Aberracja światła

Aberracja światła (znana również jako aberracja astronomiczna lub aberracja gwiezdna) to zjawisko astronomiczne, które polega na pozornej zmianie kąta nachylenia ciał niebieskich, spowodowanej ruchem Ziemi w cyklu rocznym. Zjawisko to zostało odkryte w 1728 roku przez Jamesa Bradleya, który, starając się zbadać zjawisko paralaksy rocznej, dokonał pomiarów zmian deklinacji gwiazdy Eltanin (Gamma Draconis).

Aberracja dla małych prędkości

Bradley wyjaśnił ten efekt poprzez geometryczne złożenie prędkości orbitalnej Ziemi oraz prędkości światła dochodzącego z gwiazdy, co pozwoliło mu uzyskać wzór:

{\displaystyle \operatorname {tg} \theta ={\frac {v}{c}}.}

Wzór ten jest stosunkowo dobrym przybliżeniem dla obserwacji bliskich gwiazd z Ziemi, ponieważ Ziemia porusza się z niską, nierelatywistyczną prędkością (v = 30 km/s). Niemniej jednak, złożenie prędkości Ziemi i światła nie jest poprawną interpretacją, ponieważ prowadzi do błędnych wyników i wymagałoby prędkości większych niż prędkość światła w próżni. Rzeczywiste wytłumaczenie dostarcza dopiero mechanika relatywistyczna.

Ten wzór umożliwił Bradleyowi oszacowanie prędkości światła w próżni na 301 000 km/s (w nowoczesnych jednostkach). Metoda ta mierzy jednokierunkową prędkość światła, a nie średnią prędkość odbitego światła w dwóch kierunkach.

Relatywistyczna interpretacja zjawiska aberracji

Aberracja światła, podobnie jak poprzeczny efekt Dopplera, jest właściwie wyjaśniana przez specially theory of relativity. Zakłada się, że ruch Ziemi jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali świetlnej z gwiazdy, co tworzy układ z nieruchomym źródłem i ruchomym obserwatorem. Gwiazda emituje fale o częstotliwości:

{\displaystyle f_{0},}

które, zgodnie z relatywistycznym efektem Dopplera, są odbierane przez obserwatora na Ziemi jako fale o wyższej częstotliwości. Zgodnie z relatywistyczną transformacją kąta, kąt obserwacji fali w spoczywającym układzie wynosi:

{\displaystyle \operatorname {tg} \theta ={\frac {\sin \alpha }{\gamma (\cos \alpha +\beta )}},}

gdzie:

{\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}},}
{\displaystyle \alpha }

– to kąt w układzie poruszającym się.

Stosując relatywistyczną transformację kąta, traktując Ziemię jako układ spoczywający, a gwiazdę jako obiekt ruchomy, uzyskujemy poprawny wzór na kąt aberracji:

{\displaystyle \operatorname {tg} \theta =\gamma \beta ={\frac {v}{c{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}.}

Wzór ten powinien być stosowany dla dużych względnych wartości prędkości obserwatora i gwiazdy (co ma znaczenie przy obserwacjach odległych gwiazd). Ponadto, ruch względny Ziemi i gwiazdy można przy pomocy relatywistycznego składania prędkości sprowadzić do ruchu jednego układu względem spoczywającego drugiego.

Rodzaje aberracji

Wyróżnia się kilka składników aberracji światła związanych z różnymi składowymi ruchu obserwatora:

aberracja dzienna – wynikająca z ruchu obrotowego Ziemi; jej maksymalna wartość to 0,32 sekundy łuku,
aberracja roczna – (najważniejszy rodzaj aberracji światła) spowodowana ruchem orbitalnym Ziemi; maksymalna wartość to 20,5 sekundy łuku (tzw. stała aberracji rocznej),
aberracja wiekowa – spowodowana ruchem Układu Słonecznego względem okolicznych gwiazd.

Aberracja roczna stanowi historyczny dowód na ruch Ziemi wokół Słońca.

Test na istnienie eteru

Zjawisko aberracji zostało wykorzystane w eksperymencie przeprowadzonym w 1871 roku przez George’a Biddella Airy’ego, aby sprawdzić istnienie hipotetycznego ośrodka, który miałby być medium dla fal elektromagnetycznych (w tym światła), znanym jako eter, „unoszonego” przez Ziemię. Zgodnie z hipotezą o istnieniu eteru, wartość aberracji powstałej w wyniku ruchu Ziemi powinna różnić się w przypadku teleskopu wypełnionego wodą oraz teleskopu wypełnionego powietrzem. Airy napełnił tubę teleskopu wodą, aby zbadać przewidywaną zmianę kąta aberracji – tzw. odchylenie Fresnela – i zmierzył ten kąt dla światła wybranych gwiazd. Eksperyment nie wykazał żadnej zmiany w wielkości aberracji, co spowodowało, że nazwano go Airy’s failure (niepowodzenie), ponieważ nie potwierdził on istnienia eteru. (Inne eksperymenty fizyczne również obaliły hipotezę eteru.)