Глава 8. ОПТИКА СПЕКЛОВ И АСТРОНОМИЯ

§ 1. Изображение одиночной звезды в фокусе телескопа при наличии атмосферной турбулентности

В принципе изображение одиночной звезды в фокусе телескопа представляет собой дифракционное пятно (круг Эйри, рис. 3), определяемое апертурой телескопа. Чтобы наблюдать идеальную картину дифракции, необходимы исключительные атмосферные условия: падающая на телескоп световая волна, идущая от звезды, должна быть плоской. В действительности обычно таких условий нет, и вследствие турбулентности атмосферы волновой фронт может быть сильно искажен. Телескоп воспринимает волну с неровностями волнового фронта, которые лежат в пределах от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Кривая 2 на рис. 117 изображает волновую поверхность, которая поступает в телескоп в данное мгновение. Разумеется, форма волновой поверхности изменяется очень быстро во времени. Вот почему при наблюдении в телескоп глазом изображение одиночной звезды обычно видно в виде размытого пятна, которое непрерывно изменяется и структура которого не имеет ничего общего с картиной дифракции Эйри.

Сфотографируем изображение одиночной звезды, видимый диаметр которой пренебрежимо мал по сравнению с диаметром дифракционной картины, создаваемой объективом О телескопа (такая звезда не разрешается телескопом). Пусть регистрация изображения осуществляется через монохроматический фильтр и при наличии атмосферной турбулентности. Предположим, что чувствительность фотоприемника достаточна для работы с очень малыми временами экспозиции, например порядка При таких условиях волновая поверхность оказывается как бы «замороженной». Она практически не изменяется за время столь короткой экспозиции. Поскольку волновая поверхность сильно искажена, изображение, регистрируемое в плоскости состоит из большого числа случайно распределенных световых пятен, диаметр самых малых из которых равен диаметру дифракционной картины, создаваемой всей апертурой объектива О телескопа. Такой набор пятен представляет собой настоящую спекл-структуру. На рис. 118 эта структура представлена

схематически в виде пятен одинакового диаметра. Если сделать несколько снимков, то средний размер пятен будет на них одним и тем же, но их пространственное распределение в плоскости (рис. 117) изменится и между двумя зарегистрированными спекл-структурами не будет никакой корреляции.

Рис. 117. Спекл-структура в фокусе телескопа при наличии атмосферной турбулентности.

Если регистрацию осуществляют несколько раз на одну и ту же фотопластинку при длительных экспозициях, то эта тонкая структура исчезает. Суперпозиция таких различных тонких структур дает размытое пятно значительно большего диаметра. Очевидно, что выгоднее проводить регистрацию при очень малых временах экспозиции: тогда спекл-структура, состоящая из дифракционных пятен, диаметр которых приблизительно равен диаметру дифракционного пятна, создаваемого всей апертурой, сохраняет всю информацию, получаемую с помощью телескопа.

Рис. 118. Спекл-структура, образованная лыми пятнами, размеры которых по порядку величины совпадают с размерами дифракцион ного пятна.

Допустим теперь, что видимый диаметр звезды уже не пренебрежимо мал по сравнению с диаметром дифракционного пятна, даваемого апертурой О телескопа (звезда разрешается телескопом). В этом случае дифракционную картину, возникающую в фокальной плоскости объектива О телескопа, можно представить в виде круга А, а геометрическое

изображение звезды — в виде круга Каждая точка круга , элементы которого некогерентны, дает спекл-структуру, вид которой в определенный момент времени изображен на рис. 118 и которую можно представить некоей функцией двух координат, отсчитываемых в фокальной плоскости телескопа. В конечном счете зарегистрированная в фокальной плоскости телескопа за очень короткое время экспозиции спекл-структура будет представлять собой сумму по интенсивности всех спекл-структур, идентичных функции соответствующей всем некогерентным точкам .

Рис. 119. Геометрическое изображение звезды и дифракционное пятно телескопа А.

Рис. 120. Вследствие сверткв спекл-структуры с изображением звезды пятна спекл-структуры увеличиваются.

Пространственное распределение пятен спекл-структуры остается таким же, как и для спекл-структуры (когда звезда не разрешается), но каждое пятно становится больше по величине. Зарегистрированная в фокальной плоскости телескопа спекл-структура представляет собой свертку изображения со спекл-структурой т. е.

Эту новую спекл-структуру можно представить в виде, показанном на рис. 120. Обе спекл-структуры (рис. 118 и 120) изображены, конечно, лишь схематически. Применением оптики спеклов в астрономии для изучения двойных звезд и для измерения видимого диаметра звезд мы обязаны французскому ученому Лабейри. По своей элегантности, простоте и оригинальности работа Лабейри представляет собой один из самых значительных вкладов оптики в астрономию за последние сто лет.