А.А. Белопольский - отец русской астрофизики (доклад от 22.04.2006)
С.А. Семиков (руководитель: к.т.н. В.П. Савченко, доцент НГТУ)
Аристарха Аполлоновича Белопольского (1854–1934) поистине можно считать отцом русской астрофизики. Первый русский учебник по астрофизике принадлежит именно его перу. Одним из первых он начал широко применять в астрономии фотографию и спектральный анализ. Но здесь поговорим о тех смелых, пионерских работах Белопольского, которые мало кто знает, и в первую очередь о его воззрениях на природу цефеид и красного смещения.
Цефеиды – это звёзды, волнообразно меняющие яркость, "мигающие" словно маяк. Их и называют "маяками вселенной", ибо с помощью цефеид астрономы определяют, как далеко от нас находятся островки звёзд и галактик, разбросанные в безбрежном океане космоса. Используя эффект Доплера, Белопольский определил, что цефеиды ещё и движутся, синхронно с яркостью меняя направление своего движения. Это привело учёного к мысли, что цефеиды – это не одиночные, но парные, двойные звёзды, словно в вальсе, кружащиеся одна вокруг другой (см. о них книгу В.М. Липунова "В мире двойных звёзд"). Именно у двойных звёзд Белопольский не раз встречал те же, что у цефеид, плавные колебания лучевой скорости, вызванные движением по орбите. Если цефеиды – это парные звёзды, то движение более яркой звезды вокруг невидимого спутника вызвало бы и волнообразные колебания яркости, как у тех двойных звёзд, что мигают с орбитальным периодом за счёт затмений, либо по иным причинам.
Но такой взгляд на загадку цефеид вскоре был забыт, уступив место современному. Согласно ему цефеиды – это пульсирующие, периодически раздувающиеся звёзды. Расширяясь, поверхность звезды движется к нам, а, сжимаясь, – от нас, что и приводит к смещению линий в спектрах. Пульсацией объясняют и обнаруженные у цефеид колебания яркости и температуры. Впрочем, не ясно, почему эта пульсация не затухает, как любые колебания. Есть у цефеид и масса других странностей, объясняемых лишь с натяжкой, либо вовсе не объяснимых.
Поэтому некоторые авторы предлагают вернуться к представлениям Белопольского о цефеидах, как о двойных звёздах. Так, В.И. Секерин в своём "Очерке о теории относительности" показывает, что двойные звёзды меняли бы яркость, если б скорость света складывалась со скоростью испустившей его звезды (подобно тому, как при залпе из корабельных орудий скорость снарядов складывается со скоростью судна). От переменной скорости звезды разные скорости приобретал бы и её свет. Он приходил бы к нам то запаздывая, то опережая "график". Вот звезда и кажется то ярче, то темнее и тем заметней, чем большую дистанцию прошёл свет. Это можно проиллюстрировать на примере общественного транспорта. Так, трамваи, поначалу следующие друг за другом строго по расписанию, через равные интервалы, с течением времени утрачивают эту периодичность. Одни отстают, другие, напротив, идут с опережением. В итоге на одних участках дороги трамваи скапливаются, а на других их почти нет. Как и для света, колебания частоты следования вагонов растут пропорционально пройденному пути.
Так, если первый трамвай выехал из депо со скоростью V1, а второй, спустя время T, – со скоростью V2, то к остановке, расположенной на расстоянии L, они прибудут: первый – за время L/V1, второй – за L/V2. На разность времён хода L(V1 –V2)/V1V2 и вырастет промежуток времени T' между приходом трамваев к остановке в сравнении с начальным T. То же и для двух лучей света: будучи испущены звездой через промежуток времени T, они придут к наблюдателю уже с разрывом T' = T+ L(V1 –V2)/V1V2. Разные скорости V1 и V2 лучи приобретают от переменной лучевой скорости звезды – от её лучевого ускорения a. Так, если в первый миг звезда испустила луч со скоростью V1, то в следующий, спустя время T, её скорость уменьшится на величину aT. На столько же замедлится и луч: его скорость V2 составит V1 – aT. Отсюда, считая скорости лучей V1 и V2 примерно равными скорости света c, находим T' = T(1+ La/c2).
Поскольку свет, испущенный звездой в промежуток времени T, воспримется в течение момента T', пропорционально ему должна периодически, в зависимости от ускорения, меняться яркость звезды, "концентрация" света, аналогично плотности трамваев на разных участках пути. Изменения яркости следуют за изменениями лучевого ускорения звезды и выражены тем сильней, чем ускорение выше, а звезда – дальше. Выходит, лишь некоторые двойные звёзды, с большой удалённостью и ускорением, будут заметно менять свой блеск.
Изменятся и спектры звёзд. Раз свет – это периодический, волновой процесс, то подобно расстояниям между трамваями, периоду и частоте их следования, меняются длины волн света, период световых колебаний T' = T(1+ La/c2) и их частота f '=1/T' = f(1– La/c2). Этот эффект, открытый ещё в начале XX века Вальтером Ритцем, отличает от доплеровского то, что частоту света меняет не скорость, а ускорение источника, и тем сильнее, чем он дальше.
Таким образом, синхронно с колебаниями яркости двойной звезды в её спектре должны "гулять" линии поглощения. Их смещения от эффекта Ритца, как показывают расчёты, много больше доплеровских. Поэтому у цефеид кривая спектрального смещения отражает не колебания скорости, но, подобно кривой блеска, колебания ускорения звезды. Недаром кривые блеска и "скоростей" (спектрального сдвига) цефеид так похожи. Сдвиг частоты меняет и цвет (спектр излучения): звезда то "синеет", то "краснеет". И раз по цвету находят её температуру (все видели, как раскалённый волосок в лампе, остывая, становится из жёлтого красным), то будет казаться, что в фазе со "скоростью" и блеском меняется "температура" звезды.
Итак, если прав Белопольский и Ритц, то, подобно мерцанию простых звёзд, меняющих цвет и яркость от волнения атмосферы, колебания блеска и цвета цефеид окажутся иллюзией. И если космонавт не видит мерцания звёзд, то и астронавт, оказавшийся рядом с цефеидой, нашёл бы её горящей ровным светом. Отдаляясь от цефеиды, он бы заметил колебания яркости, сперва едва заметные, но чем дальше, тем более выраженные. Многие странности цефеид, вроде изменения формы кривой блеска, степени и периода его колебаний, легко объяснимы в гипотезе Белопольского. Всё это следствия изменения звёздных орбит (их наклона, положения, формы, орбитального периода и т.д.), отражающихся на ускорениях, в свою очередь влияющих на колебания блеска. Наконец, раз согласно Белопольскому цефеиды – это тесные двойные системы, где расстояние между звёздами сопоставимо с их радиусами, то у звёзд с большими периодами, орбитами велики будут и размеры, а значит и светимости (зависимость период-светимость).
Но поговорим о другой интересной идее А. А. Белопольского – о его взглядах на природу красного смещения. Известно, что в спектрах далёких галактик все линии смещены в красную область, причём тем сильнее, чем дальше от нас расположена соответствующая галактика. Это считают следствием эффекта Доплера: свет движущихся галактик меняет частоту с исходной f на f '= f(1– V/с). Причём скорость V "разлёта" галактик растёт пропорционально их удалённости L по закону Хаббла V=LH. Здесь H – постоянная Хаббла, равная 55 (км/с)/Мпс, показывает рост скорости "разлёта" галактик с удалением на каждый мегапарсек.
Белопольский нашёл красному смещению иное объяснение. Согласно ему галактики не разлетаются, и не в эффекте Доплера причина их "покраснения". Причина, по мнению Белопольского (см. его труды на http://luchemet.narod.ru), в том, что "расстояние светящегося источника оказывает какое-то влияние на световую волну, увеличивая её длину": одни гребни световых волн постепенно отстают от других, наращивая длину волны и снижая частоту.
Но ведь именно так в эффекте Ритца расстояние влияет на частоту света: f '= f(1– La/с2). И если красное смещение f '= f(1– LH/с) вызвано эффектом Ритца, а не Доплера, то постоянная Хаббла H= a/с. Ускорения a в галактиках обусловлены их вращением, создающим центростремительное ускорение a=V2/R, где V – окружная скорость звёзд в галактике, R – расстояние до её центра, откуда H= V2/Rс. Галактики часто приравнивают друг к другу, поэтому примем для всех них значения V и R известные для нашей Галактики. Поскольку основной вклад в яркость галактик и самые интенсивные спектральные линии дают их ядра, берём V и R ядер. Галактическое ядро имеет радиус R= 0,002 Мпс и окружную скорость V=180 км/с.
Подставляя всё в формулу H= V2/Rс, найдём, что постоянная Хаббла должна по теории Белопольского равняться 54 (км/с)/Мпс. Это очень близко к тем 55 (км/с)/Мпс, что приведены в "Справочнике необходимых знаний", 2002 г. Итак, закон и постоянная Хаббла получены как естественное следствие гипотезы Белопольского и ритц-эффекта. Последний снимает и все возражения против идеи Белопольского, ибо красное смещение от эффекта Ритца проявлялось бы идентично доплеровскому – совершенно одинаково на всех частотах. И по смещениям спектров невозможно различить, какой их вызвал эффект – Доплера или Ритца.
Итак, забытые идеи Белопольского обретают новую жизнь, если принять введённый Ритцем эффект и принцип сложения скорости света и источника - это наиболее простое и естественное следствие опыта Майкельсона-Морли и аберрации звёздного света. Подобно своему древнегреческому тёзке, Аристарху Самосскому, понявшему, что Земля обращается вокруг Солнца, Аристарх Аполлонович на основе наблюдений пришёл к своему, сильно отличному от общепринятого видению космоса, тоже нашедшему обоснование много позже. Это характеризует Белопольского как гениального провидца и пионера астрофизики, сумевшего в своё время увидеть не только значение спектральных приборов, но и замечательное будущее этой науки.
