Лекции о Солнце

Существует легенда о том, что в 1845 году для проверки эффекта Доплера был проведен грандиозный эксперимент с движущимся паровозом, тянувшим за собой платформу с музыкантами. Оркестр играл на духовых инструментах. Вдоль пути следования размещались другие музыканты (люди с музыкальным слухом!), которые должны были сравнить звуки, доносящиеся с движущейся платформы, со звуками, которые издавали их собственные инструменты. Тон, несомненно, изменялся! Предсказания Доплера блестяще подтвердились.

Но какое отношение эти опыты имеют к Солнцу?

Дело в том, что французский физик Арман Ипполит Физо (1819–1896) убедительно показал, что эффект Доплера должен проявляться в изменении частоты не только звуковых колебаний, но и частоты любых типов волн, испускаемых неким источником! Это означало, что должна меняться и частота световых волн. Поскольку частота – это величина, обратная уже известной нам характеристике излучения, которая называется длиной волны, – вследствие действия эффекта Доплера длина волны солнечного излучения также должна изменяться в зависимости от того, к нам или от нас движется излучающее электромагнитные волны вещество Солнца.

На первый взгляд, обнаружить такое изменение невозможно. Ведь Солнце излучает, как было сказано выше, на всех длинах волн! И это значит, что если длина какой-то волны изменится, она превратится в длину другой волны, которая тоже испускается светилом, а в целом ничего не изменится – весь непрерывный спектр чуть сдвинется, но заметить это мы не сможем. Но дело в том, что на фоне непрерывного спектра Солнца есть особые метки – фраунгоферовы линии. Согласно расчетам Доплера, эти линии должны сместиться в сторону более коротких волн (к «синему» концу спектра), если источник движется к нам, и в сторону более длинных волн («красному» концу спектра), если источник излучения движется от нас. Эти смещения по сравнению с ситуацией, когда источник никуда не двигается, физики так и называют – синим или красным смещением.

Эти расчеты в принципе было нетрудно проверить. Солнце вращается довольно быстро. Это означает, что на восточном крае Солнца его вещество на экваторе движется к нам (с довольно приличной скоростью – около двух километров в секунду), а вещество на западном краю все время удаляется от нас с такой же скоростью, повинуясь вращению Солнца. Если мы получим спектр не всего Солнца, а только света, идущего от его восточного края, и сравним со спектром света, излучаемым западным краем, положения фраунгоферовых линий должны различаться: на востоке они должны сдвинуться в «синюю» сторону, на западе – в «красную».

Проблема заключалась только в том, что при известной (по видимому движению солнечных пятен) скорости вращения Солнца синее и красное смещение на краях должно было стать совсем незначительным. Линия с широким контуром могла сама оказаться гораздо шире ожидаемого смещения, и заметить такое смещение было бы сложно. Поэтому для контрольного эксперимента были отобраны слабые тонкие линии в оранжевой части спектра: две из них были солнечного происхождения, две – земного.

Эффект был обнаружен: на краях Солнца линии смещались в разные стороны относительно неподвижных теллурических (земных) линий. Высокоточные наблюдения эффекта Доплера были проведены в 1880-е годы разными исследователями. В результате удалось получить значения скорости вращения Солнца даже на высоких широтах – там, где пятен никогда не бывает, и скорость вращения поэтому оставалась там неизвестной…

Использование эффекта Доплера в спектральном анализе позволило проводить тонкие и точные измерения скорости излучающего вещества вдоль луча зрения – к Земле или от Земли. Понятно, что если мы наведем телескоп, оснащенный спектроскопом, на Солнце, в щель спектрального прибора попадет свет от довольно большого участка солнечной поверхности. На этом участке можно ожидать разные движения вещества – и вверх, и вниз, и это значит, что суммарные линии Фраунгофера, порождаемые этим участком, должны смещаться одновременно и в синюю, и в красную сторону. На практике это приводит к тому, что контур линии изменяется: линия становится более «толстой», широкой. Если же какой-то тип движения доминирует (например, вещество на Солнце преимущественно поднимается), тогда и контур линии окажется ассиметричным, расширенным в одну сторону (в указанном случае – в синюю).

Анализ изменений формы контура фраунгоферовых линий – особое искусство. Форма контура содержит в себе информацию о скоростях вещества – к нам или от нас, и квалифицированный спектроскопист в состоянии выудить эту информацию и сделать вывод, с какой скоростью на проанализированном участке солнечной поверхности и в какую сторону преимущественно движется вещество…

Помимо данных о скоростях солнечного вещества, спектральный анализ позволяет получить и информацию о его температуре.

Насколько нагрето солнечное вещество?