Диплом: Уникальный астрономический объект SS 433

промежуток времени между ними равнялся периоду испускаемой волны

:=

. А период принимаемой волны T выразится через t1

и t2:

=T

Тогда из уравнения (3.4) получаем следующую связь между T и

(3.5)

Мы видим, что принимаемый период меньше периода испущенной волны.

Если источник не приближается, а удаляется, в последней формуле нужно, очевидно,

изменить знак перед скоростью на обратный. Это дает возрастание периода

колебаний. При произвольной ориентации движения источника скорость

в последнем соотношении нужно, как легко видеть, заменить произведением

, где – угол между

направлением движения источника и направлением распространения волны (т. е.

лучом зрения):

(3.6)

Под величиной здесь

нужно понимать абсолютную величину вектора скорости, a

- лучевая скорость,

т. е. проекция скорости на луч зрения.

Полученная формула (3.6) довольно проста, но в действительности она имеет столь

простой смысл лишь тогда, когда скорость движения источника очень мала по

сравнению со скоростью света:

. Если это условие не выполнено, в игру вступают новые физические явления,

релятивистские эффекты, в которых проявляются свойства относительности времени

и пространства, изучаемые теорией относительности. Очень важно, что при больших

скоростях, сравнимых со скоростью света (а именно с этим случаем мы и

встретимся в источнике SS 433), показания движущихся и покоящихся часов не

совпадают.

В рассуждениях, приведших к формуле (3.6) подразумевалось, что регистрация

моментов времени производится по часам астронома-наблюдателя, который принимает

излучение, приходящее к нему от движущегося источника света. По этим часам был

измерен период принимаемой волны T. По тем же часам измерялся и период

испущенной волны

. Но между этими двумя измерениями имеется существенная разница. Одно

измерение производилось там, где происходило интересующее нас событие: приход

света регистрировался по часам, находящимся тут же у приемника. Другое же

измерение производилось вдали от места, где происходило событие: моменты

испускания света регистрировались по часам, находящимся не у источника, а у

приемника. Величина

– это период испущенной волны, измеренный по часам приемника.

Какой период испущенной волны показали бы часы, находящиеся на самом источнике?

Согласно теории относительности движущиеся часы всегда идут медленнее

неподвижных; промежуток времени между какими-то двумя событиями, измеренный

движущимися часами, будет в отношении «релятивистского корня»

меньше, чем промежуток времени между теми же событиями, измеренный по покоящимся

часам. Поэтому часы, движущиеся вместе с источником света, покажут меньший

период испущенной волны, чем часы покоящегося наблюдателя

(3.7)

T0 – это и - есть период испущенной волны, измеренный по часам источника.

Время, отсчитываемое по часам, движущимся вместе с данным телом, называется

собственным временем этого тела. Промежуток собственного времени движущегося

тела всегда короче соответствующих промежутков времени, измeренных по

неподвижным часам.

Пользуясь релятивистской формулой (3.7), можно, наконец, записать окончательную

формулу эффекта Доплера, в которой период принимаемых волн T выражен

через собственный период T0 источника:

(3.8)

От периода легко перейти к длине волны и частоте колебаний:

(3.9)

(3.10)

Здесь и

– длина волны и частота света, измеренные по собственным часам источника. Когда

в лаборатории измеряется период колебательного процесса, то дли этого

используются лабораторные часы, показывающие, очевидно, собственное время

источника колебаний, находящегося тут же. Поэтому измеряемый в лаборатории

период – это период собственного времени источника. И когда выше мы говорили о

частотах и длинах волн испускаемого атомами света, мы, естественно, имели в

виду лабораторные величины, т. е. величины, измеренные в собственном времени.

Им отвечают «стандартные» положения линий в спектре источника.

Из формулы (3.9) видно, что длина волны в излучении движущегося источника

возрастает и, следовательно, линия в спектре смещается к его красному концу,

как благодаря удалению источника, так и из-за релятивистского эффекта

замедления времени. Уменьшение длины волны и сдвиг линии в более голубую

область спектра связаны с приближением источника, но результат ослабляется

из-за замедления времени; можно видеть, что замедление, времени способно даже

полностью ликвидировать эффект приближения при определенном соотношении между

скоростью и углом

. [20, 14]

Смещение линий в спектрах характеризуют уже знакомой нам величиной

, называемой, как это принято, красным смещением (

– стандартная длина волны,

– смещенная длина волны). Смещение действительно является красным, когда

величина z положительна. Когда величина z отрицательна, это

означает сдвиг в голубую часть спектра. Таким образом, на основании можно

написать

(3.11)

В спектре объекта SS 433 (V 1343 Орла) наблюдаются три системы спектральных

линий, принадлежащих бальмеровской серии водорода: две системы движутся по

спектру в противофазе с периодом ~ 164 дня и амплитудой до ~ 1000Ǻ, а

третья система линий неподвижна. Установлено, что движущиеся эмиссионные линии

возникают в двух противоположно направленных струях или выбросах (см. рис),

направление которых меняются с периодом 164 дня. На одной из спектограмм длина

волны линии Hα смещенной в красную сторону,

оказалась равной 7730Ǻ, а смещенной в синюю сторону - 6160Ǻ.

Определим скорость выброшенного вещества. [13]

Обычную формулу эффекта Доплера

при очень больших скоростях надо заменить более сложной, вытекающей из

специальной теорией относительности Эйнштейна:

, (3.12)

z – красное смещение.

Выразив скорость из выражения (3.12), получим:

. (3.13)

Эта формула удовлетворяет принципу, по которому никакая скорость в природе не

может превысить некоторой предельной, с которой свет распространяется в

вакууме (30000 м/с). [11]

. (3.14)

Линия водорода серии Бальмера Hα - 6563 Ǻ. [7]

Так как длина волны линии Hα смещенной в красную

сторону, оказалась равной 7730Ǻ, то значение для красного смещения z

получим равным –0,178. То, что величина z отрицательна, это означает

смещение линий в голубую часть спектра. А при длине волны смещенной в синюю

сторону - 6160Ǻ, z=0,061 и смещена в красную часть спектра.

Вследствие эффекта Доплера в первом случае выбросы будут удаляться от нас, во

втором случае приближаться к нам. Это говорит, что выбросы на самом деле

движутся в противоположных направлениях. Подставляя значения z в

формулу (3.13), получим, что выбросы удаляются от нас и приближаются к нам со

скоростями:

.

=-57995 км/с знак « -

» еще раз доказывает, что объект движется от нас, далее его мы не будем

учитывать.

Скорость выброшенного вещества для данных смещенных линий в спектре равна

сумме полученных скоростей:

= + = 57995 + 17779 = 75774 км/с.

Движущиеся линии

Тот факт, что в спектре SS 433 имеются три системы спектральных линий,

означает, что в нем имеются, и три излучающие области: одна из них не

движется относительно нас, а две другие движутся в разные стороны вдоль луча

зрения. Чтобы получить представление о скоростях этих движений, воспользуемся

данными, которые астрономы получили в наблюдениях лета 1978 г., когда

началось изучение источника SS 433.

Измеренные тогда значения zВ и zr составляли: zB=-0.02, zR=0.l.

На основании формулы эффекта Доплера (3.11), находим для приближающейся к нам

области

(3.15)

Это соотношение содержит две неизвестные величины – полную скорость движения

области и ее

проекцию на луч зрения

. Если допустить, что отношение

мало по сравнению с единицей, то лучевая скорость

=0;02 с=6000 км/с.

Это довольно большая скорость, если сравнить ее со скоростями движения звезд в

Галактике; последние не превышают нескольких сотен километров в секунду. В

пределах 100 – 300 км/с лежат лучевые скорости звезд, найденные А. А.

Белопольским, а за ним и другими наблюдателями. Для движения звезд

пренебрежение величиной

в знаменателе формулы эффекта Доплера вполне оправдано. В случае SS 433 речь

явно идет о гораздо более быстром движении излучающей области, чем обычные

движения звезд Галактики, Этим и полезна оценка лучевой скорости; но даваемое

ею конкретное значение лучевой скорости следует все же принимать с

осторожностью. В нашем распоряжении нет никаких независимых данных об угле

, и строгим единственным результатом должно считаться соотношение (3.15),

связывающее этот угол со скоростью

Для удаляющейся от нас области излучения имеем

(3.16)

В том же предположении

<<l находим лучевую скорость

=-0,1 с=-30000 км/с. Лучевая скорость отрицательна, что и соответствует удалению

источника, так как в этом случае

<0. Эта скорость в 100 раз больше (по абсолютной величине) типичной скорости

звезд в Галактике ~300 км/с, что подтверждает указание на особый, не звездный

характер движения излучающих областей SS 433. Значения обеих лучевых скоростей

и будут получены

ниже.

Ни в Галактике, ни вне ее никогда не наблюдалось прежде источника, который

излучал бы сразу две системы линий, столь сильно сдвинутых от стандартных

положений. Большие смещения в красную сторону спектра встречаются у квазаров,

самых далеких объектов Вселенной. Во всех же известных до сих пор случаях

смещения в голубую сторону абсолютное значение z меньше, по крайней

мере, в 20-100 раз, чем у SS 433.

Но самое удивительное было обнаружено в наблюдениях осени 1978 – весны 1979 гг.

Американский астроном Б. Маргон и его сотрудники, наблюдая SS 433 в сентябре

1978 г., нашли эмиссионные линии-спутники на иных местах, чем за два месяца до

того: они разъехались в разные стороны. Значения |zB| и z

R возросли и продолжали затем возрастать до ноября 1978 г., пока не

достигли максимальных значений |zB|max=0,l;

(zR)mах=0,18. Затем началось

уменьшение |zB| и zR, и в течение декабря, пока

продолжались наблюдения, линии-спутники приближались к основным линиям спектра.

Когда в марте 1979 г. наблюдения были продолжены (с декабря до февраля источник

не виден), оказалось, что линии-спутники снова удаляются от основных линий; в

конце апреля был достигнут новый максимум, причем |zB| и

zR вновь приняли те же значения, что при первом максимуме.

Дальнейшие наблюдения (вплоть до последних данных, ставших известными к лету

1982 г.) подтвердили, что изменения смещений линий-спутников происходят с

регулярной периодичностью. Все наблюдательные данные очень хорошо ложатся на

две одинаковые по форме периодические кривые, сдвинутые друг относительно

друга так, что максимуму одной отвечает минимум другой и наоборот (рис. 14).

Период изменения смещений – 164 дня.[12]

Кроме момента максимальных значений |zB| и zR

(он отмечен на рис. 14 буквой, а), имеются еще три других выделенных момента

(отмеченных буквами b, с, d) на рис. 14. В момент b кривые

пересекаются, величина красного смещения для обеих кривых одинакова и

положительна по знаку: zB=0,04. В момент с

достигаются значения (zB)c=-0.01 (zR

)c=0,09. В момент d имеется второе за период пересечение

кривых с тем же значением z, что и в момент b.

В каждый из моментов а, b, с, d сумма красных смещений по обеим кривым

одинакова: zB+zR =0,08. Равенство суммы красных

смещений имеется вообще в любой момент времени.

Понимая смещение линий в спектре источника как следствие движения двух

излучающих областей, каждой из которых отвечает своя кривая на рис. 14, мы

должны теперь считать, что это движение имеет периодический характер. Каждая

из излучающих областей то приближается к нам, то удаляется от нас, и когда

одна приближается, другая удаляется, и наоборот. Дважды за период области

меняются местами: та, что приближалась, начинает удаляться, а та что

удалялась, начинает приближаться. В эти моменты (b и d на рис. 14) лучевые

скорости излучающих областей должны, очевидно, обращаться в нуль.

То обстоятельство, что при обращении в нуль лучевых скоростей красное смещение

остается отличным от нуля, указывает на важность релятивистского эффекта

замедления времени; он учитывается корнем в формулах эффекта Доплера. Для

момента b, когда лучевая скорость

=0, находим значение полной скорости, соответствующее красному смещению

zb=0,04:

(3.17)

Это весьма значительная скорость, и ее значение характеризует обе излучающие

области – факт, который имеет немалое значение для понимания всей картины.

Прецессия струй

Остроумную интерпретацию кинематики излучающих областей SS 433 предложили

английские астрофизики А. Фабиан и М. Рис. Согласно их идее в источнике

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5