Shematic.net

Секрет Цефея (Метод оптической спектрометрии)

Вернемся в историю. В 1913 году Эйнар Герцшпрунг выдвинул гипотезу об использовании блеска цефеид для определения расстояния до них. Наблюдая период изменения блеска цефеид, было предложено определять светимость и, получив абсолютную звездную величину по соотношению с видимой звездной величиной, определить расстояние к цефеиде. На протяжении ста лет ученые пользуются методом определения светимости и звездной величины для определения расстояния до далеких и очень далеких галактик. Метод очень прост – по сравнению со светимостью свечи с известным расстоянием можно определить расстояние до другой свечи сравнивая их светимости. Но данный метод совсем не определяет погрешности определения дальности. Поэтому ученые до сих пор спорят о постоянной Хаббла и расширении Вселенной. Речь совсем не о космологии строительства Вселенной, а о нескольких очень важных факторах влияющих на измерения, которые можно наблюдать и моделировать на земле. Например, расстояние от Земли да Марса в 5.63 раза больше, нежели к Венере, поэтому светимость Венеры должна бы быть в 32 раза больше, нежели у Марса. Но здесь не учитывается влияние на светимость Марса его поверхности и влияние на светимость Венеры её атмосферы. Косвенные методы измерения иногда имеют существенную погрешность, к примеру, в 60-х годах прошлого столетия был разработан спектрометр, определяющий температуру поверхности Солнца по сравнению со светимостью нити с нихрома, не учитывающий спектра раскаленной нити и поглощения солнечного спектра атмосферой Земли (раскалить нить с нихрома до температуры 5778° К невозможно).

В спецификации на телескоп «Хаббл» кратко описаны спектрометры, используемые для исследования космического пространства. Спектрометр предназначен как дополнительный инструмент к WF/PC [цифровой обработки, (ред.)], использующий полный диапазон световых волн от 120 нм до 500 нм. Он может работать в двух режимах, которые создают изображения размерами (11 x 11)’’ угловой дуги, или (22 x 22)”” угловой дуги на телевизионной трубке производителя Westihghouse с фотонным усилителем MgP2. Размеры пикселя 25 микрон соответствуют двум режимам 0.002’’ и 0.004’’ угловой дуги, соответственно. Прибор записывает отдельные фотоны и, как особенность, может достичь очень высокой угловой разрешающей способности 0.007’’ в очень узких полях, тем самым позволяя использовать методы реконструкции изображений пост-факто. Он также оснащен фильтрами, диспергирующими элементами, поляриметрами и окулярным диском, что повышает универсальность проведения измерений и визуализации.

С таблицы 1, инструментов The Space Telescope Observatory видно, что оптический диапазон спектрометрии разбит на несколько поддиапазонов: 1150 - 7000 Å (115 - 700 нм) с разрешением 3 Å (0.3 нм), 1150 - 7000 Å (115 - 700 нм) с разрешением 30 Å (3 нм); 1100 - 3200 Å (110 - 320 нм) с разрешением 0.03 Å (0.003 нм), 1100 - 3200 Å (110 - 320 нм) с разрешением 0.15 Å (0.015 нм), 1100 - 1700 Å (110 - 170 нм) с разрешением 1.5 Å (0.15 нм).

Обратимся к стандарту IEC 61280-1-3, предлагающему методику измерения спектральных характеристик оптическими спектроанализаторами источников света при передаче оптоволоконными линиями связи. Например, для полосы 200 нм разрешение должно быть не хуже 1 – 2 нм, а для полосы 50 нм не хуже 0.1 – 0.2 нм, при этом используются спектроанализаторы с разрешением 0.1 – 0.01 нм и длине волны около 1550 нм.

В статье «Методическая погрешность оптического спектроанализатора», опубликованной в 2015 г., автором которой является В. Г. Колобродов и др., на основе физико-математической модели когерентного спектроанализатора исследовано методическую погрешность в определении пространственной частоты, которая возникает в результате перехода от распространения света в свободном пространстве к дифракции Френеля. А также выведено уравнение для расчета абсолютной и относительной погрешностей измерения в зависимости от угла дифракции света, что позволило определить ограничение спектральной области для заданной относительной погрешности измерения пространственной частоты. В статье доказано, что приближение Френеля в пределах угла дифракции от 0° до 10° обеспечивает относительную погрешность меньше 1.5%. В то же время при угле дифракции 20° она составляет 6.4%.

Что же показывают расчеты о погрешностях измерений? Возьмем для примера эффект Доплера при движении любого объекта, потому, что этот пример можно промоделировать на земле. Пускай объект движется со скоростью V = 360 км/час (0.1 км/сек), а радар излучает частоту fo = 300 МГц (λo = 1 м – длина волны). Возьмем формулы для расчета Доплеровского смещения частоты:

f = fo ∙ (C ± V)/C                                         (1)
f = fo ∙ C/(C ± V)                                         (2)

где, С = 299792.458 км/сек – скорость света и электромагнитной волны. Подставим численные значения в формулу (1), а для скорости в 10 раз больше V = 3600 км/час (1 км/сек) в формулу (2) и посчитаем Доплеровское смещение частоты ∆f = fo – f . Использование формулы (1), или (2) для Доплеровского смещения принципиального значения не имеет, это влияет на методическую погрешность и означает движется цель, или объект излучения, а знак (±) – обозначает вектор движения цели, или объекта излучения. Для скорости V = 360 км/час ∆f = 100 Гц, при V = 3600 км/час ∆f = 1000 Гц, а использование формулы (1), или (2) для скорости 360 км/час методическая погрешность Ϭм = 3.3 ∙ 10^-5 %, а для скорости 3600 км/час – Ϭм = 3.3 ∙ 10^-4 %. С увеличением скорости в 10 раз методическая погрешность возрастает в 10 раз, а разность частоты 100 Гц и 1000 Гц с большой точность можно выделить фазовым детектором и фильтром.

В начале статьи приведены примеры приборов и методов измерений в спектральной области света, а также Доплеровского смещения частоты для оценки методической погрешности потому, что смещение в спектральной области света (от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона) аналогично смещению электромагнитного излучения. Метод сравнения блеска цефеид по аналогии со светимостью свеч может иметь очень большую погрешность определения дальности, а механизм Артура Эддингтона о механической пульсации звезд не учитывал термоядерный синтез и распад, хотя сам Эддингтон в 1920 году сформулировал гипотезу, что источником энергии звезд являются термоядерные реакции, а Сергей Жевакин лишь в 50-х годах обосновал модель термоядерного синтеза звезд. На рис. 1 пример сравнения светимостей свеч.

Рис. 1. Сравнение светимости ближней свечи за толстым стеклом и известным расстоянием к ней со светимостью дальней свечи с неизвестным расстоянием.

По рис. 1 нельзя определить расстояние к дальней свечи, сравнив светимости свечей и известным расстоянием до ближней свечи, не учитывая затухания в толстом стекле на пути к ближней свечи.

На рис. 2 показано как определяются расстояния до далеких и очень далеких галактик от метода сравнения светимости цефеид к методу наблюдения сверхновой звезды и смещения фиолетового спектра к красному с увеличением дальности, объясняя этим красное смещение спектра и удаление галактик, и что скорость их удаления также увеличивается с увеличением дальности. Межгалактическое пространство не является абсолютным вакуумом, а плотность его до сих пор не определена. Поэтому нельзя с однозначностью сказать, в какой степени оно влияет на затухание фиолетовых лучей, а в какой, – на красных, как это показано на рис. 3 (только в 2012 г. космическому зонду «Вояджер-1» и в 2018 г. зонду «Вояджер-2» удалось достичь пределов и промерить параметры гелиосферы солнца). Если межгалактическое пространство довольно плотно атомами водорода, гелия, то затухание фиолетовых лучей будет больше настолько, что останутся красные лучи. Этот эффект изучен и не противоречит красному смещению спектра.

Рис. 2. Три шага к определению константы Хаббла.

Рис. 3. Затухание фиолетовых и красных лучей в межгалактическом пространстве.

Вторым очень важным фактором, влияющим на спектр светового потока, есть дисперсия света в межгалактическом пространстве. Особенно она будет проявляться вблизи звезд и галактик где есть большое скопление междузвездного и межгалактического вещества в виде туманностей и потоков материи, распространяющихся от превращения ядерного и термоядерного синтеза. Это вещество, в основном из водорода и гелия составляет довольно большую массу. Спектральный анализ солнечного ветра показывает, что присущи и другие элементы. На рис. 4 показана дисперсия светового потока вблизи далекой галактики.

Рис. 4. Дисперсия светового потока вблизи далекой галактики.

Дисперсию и рассеивание света мы можем наблюдать и на земле – это радуга в каплях дождя, гало на кристаллах льда и молекулах влаги вокруг луны и солнца, присущих в воздухе, преломление лучей на молекулах атмосферы при восходе и закате солнца (рис. 5).

Рис. 5. Дисперсия и рассеивание света в земной атмосфере.

В третьих, на основе снимков «Хаббла» в последние годы интенсивно обсуждаются «гравитационные линзы» в космосе (сам факт влияния гравитации на электромагнитные волны и свет в этой статьи категорически не отвергается). Длинные волны распространяются на расстояния до 1–2 тысяч км за счет дифракции на сферической поверхности Земли, короткие волны распространяются прямолинейно (рис. 6).

Рис. 6. Дисперсия и рассеивание света в земной атмосфере.

Этот эффект не доказывает влияние гравитации земли на электромагнитную волну. Световые волны подчиняются тем же физическим законам, т. е. на электромагнитную волну гравитация должна влиять в такой же степени. Оценим насколько сместится спектр световой волны далекой галактики, движущейся со скоростью V = 50 км/сек (красное, или фиолетовое смещение). Для примера возьмем Фраунгоферовую линию поглощения натрия D c длиной волны λo = 5889.95 Å = 588.995 нм и по аналогии с формулой (2 и 1) запишем:

λ = λo ∙ (C ± V)/C                                             (3)
λ = λo ∙ C/ (C ± V)                                             (4)

где, С = 300000 км/сек – скорость света и электромагнитной волны,
λ – длина волны со смещенным спектром.
Подставив численные значения в формулу (3), получим λ = 5890.93 Å = 589.093 нм и
∆λ = λ – λo = 0.98 Å = 0.098 нм для смещенного спектра, что составляет 0.017%, а использование формулы (3) или (4) дает методическую погрешность Ϭм = 3 ∙ 10^-6 %. Эти расчеты показывают с какой точность должны проводится измерения. В спектре Фраунгоферовая линия поглощения натрия смещаться не будет, будет смещаться максимум, или пик света от натрия, а также других составляющих спектра.

Основной вывод данной статьи в том, что необходимо проводить прямые измерения смещения оптического спектра для определения скорости движения звезд и галактик, как схематически показано на рис. 7-11.

добавлено 15.12.19 22:44:13 | просмотрено 7310 раз