Как эффект Доплера помогает изучать Вселенную?

В 1842 году физик и математик Кристиан Доплер обнаружил, что если источник звука и наблюдатель движутся друг относительно друга, частота звука, воспринимаемого наблюдателем, не совпадает с частотой источника звука. Сегодня мы называем это явление «эффектом Доплера» и именно с его помощью астрономы ищут экзопланеты – миры, которые вращаются вокруг других звезд за пределами нашей Солнечной системы. 442 из 473 известных на сегодняшний день экзопланет были обнаружены с помощью эффекта Доплера, который описывает изменения частоты любого вида звуковой или световой волны, производимой движущимся источником относительно наблюдателя. Явление, открытое австрийским ученым в 19 веке является неотъемлемой частью современных теорий о происхождении нашей Вселенной и используется при прогнозировании погоды, изучении движения звезд, а также в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний.

Эффект Доплера является неотъемлемой частью современных теорий о начале Вселенной.

Что такое эффект Доплера?

Представьте себе лужу, в центре которой сидит довольный жук. Каждый раз, когда он встряхивает лапками, он создает помехи, которые перемещаются по воде. Если эти возмущения возникают в какой-то точке, то будут распространяться из этой точки во всех направлениях. Поскольку каждое возмущение движется в одной и той же среде, все они будут двигаться во всех направлениях с одинаковой скоростью.

Узор, создаваемый лапками жука, будет представлять собой серию кругов, достигающих краев лужи с одинаковой частотой. Наблюдатель в точке А (левый край лужи) увидит возмущения, бьющиеся о край лужи с той же частотой, что и наблюдатель в точке В (правый край лужи). На самом деле частота, с которой круги достигают края лужи, будет такой же, как частота, с которой жук шевелит лапками, определим ее двумя возмущениями в секунду.

Тело и кончики ног водомерок покрыты жесткими волосками, которые помогают им скользить по воде.

Теперь предположим, что жук плывет к наблюдателю В, производя возмущения с той же частотой. Поскольку насекомое движется вправо, каждое возмущение возникает ближе к наблюдателю В и дальше от наблюдателя А и, соотвественно, достигнет наблюдателя В быстрее. При этом наблюдателю В будет казаться, что частота прихода возмущений выше, чем частота, с которой эти возмущения возникают; наблюдателю А, напротив, покажется, что частота возмущений ниже, чем на самом деле. Этот пример, надеемся, неплохо иллюстрирует эффект Доплера.

Если нет, то отметим, что эффект Доплера можно наблюдать для любого типа волны – волны воды, звуковой волны, световой волны и так далее. Представьте, что вам навстречу движется полицейская машина. Когда автомобиль приближается к вам с включенной сиреной, звук сирены становится громче, но становится тише, по мере того, как машина проезжает мимо. Это – еще один пример эффекта Доплера – явного сдвига частоты звуковой волны, создаваемой движущимся источником.

Как работает эффект Доплера?

Эффект Доплера представляет большой интерес для астрономов, которые используют информацию о сдвиге частоты электромагнитных волн, производимых движущимися звездами в нашей галактике и за ее пределами. На самом деле предположение исследователей о том, что наша Вселенная расширяется с ускорением, частично основано на наблюдениях электромагнитных волн, испускаемых звездами в далеких галактиках. Определить специфическую информацию о звездах внутри галактик также можно с помощью эффекта Доплера.

Современные телескопы позволяют астрономам изучать звезды в далеких галактиках. Как правило, они ищут источники света, которые испускают электромагнитные волны. Наблюдать эффект Доплера астрономы могут, когда звезда вращается вокруг собственного центра масс и движется либо по направлению к Земле либо от нее. Эти сдвиги длины волны можно увидеть в виде тонких изменений в спектре звезды – радуги цветов, испускаемых светом.

Распространtнность планетных систем в Млечном Пути в представлении художника.

Чтобы наблюдать красное и синие свечение, астрономы используют спектрограф – призмообразный прибор высокого разрешения, который разделяет входящие световые волны на различные цвета. Во внешнем слое каждой звезды есть атомы, которые поглощают свет на определенных длинах волн, и это поглощение проявляется в виде темных линий в различных цветах спектра звезды. Исследователи используют сдвиги в этих линиях как удобные маркеры для измерения величины эффекта Доплера.

Нельзя не отметить, что эффект Доплера используют не только в астрономии. Посылая радиолокационные лучи в атмосферу и изучая изменения длин волн возвращающихся лучей, метеорологи ищут воду в атмосфере. Эффект Доплера также используется в медицине с эхокардиограммами, которые посылают ультразвуковые лучи через тело для измерения изменений в кровотоке, чтобы убедиться, что сердечный клапан работает правильно, или для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.