Оптическое линзирование в атмосфере звезд

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптическое линзирование в атмосфере звезд

Введение

Эффект гравитационного линзирования был предсказан ОТО и, согласно официальной науке, впервые подтвержден в эксперименте по измерению отклонения луча в гравитационном поле Солнца, проведенном в 1919 году. Детальный анализ этого и подобных экспериментов, как в оптическом, так и в радио диапазонах, проведенный, в частности автором этой статьи в [4], ставит под сомнение достоверность всех этих измерений. Тем не менее, вне зависимости от того, существует ли на самом деле эффект отклонения луча в гравитационном поле звезды (планеты), подобный эффект существует и объясняется он рефракцией света в атмосфере звезды (планеты). В частности, такой звездой, обладающей атмосферой, является Солнце [2].

1.Атмосфера звезды как градиентная линза

C точки зрения оптики, атмосфера Земли, Солнца или другого небесного тела представляет собой градиентную внеосевую (оптическая ось закрыта телом этого объекта) сферическую линзу. Сферические и градиентные линзы - хорошо известны и широко используются, например, в волоконной оптике. Сферическая же линза с градиентом коэффициента преломления, направленным к центру сферы, работает как аксикон - оптический элемент, обладающий очень большой сферической аберрацией и растягивающий изображение объекта вдоль оптической оси. Оптическая ось такой линзы проходит через центр сферы и может быть проведена в любом направлении.

Козффициент преломления газов зависит от плотности газа [1] и приблизительно может быть выражен как:

Упрощенный вид формулы Лоренц - Лорентца ([1] стр. 558) в приближении (n - 1) << 1. (1),

где: р - плотность газа,

а - постоянная, конкретная для каждого газа.

Так как плотность газа в атмосфере планеты или звезды падает с высотой, то однозначно появляется градиент преломления, направленный к центру данного тела.

Градиентные среды имеют принципиальные отличия от обычных. Луч в такой среде, идущий перпендикудярно градиенту коэффициента преломления, “заворачивается” в сторону градиента и распостраняется по кривой линии, траектория которой определяется геометрией линзы и профилем козффициента преломления. Кроме того, угол поворота луча зависит от длины среды, в то время как в обычных оптических элементах (с постоянным коэффициентом преломления), например, в клиньях, луч преломляется только на входе и выходе из среды, траектория же его в среде остается прямолинейной, а поворот луча не зависит от толщины среды.

Зависимость угла поворота от длины среды и профиля коэффициента преломления для случая радиального градиента преломления (,) может быть выражена уравнением:

(2),

(построение приведено на Рис. 1).

В частности, решение уравнения (2) при заданном законе описывает движение луча в градиентной среде. При этом, соответствующим подбором зависимости, можно придать этой линзе необходимые характеристики.

Например, в широко применяемых в оптике цилиндрических градиентных линзах коэффициент преломления имеет максимум в центре и уменьшается по параболическому закону к границе, что обеспечивает последовательную фокусировку и коллимирование пучка в линзе. Подбором длины такой градиентной линзы ее можно, например, сделать фокусирующей или коллимирующей. Градиентные газовые среды работают аналогично, например, знаменитые миражи обязаны своим появлениям градиентным волноводам, возникающим в атмосфере (и это при таком малом коэффициенте преломления, как 1.003 !).

В отличии от градиентных линз, применяемых в оптике, коэффициент преломления в атмосфере планет и звезд не меняется по параболическому закону. Например, зависимость давления от высоты в атмосфере Земли описывается “барометрической формулой” См. [2] стр. 1193. - экспоненциальной зависимостью. Кроме того, при прохождении луча по касательной, показатель преломления менятся также вдоль трассы. В атмосфере Солнца (звезды) эта зависимость усложняется солнечным ветром. лучевым давлением и МГД эффектами. Звездные атмосферы должны быть более протяженны по сравнению с холодными телами, так как солнечный ветер и лучевое давление частично компенсирует силу притяжения. В частности известно, что очень протяженной атмосферой обладают красные гигаты, такие, как Бетельгейзе и Антарес. Существуют оценочные модели солнечной и звездных атмосфер. Согласно одной из них, описанной в [2], плотность газа в атмосфере Солнца на нижней границе хромосферы составляет кг/м3, а у ее верхней границе (10.000 км) - кг/м3. Пропорционально меняется и коэффициент преломления (см. формулу (1)). Вобще, точный расчет отклонения луча в газовых градиентных средах является весьма сложной задачей и проводится численным методом путем разбиения среды на концентрические сферы. В частности, методика расчета отклонения радиолуча в атмосфере Земли за счет атмосферной рефракции описана в [3].

Автором был проведен оценочный расчет отклонения для случая прохождения луча в нижней хромосферы на границе фотосферы и на высоте 1000 км. В первом случае рассчитанное отклонение составило 3.2”, во втором - 0.65” Расчет проводился в приближении экспоненциальной зависимости плотности от высоты, для малых углов и (n - 1) << 1. Атмосфера принималась - 70% водород, 30% гелий. Данные солнечной атмосферы взяты из [2]. Величины, полученные в расчете, разумеется, очень сильно зависят от выбраной модели атмосферы, в частности от плотности газа и закона изменения плотности газа от высоты. . Как можно видеть, отклонение зависит от высоты прохождения луча над поверхностью Солнца. На границе хромосферы и короны величина отклонения составляет порядка 0.004”. Кроме того, величина отклонения не является постоянной, а зависит от солнечной (звездной) активности. В этом случае, повышение плотности атмосферы, вызванное повышенным выбросом газа в атмосферу вызывает увеличение отклонения.

Так или иначе, солнечная (звездная) атмосфера - это огромная градиентная линза, имеющая сферическую форму Сферичность атмосферы при расчетах можно не учитывать, т.к. она плавно переходит в космос и на ее границе луч не преломляется. Все отклонение вносит градиентная среда.. Если представить атмосферу, как набор концентрических сфер, то каждая сфера фокусирует излучение на разных расстояниях. Все это превращает солнечную атмосферу в аксикон с фокусом, растянутым от F1 до ?, где F1 - первый фокус, обусловленный фокусировкой ближнего к поверхности слоя атмосферы (РИС. 2).

Если на этом фокальном отрезке окажется источник излучения, то излучение будет коллимировано атмосферой звеэды. Если же через такую линзу проходит коллимированное излучение (например, от звезды), то оно фокусируется на отрезке F1 - ?, а если наблюдатель (или прибор) находится ближе F1, то он просто фиксирует отклонение луча. При этом, угол отклонения (при зондировании) зависит от высоты луча над поверхностью данного тела и может быть любым - от (прохождение луча непосредственно над фотосферой звезды) до 0. Для Солнца расстояние до фокуса, обусловленного отклонением в слое 1000 км на фотосферой составит примерно 1300 а.е., слой короны на границе с хромосферой будет фокусировать на расстоянии 1 пк, а слой на высоте порядка 30 - 40.000 км будет фокусировать коллимированное излучение на расстоянии примерно 10.000 пк. Для звезд с протяженной атмосферой эти фокусирующие зоны будут намного шире.

В случае, когда Земля, «фокусирующая звезда» и «излучающая звезда» (источник излучения) расположены на одной линии, яркость «фокусирующей звезды», как бы, возрастает.

При этом необходимо, чтобы «излучающая звезда» находилась в одном из фокусов, обеспечивающим коллимирование излучения. Собственное излучение учаска атмосферы (короны или хромосферы), через который проходит излучение, не влияет на яркость проходящего излучения (за исключением участков спектра с линиями поглощения).

Так как звезды имеют собственное движение, то такая система в течении какого-то времени, зависящего от взаимного положения ее компонентов, расстроится и яркость фокусирующей звезды упадет до обычного значения. Можно приблизительно оценить усиление яркости «излучающей зведы» в атмосфере «фокусирующей звезды» (см. Рис. 3).

При этом принимается, что основной вклад вносит слой атмосферы, коллимирующий проходящее излучение.

Если принять расстояния между Землей и «фокусирующей зведой» равным 1000 пк, расстояние между «фокусирующей зведой» и «излучающей звездой» равным 10 пк, то слой атмосферы толщиной в 10.000 км (для звезды с радиусом 600.000 км), являющийся кольцом, перхватывающим излучение «излучающей звездой», усилит излучение примерно в 30 раз.

При расстояниях между Землей и «фокусирующей зведой» меньшим 500 пк этот эффект будет практически незаметным. Следовательно, эффект «оптического линзирования» в атмосфере звезды будет наблюдаться при расстояниях до «фокусирующей зведы», превышающих 1000 пк, при этом усиление будет тем больше, чем меньше расстояние будет между «фокусирующей зведой» и «излучающей звездой» (правда при малых расстояниях уменьшается толщина слоя атмосферы, коллимирующей излучение). Дифракционными эффектами, дающими в данном случае (для звезды с радиусом 600.000 км на длине волны 500 нм) углы расходимости порядка рад можно пренебречь.

2.Космические миражи

Известно, что пространство - не пустое. Плотность газа там очень мала, но оптическая толщина (для градиентной среды это очень важно) может быть достаточна для проявления рефракции. Оценка поворота луча в таких средах (в случае линейной зависимости n от у, когда максимальное значение n - в центре облака) может быть произведена по приблизительной формуле: , где Ф - угол поворота в рад, х - длина луча в среде, а у - размер градиентного участка среды в направлении, перпендикулярном лучу. Очевидно, что межзвездные газовые облака имеют градиент плотности. Оценки показывают, что если х и у соизмеримы, то поворот луча очень мал (рад), но если в облаке находится яркие звезды, объекты с сильным гравитационным полем (или что-то подобное), то градиент давления может возрасти на много порядков, и это может вызвать неожиданные оптические эффекты, например, миражи и т.п. Кроме того, как обнаружено недавно, галактики окружены гало так называемой “темной материи”. Что это такое и как она реагирует со светом, никто не знает.

Выводы

Звезды имеют атмосферу, которая работает как сферическая внеосевая градиентная линза и которая отклоняет проходящий луч за счет рефракции, при этом угол отклонения зависит от плотности атмосферы на трассе прохождения луча.

Вне зависимости от того, существет ли гравитационное отклонение луча или нет, эффект отклонения луча за счет рефракции должен обязательно присутствовать.

Этот эффект, при определенном взаимном расположении Земли, «фокусирующей звезды» и «излучающей звезды», приводит к видимому усилению яркости «излучающей звезды».

Оценочный расчет показывает, что эффект «оптического линзирования» будет проявляться при расстоянии до «фокусирующей звезды», превышающем 1000 пк.

Эффект «оптического линзирования» ставит под сомнение само существование «гравитационного линзирования», так как позволяет избавится от необходимости привлечения ОТО для объяснения этого явления.

Литература

гравитационный линзирование звезда рефракция

Г.С. Ландсберг, Оптика, Наука, Москва 1976.

И.С. Григорьев, Е.З. Мейлихов ред., Физические величины, Энергоатомиздат, Москва, 1991.

М. Сокольник ред., Справочник по радиолокации, Том 1., Сов радио, Москва, 1976, стр. 221 - 233.

Г. Ивченков, Самое важное подтверждение ОТО или что измерил лорд Эддингтон в 1919, http://new-idea.kulichki.net/eddington.htm.

Размещено на Allbest.ru