Причинах сдвигов спектральных линий звёзд

Причинах сдвигов спектральных линий звёзд

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. 

Вышеизложенная модель рекомбинационных спектров, фактически, тривиально объясняет циклические сдвиги спектральных линий переменных звёзд – как результат циклических изменений электронной температуры звёздной плазмы. Кроме того, в рамки нашей модели вполне укладываются такие парадоксальные явления, наблюдаемые при динамике спектров переменных и Новых, как различные “допплеровские” сдвиги различных линий, причём не только у различных химических элементов, но и у одного и того же; а также независимое друг от друга поведение линий эмиссии и линий абсорбции. 

Вот, например, как выглядели эти парадоксальные явления при динамике спектра Новой Персея, 1901 г. “…периодические изменения цвета составляли полную гармонию с периодическими изменениями вида спектра. Спектр Nova Persei… вначале, в максимуме, был сплошным с весьма интенсивной фиолетовой частью и с очень слабыми широкими размытыми полосами поглощения, особенно водорода. Потом, с началом уменьшения яркости, полосы начали лучше выделяться; к ним присоединяются ещё светлые линии (полосы), лежащие со стороны менее преломляемых частей тёмных полос; линии эти были сильно смещены от своего нормального положения, так что если объяснять это смещение по принципу Допплера, то получались лучевые скорости в –1500 км в секунду. Такие же смещения были замечены и в кальциевых и натриевых полосах поглощения. Эти колоссальные величины скоростей заставляют усомниться в их существовании. Сомнение это особенно подтверждается наблюдениями Кэмбелла, которому удалось кроме крупных указанных линий подметить еще весьма тонкие, смещение которых давало лучевые скорости не свыше +6 км в секунду” [3]. 

Можно, конечно, не принимать всерьёз эти парадоксальные явления – на том основании, что лучевая скорость звезды не была известна достоверно. Но, на наше счастье, есть одна звезда, лучевая скорость которой известна достоверно. Если и там обнаружатся парадоксы, то от них уже так просто не отделаться. 

Солнце – наш главный “свидетель”. 

Без ущерба для нашего обсуждения, лучевую скорость Солнца можно считать практически нулевой. Исследование спектральных линий Солнца дало бы уникальную возможность для следующей проверки: если и здесь линии окажутся сдвинуты, то будет ясно, что причина этих сдвигов не связана с эффектом Допплера. 

И какова же картина спектральных линий Солнца? Эта картина известна лишь узкому кругу специалистов, поскольку, по допплеровским меркам, её вполне можно назвать “спектроскопическим кошмаром”. 

Вот как этот кошмар описан в [3]. “Линии спектра хромосферы и протуберанцев часто обнаруживают целый ряд различных анормальных явлений… часто наблюдаются различного рода искривления, разрывы, смещения линий… Если искривления линий спектра приписывать целиком влиянию принципа Допплера, то во многих случаях приходится допускать скорости до 500-600 км в секунду… Можно было заключить о скоростях вблизи пятен в 30-40 км, хотя Young наблюдал иногда такие смещения, которые указывали на скорость до 500 км, если их объяснять на основании принципа Допплера… В спектре пятен… одни линии иногда бывают искривлены, тогда как другие – нет. Если объяснять эти искривления линий принципом Допплера, то выходит, что наблюдаемые массы паров железа в одно и то же время обладают большими скоростями и остаются в спокойном положении…Если объяснять все наблюдаемые смещения и искривления линий в спектрах хромосферы, протуберанцев и областей, окружающих пятна, исключительно на основании принципа Допплера, …то приходится заключать о невероятно больших скоростях, с которыми движется раскалённая материя на Солнце; …эти скорости достигают сотен километров в секунду. Но тогда является вопрос, каким образом физически могут быть объяснены такие колоссальные скорости?.. Из кинетической теории газов известно, что скорость частиц газа увеличивается с увеличением температуры, но несложное вычисление показывает, что для того, чтобы частицы достигли скорости в 200 км в секунду, необходима температура в 4800000оС, тогда как на поверхности Солнца мы едва ли имеем температуру выше 7000оС”. 

Что касается спектра солнечной короны, то вот как этот вопрос описан в [4]. “Эмиссионный спектр короны известен давно, и он ставил в тупик исследователей, потому что ни одну из коронарных спектральных линий не удавалось отождествить ни с одним из лабораторных источников излучения… Положение разъяснилось лишь к сороковым годам [20-го столетия], когда… удалось полностью расшифровать эмиссионный спектр короны как излучение при запрещённых переходах у многократно ионизованных атомов…” По этой логике, сильные линии короны обусловлены наличием в ней ионов, главным образом, металлов, с числами ионизации, равными десяти-пятнадцати [4] (вот что приходится допускать, когда лучевая скорость известна достоверно!) Такие числа ионизации соответствуют температурам в 2-6 млн. Кельвинов. Если бы корона действительно имела такую температуру, то поверхность Солнца нагревалась бы не столько изнутри, сколько снаружи – что, конечно, абсурдно. Поэтому теоретики делают оговорку: температура в миллионы Кельвинов приписывается короне формально [4]. Но тогда отождествление спектральных линий, выполненное на основе этих формальных приписок, не может считаться научным! 

В этой связи, уместно упомянуть книгу корифея звёздной спектроскопии, академика Белопольского [5]. Значительное количество материала в ней он посвятил доказательствам того, что эффект Допплера существует, существует, существует! Причём, спектрами Солнца он занимался и, конечно, не мог не знать, к чему там приводят допплеровские мерки. Но в книге он об этом ни слова не написал. 

Галактический частотный пьедестал. 

В статистике лучевых скоростей имеется ещё одна поразительная корреляция: между лучевой скоростью звезды (относительно нас!) и расстоянием звезды от центра Галактики. Поразительным здесь является то, что радиальный профиль галактического распределения средних лучевых скоростей переходит через ноль как раз на радиусе расположения Солнечной системы – а это, опять же, означает, что мы находимся в каком-то привилегированном месте Галактики. Отбрасывая этот вариант, как ничем не обоснованный, мы должны допустить, что средние сдвиги спектральных линий звёзд, скоррелированные с расстояниями звёзд от центра Галактики, также имеют не допплеровскую природу. 

Наша версия о природе этих сдвигов такова: они являются гравитационными, т.е. они обусловлены галактическим радиальным распределением гравитационного потенциала. Спектры двух одинаковых звёзд, находящихся на различных удалениях от центра Галактики, будут соответствующим образом сдвинуты друг относительно друга. 

В терминах нашей концепции об иерархии частотных склонов [6] можно сказать, что галактический частотный пьедестал, на котором расположены частотные “воронки” звёзд, не является плоским. Он является либо выпуклым, с возвышением в центре Галактики и со склонами к её периферии, либо, наоборот, вогнутым. В обоих этих случаях, для звёзд, расположенных на галактическом частотном пьедестале достаточно “выше”, чем Земля, могли бы наблюдаться сдвиги спектров в сторону коротких длин волн. Но в случае выпуклого пьедестала такие звёзды располагались бы, преимущественно, ближе к центру Галактики, чем Земля, а в случае вогнутого – наоборот, дальше. Поскольку Земля находится, фактически, на периферии Галактики, а случаев значительных смещений спектров в сторону коротких длин волн в два-три раза больше, чем в сторону длинных, то мы отдаём предпочтение выпуклому пьедесталу. В пользу такого выбора свидетельствует и тот факт, что звёзды с самыми большими “скоростями приближения” наблюдаются, как правило, вдоль части Млечного Пути, примыкающей к созвездию Стрельца, в направлении которого находится центр Галактики. 

Можно привести примерный радиальный профиль галактического частотного пьедестала, полученный на основе данных работы [7], где содержатся сведения о лучевых скоростях 305-ти долгопериодических переменных – своеобразных “маяков Галактики”. Максимальная “скорость приближения”, приведённая в [7], составляет 191 км/с. Примем, в качестве грубой оценки, что для звёзд вблизи центра Галактики эта величина составляет 200 км/с, что соответствует относительному перепаду частот в 6.7? 10-4; воспользуемся также справочным значением расстояния Солнца от центра Галактики: 8.2? 103 парсек [8]. Соответствующий частотный профиль изображён на Рис.2; с помощью засечек показаны эквивалентные лучевые скорости (в км/с). 



Рис.2. Радиальный профиль галактического частотного пьедестала. 

Из гипотезы о выпуклом галактическом частотном пьедестале следует, например, что частоты квантовых пульсаторов в центре Галактики должны быть больше аналогичных частот на Земле примерно на 0.07%. В частности, масса свободного электрона в межзвездном пространстве вблизи центра Галактики должна быть примерно на 340 эВ больше, чем на Земле. Также интересно отметить, что в областях межзвёздного пространства, не затронутых частотными “воронками” звёзд, должен иметь место ничтожный по крутизне галактический частотный склон, сообщающий пробным телам ускорение от центра Галактики к её периферии. Так, на радиусе расположения Солнечной системы, величина этого “ускорения свободного взлёта” составляла бы примерно 2.5? 10-15 м/с2. Следует иметь в виду, что геометрия галактического частотного пьедестала, как и геометрия частотных склонов вообще, отнюдь не обусловлена каким-либо распределением масс [9]. 

Гипотеза о выпуклом галактическом частотном пьедестале позволила бы не только объяснить сдвиги спектров звёзд, скоррелированные с удалением звезды от центра Галактики. Наш коллега В.И.Беленко сразу же заметил: если гипотеза верна, то, зная форму пьедестала, можно построить новую независимую шкалу расстояний в Галактике, так необходимую астрономам. 

Заключение. 

Как мы постарались показать, некоторые проблемы в звёздной спектроскопии разрешаются, если отказаться от объяснения сдвигов спектральных линий звёзд единственно действием эффекта Допплера. Предложены альтернативные объяснения: во-первых, на основе модели “плавающих” рекомбинационных спектров излучающей плазмы, и, во-вторых, на основе гипотезы о галактическом частотном пьедестале. 

Отказ от интерпретации сдвигов спектральных линий звёзд единственно на основе принципа Допплера означает, что нам по-прежнему остаётся неизвестна картина лучевых скоростей, а, значит, и картина пространственных движений звёзд в Галактике. Впрочем, имеющиеся на сегодня огромные массивы данных в каталогах лучевых скоростей являются, как мы полагаем, бесценной информацией, позволяющей судить о геометрии галактического частотного пьедестала. 

Автор очень признателен В.Н.Ключникову за любезное предоставление раритетных изданий, а В.И.Беленко, А.В.Новосёлову и А.Н.Малимону – за полезную дискуссию. 

Список литературы

А.А.Гришаев. Навигатор квантовых перебросов энергии. – Доступна на данном сайте. 

О.Струве, В.Зебергс. Астрономия ХХ века. М., “Мир”, 1968. 

А.Соколов. Описательная астрономия. М., “Студенческое изд-во”, 1915. 

Д.Я.Мартынов. Курс общей астрофизики. М., “Наука”, 1988. 

А.А.Белопольский. Астроспектроскопия. Т.3 курса астрофизики в 5-ти томах. Петроград, “Научное книгоиздательство”, 1921. 

А.А.Гришаев. Иерархия частотных склонов в роли “светоносного эфира”. – Доступна на данном сайте. 

P.W.Merrill. The radial velocities of long period variable stars. Astrophys.Journal, 94, 2 (1941) 171. 

Таблицы физических величин. Справочник под ред. акад. И.К.Кикоина. М., “Атомиздат”, 1976. 

А.А.Гришаев. О всемирном тяготении: всё ли вещество оказывает притягивающее действие? – Доступна на сайте автора. 

Сайт автора, источник: http://newfiz.narod.ru