Исследование видимой проекции на Солнечном диске траектории Меркурия, при его транзите по диску Солнца

Исследование видимой проекции на Солнечном диске траектории Меркурия, при его транзите по диску Солнца

Аннотация. На основе обработки результатов наблюдения транзита Меркурия по диску Солнца, показано, что видимая траектория движения проекции Меркурия по диску Солнца криволинейная, и это является следствием рефракции излучения в атмосфере Солнца.

На современном этапе человечество не располагает возможностями изучения картины Солнца без применения электромагнитных волн (ЭМВ). Информация, получаемая от Солнца любым прибором, регистрирующим электромагнитное излучение, есть результат свёртки истиной картины с передаточными функциями всех элементов трассы распространения волн и в том числе, солнечной атмосферы, сверхкорона которой простирается на расстояния R_a ≈ 60R_♤, где R_♤- радиус солнца [1]. Распространение излучения в плазме солнечной атмосферы сопровождается рефракцией лучей, величина которой зависит от градиента показателя преломления n, который в свою очередь зависит от градиента концентрации электронов, направленного к центру звезды. Так для радиоволн показатель преломления в плазме солнечной короны меньше единицы:

Лучи испускаемые с поверхности Солнца будут отклоняться от прямолинейного распространения. Так, например, при использовании радиоволн, в качестве инструмента исследования Солнца, введено понятие "радиорадиус" Солнца. Отношение "радиорадиуса" к радиусу фотосферы в дециметровом диапазоне равно 1,2-1,4, а на метровых волнах примерно равно 1,5-2,0 [3]. Поэтому всегда видимая картина Солнца не является истинной, а искажённой. Знание передаточной характеристики солнечной атмосферы очень важно, поскольку это позволит устранить ошибки и неточности, которые присутствуют при качественной и количественной интерпретации результатов наблюдения Солнца.

Отсутствие сведений о передаточной функции солнечной атмосферы рождает ряд парадоксальных наблюдений и измерений, которые невозможно объяснить корректно. Одним из таких парадоксов является зависимость суточной угловой скорости в градусах вращения Солнца от гелиошироты ω= f(φ) [4]

Казалось бы невозможно найти выход из сложившейся ситуации. Однако, благодаря успехам в повышении точности и регулярности наблюдений за Солнцем из космоса, появилась возможность в разработке методики учёта влияния рефракции. Природа даёт нам уникальное явление - транзит Меркурия по диску Солнца.

Наблюдения транзита Меркурия осуществлялись в мягком рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения космическими обсерваториями Yohkoh в 1993 году и SONO в 2003 году. Информация этих событий в виде фотографий размещена в свободном доступе в Интернете [5,6]. Наиболее доступная и корректная и информация полученная космической обсерваторией SONO. Аппарат SONO находился в пространстве в точке Лагранжа L₁ для системы тел Солнце - Земля.

Точка L₁ является идеальным местом размещения космической обсерватории для наблюдения Солнца, которое в этом месте никогда не перекрывается ни Землёй, ни Луной, а также период обращения аппарата в этой точке вокруг Солнца равен земному. Всё это позволяет получать космической обсерваторией наименее искаженную информацию о Солнце и наиболее корректно её обрабатывать. Наблюдение Солнца обсерваторией SONO велось в мягком рентгеновском спектре на длинах волн 171Å, 195Å, 284Å, 304Å [7]. На каждой фотографии в формате UT-времени зафиксирована проекция планеты Меркурий на солнечном диске в виде малой темной точки, которая, тем не менее, хорошо просматривается. Совокупность координат этих точек на фотографиях дает видимое представление траектории Меркурия, которая вследствие рефракции должна быть криволинейной с выпуклостью к центру солнечного диска.

Информация на длине волны 304Å, обрабатывалась по следующей методике. На фотографии солнечного диска с Меркурием обозначался контур Солнца по его видимой кромке прерывистой линией (рис.1), и центр этого контура принимался за центр солнечного диска. Затем по этому монтажу изображений в приложении Photoshop определялись координаты Х и Y в пикселях центра окружности ("центр солнечного диска") и координаты проекции Меркурия на солнечном диске. Обработка всех фотографий, выложенных на сайте [6] позволила получить данные о траектории Меркурия при его транзите по диску Солнца. Местоположения Меркурия при его транзите по солнечному диску показаны малыми черными точками на рис. 2, как результат совмещения координат Меркурия в существующей библиотеке фотографий [6] с фотографией, полученный SONO в момент времени 07:45 UT.

Первая точка слева от диска соответствует времени 06:57 UT, а первая точка на диске - 07:45 UT (это время указано на фотографии). Последняя точка справа на диске соответствует времени 12:57 UT, а последняя точка справа за пределами диска - 13:45 UT. Координаты проекций Меркурия относительно центра солнечного диска для интервала времени 07:45 ? 12:57 приведены на рис.3.

Трасса транзита Меркурия по диску Солнца на рис.3 обозначена точками в координатных осях Х и У, масштаб которых задан в пикселях фотографического изображения, а прерывистая линия - тренд. Из рис.2 и рис.3 видно, что видимая линия траектории транзита является криволинейной с выпуклостью в сторону центра солнечного диска. Уравнение тренда имеет полиномиальную зависимость вида:

Воспринимаемые изображения на рис.2 и рис.3 являются плоскими. Для плоской кривой, уравнение которой задано аналитически y=f(x), радиус кривизны определяется формулой (4) из [8]

Вычисления по (4) для кривой (3) для х=0 и приведение в соответствие масштаба фотографии с табличным значением радиуса Солнца, дает радиус кривизны траектории Меркурия в плоскости фотографий равным R_т = 195,7 млн. км. Используя такую методику, можно определить радиус кривизны оптического луча R_к, распространяющегося от точки поверхности Солнца к наблюдателю. Поскольку для плазмы короны показатель преломления в спектре рентгеновского излучения по (1) можно считать n≈1, то появляется возможность в определении поперечного градиента показателя преломления ðn/ðr из формулы:

В связи с тем, что диаметр орбиты Меркурия в 40 раз больше диаметра Солнца, то при наблюдениях в моменты времени, когда Солнце, Меркурий и космическая обсерватория располагаются на одной прямой, кеплеровская орбита Меркурия с высокой степенью точности является прямой линией для наблюдателя расположенного в плоскости эклиптики. Истинную скорость Меркурия, относительно системы координат связанной с центром Солнца, можно считать постоянной. Поскольку видимая проекция траектории на солнечном диске является криволинейной, то точкам траектории при перемещении планеты (в данном случае слева-направо) приписывается увеличенная гелиоширота, где скорость поверхностных слоев меньше.

Получить сведения о скорости Меркурия можно по графику пути проекции планеты на солнечном диске. На рис. 4 показан график пути S=f(t) проекции Меркурия по солнечному диску. Экспериментальные точки получены суммированием перемещения проекции Меркурия на солнечном диске каждой из двух соседних позиций. На рис.4 за ноль принят путь в момент времени 07:45 UT.

Из (6) следует, что скорость перемещения проекции v=ds/dt является переменной и может быть получена в количественном измерении. На этом участке трассы видимая скорость проекции Меркурия вследствие рефракции при изменении гелиошироты его проекции на поверхности Солнца будет меняться так же, как и видимая скорость вращения Солнца. В результате наблюдаемой точке поверхности Солнца приписывается увеличенная гелиоширота, где скорость поверхностных слоев меньше [9].

Проведенные исследования и полученные результаты показывают, что наблюдения за транзитом Меркурия или других тел по солнечному диску позволят разработать методику получения количественных сведений о передаточной функции солнечной атмосферы и дают надежду на решение фундаментальных задач астрофизики и физики, в частности: -уточнить зависимость угловой скорости вращения точек поверхности Солнца от их гелиошироты; - получить количественные данные рефракции излучения в рентгеновском спектре.

Авторство и публикация:

Сведения об авторах: Кунин Владимир Николаевич - доктор ф.-м.н., профессор кафедры Общей и прикладной физики Владимирского государственного университета. Место жительства: Россия, г. Владимир. Плешивцев Валерий Семенович - кандидат т.н., доцент кафедры Общей и прикладной физики Владимирского государственного университета. Место жительства: Россия, г. Владимир
Подготовка и выпуск проект 'Астрогалактика' 18.12 - 21.12.2011, Москва.