Dlaczego gwiazdy migoczą?

[Janko]

Wyjrzałem przez okno i popatrzyłem na odległe światła. Ależ one dzisiaj migoczą, wręcz przygasają na moment i znów się zapalają. No i zastanowiłem się, dlaczego właściwie tak się dzieje. Wiem, wiem, różnice temperatur, ruch warstw powietrza itd. Jednak ja nie rozumiem, dlaczego to powoduje migotanie świateł ziemskich czy gwiazd na niebie. Przecież podróż fotonu ze źródła odległego o parę kilometrów trwa tak niewiarygodnie krótko, że chyba powietrze w tym czasie poruszy się równie niewiarygodnie mało. Poza tym, w jaki sposób, fizycznie rzecz biorąc, taki ruch powietrza miałby wpłynąć na foton czy jak kto woli falę elektromagnetyczną? Przecież chyba nie rzuca nią jak pasażerem w autobusie linii 166? Kto to wyjaśni niebanalnie ale też i tak, by nie-fizyk zrozumiał?

[Tomek_P]

Ruch powietrza może nie specjalnie wpływa na konkretny foton ( właśnie ze względu na szybkość jego przelotu przez atmosferę ) ale właściwości fizyczne poszczególnych części atmosfery już tak. Chodzi o załamywanie się światła na granicy ośrodków o różnych właściwościach elektromagnetycznych. Inaczej światło załamuje się przechodząc z powietrza pod wodę a inaczej z powietrza przez szybę. Podobne ciągle zmieniające się różnice w częściach atmosfery sprawiają że światło gwiazdy trafia do oka w każdej chwili pod nieco innym kątem a że ich rozmiary kątowe są bardzo małe to mózg interpretuje to jako miganie.

 

Podrawiam

[WielkiAtraktor]

Faktycznie, ruch cząsteczek powietrza nie ma najmniejszego znaczenia. Znaczenie ma to, że w każdej chwili na drodze gwiezdnego światła znajdują się obszary/komórki o różnej gęstości, które zaginają i rozpraszają światło. Powietrze jest w ogóle rzadkie i odchyłka nie jest znaczna, ale przy gwiazdce mającej milisekundy łuku średnicy kątowej (albo mniej), wystarczy to do migotania.

[ZbyT]

Faktycznie, ruch cząsteczek powietrza nie ma najmniejszego znaczenia

faktycznie to jednak ma

pojedynczy foton przelatuje przez atmosferę w ułamku sekundy ale ruch powietrza powoduje zmiany jego gęstości (i współczynnika załamania) dla kolejnych nadlatujących frontów fali powodując ich deformację różną w kolejnych momentach. Tak to wygląda z punktu widzenia optyki

 

pozdrawiam

[szuu]

nooooo do ciekawych wniosków można dojść dzięki zadaniu pytania w inny niż zwykle sposób.

aż sobie sprawdziłem konkretne liczby - prędkość cząsteczek powietrza jest około milion razy mniejsza niż prędkość światła, czyli gdy foton przelatuje kilometr to cząsteczka tylko milimetr, z jego punktu widzenia są praktycznie nieruchome (w dodatku cząsteczka nie przelatuje tego milimetra w jednym kawałku bo w tym czasie zdąży się odbić od innych cząsteczek 10 tysięcy razy). takie to cuda dzieją się "na naszych oczach"!

[Tomek_P]

Chyba zaszło małe nieporozumienie, Nie ważne jaką drogę przebędzie konkretny pojedyńczy foton ( zakładając że jego rejestracja w oku daje nam już informacje o źródle ) bo jaką by nie przebył da nam znać tylko o tym że gwiazda tam jest. Gwiazdy migoczą dlatego że następne fotony poruszają się w innych warunkach i pokonują nieco inną drogę.

 

Pozdrawiam

[Lysy]

W ramach eksperymentu proponuję zapalić latarkę machnąć przed nią kilka razy ręką,

zaobserwujemy migotanie To oczywiście żart

 

Ad temat - co ma prędkość fotonów do tej kwestii nie rozumiem..

Fotony przechodzą przez ośrodki o różnej gęstości które w określonym i odczuwalnym przez nas

czasie powodują (pozorne) zmiany położenia gwiazdy oraz zmiany jej jasności. Tempo tych zmian

nie ma nic wspólnego z prędkością fotonów tylko z prędkością warstw powietrza o różnych gęstościach

i różnej przepuszczalności dla światła w atmosferze...

[Janko]

W takim razie jeszcze jedno pytanie.

W jaki sposób ruch ośrodka międzygwiezdnego, np. pozostałości po supernowej, wpłynie na światło odleglejszej gwiazdy przechodzące przez takie poruszające się środowisko? Czy obserwowano związane z tym efekty?

[Tomek_P]

Sam ośrodek ma wpływ na światło gwiazd za nim ale czy to jest związane z jego ruchem?

 

Chociaż mogę sobie wyobrazić że jeśli taki pył międzygwiazdowy porusza się w polu magnetycznym to takie światło będzie spolaryzowane gdy do nas dotrze.

[skrzypas]

Czy będąc w przestrzeni kosmicznej też zobaczylibyśmy migoczące gwiazdy?

[Kurak]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Refraction_-_Huygens-Fresnel_principle.svgJeszcze nie byłem w przestrzeni kosmicznej, ale pewnie nie obserwujemy żadnego migotania gdyż jest za małe(zbyt małe zmiany gęstości po drodze) wszak po to teleskop Hubbla nad nami orbituje.

Zresztą do tego problemu można podejść z strony w jakiej się go eliminuje w dzisiejszych teleskopach http://pl.wikipedia....yka_adaptatywna (warto przełączyć się na wersje angielską)i link dla ambitniejszych z źródeł http://www.ctio.noao...kovin/tutorial/.

Otóż tam zawsze jest mowa o froncie fali, o czole fali. Ów front można sobie wyobrazić jako wydrukowane zdjęcie tego co widać. Jednak gdy takie front przechodzi przez atmosferę następuje jego deformacja:

Obrazek

Prowadząc dalej analogie do zdjęcie, to tak jak je silnie zmiąć, położyć zmięte na stole i patrzeć. Co gorsze jakiś psotnik co chwile robiłby kopie zdjęcie, miętolił na nowo i nam podrzucał. Zawsze będziemy widzieć obraz zdeformowany inaczej, zresztą kto widział Jowisza przez duże powiększenie w kiepski dzień ten wie co dokładnie się dzieje z czołem fali po przejściu przez atmosferę. Gwiazdy o tyle są ciekawe w tym problemie gdyż wydają są punktowe i wydają się migać, wytłumaczyli już ten fakt poprzednicy. Ja zaś zamieszam jeszcze bardziej i powiem że można też sobie tłumaczyć to z deformacji czoła fali. Gdy część frontów jest opóźniona a cześć nie, dostajemy nagle sumowany wynik z paru frontów-zdjęć na raz, co powoduje wzrost jasności.

Dlaczego następuje zdeformowanie? Tak jak powiedzieli poprzednicy i z tego samego powodu dlaczego nasze lunety i lornetki działają, z prawa Snell'a:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d1/Snells_law.svg

 

Kiedy fala świetlna przechodzi z jednego ośrodka o do drugiego ośrodka o innej gęstości, co implikuje inną prędkość fali świetlnej (czyli zmiana prędkości światła ma kluczowe znaczenie )następuje ugięcie. Bardziej czytelny w naszej sytuacji rysunek:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Refraction_-_Huygens-Fresnel_principle.svg

 

Gdy światło przechodzi przez atmosferę ma po drodze mnóstwo takich granic gęstości, choćby związanych tylko z samą temperaturą powietrza. A ponieważ te granice są ciągle zmieniane przez wiatry mieszające atmosferę to mamy z atmosfery taką soczewkę, która ogniskuje zawsze nie tam gdzie trzeba.

 

Ciekawostka z wikipedii http://pl.wikipedia....rędkość_światła :

Obiekty posiadające niezerową masę spoczynkową nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni, choć mogą się do niej dowolnie zbliżyć. Mogą one natomiast osiągać i przekraczać prędkość poruszania się światła w danym ośrodku.

 

Podsumowując, w przestrzeni międzygwiezdnej mamy do czynienia ze zmianami gęstości ale nieporównywalnie mniejszymi niż zachodzące w naszej atmosferze, dodatkowo kluczowa jest prędkość tych zmian, która w atmosferze jest wysoka, zaś w przestrzeni między gwiezdnej to nie wiem wydaje się być nawet i wyższa xD

[loki_p]

Jak to się ma do planet. Gdzieś mi się obiło o uszy że planety na niebie najłatwiej odróżnić od gwiazd po to że te pierwsze nie migoczą. Dziś rano porównałem sobie Wenus i Syriusza. I faktycznie tylko ten drugi mrugał.

[Tomek_P]

Rzeczywiście planety nie mrugają a to dlatego że w przeciwieństwie do gwiazd mają niepunktowe rozmiary.

[szuu]

Rzeczywiście planety nie mrugają a to dlatego że w przeciwieństwie do gwiazd mają niepunktowe rozmiary.

to może i dobry sposób wyjaśniania, bo zmusza pytającego żeby sobie wyobraził cały proces i odkrył co ma wspólnego rozmiar z mruganiem, ale w gruncie rzeczy to nawet nie jest prawda - gołym okiem planety też są "punktowe" (mniejsze niż rozdzielczość) a z kolei rozumując ściśle to ani gwiazdy ani planety wcale punktowe nie są, wszystkie są świecącymi tarczami chociaż o różnej wielkości.

a więc prawdziwe rozróżnienie obiektów mrugających od niemrugających musi zależeć od jakiegoś progu ilościowego, który wcale nie jest oczywisty.

 

żeby sprawę jeszcze bardziej skomplikować to patrząc przez teleskop nie widać mrugania, mimo że tarczy gwiazdy i tak nie mamy szansy zobaczyć.

 

ktoś tu nas oszukuje i od lat pokazuje proste ale niepełne wyjaśnienia!

[Matheo_89]

Jak są nisko to i planety mrugają i to czasem bardzo.

[ekolog]

żeby sprawę jeszcze bardziej skomplikować to patrząc przez teleskop nie widać mrugania, mimo że tarczy gwiazdy i tak nie mamy szansy zobaczyć.

ktoś tu nas oszukuje i od lat pokazuje proste ale niepełne wyjaśnienia!

 

Ty nas oszukujesz!

 

Nie pamiętasz dyskusji z McArti?

To, że przez teleskop nie widzimy mrugania to już zostało wtedy wyjaśnione. Źrenica ludzkiego oka jest dużo mniejsza niż obiektów. Obiektyw uśrednia nam liczbę fotonów (a w konsekwencji obserwowaną jasność powierzchniową).

Najprościej to przedstawiając: Na powierzchni obiektywu zmieścilo by się bardzo wiele źrenic ludzkiego oka.

 

Alice bardzo trafnie uzmysłowił nam, że wszystko to zależy jednak od stanu powietrza.

 

Powietrze różnicuje dopływ fotonów do każdej z tych małych (ludzkich) źrenic teoretycznie rozpatrywanych na obiektywie.

Różnicuje raz w górę, raz w dół. Teleskop, sumując, uśrednia. Stabilizuje.

 

Pozdrawiam

p.s.

Tu (być może) dochodzi jeszcze próg czułości pręcików (też wiemy to od McArti'ego, nie pamiętam progów - załóżmy tu że 10). Jeśli na sekundę pręcik dostaje np 10 fotonów to "widzi" je. Jeśli 9 to "nie widzi". Czyli drobna zmiana w dostawach działa nieobiektywnie (9 fotonów jest traktowane przez pręcik, a zatem i przez mózg, jak zero fotonów; natomiast 10 jak 10, 14 jak 14 itd).

Edytowane 20 Października 2012 przez ekolog

[szuu]

To, że przez teleskop nie widzimy mrugania to już zostało wtedy wyjaśnione. Źrenica ludzkiego oka jest dużo mniejsza niż obiektów.

e nie, wtedy nie chodziło o efekty związane z atmosferą tylko o możliwości zaobserwowania słabych rozciągłych obiektów na które seeing nie wpływa

 

Obiektyw uśrednia nam liczbę fotonów (a w konsekwencji obserwowaną jasność powierzchniową).

właśnie jednym z ciekawych odkryć w tamtym wątku był fakt, że apertura nie uśrednia jasności ani szumu w obserwacjach wizualnych! (z powodu ograniczonej źrenicy), chociaż tutaj akurat to nie ma znaczenia bo chodzi nie o szum fotonowy tylko o seeing - wpływ atmosfery.

a większa apertura niewątpliwie uśrednia seeing, więc z złych przesłanek wyciągnąłeś słuszny wniosek

 

jest to jednak tylko wątek poboczny.

ciekawsze jest odkrycie prawdziwego kryterium które decyduje o tym że jeden obiekt mruga a drugi nie, mimo że są obserwowane tą samą aperturą i przy tym samym stanie atmosfery...

 

o, i jeszcze zastanawiam się jak na mruganie wpływa zmienna wielkość naszej źrenicy. skoro powiększenie źrenicy teleskopem zmniejsza mruganie to czy patrząc na gwiazdę z oświetlonego pomieszczenia (zmniejszona źrenica) będę bardziej widział ten efekt niż obserwując ją okiem przyzwyczajonym do ciemności? trzeba sprawdzić!

 

Jeśli na sekundę pręcik dostaje np 10 fotonów to "widzi" je. Jeśli 9 to "nie widzi"

to może przy jakichś wyjątkowo słabych obiektach ma znaczenie, natomiast z gwiazd, nawet słabych łapiemy tysiące razy więcej fotonów niż próg czułości (zresztą to oczywiste że przyczyną mrugania nie mogą być efekty "kwantowania" bo wtedy gwiazdy mrugałyby zawsze, niezależnie od stanu atmosfery, i tak samo mrugałyby też planety...)

[Kurak]

e nie, wtedy nie chodziło o efekty związane z atmosferą tylko o możliwości zaobserwowania słabych rozciągłych obiektów na które seeing nie wpływa

 

Z moich doświadczeń (i subiektywnych obserwacji) wynika że często jasne gwiazdy też nie mrugają tak samo jak ciemne planety wydają się mrugać. Zresztą na logikę biorąc obraz każdego z obiektów nieba, czy to planety czy to mgławica czy inna drobnica jest deformowany przez atmosferę. Przez co wnioskuje że księżyc mruga "tak samo tylko inaczej" jak słaba gwiazda. Wydaje mi się że kwestia leży w naszym sposobie postrzegania a sam mechanizm jest ciągle ten sam.

 

Sam stan atmosfery można charakteryzować pewną funkcją, którą przedstawia rysunek:

Jest to po prostu przesunięcie/opóźnienie/deformacja frontu fali zależna od odległości pomiędzy punktami frontu, inaczej rzecz ujmując można powiedzieć że jest ona funkcją przenoszenia obrazów przez atmosferę. Aplikuje się ona do wszystkiego co dociera do nas przez atmosferę, a wynik działania jej wygląda tak:

 

Po lewej zwykły obraz, po prawej z wyeliminowanym wpływem atmosfery przez optykę adaptatywną. Czyli atmosfera działa w przybliżeniu jak filtr rozmywający. Wynika z tego bardzo ważny fakt iż rozmycie obiektów jest takie same nie ważne jaki ten obiekt by nie był mały, wielki, jasny, czy ciemny, gdyż zawsze przechodzi przez tą samą atmosferę, a więc tą samą funkcje przenoszenia. Jeśli obiekt jest punktowy to jako punktowy nawet po (niewielkim atmosferycznym) rozmyciu pozostanie. Zaś jeżeli jest wystarczająco duży to zauważymy jego rozmazany obraz.

Okej ale co to ma do rzeczy? Ano ten rysunek:

Na wikipedii przedstawia on działanie optyki adaptatywnej, ale dzięki niemu zobrazuje inną sprawę. Otóż te dwie plamy reprezentują tą samą gwiazdę, przy czym gwiazda po lewej wydaje się nie mrugać, zaś gwiazda po prawej już bardziej. Powiedzmy że plama po prawej reprezentuje obiekt szeroki, np. księżyc i jak widać i tak jak powiedziałem jest on rozmywany, a ponieważ funkcja przenoszenia ma charakter losowy i zależny od czasu to rozmywanie jest dynamiczne. Teraz jeżeli nasza zdolność rozdzielcza nie była by wystarczająco duża to widzielibyśmy lewą plamę jako punkt, przy czym jasność tego punktu była by sumą całej tej plamy, czyli to co na prawym obrazku. Czyli choć atmosfera ta sama i obiekt ten sam to rozmiary kątowe i zdolność rozdzielcza obiektywu bardzo dużo wpływają na percepcje seeingu.

 

Tu (być może) dochodzi jeszcze próg czułości pręcików

 

Moim zdaniem nie chodzi o próg, tylko o logarytmiczna natura postrzegania jasności przez człowieka. Sam wpływ atmosfery jest ograniczony do funkcji przenoszenia atmosferycznego, która w sposób liniowy modyfikuje wygląd i jasność obiektów. Czyli wraz z wzrostem jasności obiektu ludzkie oko zmniejsza czułość logarytmicznie, zaś atmosfera zwiększa zakłócenia w sposób liniowy, przeto istnieje zapewne próg jasności, dla których zmiany wprowadzane przez atmosferę są poniżej zdolności wykrycia przez ludzkie oko i dlatego moim zdaniem nie obserwujemy migotania dla jasnych obiektów. A element psychologiczny, czyli jak planety są jasne (a przeważnie są jaśniejsze od większości giwazd) to są dobrze widoczne i nie migoczą i wszyscy je podziwiają, a jak są ciemne i migoczą to mało kto rozróżniał je od gwiazd, wprowadził ten ów mit że planety nie migoczą, który próbowano sobie tłumaczyć wielkościami kątowymi.

 

Co do braku migotania w teleskopach, teleskop z jednej strony zwiększa jasność gwiazd co jak powiedzieliśmy zmniejsza migotanie, zaś z drugiej strony zwiększona apertura obiektywu zbiera większą powierzchnie frontu fali, a więc więcej zniekształceń.

 

tym że jeden obiekt mruga a drugi nie, mimo że są obserwowane tą samą aperturą i przy tym samym stanie atmosfery...

 

W tych samych warunkach i tym samym sprzętem? To już albo mruganie wprowadzała powieka albo obserwowana gwiazda była bardzo szybko zmienna Z drugiej strony jeżeli sprzęt był inny zaś tylko apertura obiektywów taka sama to być może winą była różnica klas sprzętu i związany z tym spadek jasności.

[szuu]

Z moich doświadczeń (i subiektywnych obserwacji) wynika że często jasne gwiazdy też nie mrugają tak samo jak ciemne planety wydają się mrugać.

przy porównywaniu obiektów mrugających i niemrugających koniecznie bierz pod uwagę wysokość nad horyzontem bo syriusz najczęściej mruga wręcz olśniewająco a wega zwykle nie chce... to nie jasność decyduje.

 

Zresztą na logikę biorąc obraz każdego z obiektów nieba, czy to planety czy to mgławica czy inna drobnica jest deformowany przez atmosferę. Przez co wnioskuje że księżyc mruga "tak samo tylko inaczej" jak słaba gwiazda. Wydaje mi się że kwestia leży w naszym sposobie postrzegania a sam mechanizm jest ciągle ten sam.

po obejrzeniu APOD 28.04.2011 na logikę stwierdzam że coś kręcisz (dwa obiekty o mniej więcej tej samej jasności, sfotografowane, więc nie ma mowy o subiektywnym postrzeganiu, jeden mruga, drugi nie...)

(jest też polskie tłumaczenie)

[ekolog]

e nie, wtedy nie chodziło o efekty związane z atmosferą tylko o możliwości zaobserwowania słabych rozciągłych obiektów na które seeing nie wpływa

Toż ja o tym wiem.Tam był zupełnie inny temat (porównanie dwóch apertur 80mm i 200mm na słabych mgławicach!)

Ja się odniosłem do innego miejsca tamtej dyskusji. Do stwierdzenia McArti, że oko ludzkie ze względu na wyjątkowo małą aperturę (6mm) przegrywa z teleskopem w kwestii mrugania. Tylko z kontekstu wynikało, że McArti ocenia to "nie mruganie" jako dobrodziejstwo wielokrotności powierzchni zbierania.

rozumiem ze nie kupujesz teleskopu :-)

widziałeś kiedys migające gwiazdy?

.... w teleskopie?

Najlepiej nie wchodźmy już w historyczne kwestie tylko rozważ to "od nowa":

 

Ludzkie oko zbiera fotony przelatujące przez bardzo wąski ścięty stożek, prawie walec [na obrazku kolor jasnoniebieski]

o średnicy (100 km nad Ziemią) nieco tylko większej niż źrenica oka (wg moich obliczeń źrenica 6mm => najwyżej 11 mm na umownej granicy kosmosu). Zatem taka wąska wiązka łatwo może, na chwilę, zostać "zaburzona" wydarzeniami w atmosferze.

 

Teleskop zbiera takich wiązek dużo więcej (np 300 sztuk) i sumuje je. Dlatego gwiazdy:

Po pierwsze widzimy w nim "solidniej".

Po drugie suma 300 sztuk daje zwykle to samo. Bo średnio, na sekundę, tyle samo (z 300-tu) wiązek jest zaburzanych.

 

Pozdrawiam

p.s.

Obrazowo. Gdyby trzystu ludzi stało bardzo blisko siebie to im wszystkim obserwowana gwiazda nie przygasałaby w tym samym momencie! A może uważasz inaczej?

Edytowane 21 Października 2012 przez ekolog

[szuu]

Ludzkie oko zbiera fotony przelatujące przez bardzo wąski ścięty stożek, prawie walec [na obrazku kolor jasnoniebieski]

o średnicy (100 km nad Ziemią) nieco tylko wiekszej niż źrenica oka (wg moich obliczeń żrenica 6mm => najwyżej 11 mm na umownej granicy kosmosu). Zatem taka wąska wiązka łatwo może, na chwilę, zostać "zaburzona" wydarzeniami w atmosferze.

ooooo, i właśnie tego mi brakowało, nie zastanawiałem się nad szerokością wiązki daleko od obserwatora!

a wygląda że to dobre kryterium odróżniające mruganie od niemrugania:

no i w płynny sposób łączy się z wpływem apertury.

dobra robota!

[Kurak]

Ale się zakręciłem we własnych knowaniach, a tu jak zwykle fizyka okazała się nieskomplikowana, a tłumaczenie prostsze od obsługi cepa Gratuluje pomysłowości

[tabcio]

Muszę odkopać temat .Mimo czytania ze zrozumieniem, nie jestem w stanie pojąć, dlaczego wiązka światła wpadająca w atmosferę 100 km nad głową, ma tylko kilka mm? Proszę o łopatologiczne oświecenie.

[Iluvatar]

To można policzyć np. z twierdzenia Talesa. Chodzi tutaj o to, jakiej wielkości musiałby być obiekt 100 km nad powierzchnią Ziemi, aby jego rozmiar kątowy była taki sam, jak rozmiar kątowy oryginalnego obiektu.

[tabcio]

Odpowiedź okazała się nader banalna . Dzięki!