§ 2.11 Двойные звёзды, клистрон и временнáя фокусировка света
Ранее прошедшие электроны имеют меньшую скорость, и прошедшие позже электроны их догоняют. На некотором расстоянии от зазора плотность электронов в пучке делается резко неоднородной, в нём образуются сгустки и разрежения… На диаграмме наиболее острые “пики” тока получаются там, где самые быстрые электроны как раз догоняют самые медленные. Несколько дальше от модулирующих сеток пики раздваиваются, так как быстрые электроны обгоняют медленные и выходят вперёд.
Гапонов В.И., "Клистроны" [36]
Учёт баллистического принципа в применении к двойным звёздным системам ведёт не только к искажению видимого движения звёзд и расчётной формы их орбит, но и к искажениям яркости, повторяющимся с периодом обращения звёзд. На это следствие теории Ритца указывали уже вскоре после создания БТР многие учёные, в частности, — Ла Роза [5]. В самом деле, поскольку свет из одних положений звезды опережает своё время, а из других запаздывает, мы не только увидим на одних участках орбиты движение звёзд убыстренным, а на других — замедленным, но и обнаружим колебания яркости звезды, соответствующие этому изменению масштаба времени. Происходит своего рода временнáя фокусировка света, когда одни световые лучи догоняют за счёт получения дополнительной скорости источника другие, испущенные раньше, отчего видимая яркость источника временами усиливается, несмотря на постоянство его истинной яркости. По сути, это есть одно из проявлений эффекта Ритца.
В самом деле, согласно баллистическому принципу, от переменной скорости звезды разные скорости приобретает и её свет (Рис. 70). Он приходит к нам то отставая от "графика", то опережая его. Вот звезда и кажется то ярче, то темнее и тем заметней, чем больший путь проделал свет. Примерно та же ситуация в общественном транспорте: трамваи, поначалу следующие друг за другом строго по расписанию, через равные интервалы, с течением времени утрачивают эту периодичность — одни отстают, другие же идут с опережением графика. В итоге, на одних участках дороги трамваи скапливаются, а на других их почти нет. Так же как для света, колебания частоты (следования вагонов) растут пропорционально пройденному пути.
Рис. 70. Схема изменения частоты и периода T следования трамваев или света в зависимости от их движения.
Если первый трамвай выехал со скоростью V 1, а второй, спустя время T, — со скоростью V 2, то к остановке, расположенной на расстоянии L, они прибудут: первый — за время
L/ V 1,
второй — за
L/ V 2.
На разность времен хода
L( V 1— V 2)/ V 1 V 2
и вырастет промежуток времени T'между приходом трамваев к остановке в сравнении с исходным T. Так и для двух лучей света: будучи испущены звездой с разрывом времени T, они придут к наблюдателю с разрывом
T'= T+ L( V 1— V 2)/ V 1 V 2.
Разные скорости V 1и V 2лучи приобретают от переменной лучевой скорости звезды — её лучевого ускорения a. В первый миг звезда испускает луч со скоростью V 1, а в следующий, спустя время T, её скорость убудет на величину aT, и на столько же замедлится луч: его скорость V 2составит V 1— aT. Отсюда, считая скорости лучей V 1и V 2примерно равными скорости света c, находим
T'= T(1+ La/ c 2).
Поскольку свет, испущенный звездой за время T, воспримется в течение момента T', пропорционально ему должна периодически, в зависимости от ускорения, меняться и яркость звезды, "концентрация" света, аналогично плотности трамваев на разных участках пути. Колебания яркости следуют за колебаниями лучевого ускорения звезды и выражены тем сильней, чем ускорение выше, а звезда — дальше. Выходит, только звёзды с большой удалённостью и ускорением могут заметно менять свой блеск. Изменяются и спектры звёзд. Ведь свет — это периодический, волновой процесс, и, подобно расстояниям между трамваями, периоду и частоте их следования, должны меняться длины волн света, период световых колебаний
T'= T(1+ La/ c 2)
и их частота
f'=1/ T'≈f(1– La/ c 2).
В этом, напомним, и состоит эффект Ритца.
Таким образом, синхронно с колебаниями яркости двойной звезды в её спектре будут "гулять" линии поглощения. И такие переменные звёзды, периодически меняющие яркость и спектр, действительно, известны астрономам под названием "цефеид". Смещения спектральных линий от эффекта Ритца у далёких двойных звёзд, как показывают расчёты, получаются много больше доплеровских (§ 2.10). Именно поэтому у цефеид кривая спектрального смещения отражает не колебания скорости, но, подобно кривой блеска, — колебания ускорения звезды. Недаром, кривые блеска и "скорости" (спектрального сдвига) цефеид зеркально похожи. Сдвиг частоты меняет и цвет (спектр излучения): звезда становится то "синее", то "краснее". А, поскольку по цвету находят её температуру (все видели, как раскалённый волосок в лампе, остывая, становится из жёлтого красным), то будет казаться, что в фазе со "скоростью" и блеском меняется "температура" звезды (Рис. 71).
Отметим, что именно эти колебания яркости звезды, вызванные эффектом Ритца, долгое время мешали признанию баллистической теории. Напомним, Де Ситтер отверг теорию Ритца, поскольку исследованные им звёзды не имели перекоса спектральных кривых, предсказанного БТР. Причина этого состояла в том, что эффект у этих систем проявлялся ещё очень слабо из-за их сравнительной близости к Земле. Если же перекос был велик (у далёких двойных звёзд), то он всегда сопровождался плавными колебаниями яркости и звезду считали уже не двойной (из-за дальности второй компонент неразличим), а — одиночной цефеидой (пульсирующей звездой, § 2.12). А, потому, большой перекос в графике лучевых скоростей уже не связывали с орбитальным движением звезды и эффектами баллистической теории. Едва эти эффекты становились заметными, двойные звёзды из-за переменной яркости относили уже к другому типу (к классу цефеид), исключая из рассмотрения.
Рис. 71. Движение звезды по орбите создаёт за счёт эффекта Ритца те же периодические изменения яркости и спектра, что обнаружены у переменных звёзд.
Итак, небольшая модуляция света по скорости, вызванная движением звезды по орбите, приводит к сильным колебаниям яркости, растущим по мере удаления от звезды. Интересно, что именно этот эффект, предсказанный Ритцем ещё в 1908 г., положен в основу работы СВЧ-приборов клистронов [36 Ч.II, 103]. На эту аналогию эффекта Ритца и клистронного эффекта впервые обратил внимание автора профессор Н.С. Степанов. Разница состоит только в том, что в клистронах происходит пространственно-временная фокусировка не световых лучей и пучков, а — электронных. Исходно однородный по плотности электронный пучок, проходя в клистроне через меняющееся с большой частотой электрическое поле, разбивается, по мере движения, на сгустки, тем более выраженные, чем больший путь прошёл электронный пучок (Рис. 32). Это, опять же, вызвано тем, что отдельные, почти не взаимодействующие друг с другом электроны, получив в ускоряющем поле различные добавочные скорости, начинают догонять друг друга и скапливаться, группироваться, — возникает пространственная группировка пучка, которую так же называют "фазовой фокусировкой электронного пучка", ввиду аналогии с фокусировкой света.
