Почему звёзды мерцают

Звёзды мерцают не сами по себе, а из-за земной атмосферы: их свет проходит через толщу воздуха с постоянно движущимися слоями разной температуры и плотности, и каждый такой слой чуть-чуть искривляет луч на своём участке пути. Поскольку звезда для наблюдателя - практически точка, а не диск, эти мелкие искривления заметно меняют яркость и положение точки на глаз, и мы видим это как дрожащее, переливающееся мерцание.

Звёзды не мерцают сами по себе

Сама звезда светит ровно. Термоядерные реакции в её недрах поддерживают яркость, которая практически не меняется за то время, пока человек на неё смотрит, - разве что речь идёт об особых, действительно переменных звёздах, чья яркость колеблется по собственным физическим причинам и совсем на других промежутках времени. Обычная звезда, если наблюдать её свет вне атмосферы, светит стабильной ровной точкой без всякого дрожания.

Это подтверждают и снимки, сделанные из космоса, и рассказы астронавтов: на орбите, где нет атмосферы между наблюдателем и звёздами, они выглядят абсолютно спокойными, ровными точками света. Мерцание появляется только тогда, когда свет проходит толщу земного воздуха, а значит, дело не в источнике света, а в среде, через которую он к нам добирается.

Проверить это можно и без полёта в космос: чем разреженнее и стабильнее воздух между наблюдателем и звездой, тем слабее эффект. Высоко в горах, где над головой остаётся куда меньше атмосферы, чем на уровне моря, звёзды заметно спокойнее, чем в низине, - разница видна невооружённым глазом даже без специальных приборов, стоит лишь сравнить одно и то же небо из двух точек с разной высотой.

Атмосфера как множество движущихся линз

Воздух вокруг Земли не является однородной средой. Он состоит из слоёв и отдельных объёмов с разной температурой, плотностью и влажностью, которые постоянно перемешиваются из-за ветра, вертикальных потоков и суточного нагрева поверхности. У каждого такого объёма воздуха свой показатель преломления - способность отклонять проходящий через него луч света, и чем сильнее отличаются температура и плотность соседних объёмов, тем заметнее это отклонение.

Луч света от далёкой звезды на пути к глазу наблюдателя проходит через десятки километров такой неоднородной, постоянно движущейся атмосферы, и каждый её участок понемногу меняет направление и интенсивность этого луча. По отдельности эти отклонения ничтожно малы, но накапливаясь друг за другом по всей длине пути, они дают заметный на глаз эффект: точка света словно дрожит, слегка меняет положение и яркость по нескольку раз в секунду. Похожий эффект можно увидеть в жаркий день над раскалённым асфальтом или над костром: горячий воздух поднимается вверх неровными объёмами, и через них дальние предметы кажутся дрожащими и размытыми - в атмосфере со звёздным светом происходит то же самое явление, только в куда большем масштабе и с куда более слабым источником света.

Преломление света в атмосфере - вообще частая причина небесных явлений, которые на первый взгляд кажутся никак не связанными между собой. Например, то, что дневное небо кажется голубым, тоже результат взаимодействия света с молекулами воздуха, только там на первый план выходит не мелкое искривление луча, а избирательное рассеяние коротких волн синей части спектра. Мерцание звёзд использует другое свойство той же атмосферы - её неоднородность и постоянное движение, - но источник обоих эффектов один: свет, проходя через воздух, а не через пустоту, обязательно с ним взаимодействует, и результат этого взаимодействия проявляется по-разному в зависимости от условий наблюдения.

Почему планеты не мерцают так же заметно

У планет солнечной системы, которые видны невооружённым глазом, мерцание почти не заметно, и разница с звёздами бросается в глаза даже без специальных инструментов. Причина не в том, что свет планеты идёт другим путём через атмосферу, а в видимом размере источника. Звёзды находятся настолько далеко, что даже в сильный телескоп остаются практически точками без измеримого углового размера. Планеты же, будучи намного ближе, видны как крошечные, но всё же диски, а не идеальные точки.

Диск состоит из множества соседних точек, и атмосферные искажения от разных участков этого диска действуют не согласованно: пока один луч, идущий от края диска, слегка отклоняется в одну сторону, другой, идущий от противоположного края, в этот же момент может отклоняться в другую. В сумме эти разнонаправленные колебания усредняются, и итоговая яркость видимого диска остаётся куда более стабильной, чем яркость одной точки. У звезды такого усреднения не происходит, потому что весь её видимый свет идёт от одной точки, и колебания вдоль этой единственной световой трассы ничем не компенсируются.

Почему у горизонта звёзды мерцают сильнее

Заметнее всего мерцание у звёзд, которые находятся низко над горизонтом, и слабее всего - у тех, что стоят почти в зените, прямо над головой наблюдателя. Дело в длине пути через атмосферу. Луч от звезды в зените проходит атмосферу почти по кратчайшему, вертикальному направлению, а луч от звезды у самого горизонта идёт по касательной и потому проходит через куда более толстый слой воздуха, чем нужно было бы по прямой вверх.

Более длинный путь означает больше неоднородных объёмов воздуха на пути луча, а значит, и больше независимых искажений, которые накапливаются одно за другим. Дополнительно у горизонта воздух чаще всего теплее и подвижнее из-за близости к поверхности и её неравномерного нагрева, что ещё усиливает эффект. Именно поэтому самые эффектные переливы света у ярких звёзд обычно замечают невысоко над горизонтом, особенно в холодные ясные ночи, когда разница температур между слоями воздуха у земли особенно велика.

Мерцание и смена цвета

У некоторых ярких звёзд, особенно низко над горизонтом, вместе с мерцанием яркости заметна и смена цвета: точка света вспыхивает то белым, то голубоватым, то красноватым оттенком за доли секунды. Это происходит из-за того, что атмосфера преломляет свет разных длин волн неодинаково - тот же эффект, что разлагает белый свет в радугу при прохождении через каплю воды или призму.

Пока луч идёт долгий путь через толстый приземный слой воздуха у горизонта, разные цветовые составляющие света успевают чуть сильнее разойтись друг от друга, и турбулентные движения воздуха на мгновение выхватывают то одну, то другую цветовую составляющую сильнее остальных. В результате наблюдатель видит короткие цветные вспышки на фоне общего мерцания. Это явление особенно заметно у самых ярких звёзд ночного неба именно потому, что их свет достаточно интенсивен, чтобы человеческий глаз различил тонкие цветовые перепады, которые у более тусклых звёзд остаются незаметными.

Как мерцание мешает астрономам

Для обычного наблюдателя мерцание выглядит красиво, но для профессиональной астрономии оно скорее помеха. Явление, которое искажает чёткость изображения звёзд из-за атмосферной турбулентности, называют качеством изображения, или, по-английски принятому в среде астрономов термину, сиингом: чем спокойнее атмосфера над обсерваторией, тем меньше размывается и дрожит точка звезды в телескоп, и тем более детальные снимки можно получить.

Поэтому крупные наземные обсерватории стараются строить высоко в горах, где воздух суше и однороднее, а слой турбулентной атмосферы, через который проходит свет, тоньше, чем на уровне моря. Ещё один способ побороть тот же эффект - адаптивная оптика: система с быстро деформируемым зеркалом, которая десятки или сотни раз в секунду подстраивает свою форму под текущее искажение атмосферы, компенсируя его почти в реальном времени и возвращая изображению звезды почти такую же чёткость, какая была бы без атмосферы вообще. Космические телескопы решают ту же проблему радикальнее - они выведены за пределы атмосферы и потому вовсе не сталкиваются с мерцанием, а значит, дают неизменно резкие изображения независимо от погоды на Земле.

Мерцание в радиоволнах и открытие пульсаров

Атмосфера искажает не только видимый свет звёзд, но и радиоизлучение далёких космических источников, хотя механизм там немного другой: на радиоволны сильнее влияет не столько нижняя атмосфера, сколько ионизированные слои на большой высоте и межзвёздная среда на пути сигнала. Именно колебания интенсивности радиосигнала, похожие по сути на обычное мерцание света, сыграли важную роль в истории астрономии.

В тысяча девятьсот шестьдесят седьмом году аспирантка Джоселин Белл обнаружила на записях радиотелескопа странный, очень регулярно повторяющийся сигнал и первое время рассматривала среди прочего версию мерцания от обычного источника, прежде чем стало ясно, что перед ней сигнал совершенно нового типа объекта - быстро вращающейся нейтронной звезды, позже названной пульсаром. Этот случай хорошо показывает, что мерцание - не только красивый оптический эффект ночного неба, но и полноценное физическое явление, которое приходится учитывать и отделять от настоящего сигнала при любых наблюдениях далёких источников, в каком бы диапазоне волн они ни велись.

Народные приметы о мерцании и погоде

В разных культурах усиленное мерцание звёзд издавна связывали с приближением непогоды или ветра, и в этом наблюдении есть рациональное зерно, хотя оно скорее статистическое, чем точное предсказание. Сильная турбулентность в атмосфере, которая усиливает мерцание, нередко сопутствует именно тем условиям, при которых на приземном уровне вскоре меняется погода: приближение атмосферного фронта, усиление ветра на высоте, резкие перепады температуры между слоями воздуха.

Тем не менее считать яркое мерцание надёжным личным прогнозом погоды не стоит: слишком много факторов, не связанных напрямую с приближающимся фронтом, тоже усиливают этот эффект, от высоты звезды над горизонтом до особенностей рельефа в конкретной местности. Народная примета в этом смысле подметила реальную статистическую связь между турбулентностью воздуха и переменой погоды, но не выявила точного физического механизма и тем более не даёт точности настоящего метеорологического прогноза, составленного по данным множества наблюдений и приборов.

От чего зависит сила мерцания в конкретную ночь

Сила мерцания в отдельно взятую ночь не постоянна и заметно меняется от условий. Чем сильнее ветер на высоте нескольких километров, чем больше перепад температур между соседними слоями воздуха и чем ближе наблюдаемая звезда к горизонту, тем заметнее её дрожание. В спокойную безветренную ночь, особенно летом, когда разница температур между приземным воздухом и более высокими слоями меньше, мерцание обычно слабее, а звёзды в зените могут казаться почти неподвижными.

Высота места наблюдения тоже играет роль: чем выше расположен наблюдатель, тем меньше толща турбулентного воздуха остаётся над ним, и тем спокойнее выглядит звёздное небо. Именно поэтому одна и та же звезда может казаться то почти неподвижной точкой, то заметно дрожащим и переливающимся огоньком - не потому, что изменилась сама звезда, а потому, что в разные ночи и в разных точках наблюдения свет от неё проходит через совершенно разную по своему состоянию атмосферу. Это же объясняет, почему в приборы ночного видения или в бинокль с большим увеличением мерцание иногда кажется сильнее, чем невооружённым глазом: увеличение делает заметнее даже небольшие смещения светящейся точки, которые простой глаз просто не различает.

Сезон тоже вносит свой вклад, хотя и не так прямолинейно, как может показаться. Зимой воздух над многими регионами суше и часто спокойнее в целом, но резкие морозные ночи с сильным перепадом температуры между приземным слоем и более высокими участками атмосферы, наоборот, способны давать особенно заметное мерцание у ярких звёзд низко над горизонтом. Городская застройка добавляет ещё один слой сложности: тёплый воздух, поднимающийся от нагретых зданий, дорог и работающей техники, создаёт дополнительную локальную турбулентность прямо над городом, поэтому одна и та же звезда в один и тот же час может мерцать заметнее, если смотреть на неё из центра города, чем если наблюдать за городом, в чистом поле, где приземный воздух более однородный.