Доплер ефект

Доплеров ефект в астрономията

Забелязвали ли сте някога, че звукът на автомобилна сирена има различна височина, когато се приближава или отдалечава от вас?

свирка на влака

Честотната разлика между клаксона или сирената на заминаващ и приближаващ влак или кола е може би най-очевидният и често срещан пример за ефекта на Доплер. Теоретично открит от австрийския физик Кристиан Доплер, този ефект по-късно ще играе ключова роля в науката и технологиите.

За наблюдател дължината на вълната на излъчване ще има различна стойност при различни скорости на източника спрямо наблюдателя. С приближаването на източника дължината на вълната ще намалява, а с отдалечаването ще се увеличава. Следователно честотата се променя с дължината на вълната. Следователно честотата на звуковия сигнал на приближаващия влак е значително по-висока от честотата на звуковия сигнал, когато той се отдалечава. Всъщност това е същността на ефекта на Доплер.

Ефектът на Доплер е в основата на работата на много измервателни и изследователски инструменти. Днес се използва широко в медицината, авиацията, космонавтиката и дори в бита. С помощта на ефекта на Доплер работят сателитна навигация и пътни радари, ултразвукови апарати и аларми срещу взлом. Ефектът на Доплер придоби широка приложимост в научните изследвания. Може би той е най-известен в астрономията.

Обяснение на ефекта

Свързани материали

За да разберете природата на ефекта на Доплер, просто погледнете водната повърхност. Кръговете върху водата перфектно демонстрират и трите компонента на всяка вълна. Представете си, че някакъв неподвижен поплавък създава кръгове. В този случай периодът ще съответства на времето, изминало между излъчването на един и следващия кръг. Честотае равен на броя кръгове, излъчени от поплавъка за определен период от време. Дължината на вълната ще бъде равна на разликата между радиусите на два последователно излъчени кръга (разстоянието между два съседни гребена).

Представете си, че лодка се приближава към този неподвижен поплавък. Тъй като се движи към хребетите, скоростта на лодката ще се добави към скоростта на кръговете. Следователно, спрямо лодката, скоростта на наближаващите гребени ще се увеличи. В същото време дължината на вълната ще намалее. Следователно времето, което изтича между ударите на два съседни кръга отстрани на лодката, ще намалее. С други думи, периодът ще намалее и съответно честотата ще се увеличи. По същия начин, за отдалечаваща се лодка, скоростта на гребените, които сега ще я изпреварват, ще намалее, а дължината на вълната ще се увеличи. Което означава увеличаване на периода и намаляване на честотата.

Сега си представете, че поплавъкът е разположен между две неподвижни лодки. Освен това рибарят на един от тях дърпа плувката към себе си. Придобивайки скорост спрямо повърхността, поплавъкът продължава да излъчва абсолютно същите кръгове. Но центърът на всеки следващ кръг ще бъде изместен спрямо центъра на предишния към лодката, към която плувката се приближава. Следователно от страната на тази лодка разстоянието между хребетите ще бъде намалено. Оказва се, че преди лодката с рибаря, който тегли плувката, ще идват кръгове с намалена дължина на вълната, а оттам и с намален период и увеличена честота. По същия начин вълни с увеличена дължина, период и намалена честота ще достигнат до другия рибар.

цветни звезди

Спектри на различни звезди

Такива модели на промени в характеристиките на вълните върху водната повърхност бяха забелязани някога от Кристиан Доплер. Той описа математически всеки такъв случай и приложи констатациитезвук и светлина, които също имат вълнова природа. Доплер предположи, че по този начин цветът на звездите зависи пряко от това колко бързо се приближават или отдалечават от нас. Той очерта тази хипотеза в статия, която представи през 1842 г.

Обърнете внимание, че Доплер е сгрешил относно цвета на звездите. Той смята, че всички звезди излъчват бял цвят, който впоследствие се изкривява поради скоростта им спрямо наблюдателя. Всъщност ефектът на Доплер не влияе върху цвета на звездите, а върху картината на техния спектър. За звездите, които се отдалечават от нас, всички тъмни линии на спектъра ще увеличат дължината на вълната - ще се изместят към червената страна. Този ефект е утвърден в науката, наречен "червено отместване". При приближаващите се звезди, напротив, линиите се стремят към частта от спектъра с по-висока честота - виолетовото.

Тази характеристика на линиите на спектъра, базирана на формулите на Доплер, е теоретично предсказана през 1848 г. от френския физик Арман Физо. Това е експериментално потвърдено през 1868 г. от Уилям Хъгинс, който има голям принос в спектралното изследване на космоса. Още през 20-ти век ефектът на Доплер за линиите в спектъра ще бъде наречен "червено отместване", към което ще се върнем.

Концерт на релси

Ефектът на Доплер в експеримента с влак

През 1845 г. холандският метеоролог Буйс-Балот, а след това и самият Доплер, провеждат серия от експерименти, за да тестват „звуковия“ ефект на Доплер. И в двата случая те използваха обсъждания по-рано ефект на сигнала на приближаващия и заминаващия влак. Ролята на свирката се изпълняваше от групи тромпетисти, които свиреха определена нота, докато бяха в открит вагон на движещ се влак.

Buys-Ballot пропускаше тромпетистите да минават покрай хора с добър слух, които записваха промяната в нотата при различна скорост на композицията. След това той повтори товаексперимент, поставяйки тромпетистите на платформата, а слушателите в колата. Доплер пък записва дисонанса на нотите на две групи тромпетисти, които едновременно се приближават и отдалечават от него, свирейки една нота.

И в двата случая ефектът на Доплер за звуковите вълни беше успешно потвърден. Освен това всеки от нас може да проведе този експеримент в ежедневието и да го потвърди сам. Следователно, въпреки факта, че ефектът на Доплер беше критикуван от съвременниците, по-нататъшните изследвания го направиха неоспорим.

Червено преместване

Както беше отбелязано по-рано, ефектът на Доплер се използва за определяне на скоростта на космическите обекти спрямо наблюдателя.

Тъмните линии в спектъра на космическите обекти първоначално винаги са разположени на строго фиксирано място. Това място съответства на поглъщането на дължината на вълната на определен елемент. За приближаващ или отдалечаващ се обект всички ленти променят позициите си съответно във виолетовата или червената област на спектъра. Чрез сравняване на спектралните линии на земните химични елементи с подобни линии в спектрите на звездите може да се оцени скоростта, с която даден обект се приближава или отдалечава от нас.

Червеното отместване в спектрите на галактиките е открито от американския астроном Весто Слайфър през 1914 г. Неговият сънародник Едуин Хъбъл сравнява откритите от него разстояния до галактиките с тяхното червено отместване. Така през 1929 г. той стига до извода, че колкото по-далече е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава от нас. Както се оказва по-късно, откритият от него закон е доста неточен и не описва съвсем правилно реалната картина. Въпреки това Хъбъл постави правилната тенденция за по-нататъшни изследвания от други учени, които по-късно ще въведат концепцията за космологично червено отместване.

Космологично червено отместване

За разлика от Доплеровото червено отместване, което възниква от собственото движение на галактиките спрямо нас, космологичното възниква от разширяването на пространството. Както знаете, Вселената се разширява равномерно по целия си обем. Следователно, колкото по-далеч са две галактики една от друга, толкова по-бързо се разпръскват една от друга. Така че всеки мегапарсек между галактиките всяка секунда ще ги отдалечи една от друга с около 70 километра. Тази стойност се нарича константа на Хъбъл. Интересното е, че самият Хъбъл първоначално оцени нейната константа на цели 500 km/s на мегапарсек.

Това се обяснява с факта, че той не е взел предвид факта, че червеното преместване на всяка галактика се състои от две различни червени премествания. Освен че се движат от разширяването на Вселената, галактиките правят и собствени движения. Ако релативистичното червено отместване има еднакво разпределение за всички разстояния, тогава Доплеровото червено отместване приема най-непредсказуемите несъответствия. В края на краищата, правилното движение на галактиките вътре в техните клъстери зависи само от взаимното гравитационно влияние.

Близки и далечни галактики

Галактика Андромеда или M31

Между близките галактики константата на Хъбъл практически не е приложима за оценка на разстоянията между тях. Например, галактиката Андромеда има пълно виолетово изместване спрямо нас, тъй като се приближава към Млечния път със скорост от около 150 km/s. Ако приложим към него закона на Хъбъл, то той би трябвало да се отдалечава от нашата галактика със скорост 50 km/s, което изобщо не отговаря на реалността.

За далечни галактики Доплеровото червено отместване е почти незабележимо. Скоростта им на отстраняване от нас е по права линияв зависимост от разстоянието и с малка грешка съответства на константата на Хъбъл. Така че най-отдалечените квазари се отдалечават от нас със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. Колкото и да е странно, това не противоречи на теорията на относителността, защото това е скоростта на разширяване на пространството, а не самите обекти. Следователно е важно да можем да правим разлика между Доплеровото и космологичното червено отместване.

Заслужава да се отбележи също, че в случая на електромагнитните вълни също има релативистични ефекти. Съпътстващото изкривяване на времето и промяната в линейните размери, когато тялото се движи спрямо наблюдателя, също влияят върху природата на вълната. Както във всеки случай с релативистичните ефекти

Доплеров ефект в астрономията

Несъмнено без ефекта на Доплер, с помощта на който беше открито червеното отместване, нямаше да знаем за мащабната структура на Вселената. Но астрономите дължат не само това на това свойство на вълните.

Ефектът на Доплер ви позволява да откриете фини отклонения в позицията на звездите, които могат да създадат планети, обикалящи около тях. Благодарение на това са открити стотици екзопланети. Използва се и за потвърждаване на наличието на екзопланети, открити преди това с други методи.

Двоична система от кафяви джуджета

Ефектът на Доплер изигра решаваща роля в изследването на близки звездни системи. Когато две звезди са толкова близо, че не могат да се видят отделно, ефектът на Доплер идва на помощ на астрономите. Тя ви позволява да проследите невидимото взаимно движение на звездите по техния спектър. Такива звездни системи дори се наричат "оптични двойни системи".

Използвайки ефекта на Доплер, можете да оцените не само скоростта на космическия обект, но и скоростта на неговото въртене, разширяване, скоростта на неговите атмосферни потоци имного повече. Скоростта на пръстените на Сатурн, разширяването на мъглявините, пулсациите на звездите се измерват с този ефект. С него определят дори температурата на звездите, защото температурата също е показател за движение. Може да се каже, че съвременните астрономи измерват почти всичко, свързано със скоростите на космическите обекти, използвайки ефекта на Доплер.