Астрономическое измерение скорости света

Впервые скорость света была измерена в 1676 г. Рёмером (1644 – 1710 гг.). Наблюдения затмений спутников Юпитера показали, что видимый период их обращения уменьшается, когда Земля в своем годовом движении приближается к Юпитеру, и увеличивается, когда Земля удаляется от него. Рёмер понял, что этот эффект связан с конечной скоростью распространения света, и по результатам наблюдений вычислил эту скорость.

Поскольку период обращения Юпитера вокруг Солнца (12 лет) много больше периода обращения Земли, при расчете можно считать Юпитер неподвижным (рис.16.1).

Рис. 16.1 Движение Юпитера

Пусть в некоторый момент времени спутник Юпитера выходит из его тени, что будет зафиксировано земным наблюдателем в момент

T₁ = t ₁+ s ₁/ c,

где s ₁ – расстояние между Землей и точкой выхода спутника из тени, c – скорость света. После еще одного оборота выход спутника из тени произойдет в момент t ₂, а земной наблюдатель заметит это в момент времени

T ₂= t ₂+ s ₂/ c.

Тогда для земного наблюдателя период обращения спутника

T _набл= T ₂– T ₁= T _ист+(s ₂– s ₁)/ c

где Т _ист= t ₂ – t _1.

Вследствие изменения расстояния s от Земли до Юпитера в процессе проведения измерений наблюдаемый период обращения спутника будет отличаться от истинного.

Если проделать измерения как при приближении Земли к Юпитеру, так и при удалении от него, то среднее значение наблюдаемого периода Т _наб можно принять равным Т _ист, т.к. члены (s ₂ – s ₁)/ c, имеющие различные знаки, взаимно уничтожатся.

Теперь, зная

можно определить скорость света:

Используя известные из астрономических вычислений значения s ₁, s ₂ и учитывая движение Юпитера, Рёмер получил значение скорости света c =214300 км/с. Это было первое надежное измерение скорости света с удовлетворительной по тем временам точностью.

В астрономии аберрацией называют изменение видимого положения звезды на небесной сфере, то есть отклонение видимого направления на звезду от истинного, вызываемое конечностью скорости света и движением наблюдателя. Суточная аберрация обусловлена вращением Земли; годовая – обращением Земли вокруг Солнца; вековая – перемещением Солнечной системы в пространстве.

Для понимания этого явления можно провести простую аналогию. Капли дождя, падающие в безветренную погоду вертикально, оставляют на боковом стекле движущегося автомобиля наклонный след.

В результате аберрации света кажущееся направление на звезду отличается от истинного на угол , называемым углом аберрации.

Из рисунка (рис.16.2) видно, что ,где υ_┴ - скорости движения Земли, перпендикулярная направлению на звезду.

Рис.16.2 Аберрация света

Практически явление аберрации (годовой) наблюдается следующим образом. Ось телескопа при каждом наблюдении ориентируется в пространстве одинаковым образом относительно звездного неба, и при этом изображение звезды фиксируется в фокальной плоскости телескопа. Это изображение в течение года описывает эллипс. Зная параметры эллипса и другие данные, отвечающие геометрии опыта, можно вычислить скорость света. В 1727 г. из астрономических наблюдений Дж. Брэдли нашел 2α=40,9” и получил с= 303000 км/с.