скоростей - света и наблюдателя - 100 лет уже как запрещено «теорией» Эйнштейна. Согласно этой «теории» падающий свет должен падать под одним углом и для покоящегося наблюдателя, и движущегося.
А Британика говорит, что под разными... Что делать, это проблемы релятивистов. Нам надо рассмотреть объяснение с «классической» точки зрения.
Нашим мысленным экспериментом будет катание на карусели. Его достоинство в том, что все могут представить себе это довольно легко, и большинство может воспроизвести это в реальности.
Пусть мы сидим на лошадке в пяти метрах от оси карусели, то есть это будет ее радиус, тогда диаметр карусели будет равен десяти метрам. Пусть столб (тумба) в центре карусели будет прозрачным.
Пусть карусельные лошадки бегут у нас против часовой стрелки. Тогда по левую руку от нас будет ось вращения карусели, а по правую мы выберем объект наблюдения (Звезду).
Пропустим момент старта и разгон карусели до крейсерской скорости. Приготовимся!
Приготовление заключается в том, что мы свернем газету трубочкой и станем смотреть на мир одним глазом через нее. Сделайте трубочку не слишком узкой, чтобы не создавать себе лишних трудностей с попаданием З в поле зрения.
А наблюдение - настоящий физический эксперимент! - будет заключаться в том, что во время вращения по кругу мы будем отмечать угол между зрительной трубой, направленной на З, и прямой между осью вращения карусели и З.
Технически нам надо набросить на ось веревочную петлю, привязать другой конец к трубе и держать ее все время натянутой. Фиксировать надо угол между веревкой и осью трубы. Потом пересчитать это в нужный нам угол. Да, выглядит сложно, но что не сделаешь ради науки!
Схема эксперимента
Вы, наверное, уже догадались, что значения этих углов, при указанных соотношениях диаметра карусели и расстояния до звезды, нам не очень-то и нужны.
Нам здесь важно, во-первых, почувствовать, что угол - это разность направлений на что-то и что-то. На объект наблюдения и на какое-то опорную точку. В нашем случае - на карусельную ось, угол, образованный натянутой веревочкой и зрительной трубой. А нужен нам был угол, образованный направлением трубы и направлением от оси к звезде. Поскольку непосредственно его можно (хотя бы теоретически) измерить, только находясь на самой звезде, нам пришлось воспользоваться геометрией для пересчета.
Во-вторых, все углы в нашем случае лежат внутри угла, образованными красными касательными лучами. Если бы мы пошли кататься на колесо обозрения, направления на звезду лежали бы на поверхности конуса.
Нам пришлось бы провести на колесе перпендикулярные координатные оси Х и У и рассечь конус плоскостями, проходящими через эти оси и звезду. что-то вроде этого:
Сечения конуса
Мы получили бы два перпендикулярных осевых сечения конуса. И внутри касательных лежали бы проекции наблюдаемых нами направлений.
То есть, каждая из таких проекций - это то же самое, как если бы мы катались на карусели в плоскости, которой принадлежит и направление на звезду..
Такую же трехмерность можно получить и на наземной карусели, но наблюдать тогда пришлось что-нибудь достаточно медленное в воздухе. Так же и на колесе обозрения можно получить «плоскую» картинку, если звезда лежит в плоскости вращения колеса.
Если вас не утомило столь долгое жевание очевидных ( это когда поймешь, уложишь представление в своей голове - очевидных!) вещей, то предлагаю вернуться к Дж.Бредли.
Астрономы одновременно катаются на двух каруселях.
Одна карусель - это параллель на поверхности Земли, а ось карусели здесь - ось вращения Земли, проходящая через южный полюс, центр Земли, северный полюс и далее в космос рядом с Полярной звездой.
Солнечная карусель
Другая карусель, на которой мы крутимся уже вместе с первой каруселью, чуть-чуть не круглая, поэтому ее можно использовать для еще одного углового измерения, независимого от того, что мы измеряем на первой карусели.
Другими словами, точка весеннего равноденствия - это та опора, которая позволяет зафиксировать координатные плоскости конуса наблюдений на Земле.
То есть, на земной карусели у нас есть ось вращения, и она дает нам один угол, угол при вершине трехмерного конуса. Этот конус образован направлениями на звезду. Но мы не можем различить между собой точки, лежащие в одном направлении на поверхности этого конуса.
А вот уже вращение на другой, солнечной карусели, дает нам возможность разметить поверхность конуса еще одной серией сечений, получив второй пространственный угол.
И давайте уже, вернемся к Бредли.
Измерения 1727-го года он проводил в Гринвиче, начал в декабре.
Схема наблюдений Бредли. Декабрь 1727
Бредли выставляет поле наблюдения телескопа в зенит по отвесу.
Наблюдая траекторию движения звезды, определяет направление север-юг и отмечает нижнюю, зенитную точку. Эта точка в окуляре телескопа в дальнейшем будет опорной.
Спустя некоторое время устанавливает телескоп точно в то же положение относительно отвеса, что было раньше.
Наблюдение той же звезды после смещения по орбите
По законам геометрической перспективы звезда должна пройти зенит севернее декабрьского прохождения.
А реально наблюдается более южное прохождение. Это и назвали «звездной аберрацией».
Искали параллакс, а нашли аберрацию.