Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Продолжая исследования солнечного спектра, Вильям Волластон (который был частично слеп) сначала послал солнечный свет на призму через узкую щель. В 1902 г. он обнаружил, что в спектре солнечного света существуют темные полосы. Он насчитал семь таких полос: две в красной части, три в зеленой и две в сине-фиолетовой. Это замечательное открытие привлекло внимание к Солнцу многих исследователей. В 1814 г. Йозеф фон Фраунгофер в Мюнхене получил солнечный спектр хорошего качества. Он зарегистрировал около 500 линий. В честь этого открытия все темные линии спектра Солнца называются фраунгоферовыми.

В 1821 г. Фраунгофер ввел существенное усовершенствование в области солнечной спектроскопии, начав использовать дифракционную решетку вместо призмы. Решетка работает на принципе дифракции, в то время как в призме происходит рефракция или изменение направления света. Это связано с тем, что в более плотных средах распространение света происходит с меньшей скоростью, причем уменьшение скорости зависит от длины волны: красный свет распространяется медленнее синего. Дифракцию понять немного труднее, но принцип явления можно описать следующим образом.

Когда луч света встречает край твердого препятствия, он рассеивается этим экраном в виде расходящегося пучка. Если таких краев много, как, например, при прохождении через решетку, состоящую из сотен тонких нитей, то рассеянный свет представляет собой целый ряд расходящихся пучков. Свет, дифрагированный элементами решетки, вдоль некоторых направлений будет усиливаться. Усиление возникает, если разность хода лучей, идущих от различных элементов, равна целому числу длин волн. Поскольку величина разности хода зависит от длины волны, то свет усиливается в данном направлении только для определенной длины волны. Поэтому, когда мы смотрим на решетку под различными: углами, мы видим максимумы яркости, соответствующие различным длинам волн, т.е. видим солнечный свет, разложенный в спектр. Если вы никогда не видели такую картину, то, вероятно, наше упрощенное объяснение не очень убедительно. Подобный эффект вы можете наблюдать, наклоняя обычную грампластинку относительно падающего солнечного света. Бороздки пластинки здесь играют роль штрихов решетки.

В солнечной спектроскопии используются большие решетки, достигающие 10 см, на которых нанесены десятки тысяч штрихов. При совместном использовании телескопа и спектрометра можно изучать спектр различных частей солнечного диска, и исследовать изменения температуры, состава и скорости внешних слоев Солнца. Каждый слой солнечной атмосферы характеризуется определенным интервалом значений температуры и давления. Поэтому и оптические свойства каждого слоя различны. Так же как геологи последовательно снимают слои земной поверхности, соответствующие различным эпохам истории Земли, так и спектроскописты своими методами могут проникать сквозь различные слои атмосферы Солнца.

Для усиления контраста фотографы часто используют цветные фильтры. Желая запечатлеть образование облаков, они ставят перед объективом красный фильтр, отсекая голубой цвет ясного неба. Подобная методика дает ценные результаты в астрономии. Так, у спиральной галактики, сфотографированной в синем свете, хорошо видны рукава; рисунок газовой туманности, наоборот, рельефнее виден в красном свете. Однако используемые для этих целей цветные стекла или желатиновые фильтры широкополосны, так, они могут пропускать свет в полосе длин волн, равной примерно 100 нанометрам (нанометр составляет 10^-9 м и часто выражается в ангстремах, 1 нанометр равен 10А). Для научной работы имеются фильтры с меньшей полосой пропускания до 0,01 нанометра, или 0,1 А. Для построения таких фильтров используется принцип интерференции света в оптической системе фильтра. Свет отражается на различных элементах фильтра таким образом, что в результате гасится все, кроме излучения в выбранном спектральном интервале, который может быть сделан очень узким (до 0,01 нм). (Как было упомянуто выше, только через такие фильтры можно смотреть прямо на Солнце.) Интерференционный фильтр может обрезать 99,95% падающего света, зато излучение в выбранном интервале длин волн проходит полностью. Достоинство этих фильтров заключается как раз в том, что можно рассматривать солнечный диск в очень узком участке спектра. Как мы увидим, это очень важно для изучения различных слоев атмосферы Солнца.