Кіріспе

Астрономияда аберрация (астрономиялық аберрация, жұлдыздық аберрация немесе жылдамдық аберрациясы деп те аталады) – аспан денелерінің бақылаушының жылдамдығына байланысты шын орнынан көрінетін қозғалысы. Бұл денелердің бақылаушының қозғалыс бағытына қарай ығысқандай көрінуіне себеп болады. Бұрыштың өзгеруі шамамен жарық жылдамдығы (c) мен бақылаушының жылдамдығы (v) арақатынасына тең. «Жұлдыздық» немесе «жылдық» аберрация жағдайында, Жердегі бақылаушыға жұлдыздың көрінетін орны, Жердің Күнді айналу жылдамдығы өзгеретін сайын, бір жыл ішінде периодты түрде өзгереді. Бұл өзгеру оң көтерілу немесе дейек бойынша шамамен 20 доға секундқа жетеді. Аберрация термині тарихи тұрғыдан қозғалатын денелердегі жарық таралуымен байланысты бірнеше ұқсас құбылыстарды білдіру үшін қолданылған. Аберрация параллакстан ерекшеленеді, параллакс – бақылаушының қозғалысы нәтижесінде салыстырмалы түрде жақын орналасқан дененің, алыс дененің фонындағы көрінетін орнының өзгеруі. Параллакс мөлшері дененің бақылаушыдан қашықтығына байланысты, ал аберрацияға қатысы жоқ. Аберрация жарық уақытын түзетумен және релятивистік эффектілермен де байланысты, бірақ көбінесе олардан бөлек қарастырылады. Аберрацияның тарихи маңызы бар, себебі ол жарық, электромагнетизм және, соңында, арнайы салыстырмалылық теориясының дамуында маңызды рөл атқарды. Оны алғаш рет 1600 жылдардың соңында Күн жүйесінің гелиоцентрлік моделін растау үшін жұлдыздық параллакс іздеген астрономдар байқаған. Бірақ сол кезде оны басқа құбылыс деп түсінбеген. 1727 жылы Джеймс Брэдли, Жердің Күнді айналу орбитасындағы қозғалысына қатысты жарықтың шекті жылдамдығы тұрғысынан осы құбылысқа классикалық түсіндірме берді және жарық жылдамдығын ең алғашқы рет өлшеді. Алайда, Брэдлидің теориясы 19 ғасырдың жарық теориясымен үйлеспеді, сондықтан аберрация Августин Френельдің (1818) және Г.Г. Стоукстің (1845) эфирлік сүйреу теорияларына, сондай-ақ Хендрик Лоренцтің 1892 жылғы электромагнетизмнің эфирлік теориясына ықпал етті. Жарықтың аберрациясы, Лоренцтің Максвеллдің электродинамикасын, қозғалатын магнит және өткізгіш мәселесін, теріс эфирлік дрейф эксперименттерін және Физо экспериментін зерделеу нәтижесінде Альберт Эйнштейннің 1905 жылы арнайы салыстырмалылық теориясын жасауына әкелді. Бұл теория аберрация теңдеуінің жалпы түрін ұсынады.

Түсіндірме

Аберрацияны әр түрлі инерциялық санақ жүйелеріндегі жарық сәулесінің бұрышындағы айырмашылық ретінде түсіндіруге болады. Бұл туралы жаңбырдың түсу бағыты мысалы ретінде қарастыруға болады. Егер жаңбыр тұрған адамның санақ жүйесінде тік түсетін болса, алға қарай қозғалатын адамға жаңбыр белгілі бір бұрышпен түсетіндей болады, сондықтан ол шатырын алға қарай бұруға мәжбүр болады. Бақылаушының жылдамдығы артқан сайын, шатырды көбірек еңісу қажет. Нәтижесінде, тұрған санақ жүйесінде бақылаушыға бүйінен келетін жарық сәулелері, қозғалатын санақ жүйесінде алдыңғы бұрыштан келіп түседі. Бұл эффект кейде «іздеуші шам» немесе «алдыңғы шам» эффектісі деп аталады. Жұлдыздың жылдық аберрациясы жағдайында, Жердің қозғалатын санақ жүйесінде көрінетін жұлдыздың келу бағыты, Күннің санақ жүйесінде байқалатын бұрышқа қатысты еңкейеді. Жердің орбитасы бойында қозғалыс бағыты өзгеретіндіктен, жыл бойы бұл еңіс бағыты да өзгереді, соның салдарынан жұлдыздың көрінетін орны, Күннің инерциялық санақ жүйесінде өлшенген нақты орнынан өзгеше болады. Классикалық түсінік аберрацияны түсінуге көмектеседі, бірақ ол тіпті классикалық деңгейде байқалатын бірқатар физикалық парадокстарға алып келеді (тарихқа қараңыз). Аберрацияны дұрыс түсіндіру үшін арнайы салыстырмалылық теориясы қажет. Релятивистік түсіндірме классикалық түсіндірмеге өте ұқсас, және екі теорияда да аберрация жылдамдықтардың қосылуының бір жағдайы ретінде қарастырылады.

Классикалық түсіндірме

Күннің координаттық жүйесінде, жарық жылдамдығына тең жылдамдықты жарық сәулесін қарастырайық, оның x және y жылдамдық компоненттері және , сондай-ақ бұрышы , егер Жер Күнге қатысты x бағытында жылдамдықпен қозғалса, онда жылдамдықтарды қосу арқылы сәуленің жылдамдығының x компоненті Жердің координаттық жүйесінде , ал y жылдамдығы өзгермейді. Осылайша, Жердің координаттық жүйесіндегі жарықтың бұрышы, Күннің координаттық жүйесіндегі бұрышқа қатысты , бұл нәтиже , жағдайында , ал шекте шамамен тең болуы мүмкін.

Релятивистік түсіндірме

Релятивистік жағдайдағы логика сол сияқты, бірақ релятивистік жылдамдықтарды қосу формулаларын қолдану қажет, оларды әртүрлі есептесу жүйелері арасындағы Лоренц түрлендірулерінен шығаруға болады. Бұл формулалар:

мұндағы , бұл Күннің есептесу жүйесіндегі жарық сәулесінің құрамдас бөліктері арқылы Жердің есептесу жүйесіндегі құрамдас бөліктері берілген. Сәуленің Жердегі бұрышы осылайша:

жағдайында бұл нәтижеге дейін тоғысып, шектеуде бұл шамамен есептеледі. Бұл релятивистік есептеу барлық есептесу жүйелерінде жарық жылдамдығын тұрақты ұстайды, бұл жоғарыдағы классикалық есептеуден өзгеше.

Жарық-уақыт түзетуі мен релятивистік сәулеленумен байланысы

Аберрация екі басқа құбылыспен байланысты: жарық уақытын түзету, ол байқалатын нысанның жарығы бақылаушыға жететін уақыт ішіндегі қозғалысынан туындайды, және релятивистік сәулелену, яғни қозғалатын жарық көзінің шығаратын жарығының бұрышталуы. Оны басқа инерциялық санақ жүйесінде олармен эквивалентті деп қарастыруға болады. Аберрацияда бақылаушы (жеңілдік үшін) тұрақты жарық көзіне қатысты қозғалып тұрады деп есептеледі, ал жарық уақытын түзету және релятивистік сәулеленуде жарық көзі тұрақты бақылаушыға қатысты қозғалады деп есептеледі. Бақылаушы мен жарық көзінің тұрақты жылдамдықпен бір-біріне қатысты қозғалатын жағдайын қарастырайық, сәуле көзден бақылаушыға қарай қозғалады. Сәуле шығарылған сәтте, бақылаушының тыныш тұру қаптамасындағы сәуле, салыстырмалы сәулелену арқылы түсінілгендей, көздің тыныш тұру қаптамасындағы сәулеге қарағанда еңкейген болады. Сәуле бақылаушыға жеткенге дейін жарық көзі бақылаушының қаптамасында қозғалады, ал жарық көзінің «шынайы орны» бақылаушының көретін көрінетін орнына қатысты ығысады, бұл жарық уақытын түзету арқылы түсіндіріледі. Соңында, бақылау сәтінде бақылаушының қаптамасындағы сәуле, көздің қаптамасындағы сәулеге қарағанда еңкейген болады, оны аберрациялық эффект деп түсінуге болады. Осылайша, жарық көзінің қаптамасындағы адам сәуленің көрінетін еңкісін аберрация тұрғысынан сипаттайды, ал бақылаушының қаптамасындағы адам оны жарық уақытының әсері ретінде сипаттайды. Бұл құбылыстар арасындағы байланыс бақылаушы мен көздің қаптамалары инерциялық қаптамалар болған жағдайда ғана жарамды. Іс жүзінде, Жер инерциялық тыныш қаптама емес, Күнге қарай центростремителдік үдеуді бастан кешіреді, сондықтан Жердегі жылдық аберрация сияқты көптеген аберрациялық эффекттерді жарық уақытын түзетулер деп қарастыруға болмайды. Дегенмен, егер жарықтың шығарылуы мен анықталуы арасындағы уақыт Жердің орбиталық периодымен салыстырғанда қысқа болса, Жерді инерциялық қаптама ретінде жуықтауға болады және аберрациялық эффекттер жарық уақытын түзетуге тең болады.

Жылдық ауытқу

Жылдық ауытқу Жердегі бақылаушының Күнді айналып қозғалуынан туындайды. Орбиталық эксцентриситетке байланысты, Жердің орбиталық жылдамдығы (Күннің тұрақты жүйесінде) планета эллипстік орбитасымен жыл бойы қозғалғанда периодты түрде өзгереді, сондықтан ауытқу да периодты түрде өзгереді, көбінесе жұлдыздардың кішкентай эллипстерде қозғалып жатқандай көрінуіне себеп болады. Жердің орбитасын дөңгелек деп есептесек, жылдық ауытқуға байланысты жұлдыздың максималды ығысуы ауытқу тұрақтысы деп аталады, ол әдетте формуласымен өрнектеледі. Оны Күннің айналасындағы Жердің орташа жылдамдығын және жарық жылдамдығын қолданып есептеуге болады. Оның қабылданған мәні 20,49552 доға секунды (сек) немесе 0,000099365 радиан (рад) (J2000 бойынша). Дөңгелек орбита деп есептесек, жылдық ауытқу эклиптикадағы (Жер орбитасының жазықтығы) жұлдыздардың тура сызық бойымен алға-артқа қозғалуына себеп болады, олардың Күннің айналасындағы нақты орнынан екі жаққа да ығысады. Эклиптикалық полюстердің бірінде (эклиптикалық жазықтықтан 90° бұрышпен) орналасқан жұлдыз өзінің нақты орнынан радиусы болатын шеңберде қозғалғандай көрінеді, ал аралық эклиптикалық ендіктегі жұлдыздар кішкентай эллипс бойымен қозғалғандай көрінеді. Мысал ретінде, солтүстік эклиптикалық полюстегі жұлдызды Арктика шеңберіндегі бақылаушының көзімен қарастырайық. Мұндай бақылаушы жұлдызды күн сайын (нақтырақ айтқанда, жұлдыздық күнде) зенитте көреді. Наурыз теңдігі кезінде Жердің орбитасы бақылаушыны оңтүстікке қарай жылжытады, сондықтан жұлдыздың көрінетін бұрыштық координатасы оңтүстікке қарай ауысады. Қыркүйек теңдігінде жұлдыздың орны солтүстікке қарай тең және қарама-қарсы мөлшерде ығысады. Кез келген солсстицияда бұрыштық координатадағы ығысу 0-ге тең. Керісінше, оң көтерілудегі ығысу теңдіктерде 0-ге тең, ал солсстицияларда максималды болады. Іс жүзінде Жердің орбитасы толығымен дөңгелек емес, сәл эллипстік, және оның жылдамдығы орбита бойында өзгереді, яғни жоғарыда сипатталған жағдай шамамен ғана. Ауытқуды Жердің Күн жүйесінің барицентріне қатысты жеке жылдамдығын қолдану арқылы дәлірек есептеуге болады.

Секулярлық ауытқу

Күн жүйесінің кеңістіктегі қозғалысынан туындаған аберрацияның тұрақты компоненті бірнеше бөлікке жіктелді: Күн жүйесінің барицентрінің Галактикамыздың орталығының айналысындағы қозғалысынан туындаған аберрация, Галактиканың Жергілікті топқа қатысты қозғалысынан туындаған аберрация және Жергілікті топтың ғарыштық микротолқындық фонға қатысты қозғалысынан туындаған аберрация. Күн шамамен 200 миллион жылда галактикалық ортаны айналып өтеді, оның өлшенген орны тік координата (α = 266.4°) және бұрылыс (δ = −29.0°) маңында орналасқан. Немесе 165. Бірнеше жылға созылған жоғары дәлдікті өлшеулер осы тұрақты аберрацияның өзгеруін байқай алады, бұл көбінесе тұрақты аберрация дрейфі немесе Күн жүйесінің үдеуі деп аталады, ол шағын көрінетін өзіндік қозғалыс ретінде көрінеді. Жақында, өте ұзын негіздік интерферометрия және Gaia ғарыш обсерваториясын пайдалана отырып, галактикадан тыс объектілердің жоғары дәлдікті астрометриясы осы шағын әсерді сәтті өлшеді. 20 жылдық кезеңде 555 галактикадан тыс объектінің α = 263° және δ = −20° экваторлық координаттарындағы галактикамыздың орталығына қарайғы көрінетін қозғалысының алғашқы VLBI өлшемі 6.4 ± 1.5 микроарксекунд/жылдық тұрақты аберрация дрейфін көрсетті. 1.6 миллион галактикадан тыс көздерден алынған Gaia спутнигінің 33 айлық деректерін пайдаланған оптикалық байқаулар Күн жүйесінің 2.32 ± 0.16 × 10−10 м/с2 үдеуін және α = 269.1° ± 5.4°, δ = −31.6° ± 4.1° бағытындағы 5.05 ± 0.35 микроарксекунд/жылдық сәйкес тұрақты аберрация дрейфін көрсетті. Кейінгі Gaia деректері, 66 және 120 айлық деректерді қамтитын, осы нәтижелердің кездейсоқ қателіктерін 0.35 және 0.15 есеге азайтуы күтілуде. Халықаралық аспандық анықтамалық жүйенің (ICRF3) соңғы нұсқасы 5.8 микроарксекунд/жылдық галактоцентрлік аберрация тұрақтысын қабылдады. Бұл нәтижелердің асимметриясы, бір-бірінің кермелі бейнесі болуы күтілген, толығымен күтпеген және қолданыстағы теориялармен түсіндірілмейтін еді.

Аберрацияның тарихи теориялары

Аберрация құбылысы оның байқалуы мен Альберт Эйнштейннің түсіндірмесі арасындағы 200 жыл бойы көптеген физикалық теорияларды дамытуға итермеледі. Алғашқы классикалық түсіндірмені 1729 жылы, жоғарыда айтылғандай, Джеймс Брэдли берді, ол оны жарықтың шекті жылдамдығымен және Жердің Күнді айналып жүру орбитасымен байланысты деп түсіндірді.

Арнайы салыстырмалылық теориясы

Лоренц теориясы экспериментпен жақсы сәйкес келді, бірақ ол күрделі болды және электромагниттік ортаның микроскопиялық табиғаты туралы көптеген негізсіз физикалық болжамдар жасады. 1905 жылы арнайы салыстырмалылық теориясында Альберт Эйнштейн Лоренц теориясының нәтижелерін ефир идеясынан құтылған, әлдеқайда қарапайым және табиғи тұжырымдамалық негізде қайта қарастырды. Оның туындысы жоғарыда келтірілген және қазір қабылданған түсінік болып табылады. Роберт Шенкленд Эйнштейнмен болған әңгімелер туралы хабарлады, онда Эйнштейн аберрацияның маңыздылығын атап өтті:

Ол оған ең көп әсер еткен тәжірибелік нәтижелер жұлдыздық аберрацияның байқаулары және Физоның қозғалатын судағы жарық жылдамдығын өлшеулері болғанын айтты. "Олар жеткілікті болды", - деді ол. Эйнштейннің салыстырмалылықты дамытуына ықпал еткен маңызды факторлардың бірі қозғалатын магнит және өткізгіш мәселесі және (тікелей емес) теріс эфирлік дрейф эксперименттері болды, оларды ол өзінің алғашқы салыстырмалылық мақаласының кіріспесінде атап өткен. Эйнштейн 1952 жылы жазған хаттамасында:

"Менің ойларым атақты Микельсон-Морли экспериментіне тікелей емес, керісінше әсер етті. Мен осы эксперимент туралы Лоренцтің 1895 жылғы қозғалатын денелердің электродинамикасы бойынша жасаған революциялық зерттеуінен білдім, және арнайы салыстырмалылық теориясы құрылғанға дейін оны білгенмін. Лоренцтің тыныш эфир туралы негізгі болжамы маған тікелей сендірмеді, себебі ол Микельсон-Морли экспериментінің [маған жасанды көрінетін] интерпретациясына әкелді, ол [маған сендірмеді] мен үшін табиғи емес көрінді. Менің арнайы салыстырмалылық теориясына бағытталған жолым негізінен магнит өрісінде қозғалатын өткізгіште туындаған электр қозғаушы күшін электр өрісінен басқа ештеңе деп санауыма байланысты болды. Бірақ Физо экспериментінің нәтижесі және аберрация құбылысы да маған жетекшілік етті. Эйнштейннің нәтижесі Брэдлидің бастапқы теңдеуімен бірдей, бірақ қосымша коэффициенттен басқа, Брэдлидің нәтижесі тек салыстырмалылық жағдайдың классикалық лимитін ғана емес, тіпті төмен салыстырмалы жылдамдықтарда да дұрыс емес болжамдар береді. Брэдлидің түсіндірмесі су телескопы сияқты жағдайларды, сондай-ақ телескоп ішінде пайда болатын көптеген басқа оптикалық эффектілерді (мысалы, интерференцияны) түсіндіре алмайды. Себебі Жердің координаттық жүйесінде телескоптағы жарық сәулесінің таралу бағыты сәуленің толқын фронттарына перпендикуляр емес, бұл Максвеллдің электромагнетизм теориясына қайшы келеді. Сондай-ақ, ол кадрлар арасындағы жарық жылдамдығы c-ні сақтамайды. Дегенмен, Брэдли эффектінің себебінің салыстырмалы жылдамдықтар екенін дұрыс анықтады.