Эффект Доплера

В астрофизике широко используется эффект Доплера, возникающий при движении источника излучения относительно наблюдателя. Суть эффекта Доплера заключается в следующем: если источник излучения движется по лучу зрения наблюдателя со скоростью \(v_{r}\) называемой лучевой скоростью, то вместо длины волны \(λ_{0}\), которую излучает источник, наблюдатель фиксирует волну длиной \(λ\), так что \[λ = λ_{0}\left(1 + \frac{v_{r}}{c}\right),\]где \(c\) - скорость света.

Скорость \(v_{r}\) положительна при удалении источника света от наблюдателя (\(Δλ = λ - λ_{0} > 0\)) и отрицательна при приближении к нему (\(Δλ = λ - λ_{0} < 0\)).

С эффектом Доплера мы часто сталкиваемся в акустике. Например, если вы стоите на платформе, мимо которой проходит поезд, то можете заметить, что пока он приближался, звуковой сигнал был более высоким, а когда стал удаляться, высота звука сразу снизилась. Аналогичное явление наблюдается и в оптике: свет от приближающегося источника становится более синим (частота уменьшается), а от удаляющегося - более красным (частота уменьшается). Это изменение сказывается на положении спектральных линий в спектре: они смещаются в синюю или красную область спектра.

Для измерения смещения спектральных линий рядом со спектром исследуемой звезды на ту же фотопластинку фотографируют спектр лабораторного источника, в котором имеются известные спектральные линии. Потом при помощи микроскопов, снабженных точными микрометрами, измеряют смещение линий объекта по отношению к лабораторной системе длин волн и тем самым находят величину \(Δλ\). Затем по формуле \[\frac{Δλ}{λ_{0}} = \frac{λ - λ_{0}}{λ_{0}} = \frac{v_{r}}{c},\] которая следует из приведенной выше, вычисляют лучевую скорость \(v_{r}\).

Приведенная выше формула Доплера пригодна лишь для скоростей \(v_{r}\) в пределах до 0,1 скорости света. При движении источников излучения со скоростями, близкими к скорости света, необходимо учитывать законы теории относительности.

Сдвиг спектральных линий теоретически предсказал в 1842 г. австрийский физик Х. Доплер. Истинность его выводов подтвердил в 1899 г. лабораторными опытами и наблюдениями спектров звезд русский астрофизик А. А. Белопольский.

Читать далее