МЕЖЗВЕЗДНЫЙ ЭКРАН
p_4a92e61873a7231b
Излучение пульсара на пути к Земле проходит через тонкий рассеивающий слой (экран), расположенный на расстоянии двух третей пути до наблюдателя. В результате рассеяния на неоднородностях этого слоя к наблюдателю приходит не один луч, а множество, которые образуют интерференционную картину. Известно, что пульсар расположен на расстоянии 1 кпк от Солнца, его собственное движение равно 65 миллисекунд дуги в год. Измерения показали, что дифракционная картина движется относительно Солнца в плоскости, перпендикулярной направлению на пульсар, со скоростью 100 км/с под углом 150° к направлению движения пульсара. Определите возможные значения скорости и направления движения среды, составляющей экран.
Решение
Показать решение
Вначале определим величину тангенциальной скорости пульсара, исходя из его собственного движения и расстояния до него D:
Введём декартову систему координат с центром в Солнце (рисунок). Ось Z направим на пульсар, ось X – параллельно тангенциальной скорости пульсара. Пусть , и – векторы скоростей дифракционной картины, пульсара и экрана соответственно, =150° – угол между и осью X, – угол между и осью X.
Рассмотрим движение пульсара и экрана на некотором интервале времени. Отметим, что этот интервал мал, и перемещения пульсара и экрана несопоставимо меньше их расстояния до Солнца. В этом случае линия, соединяющая пульсар и наблюдателя, все время образует очень малый угол с осью Z. Лучевые скорости экрана и пульсара не влияют на ситуацию, и мы их в расчет не принимаем.
Пусть в начальный момент времени пульсар находился на расстоянии D на оси Z. Тогда через некоторое время t его координаты будут ( , 0, D). За это же время то дифракционное пятно, которое находилось в начале координат, сместится в точку с координатами ( , , 0). Это дифракционное пятно сформировано лучами, которые в начальный момент времени проходили через область экрана вблизи оси Z. За время t центр этой области сместился в точку ( , , d). Здесь d – расстояние от Земли до экрана. Очевидно, что все три точки (пульсар, центр пятна рассеяния на экране и центр дифракционного пятна) находятся на одной прямой. Спроектируем эту прямую на плоскость OXY, получив вектор . Сделаем то же самое с векторами перемещения пульсара и экрана, которые параллельны данной плоскости. Опустив постоянный множитель t, мы можем записать в векторном виде:
Проекция центра пятна рассеяния на экране на плоскость OXY обозначена на рисунке как . Она делит вектор на части. Из подобия треугольников имеем
Из этого мы можем записать выражение для тангенциального перемещения экрана:
Отсюда мы можем вычислить скорость и направление перемещения экрана, учитывая, что D=3d, s=(D-d)/D=2/3. Разложим вектора по координатным осям:
Разделим второе уравнение на первое:
Теперь возведем оба уравнения системы в квадрат и сложим:
К этому же ответу можно прийти другим способом. Предположим, что экран неподвижен. Тогда движение дифракционной картины будет определяться только движением пульсара. Дифракционная картина будет двигаться со скоростью
Аналогично, если пульсар покоится, а движется только экран. Тогда скорость дифракционной картины будет неизменной и составит
В случае, когда и пульсар, и экран движутся, смещение дифракционной картины будет векторной суммой этих двух векторов. Поскольку нам известен угол , воспользуемся теоремой косинусов:
Мы пришли к тому же ответу. Для нахождения угла β воспользуемся теоремой синусов:
Наконец, запишем третий вариант решения задачи. Уравнение прямой в пространстве в симметричной форме имеет вид
Запишем в такой форме уравнение прямой, соединяющей концы векторов и , понимая под координатами с индексами 1 и 2 координаты концов векторов и , а без индекса – :
На самом деле, это система из двух независимых уравнений. Решая эту систему, мы придем к такому же результату, как и в первом варианте решения задачи.