1. Отделяем изменения самой звезды от изменений света, дошедшего до глаза
Если ясной ночью посмотреть на яркую звезду, можно заметить, как её свет слегка дрожит, становится то ярче, то слабее. Иногда кажется, что быстро меняется и цвет. Эти короткие беспорядочные изменения не следует объяснять тем, что звезда каждый раз выключает и снова включает свой свет. Меняться может последний участок пути: прохождение света от звезды через земную атмосферу к глазу. Как объясняет NASA StarChild, в зависимости от состояния воздуха звёздный свет приходит к наблюдателю по немного различающимся путям. Даже одна звезда выглядит по-разному вблизи зенита и у горизонта. Это подсказка: учитывать нужно не только небесное тело, но и путь наблюдения.
Здесь стоит различать количество света и видимое положение звезды. Если при прохождении через атмосферу меняется степень сосредоточения или рассеивания света, может колебаться и воспринимаемая глазом яркость. Изменение направления света способно вызвать видимое дрожание маленькой точки или изображения в телескопе. При этом существуют переменные звёзды, яркость которых действительно меняется, поэтому объяснять атмосферой любые изменения звёздного света тоже нельзя. Главное: краткое дрожание, замеченное невооружённым глазом, само по себе не доказывает физических изменений звезды. Записывая характер изменений во времени, их повторяемость, приборы и условия наблюдения, можно отделять увиденное явление от предположений о его причине.
2. Различия температуры и показателя преломления в движущемся воздухе
Воздух прозрачен, но это не пустое пространство, никак не влияющее на направление света. При изменении температуры, плотности и других свойств воздуха меняется и показатель преломления. Проходя через неоднородные слои воздуха, свет может менять свой путь, а его волновой фронт — искажаться. Когда тёплый и холодный воздух перемешиваются и распределение этих свойств меняется со временем, изображение звезды тоже становится нестабильным. Сосредоточение и расхождение света, описанные в учебных материалах по оптике, помогают понять изменения яркости. Вместо представления, будто ветер толкает свет как предмет, лучше представить среду, свойства которой различаются в разных местах и в разное время. Одной силы ветра недостаточно, чтобы определить мерцание.
Дрожащий в жару далёкий пейзаж над дорогой напоминает, что состояние воздуха влияет на изображение. Однако марево над дорогой и мерцание ночного неба нельзя считать опытами с полностью одинаковыми условиями. Различаются расстояние до источника света, распределение воздушных слоёв и размер наблюдаемого изображения. В телескопических наблюдениях также следует отличать ясное небо от чёткого изображения. Ослабление света облаками или пылью и дрожание и размытие маленького изображения из-за атмосферы могут быть связаны, но это разные измеряемые характеристики. Если по одной записи о малой облачности заключить, что изображения звёзд в ту ночь были устойчивыми, важные условия останутся без внимания.
3. Планеты видны как небольшие диски, имеющие площадь
Звёзды ночного неба выглядят точками не потому, что их настоящие размеры малы. Кроме Солнца, звёзды находятся так далеко, что глазу трудно различить их поверхность как диск. Более близкие планеты Солнечной системы, напротив, можно различить в телескоп как маленькие диски. Важен не только настоящий диаметр тела, но и угол, который оно занимает для наблюдателя, то есть видимый размер. В астрономическом объяснении Висконсинского университета подчёркивается: свет от разных частей планетного диска проходит через атмосферу по немного различающимся путям. Изменения яркости одной части не всегда совпадают по направлению с изменениями другой, поэтому суммарные колебания обычно меньше, чем у точечного источника.
Таким образом, если объяснять различие звёзд и планет только тем, что одни излучают собственный свет, а другие отражают его, главное останется упущенным. Отражённый свет тоже проходит через неоднородную атмосферу, а звёздный свет за её пределами наблюдается иначе, чем при быстром мерцании с поверхности Земли. Нельзя также устанавливать правило, будто планеты никогда не мерцают. Низко над горизонтом или при нестабильной атмосфере они тоже могут казаться дрожащими или мерцающими. Лучше использовать мерцание как один из признаков при определении небесного тела, одновременно проверяя положение, дату наблюдения и связь с созвездиями. По одному впечатлению от яркости трудно отличить и движущиеся огни самолёта или расфокусированное изображение.
4. Почему мерцание заметнее у горизонта
Свет от тела, расположенного близко к горизонту, обычно проходит в атмосфере более длинный путь, чем свет от тела над головой. В объяснении NASA большая заметность мерцания низких звёзд связана с этой разницей путей. Однако это не означает, что во всех местах и во всякое время мерцание усиливается в одинаковой пропорции. Результат зависит от распределения воздуха на действительном пути света, высоты тела над горизонтом и места наблюдения. Если смотреть вблизи крыши здания или выхода отопительной вентиляции, на наблюдения может влиять и местный тёплый воздух. Даже сравнивая одну звезду, нужно записывать, как в эту ночь менялась её высота на небе, чтобы не смешивать свойства звезды с различиями направления взгляда.
Впечатление быстрого изменения цвета также трудно отделить от условий наблюдения. Воздух не одинаково влияет на распространение света разных длин волн, и при наблюдении низких небесных тел эти эффекты могут стать заметными. Но изменения цвета на экране телефона нельзя напрямую читать как изменения температуры поверхности звезды. На изображение влияют и автоматические экспозиция и фокусировка, обработка изображения и дрожание рук. Прежде чем сравнивать яркость на фотографиях разных ночей, следует проверить, одинаковы ли настройки. Длинная выдержка объединяет быстрые изменения в одном кадре. Поэтому сам по себе сильно размытый световой след на одной фотографии не позволяет численно определить силу мерцания, видимого глазом.
5. Простое наблюдение ночного неба с раздельной записью условий
Начать наблюдения можно на одном месте, ещё до поездок или покупки оборудования. Выберите безопасное место с открытым обзором и запишите дату, время и направление взгляда. Найдите яркую звезду с известным положением и видимую в этот день планету, прежде всего проверив, близка ли их высота над горизонтом. Если только одно из тел находится низко у горизонта, запишите это различие. Поочерёдно смотрите на них невооружённым глазом короткими промежутками и словами описывайте, быстро и беспорядочно ли меняется яркость, кажутся ли изменяющимися также цвет или положение. Это не приборный опыт для точного измерения атмосферы, а занятие, помогающее не принимать сравнение при разных условиях за сравнение при одинаковых.
В таблице наблюдений рядом с названием тела отдельно укажите приблизительную высоту над горизонтом, наличие облаков, крыши и окна по направлению взгляда, а также использованные приборы. Если добавляете фотографии, отметьте, были ли экспозиция и фокусировка автоматическими. При следующем наблюдении проще истолковать результат, если сначала сравнить изменение только места или только времени, а не менять сразу несколько условий. Если изменение не было заметно, так и запишите: не заметили. Не нужно вписывать сильное мерцание ради ожидаемого вывода. Ценность занятия — в вопросе о том, что остаётся постоянным и что меняется при повторных наблюдениях, без категоричных суждений о состоянии определённой звезды или завтрашней погоде по нескольким записям.
6. Что решают космические телескопы и адаптивная оптика
Космические телескопы, наблюдающие за пределами земной атмосферы, могут избегать искажений изображения, возникающих при наблюдении с поверхности Земли через атмосферу. На Земле технология адаптивной оптики измеряет искажённый атмосферой волновой фронт и улучшает изображение, регулируя форму зеркала. Лазерная опорная звезда, описанная ESO, служит способом получить световой ориентир для этого процесса. Лазер не создаёт новую настоящую звезду и не меняет исходную яркость далёкой звезды. Объяснение адаптивной оптики нельзя расширять до утверждения о полном устранении всех видов колебаний яркости и воздействия облаков. Чтобы точно понимать роль технологии, следует различать то, что устройство исправляет, и условия наблюдения, которые сохраняют своё влияние.
Основной рисунок этой статьи — поясняющая схема трёх аспектов: изменения пути света в атмосфере, видимого размера небесного тела и высоты наблюдения над горизонтом. Это не фотография наблюдения и не график измерений; размеры и расстояния не показаны в масштабе. Рассматривая схему, не следует понимать точечный источник как указание на малый настоящий размер звезды. Когда что-то мерцает в ночном небе, последовательно спросите себя: что вы увидели, через какие воздушные слои и приборы это наблюдалось и что именно позволяют объяснить ваши записи? Привычка различать изменения звезды и изменения процесса наблюдения не уничтожает красоту впечатления, а помогает конкретнее понять, как оно возникает.