Причинах сдвигов спектральных линий звёзд (стр. 1 из 3)

Гришаев А.А.

Введение.

Во второй половине 19-го столетия астрономы обнаружили, что спектральные линии звёзд сдвинуты по отношению к аналогичным линиям земных источников света. Эти сдвиги были интерпретированы как следствие линейного эффекта Допплера, имеющего место из-за приближения или удаления звезды по лучу зрения, т.е. из-за её ненулевой лучевой скорости. На основе определений лучевых скоростей делались выводы не только о движениях звёзд в Галактике, но и о динамике некоторых экзотических звёздных систем, например, спектрально-двойных звёзд.

Появление общей теории относительности высветило ещё один источник смещения спектральных линий: гравитационные эффекты. Но переписывать заново каталоги лучевых скоростей не пришлось, поскольку расчётные величины гравитационных эффектов намного меньше величин наблюдающихся эффектов. Так, относительный гравитационный сдвиг спектральных линий у света с поверхности Солнца, для наблюдателя “на бесконечности”, составляет 2.1? 10-6, что эквивалентно допплеровскому сдвигу при скорости удаления, равной примерно 0.6 км/с. Типичные же наблюдающиеся сдвиги спектров соответствуют лучевым скоростям в десятки километров в секунду, а у некоторых звёзд – ещё на порядок больше.

Бесспорно, что имеют место определённые допплеровские вклады в сдвиги спектральных линий звёзд. Об этом убедительно свидетельствуют годичные вариации положений этих линий, скоррелированные с движением Земли вокруг Солнца: для звёзд, наблюдаемых вблизи эклиптики, размах этих вариаций соответствует удвоенной орбитальной скорости Земли. Но корректно ли сдвиги линий звёзд полностью приписывать действию эффекта Допплера? Как отмечалось в [1], при квантовой передаче энергии линейный эффект Допплера должен заключаться в изменении длины волны, но энергия квантов при этом изменяться не должна – т.е., при истинно допплеровском сдвиге спектральных линий, не должен изменяться их цвет. Между тем, в звёздной спектроскопии наблюдаются достаточно большие сдвиги линий, когда изменения цвета уверенно обнаруживаются. Тогда, в рамках нашего подхода, мы должны допустить, что эти сдвиги линий имеют не допплеровское происхождение.

В пользу этого допущения свидетельствует множество опытных данных. Ведь, если объяснять сдвиги линий звёзд только эффектом Допплера, то придётся иметь дело с такими странностями в статистике лучевых скоростей, которые выглядят совершенно неправдоподобно и даже мистически – соответствующие кричащие факты представлены ниже.

В свою очередь, мы предлагаем для обсуждения два до сих пор не учитывавшихся механизма, которые, как мы полагаем, являются главными источниками сдвигов спектров звёзд.

Странности в статистике лучевых скоростей.

Сдвиг спектральных линий обнаруживается и измеряется лишь у тех звёзд, которые имеют достаточную для этого яркость. Если эти сдвиги полностью приписывать действию эффекта Допплера, то вот какая картина разворачивается перед нами.

Прежде всего, в статистике лучевых скоростей звёзд с постоянной яркостью уверенно обнаруживается корреляция между значением лучевой скорости и спектральным типом звезды. Если на шкале лучевых скоростей отрицательные их значения (соответствующие приближению к нам) откладывать влево от нуля, а положительные (соответствующие удалению) – вправо от нуля, то корреляция, о которой идёт речь, выглядит следующим образом. Лучевые скорости у звёзд с большей эффективной температурой, при прочих равных условиях, оказываются на шкале левее, чем у звёзд с меньшей эффективной температурой. Этот феномен до сих пор не имеет разумного объяснения: ситуация выглядит так, словно мы находимся в особой точке Галактики, по отношению к которой непостижимым образом производится селекция скоростей звёзд в зависимости от их эффективной температуры.

Не менее странные явления наблюдаются у звёзд с переменной яркостью. Изменения яркости сопровождаются, как правило, стопроцентно скоррелированными с ними изменениями эффективной температуры и, соответственно, стопроцентно скоррелированными изменениями лучевой скорости. При этом характер корреляции “эффективная температура – лучевая скорость” таков же, как и в ситуации со постоянными звёздами. В попытках объяснения этих явлений предлагались, например, гипотезы о пульсирующих звёздах: расширения-сжатия оболочки звезды – со скоростями вплоть до нескольких десятков километров в секунду – приводят, якобы, к соответствующим вариациям на кривой лучевых скоростей. Однако, искусственные гипотезы о пульсациях звёзд сразу же сталкиваются с противоречиями. “Принятая теория внутреннего строения звёзд приводит к тому, что самая высокая температура будет… во время наибольшего сжатия звезды… В это время газы находятся в покое (лучевая скорость равна нулю)… Однако в действительности максимальная температура бывает в то время, когда звезда имеет наибольшую скорость приближения” [2]. Кроме того, когда радиус оболочки изменяется, векторы скоростей различных её участков, обращённых к наблюдателю, направлены под различными углами относительно направления на него, поэтому для каждой спектральной линии должно наблюдаться сплошное допплеровское полу-уширение – в полосе от максимального сдвига линии до почти нулевого. Другими словами, смещённые спектральные линии должны быть заметно “смазаны” в сторону своего “нулевого” положения. Но, как правило, ничего подобного не наблюдается: в течение всего цикла, линии лишь перемещаются туда-сюда по шкале длин волн, не изменяя своей резкости. Это наводит на серьёзные сомнения в вопросе о причастности эффекта Допплера к вариациям положений спектральных линий у переменных звёзд.

Довершает картину странностей та же самая корреляция между эффективной температурой и лучевой скоростью, обнаруживаемая при спектральных исследованиях Новых звёзд. Специфика здесь заключается лишь в чудовищной величине эффекта – сдвигам линий соответствуют изменения лучевых скоростей на 1600 км/с и более. Даже среди астрофизиков не является редкостью точка зрения о том, что объяснение таких больших сдвигов линий изменениями лучевых скоростей – совершенно невероятно, и что требуется альтернативное объяснение. Но обратите внимание: если одна и та же корреляция наблюдается и у постоянных, и у переменных, и у Новых звёзд, то логично предположить, что во всех этих вариантах проявляется одна и та же закономерность. Изложим наше объяснение этой закономерности.

Рекомбинационные спектры и их температурные сдвиги.

По сравнению с веществом в неионизованном состоянии, вещество в состоянии плазмы имеет дополнительные возможности для излучения квантов света. Речь идёт об излучении, возникающем при рекомбинации ионов и свободных электронов. Спектр энергий свободных электронов является сплошным, и отсюда делается вывод о том, что и рекомбинационные спектры также должны быть сплошными. Но в этой, казалось бы, безупречной логике имеется слабое место.

Действительно, энергии свободных электронов могут принимать любые значения из сплошного спектра, но это отнюдь не исключает того, что, при конкретных значениях физических параметров плазмы, значения энергий свободных электронов являются не любыми, а тоже вполне конкретными. Понятие электронной температуры имеет физический смысл только тогда, когда энергии свободных электронов находятся в пределах довольно-таки узкой полосы. К сожалению, нам не удалось найти данных о ширине распределения энергии электронов в плазме. Логично предположить, что оно намного уже, чем максвелловское – из-за коллективного взаимодействия, которого нет в газе нейтральных частиц. Тогда можно говорить об уровне энергии свободных электронов в плазме, с которого электрон при рекомбинации “сваливается” на какой-либо из атомарных уровней. При этом рекомбинационный спектр не будет сплошным: у него будет ярко выраженный линейчатый характер (см. Рис.1).

Рис.1. Переходы рекомбинационного спектра (схематически). Eo–Ei – атомарные уровни энергии, Ee – уровень энергии свободных электронов.

Чтобы получить представление о том, насколько отстоит уровень энергии свободных электронов от уровня энергии ионизации атома, следует вспомнить о том, что нуль энергии свободных электронов соответствует как раз энергии ионизации. Так, при электронной температуре в 6000оК, уровень свободных электронов превышает уровень ионизации всего на 0.52 эВ. При этом, для водородной плазмы рекомбинационный спектр представлял бы собой линии серии Лаймана, сдвинутые на эти самые 0.52 эВ в сторону больших энергий. Если, по каким-либо причинам, в спектре имелись бы лишь эти рекомбинационные линии, то их интерпретация как допплеровски сдвинутых атомарных линий являлась бы непростой задачей. В произвольном случае, лишь по счастливой случайности может оказаться так, что несколько изолированных линий, расположенных подряд, будут иметь “сдвиги”, которые при пересчёте дадут примерно одинаковые допплеровские скорости. Дело осложняется тем, что, в отличие от атомарных линий, положения которых не зависят от температуры, рекомбинационные линии являются “плавающими”: при изменении электронной температуры они сдвигаются, причём на одну и ту же величину по шкале энергий.

Впрочем, имеется счастливое обстоятельство, облегчающее задачу отождествления линий. Рекомбинационные линии характерны лишь для излучающей плазмы, а в качестве вспомогательных источников света, дающих опорные спектральные линии, используется тоже плазма – как правило, в электрической дуге между металлическими электродами (железными, титановыми, ванадиевыми – эти элементы дают много линий). И, фактически, звёздная спектроскопия занимается, в основном, сопоставлением рекомбинационных линий звёзд с рекомбинационными линиями лабораторных источников света. При этом разница электронных температур излучающей плазмы звезды и лабораторного источника должна приводить к одинаковым сдвигам отождествлённых линий, что должно порождать весьма убедительную иллюзию действия эффекта Допплера. Как можно видеть, при увеличении электронной температуры излучающей плазмы звезды, её рекомбинационные линии сдвигаются в сторону коротких волн, что интерпретируется как увеличение “скорости приближения”; при уменьшении электронной температуры всё происходит наоборот. Учитывая, что увеличение электронной температуры в равновесной плазме соответствует увеличению эффективной температуры, мы приходим к объяснению вышеупомянутой корреляции “эффективная температура – лучевая скорость”. Правда, мы полагаем, что с эффективной температурой коррелирует отнюдь не лучевая скорость, а электронная температура – что выглядит совершенно естественно.