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Aberration de la lumi??re

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Renseignements g??n??raux

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L'aberration de la lumi??re (??galement d??sign?? comme aberration astronomique ou aberration stellaire) est un ph??nom??ne qui produit un astronomique mouvement apparent des objets c??lestes. Il a ??t?? d??couvert et a expliqu?? plus tard par le troisi??me Astronome royal, James Bradley, dans 1725, qui attribue au fini vitesse de la lumi??re et le mouvement de la Terre sur son orbite autour du Soleil .

A l'instant de ne importe quelle observation d'un objet, la position apparente de l'objet est d??plac?? de sa position r??elle d'une quantit?? qui d??pend de la composante transversale de la vitesse de l'observateur, par rapport au vecteur du faisceau de lumi??re entrant ( ce est ?? dire, la ligne effectivement pris par la lumi??re sur son chemin ?? l'observateur). Dans le cas d'un observateur sur la Terre, la direction de sa vitesse varie au cours de l'ann??e que la Terre tourne autour du Soleil (ou ?? proprement parler, le barycentre du syst??me solaire ), ce qui provoque ?? son tour la position apparente de l'objet ?? varier. Cet effet est particuli??rement connu comme aberration annuel ou aberration stellaire, car il provoque la position apparente d'une ??toile ?? varier p??riodiquement au cours d'une ann??e. Le montant maximal du d??placement aberrant d'une ??toile est environ 20 secondes d'arc dans ascension droite ou d??clinaison. Bien que ce soit une valeur relativement faible, ce est bien dans la capacit?? d'observation des instruments disponibles au d??but du XVIIIe si??cle.

Aberration ne doit pas ??tre confondue avec parallaxe stellaire, m??me si ce ??tait une recherche infructueuse d'abord de parallaxe qui a conduit premier ?? sa d??couverte. Parallaxe est caus??e par un changement de la position de l'observateur regardant un objet relativement proche, comme mesur?? par rapport ?? plusieurs objets ??loign??s, et est donc d??pendant de la distance entre l'observateur et l'objet.

En revanche, l'aberration stellaire est ind??pendante de la distance d'un objet c??leste ?? partir de l'observateur, et ne d??pend que de la vitesse instantan??e de l'observateur transversal par rapport au faisceau lumineux entrant, au moment de l'observation. Le faisceau de lumi??re d'un objet distant ne peut pas se faire ne importe quelle composante de vitesse transversale, ou il ne pouvait pas (par d??finition) ??tre vue par l'observateur, car il manquerait l'observateur. Ainsi, toute vitesse transversale de la source ??mettrice joue aucun r??le dans l'aberration. Une autre fa??on d'??noncer ce est que l'objet ??mettant peut avoir une vitesse transversale par rapport ?? l'observateur, mais ne importe quel faisceau de lumi??re ??mis ?? partir de ce qui atteint l'observateur ne peut pas, car il doit avoir ??t?? pr??alablement ??mis dans une direction telle que sa composante transversale a ??t?? ??corrig??e?? pour. Un tel faisceau doit venir "droit" ?? l'observateur le long d'une ligne qui relie l'observateur avec la position de l'objet quand il a ??mis la lumi??re.

Aberration devrait ??galement ??tre distingu??e de correction en temps la lumi??re, qui est due au mouvement de l'objet observ??, comme une plan??te , ?? travers l'espace pendant le temps pris par sa lumi??re pour parvenir ?? un observateur terrestre. Correction en temps la lumi??re d??pend de la vitesse et de la distance de l'objet ??mettant pendant le temps qu'il faut pour que sa lumi??re pour se rendre ?? la Terre. Correction en temps la lumi??re ne d??pend pas sur la motion de la Terre-il ne d??pend que de la position de la Terre ?? l'instant o?? la lumi??re est observ??e. Aberration est g??n??ralement plus grande que la correction en temps la lumi??re d'une plan??te sauf lorsque la plan??te est proche quadrature (90 ?? du Soleil), o?? l'aberration tombe ?? z??ro, car alors la Terre est directement approche ou se ??loigne de la plan??te. ?? opposition ou conjonction avec le Soleil, l'aberration est de 20,5 ", tandis que la correction en temps la lumi??re varie de 4" pour Mercury ?? 0,37 "pour Neptune (la lumi??re en temps la correction du Sun est inf??rieure ?? 0,03 ").

Explication

Il a ??t?? indiqu?? ci-dessus que l'aberration provoque un d??placement de la position apparente d'un objet ?? partir de sa position vraie. Cependant, il est important de comprendre la d??finition technique pr??cise de ces termes.

Positions apparentes et vraies

Figure 1. Sch??ma illustrant l'aberration stellaire

La position apparente d'une ??toile ou un autre objet tr??s lointain est la direction dans laquelle il est vu par un observateur sur la Terre en mouvement. La v??ritable position (ou position g??om??trique) est la direction de la ligne droite entre l'observateur et l'??toile ?? l'instant de l'observation. La diff??rence entre ces deux positions est caus??e principalement par l'aberration.

Aberration se produit lorsque de l'observateur la vitesse a une composante qui est perpendiculaire ?? la ligne parcourue par la lumi??re entre l'??toile et l'observateur. Dans la figure 1 vers la droite, S repr??sente le s pot o?? la lumi??re des ??toiles entre le t??lescope et e la position de la pi??ce e de vous. Si le t??lescope ne bouge pas, la vraie direction de l'??toile par rapport ?? l'observateur peut ??tre trouv?? en suivant la ligne ES. Toutefois, si la Terre, et donc la pi??ce du t??lescope de l'??il, se d??place de E ?? E 'pendant le temps qu'il faut ?? la lumi??re pour voyager de S ?? E, la star ne appara??tra plus dans le centre de l'oculaire. Le t??lescope doit donc ??tre ajust??e de sorte que la lumi??re des ??toiles entre le t??lescope sur place S '. Maintenant, la lumi??re des ??toiles se rendra long de la ligne S'p 'et d'atteindre E' exactement quand l'oculaire mobile atteint ??galement E '. Depuis le t??lescope a ??t?? ajust??e par l'angle de SES, la position apparente de l'??toile est donc d??plac?? par le m??me angle.

D??m??nagement sous la pluie

Beaucoup trouvent l'aberration d'??tre contre-intuitive, et une exp??rience simple de pens??e bas?? sur l'exp??rience de tous les jours peut aider ?? sa compr??hension. Imaginez que vous ??tes debout dans la pluie. Il n'y a pas de vent, de sorte que la pluie tombe verticalement. Pour vous prot??ger de la pluie vous d??tenez un parapluie directement au-dessus de vous.

Maintenant, imaginez que vous commencez ?? marcher. Bien que la pluie tombe toujours verticalement (par rapport ?? un observateur immobile), vous trouvez que vous avez ?? tenir le parapluie l??g??rement en face de vous pour ??loigner la pluie. En raison de votre mouvement vers l'avant par rapport ?? la pluie qui tombe, la pluie semble maintenant ??tre en baisse pas directement au-dessus de vous, mais ?? partir d'un point dans le ciel un peu en face de vous.

La d??viation de la pluie qui tombe est fortement augment??e ?? des vitesses plus ??lev??es. Lorsque vous conduisez une voiture la nuit dans la pluie, les gouttes de pluie ??clair??s par votre voiture de phares semblent relever d'une position dans le ciel bien en avant de votre voiture.

Types d'aberration

Il ya un certain nombre de types d'aberration, caus??es par les composantes diff??rentes du mouvement de la Terre:

  • Aberration annuelle est due ?? la r??volution de la Terre autour du Soleil .
  • Aberration plan??taire est la combinaison de correction d'aberration et de temps la lumi??re.
  • Aberration diurne est due ?? la rotation de la Terre autour de son propre axe.
  • Aberration la??que est due au mouvement du Soleil et du syst??me solaire par rapport aux autres ??toiles de la galaxie .

Aberration annuelle

Comme la Terre tourne autour du Soleil, il se d??place ?? une vitesse d'environ 30 km / s. La vitesse de la lumi??re est d'environ 300000 km / s. Dans le cas particulier o?? la Terre se d??place perpendiculairement ?? la direction de l'??toile (ie si voir 'dans le diagramme est de 90 degr??s), l'angle de d??placement, de SES, seraient donc (en radians ) le rapport des deux vitesses , ce est ?? dire environ 20,5 ou 1/10000 secondes d'arc.

Cette quantit?? est appel??e la constante de l'aberration, et est classiquement repr??sent?? par κ. Sa valeur est accept??e pr??cise 20 "0,49552 (au J2000).

Figure 2. Sch??ma illustrant l'effet de l'aberration annuel sur la position apparente de trois ??toiles au ??cliptique longitude 270 degr??s, et la latitude ??cliptique 90, 45 et 0 degr??s, respectivement


Le plan de l'orbite de la Terre est connu comme le ??cliptique. Aberration annuel fait que les ??toiles exactement sur l'??cliptique ?? semblent se d??placer d'avant en arri??re le long d'une ligne droite, variant selon κ de chaque c??t?? de leur position r??elle. Une ??toile qui est pr??cis??ment ?? l'un des p??les de l'??cliptique semblera se d??placer dans un cercle de rayon autour de sa position κ vrai, et les ??toiles ?? des latitudes interm??diaires ??cliptique semblera se d??placer le long d'une petite ellipse (voir figure 2).

Un cas particulier de l'aberration annuelle est la d??viation presque constante du Soleil de sa v??ritable position en κ vers l'ouest (vue depuis la Terre), oppos??e au mouvement apparent du Soleil long de l'??cliptique. Cette d??viation constante est souvent ?? tort expliqu?? que du fait du mouvement de la Terre pendant les 8,3 minutes qu'il faut ?? la lumi??re pour voyager entre le Soleil et la Terre: ce est une explication valable ?? condition qu'il soit donn?? dans le cadre de r??f??rence de la Terre, alors que dans le Sun de cadre de r??f??rence le m??me ph??nom??ne doit ??tre d??crit comme aberration de la lumi??re. Il ne est donc pas un hasard si l'angle d'aberration annuelle ??gale ?? la trajectoire balay??e par le Soleil long de l'??cliptique dans le temps qu'il faut ?? la lumi??re pour voyager de la Terre ?? (8.316746 minutes divis?? par une ann??e sid??rale (365,25636 jours) est 20,49265 ", tr??s proche de κ). De m??me, on pourrait expliquer le mouvement apparent du soleil sur le fond des ??toiles fixes comme un tr??s grand effet de parallaxe ().

Aberration peut ??tre r??solu en est-ouest et nord-sud composants sur le sph??re c??leste, qui produisent donc un d??placement apparent d'une ??toile de ascension droite et d??clinaison, respectivement. Le premier est plus grande (sauf aux p??les de l'??cliptique), mais celui-ci ??tait le premier ?? ??tre d??tect??. Ce est parce que les horloges tr??s pr??cises sont n??cessaires pour mesurer une telle petite variation en ascension droite, mais un transit t??lescope calibr?? avec un fil ?? plomb peut d??tecter de tr??s petits changements dans la d??clinaison.

Figure 3. Sch??ma illustrant l'aberration d'une ??toile au p??le nord ??cliptique


Figure 3, ci-dessus, montre comment l'aberration affecte la d??clinaison apparente d'une ??toile au p??le nord ??cliptique, comme vu par un observateur imaginaire qui voit le transit ??toiles au z??nith (cet observateur devra ??tre positionn?? ?? la latitude 66,6 degr??s nord - ce est ?? dire sur le cercle polaire arctique ). Au moment de la Mars ??quinoxe, la vitesse orbitale de la Terre est en train de l'observateur directement au sud comme il ou elle observe l'??toile au z??nith. D??clinaison apparente de l'??toile se d??place donc vers le sud par une valeur ??gale ?? κ. Inversement, ?? l'??quinoxe Septembre, la vitesse orbitale de la Terre est en train de l'observateur vers le nord, et la position de l'??toile est d??plac?? vers le nord par une quantit?? ??gale et oppos??e. Au Juin et D??cembre solstices, le d??placement en d??clinaison est nulle. De m??me, la quantit?? de d??placement dans ascension droite est z??ro ?? chaque Equinox et maximale ?? la solstices.

A noter que l'effet de l'aberration ne est pas ?? phases avec tout d??placement en raison de la parallaxe. Si le dernier effet ??taient pr??sents, le d??placement maximal vers le sud se produirait en D??cembre, et le d??placement maximal vers le nord en Juin. Ce est ce mouvement apparemment anormal que si mystifi?? Bradley et ses contemporains.

Aberration plan??taire

Aberration plan??taire est la combinaison de l'aberration de la lumi??re (en raison de la vitesse de la Terre) et correction en temps la lumi??re (en raison de la motion et la distance de l'objet). Les deux sont d??termin??s ?? l'instant o?? la lumi??re de l'objet en mouvement atteint l'observateur en mouvement sur Terre. Il est ainsi appel?? parce qu'il est g??n??ralement appliqu??e aux plan??tes et autres objets dans le syst??me solaire dont le mouvement et la distance sont connue avec pr??cision.

Aberration diurne

Aberration diurne est caus??e par la vitesse de l'observateur sur la surface de la Terre en rotation. Il est donc fonction non seulement de la dur??e de l'observation, mais ??galement la latitude et longitude de l'observateur. Son effet est beaucoup plus petite que celle de l'aberration annuelle, et est seulement 0 "0,32 dans le cas d'un observateur ?? l'??quateur, o?? la vitesse de rotation est plus grand.

Aberration la??que

Le Soleil et le syst??me solaire tournent autour du centre de la galaxie, comme les autres ??toiles proches. Il est donc possible de concevoir un effet aberrant sur les positions apparentes d'autres ??toiles et sur objets extragalactiques. Toutefois, la variation de la vitesse relative du syst??me solaire ?? l'axe de la Galaxy varie sur une ??chelle de temps tr??s longue, et la modification cons??cutive des aberrations serait extr??mement difficile ?? observer. Par cons??quent, cette soi-disant la??que aberration est g??n??ralement prise en consid??ration pour la position des ??toiles.

Cependant, il est possible d'estimer le d??placement entre la position apparente et vraie ?? proximit?? d'une ??toile dont la distance et le mouvement sont connus. Newcomb donne l'exemple de Groombridge 1830, o?? il estime que la situation r??elle est d??plac?? d'environ 3 arcminutes de la direction dans laquelle nous l'observons. Ce calcul comprend ??galement une allocation pour la correction en temps la lumi??re, et est donc analogue ?? la notion de l'aberration plan??taire.

Contexte historique

La d??couverte de l'aberration de la lumi??re dans 1725 par James Bradley ??tait l'un des plus important dans l'astronomie. Ce ??tait totalement inattendu, et ce est seulement par la pers??v??rance extraordinaire et clart?? que Bradley ??tait en mesure d'expliquer dans 1727. Son origine est bas??e sur les tentatives faites pour d??couvrir si les ??toiles poss??daient appr??ciable parallaxes. Le copernicienne th??orie du syst??me solaire - que la Terre tournait autour du Soleil chaque ann??e - avait re??u la confirmation par les observations de Galileo et Tycho Brahe (qui, cependant, n'a jamais accept?? l'h??liocentrisme ), et les recherches math??matiques de Kepler et de Newton .

Recherche de parallaxe stellaire

Aussit??t que 1573, Thomas Digges avait sugg??r?? que cette th??orie devrait n??cessiter un d??placement parallactique des ??toiles, et, par cons??quent, si ces parallaxes stellaires existaient, alors la th??orie copernicienne recevrait une confirmation suppl??mentaire. De nombreux observateurs ont affirm?? avoir ??tabli ces parallaxes, mais Tycho Brahe et Giovanni Battista Riccioli a conclu qu'ils ne existaient que dans l'esprit des observateurs, et ??taient dus ?? des erreurs instrumentales et personnelles. En 1680 Jean Picard, dans son Voyage d ' Uranibourg, a indiqu??, en raison de dix Les observations des ann??es, que Polaris, ou Pole Star, pr??sentait des variations dans sa position d'un montant de 40 "par an. Certains astronomes se sont efforc??s d'expliquer cette parallaxe, mais ces tentatives ??taient vaines, pour le mouvement ??tait en contradiction avec ce qui produirait de parallaxe.

John Flamsteed , des mesures effectu??es dans 1689 et suivants ans avec son quadrant murale, de m??me conclu que la d??clinaison de l'??toile polaire ??tait de 40 "moins en Juillet que dans Septembre. Robert Hooke, dans 1674, publi?? ses observations de γ Draconis, une ??toile de magnitude 2 m qui passe pratiquement au-dessus ?? la latitude de Londres , et dont les observations sont donc libres de les corrections complexes en raison de l'astronomie r??fraction, et a conclu que cette ??toile ??tait de 23 "plus au nord en Juillet que dans Octobre.

Les observations de Bradley

Lorsque James Bradley et Samuel Molyneux entr?? ce domaine de la recherche astronomique dans 1725, il a pr??valu par cons??quent beaucoup d'incertitude si parallaxes stellaires avaient ??t?? observ??es ou non; et ce ??tait avec l'intention de r??pondre d??finitivement ?? cette question que ces astronomes ont ??rig?? un grand t??lescope ?? la maison de ce dernier ?? Kew. Ils ont d??termin?? ?? r??examiner la motion de γ Draconis; le t??lescope, construit par George Graham (1675-1751), un luthier c??l??bre, a ??t?? fix?? ?? une chemin??e verticale, de mani??re ?? permettre une petite oscillation de l'oculaire, dont le montant (ce est ?? dire l'??cart par rapport ?? la verticale) a ??t?? r??glement??e et mesur?? par l'introduction d'une vis et d'un fil ?? plomb.

L'instrument a ??t?? mis en place en Novembre 1725, et des observations sur Draconis γ ont ??t?? faites sur la 3e, 5e, 11, et 12th D??cembre. Il n'y avait apparemment pas de d??placement de l'??toile, qui a donc ??t?? pens?? pour ??tre ?? son point le plus au sud. Sur 17 d??cembre cependant, Bradley a observ?? que l'??toile se d??pla??ait vers le sud, une motion en outre repr??sent?? par des observations sur le 20e. Ces r??sultats ??taient inattendus et inexplicable par les th??ories existantes. Cependant, un examen du t??lescope a montr?? que les anomalies observ??es ne ??taient pas dues ?? des erreurs instrumentales.

Les observations ont ??t?? poursuivis, et l'??toile a ??t?? observ??e ?? poursuivre son cours vers le sud jusqu'?? Mars, quand il a pris une position quelque 20 "plus au sud que sa position D??cembre. Apr??s Mars il a commenc?? ?? passer vers le nord, un mouvement tout ?? fait ??vident par le milieu de avril; en Juin il est pass?? ?? la m??me distance de la z??nith comme en D??cembre; et en Septembre il est pass?? par sa position plus au nord, la gamme extr??me du nord au sud, ce est ?? dire l'angle entre les positions de mars et de septembre, ??tant de 40 ".

Aberration vs nutation

Cette motion ??tait ??videmment pas due ?? la parallaxe, pour les raisons indiqu??es dans la discussion de la figure 2, et ne ??tait pas non dues ?? des erreurs d'observation. Bradley et Molyneux ont discut?? de plusieurs hypoth??ses dans l'espoir de trouver la solution. L'id??e qui se ??tait imm??diatement sugg??r?? que la d??clinaison de l'??toile varier en raison de changements ?? court terme dans l'orientation de l'axe de rapport de la Terre ?? la sph??re c??leste - un ph??nom??ne connu sous le nom nutation. Parce que ce est un changement de cadre de r??f??rence de l'observateur (ce est ?? dire la Terre elle-m??me), il serait donc affecte toutes les ??toiles aussi. Par exemple, un changement dans la d??clinaison de γ Draconis se traduira par un changement ??gale et oppos??e ?? la d??clinaison d'une ??toile 180 degr??s oppos??e en ascension droite.

Observations d'une telle ??toile ont ??t?? rendues difficiles par le champ de vision limit?? de Bradley et Molyneux de t??lescope, et le manque d'??toiles appropri??s de luminosit?? suffisante. Une telle ??toile, cependant, avec une ascension droite ?? peu pr??s ??gale ?? celle de γ Draconis, mais dans le sens oppos??, a ??t?? choisi et maintenu sous observation. Cette ??toile a ??t?? vue ?? poss??der un mouvement apparent semblable ?? celle qui serait une cons??quence de la nutation de l'axe de la Terre; mais depuis sa d??clinaison varie seulement la moiti?? autant que dans le cas de γ Draconis, il ??tait ??vident que la nutation n'a pas fourni la solution requise. Si la motion ??tait due ?? une distribution irr??guli??re de l' atmosph??re de la Terre , entra??nant ainsi des variations anormales de l'indice de r??fraction, a ??galement ??t?? ??tudi??e; ici, encore une fois, ont ??t?? obtenus des r??sultats n??gatifs.

Sur 19 ao??t 1727, Bradley se lance alors dans une nouvelle s??rie d'observations ?? l'aide d'un t??lescope de sa propre ??rig?? au presbyt??re, Wanstead. Cet instrument avait l'avantage d'un plus grand champ de vision et il a r??ussi ?? obtenir un positionnement pr??cis d'un grand nombre d'??toiles qui ont transit?? ?? proximit?? du Z??nith au cours d'environ deux ans. Ce ??tabli l'existence du ph??nom??ne de l'aberration del?? de tout doute, et a ??galement permis Bradley de formuler un ensemble de r??gles qui permettraient le calcul de l'effet sur ne importe quelle ??toile donn??e ?? une date sp??cifi??e. Cependant, il ne ??tait pas pr??s de trouver une explication des raisons pour lesquelles l'aberration produite.

D??veloppement de la th??orie de l'aberration

Bradley a finalement d??velopp?? l'explication de l'aberration dans environ Septembre 1728 et sa th??orie a ??t?? pr??sent?? ?? la Soci??t?? royale un an plus tard. Une histoire bien connue (cit?? dans Berry, p 261), ce est qu'il a vu le changement de direction d'une girouette sur un bateau sur la Tamise , caus??e non pas par une alt??ration du vent lui-m??me, mais par un changement de cap de la bateau par rapport ?? la direction du vent. Cependant, il ne existe aucune trace de cet incident dans son propre compte Bradley de la d??couverte, et il peut donc ??tre apocryphe .

La d??couverte et l'??lucidation de l'aberration est maintenant consid??r?? comme un cas classique de l'application de m??thode scientifique, dans laquelle les observations sont faites pour tester une th??orie, mais les r??sultats sont parfois inattendus obtenus qui ?? son tour conduire ?? de nouvelles d??couvertes. Il est ??galement int??ressant de noter qu'une partie de la motivation initiale de la recherche de parallaxe stellaire ??tait de tester la th??orie de Copernic que la Terre tourne autour du Soleil, mais bien s??r l'existence d'aberration ??tablit ??galement la v??rit?? de cette th??orie.

Dans une torsion finale, Bradley a continu?? plus tard de d??couvrir l'existence de la nutation de l'axe de la Terre - l'effet qu'il avait initialement consid??r?? comme la cause de l'aberration.

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