Aberración de la luz
Antecedentes
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La aberración de la luz (también conocido como aberración astronómico o aberración estelar) es un fenómeno astronómico que produce una movimiento aparente de los objetos celestes. Se descubrió más tarde y explica por la tercera Astrónomo Real, James Bradley, en 1725, que atribuyó a la finita velocidad de la luz y el movimiento de la Tierra en su órbita alrededor del Sol .
En el instante de cualquier observación de un objeto, la posición aparente del objeto se desplaza de su posición real en una cantidad que depende de la componente transversal de la velocidad del observador, con respecto al vector del haz de luz entrante ( es decir, la línea realmente obtenido por la luz en su camino hacia el observador). En el caso de un observador en la Tierra, la dirección de su velocidad varía durante el año, como la Tierra gira alrededor del Sol (o en sentido estricto, el baricentro del sistema solar ), y esto a su vez hace que la posición aparente del objeto a variar. Este efecto particular se conoce como aberración anual o aberración estelar, porque hace que la posición aparente de una estrella para variar periódicamente en el transcurso de un año. El monto máximo del desplazamiento aberrante de una estrella es aproximadamente 20 segundos de arco en ascensión recta o declinación. Aunque se trata de un valor relativamente pequeño, que estaba bien dentro de la capacidad de observación de los instrumentos disponibles a principios del siglo XVIII.
Aberración no debe confundirse con paralaje estelar, aunque se trataba de una búsqueda infructuosa de un principio de paralaje que primero llevó a su descubrimiento. Parallax es causada por un cambio en la posición del observador que mira a un objeto relativamente cercana, medido frente a objetos más distantes, y depende por lo tanto de la distancia entre el observador y el objeto.
En contraste, la aberración estelar es independiente de la distancia de un objeto celeste del observador, y sólo depende de la velocidad transversal instantánea del observador con respecto al haz de luz entrante, en el momento de la observación. El haz de luz de un objeto distante no puede en sí tiene ningún componente de la velocidad transversal, o podría no (por definición) ser visto por el observador, ya que se perdería el observador. Por lo tanto, cualquier velocidad transversal de la fuente emisora no juega ningún papel en la aberración. Otra forma de expresar esto es que el objeto emisor puede tener una velocidad transversal con respecto al observador, pero cualquier haz de luz emitido de ella que alcanza el observador, no puede, por ello debe haber sido emitida previamente en una dirección tal que su componente transversal ha sido "corregido" por. Un haz de este tipo debe venir "recta" para el observador a lo largo de una línea que conecta al observador con la posición del objeto cuando se emite la luz.
Aberración también debe distinguirse de corrección en tiempo luz, que es debido al movimiento del objeto observado, como un planeta , a través del espacio durante el tiempo empleado por su luz para llegar a un observador en la Tierra. Corrección en tiempo de luz depende de la velocidad y la distancia del objeto que emite durante el tiempo necesario para que su luz viaje a la Tierra. Corrección en tiempo de luz no depende del movimiento de la Tierra; sólo depende de la posición de la Tierra en el instante en el que se observa la luz. Aberración suele ser mayor que la corrección a tiempo de luz de un planeta, excepto cuando el planeta está cerca cuadratura (90 ° del Sol), donde la aberración se reduce a cero, porque entonces la Tierra se acerca directamente o que se aleja del planeta. En oposición o conjunción con el Sol, la aberración es 20.5 ", mientras que la corrección a tiempo de luz varía de 4" para Mercurio a 0,37 "de Neptuno (corrección de tiempo-luz del Sol está a menos de 0,03 ").
Explicación
Se ha indicado anteriormente que la aberración provoca un desplazamiento de la posición aparente de un objeto a partir de su posición verdadera. Sin embargo, es importante comprender la definición técnica precisa de estos términos.
Posiciones aparentes y reales
La posición aparente de una estrella u otro objeto muy distante es la dirección en la que se ve por un observador en la Tierra en movimiento. La posición verdadera (o posición geométrica) es la dirección de la línea recta entre el observador y la estrella en el instante de observación. La diferencia entre estas dos posiciones es causada principalmente por la aberración.
Aberración ocurre cuando el observador de la velocidad tiene un componente que es perpendicular a la línea recorrida por la luz entre la estrella y el observador. En la Figura 1 a la derecha, S representa la olla s donde la luz de la estrella entra en el telescopio, y rectificación de la orientación de la pieza e vosotros. Si el telescopio no se mueve, la verdadera dirección de la estrella en relación con el observador puede encontrar siguiendo la línea de ES. Sin embargo, si la Tierra, y por lo tanto el ocular del telescopio, se mueve de E a E 'durante el tiempo que tarda la luz en viajar desde S a E, la estrella ya no aparecerá en el centro de la pieza ocular. Por tanto, el telescopio debe ajustarse de modo que la luz de la estrella entra en el telescopio a punto S '. Ahora, la luz de la estrella se desplazará a lo largo de la línea S'E 'y llegar a E' exactamente cuando el ocular en movimiento también alcanza E '. Dado que el telescopio ha sido ajustado por el ángulo de SES, la posición aparente de la estrella es, por tanto, desplazada por el mismo ángulo.
Moverse en la lluvia
Muchos encuentran aberración que sea contrario a la intuición, y un simple experimento mental basado en la experiencia cotidiana puede ayudar en su comprensión. Imagínese que usted está de pie bajo la lluvia. No hay viento, por lo que la lluvia está cayendo verticalmente. Para protegerse de la lluvia se mantiene un paraguas directamente por encima de ti.
Ahora imagine que usted comienza a caminar. Aunque la lluvia sigue cayendo verticalmente (en relación a un observador estacionario), usted encontrará que usted tiene que mantener el paraguas ligeramente delante de usted para mantener fuera de la lluvia. Debido a su movimiento de avance con respecto a la lluvia que cae, la lluvia parece estar no caer directamente encima de usted, pero desde un punto en el cielo un poco delante de usted.
La desviación de la lluvia que cae se incrementa en gran medida a velocidades más altas. Cuando usted conduce un coche por la noche a través de la lluvia que cae, las gotas de lluvia iluminados por su coche de faros parecen caer desde una posición en el cielo bien en la parte frontal de su coche.
Tipos de aberración
Hay un número de tipos de aberración, causadas por los diferentes componentes de movimiento de la Tierra:
- Aberración anual se debe a la revolución de la Tierra alrededor del Sol .
- Aberración planetaria es la combinación de la aberración y tiempo-luz corrección.
- Aberración diurna es debido a la rotación de la Tierra sobre su propio eje.
- Aberración Seglar se debe al movimiento del Sol y el sistema solar en relación con otras estrellas de la galaxia .
Aberración anual
A medida que la Tierra gira alrededor del Sol, se mueve a una velocidad de unos 30 km / s. La velocidad de la luz es de aproximadamente 300.000 kilometros / s. En el caso especial en que la Tierra se mueve perpendicularmente a la dirección de la estrella (es decir, si SEE 'en el diagrama es de 90 grados), el ángulo de desplazamiento, SES, por consiguiente serían (en radianes ) la relación de las dos velocidades , es decir, 1/10000 o alrededor de 20,5 segundos de arco.
Esta cantidad se conoce como la constante de la aberración, y está convencionalmente representado por κ. Su valor aceptado preciso es 20 "0.49552 (en J2000).
El plano de la órbita de la Tierra se conoce como el eclíptica. Aberración anual provoca estrellas exactamente sobre la eclíptica que parecen moverse hacia atrás y adelante a lo largo de una línea recta, variando por κ a cada lado de su verdadera posición. Una estrella que es, precisamente, en uno de los polos de la eclíptica aparecerá a moverse en un círculo de radio κ sobre su verdadera posición, y las estrellas en las latitudes intermedias eclíptica parecerá desplazarse a lo largo de una pequeña elipse (ver figura 2).
Un caso especial de aberración anual es la deflexión casi constante del Sol a partir de su posición verdadera de κ hacia el oeste (visto desde la Tierra), opuesta al movimiento aparente del Sol a lo largo de la eclíptica. Esta desviación constante se explica a menudo erróneamente como debido al movimiento de la Tierra durante los 8,3 minutos que tarda la luz en viajar desde el Sol a la Tierra: se trata de una explicación válida siempre que se da en el marco de referencia de la Tierra, mientras que en el Sun de marco de referencia el mismo fenómeno debe ser descrito como la aberración de la luz. Por lo tanto, no es una coincidencia que el ángulo de aberración anual sea igual a la trayectoria recorrida por el Sol a lo largo de la eclíptica en el tiempo que tarda la luz en viajar desde ella a la Tierra (8.316746 minutos dividido por un año sideral (365,25636 días) es 20.49265 ", muy cerca de κ). Del mismo modo, se podría explicar el movimiento aparente del Sol sobre el fondo de estrellas fijas como (muy grande) efecto de paralaje.
Aberración puede resolverse en componentes este-oeste y norte-sur en la esfera celeste, que por lo tanto, producir un desplazamiento aparente de una estrella de ascensión recta y declinación, respectivamente. El primero es más grande (excepto en los polos de la eclíptica), pero este último fue el primero en ser detectado. Esto se debe a relojes muy precisos son necesarios para medir una pequeña variación como en ascensión recta, sino un telescopio de tránsito calibrado con una plomada puede detectar cambios muy pequeños en declinación.
Figura 3, arriba, muestra cómo aberración afecta la aparente declinación de una estrella en el polo norte de la eclíptica, como se ha visto por un observador imaginario que ve el tránsito estrella en el cenit (este observador tendría que ser colocado en la latitud 66,6 grados norte - es decir, en el Círculo Polar Ártico ). En el momento de la Marcha equinoccio, la velocidad orbital de la Tierra está llevando al observador directamente hacia el sur como él o ella observa la estrella en el cenit. Por lo tanto, aparente declinación de la estrella se desplaza hacia el sur por un valor igual al κ. Por el contrario, en el equinoccio de septiembre, la velocidad orbital de la Tierra está llevando al observador hacia el norte, y la posición de la estrella se desplaza hacia el norte por una cantidad igual y opuesta. A junio y diciembre solsticios, el desplazamiento en declinación es cero. Del mismo modo, la cantidad de desplazamiento en ascensión recta es cero en cualquiera equinoccio y máxima en el solsticios.
Tenga en cuenta que el efecto de la aberración está fuera de fase con cualquier desplazamiento debido a paralaje. Si el último efecto estuvieron presentes, el máximo desplazamiento hacia el sur se produciría en diciembre, y el máximo desplazamiento hacia el norte en junio. Es este movimiento aparentemente anómalo que lo desconcertó Bradley y sus contemporáneos.
Aberración planetaria
Aberración planetaria es la combinación de la aberración de la luz (debido a la velocidad de la Tierra) y corrección de tiempo-luz (debido al movimiento del objeto y distancia). Ambos se determinan en el instante en que la luz del objeto en movimiento llega al observador en movimiento en la Tierra. Se le llama así porque se aplica por lo general a los planetas y otros objetos en el sistema solar cuyo movimiento y la distancia que se conoce con precisión.
Aberración diurna
Aberración diurna es causada por la velocidad del observador en la superficie de la Tierra en rotación. Es por lo tanto dependiente no sólo en el momento de la observación, sino también la latitud y longitud del observador. Su efecto es mucho menor que la de la aberración anual, y sólo es 0 "0,32 en el caso de un observador en el ecuador, donde la velocidad de rotación es mayor.
Aberración Seglar
El Sol y el sistema solar giran alrededor del centro de la galaxia, al igual que otras estrellas cercanas. Por tanto, es posible concebir un efecto aberrante en las posiciones aparentes de otras estrellas y en objetos extragalácticos. Sin embargo, el cambio en el sistema solar de la velocidad con respecto al centro de la Galaxia varía en un plazo de tiempo muy largo, y el consiguiente cambio en la aberración sería extremadamente difícil de observar. Por lo tanto, esta llamada aberración secular se ignora por lo general cuando se consideran las posiciones de las estrellas.
Sin embargo, es posible estimar el desplazamiento entre la posición aparente y verdadera de una estrella cercana cuya distancia y el movimiento son conocidos. Newcomb da el ejemplo de Groombridge 1830, donde se estima que la verdadera posición es desplazada por aproximadamente 3 minutos de arco de la dirección en que lo observamos. Este cálculo también incluye una asignación para la corrección de tiempo-luz, y por lo tanto es análogo al concepto de aberración planetaria.
Antecedentes históricos
El descubrimiento de la aberración de la luz en 1725 por James Bradley fue uno de los más importantes de la astronomía. Fue totalmente inesperado, y fue sólo por una extraordinaria perseverancia y perspicacia que Bradley fue capaz de explicarlo en 1727. Su origen se basa en los intentos hechos para descubrir si las estrellas poseían apreciable paralajes. El copernicana teoría del sistema solar - que la Tierra giraba alrededor del Sol cada año - había recibido confirmación por parte de las observaciones de Galileo y Tycho Brahe (que, sin embargo, nunca aceptó el heliocentrismo ), y las investigaciones matemáticas de Kepler y de Newton .
Búsqueda de paralaje estelar
Tan pronto como 1573, Thomas Digges había sugerido que esta teoría debe requerir un cambio paraláctico de las estrellas, y, en consecuencia, si existieran tales paralajes estelares, entonces la teoría copernicana recibiría una confirmación adicional. Muchos observadores afirmaron haber determinado tipo de paralaje, pero Tycho Brahe y Giovanni Battista Riccioli concluyó que existían sólo en las mentes de los observadores, y se debieron a errores instrumentales y personales. En 1680 Jean Picard, en su Voyage d ' Uranibourg, declaró, como resultado de diez observaciones años, que Polaris, o la Estrella Polar, exhibió variaciones en su posición por un importe de 40 "cada año. Algunos astrónomos trataron de explicar esto por paralaje, pero estos intentos fueron inútiles, porque el movimiento estaba en desacuerdo con lo que paralaje produciría.
John Flamsteed , de mediciones efectuadas en 1689 y siguientes años con su cuadrante mural, de manera similar la conclusión de que la declinación de la Estrella Polar era 40 "menos en julio que en septiembre. Robert Hooke, en 1674, publicado sus observaciones de γ Draconis, una estrella de magnitud 2 m que pasa prácticamente por encima en la latitud de Londres , y cuyas observaciones, por lo tanto están libres de las correcciones complejas debido a la astronómica refracción, y llegó a la conclusión de que esta estrella era de 23 "más al norte en julio que en octubre.
Observaciones de Bradley
Cuando James Bradley y Samuel Molyneux entró en este ámbito de la investigación astronómica en 1725, hay en consecuencia prevaleció mucha incertidumbre si se habían observado o no paralajes estelares; y fue con la intención de responder a esta pregunta, sin duda que estos astrónomos erigieron un gran telescopio en la casa de este último en Kew. Decidieron volver a investigar el movimiento de γ Draconis; el telescopio, construido por George Graham (1675-1751), un fabricante de instrumentos célebre, fue colocada en una chimenea vertical, de tal manera que se permita una pequeña oscilación del ocular, cuyo importe (es decir, la desviación de la vertical) se reguló y medida por la introducción de un tornillo y una plomada.
El instrumento fue creado en noviembre de 1725, y observaciones sobre Draconis γ se hicieron en el Tercero, Quinto, 11, y 12 de diciembre. Aparentemente no hubo desplazamiento de la estrella, por lo que se cree que en su punto más al sur. En 17 de diciembre, sin embargo, Bradley observó que la estrella se movía hacia el sur, un movimiento se muestra además las observaciones sobre el 20a. Estos resultados fueron inesperados e inexplicable por las teorías existentes. Sin embargo, un examen del telescopio mostró que las anomalías observadas no se debieron a errores instrumentales.
Se continuaron las observaciones, y la estrella fue vista para continuar su ruta hacia el Sur hasta marzo, cuando se tomó una posición cerca del 20 "más al sur de su posición de diciembre. A partir de marzo comenzó a pasar hacia el norte, un movimiento bastante evidente por medio de abril; en junio pasó a la misma distancia de la cenit como lo hizo en diciembre; y en septiembre se pasó a través de su posición más al norte, la gama extrema de norte a sur, es decir, el ángulo entre las posiciones de marzo y septiembre, siendo 40 ".
Aberración vs nutación
Este movimiento, evidentemente, no se debió a la paralaje, por las razones expuestas en la discusión de la figura 2, y tampoco era debido a errores de observación. Bradley y Molyneux discutieron varias hipótesis con la esperanza de encontrar la solución. La idea de que inmediatamente sugiere en sí era que la declinación de la estrella varía debido a los cambios a corto plazo en la orientación del eje de la Tierra con respecto a la esfera celeste - un fenómeno conocido como nutación. Debido a que este es un cambio al marco del observador de referencia (es decir, la propia Tierra), sería, por tanto, afecta a todas las estrellas por igual. Por ejemplo, un cambio en la declinación de γ Draconis se reflejará por un cambio igual y opuesta a la declinación de una estrella de 180 grados opuesta en ascensión recta.
Las observaciones de una estrella como se hicieron difíciles por el campo de visión limitado de Bradley y Molyneux del telescopio, y la falta de estrellas adecuadas de brillo suficiente. Uno de tales estrellas, sin embargo, con una ascensión recta casi igual a la de γ Draconis, pero en el sentido opuesto, fue seleccionado y mantenido bajo observación. Esta estrella fue visto poseer un movimiento aparente similar a la que sería una consecuencia de la nutación del eje de la Tierra; pero desde su declinación variado sólo un medio tanto como en el caso de γ Draconis, era obvio que nutación no suministró la solución requerida. Si el movimiento se debió a una distribución irregular de la atmósfera de la Tierra , lo que implica variaciones anormales en el índice de refracción, también fue investigado; aquí, de nuevo, se obtuvieron resultados negativos.
En 19 de agosto de 1727, Bradley y luego se embarcó en una nueva serie de observaciones con un telescopio de su propia erigido en la Rectoría, Wanstead. Este instrumento tenía la ventaja de un mayor campo de visión y fue capaz de obtener posiciones precisas de un gran número de estrellas que transitaron cerca del cenit en el transcurso de unos dos años. Esto estableció la existencia del fenómeno de la aberración más allá de toda duda, y también permitió a Bradley para formular un conjunto de reglas que permitan el cálculo del efecto sobre cualquier estrella dada en una fecha especificada. Sin embargo, él no era más cerca de encontrar una explicación de por qué se produjo la aberración.
Desarrollo de la teoría de la aberración
Bradley finalmente desarrolló la explicación de la aberración alrededor de septiembre 1728 y su teoría fue presentada a la Real Sociedad un año después. Una historia bien conocida (citado en Berry, p 261) fue que vio el cambio de dirección de una veleta en un barco en el Támesis , no es causada por una alteración del propio viento, sino por un cambio de rumbo de la barco con respecto a la dirección del viento. Sin embargo, no hay ningún registro de este incidente en la propia cuenta del descubrimiento de Bradley, y por lo tanto puede ser apócrifa .
El descubrimiento y esclarecimiento de la aberración es ahora considerado como un caso clásico de la aplicación de método científico, en el que se hacen observaciones para probar una teoría, pero los resultados inesperados a veces se obtienen que a su vez conduce a nuevos descubrimientos. También vale la pena señalar que parte de la motivación original de la búsqueda de la paralaje estelar era poner a prueba la teoría de Copérnico de que la Tierra gira alrededor del Sol, pero por supuesto la existencia de aberración también establece la verdad de esa teoría.
En un giro final, Bradley tarde pasó a descubrir la existencia de la nutación del eje de la Tierra - el efecto que había considerado originalmente para ser la causa de la aberración.
