Абера́ція сві́тла (в астрономії) — астрономічне явище, за якого небесні тіла демонструють видиме зміщення відносно свого істинного положення залежно від швидкості спостерігача: об'єкти здаються зміщеними у напрямку руху спостерігача. Зміна кута становить величину порядку , де — швидкість світла, а — швидкість спостерігача. У випадку «зоряної» або «річної» аберації видиме положення зорі для спостерігача на Землі змінюється періодично протягом року внаслідок зміни швидкості Землі під час її обертання навколо Сонця, з максимальною амплітудою близько 20 кутових секунд у прямому піднесенні або схиленні.
Термін «аберація» історично вживали для позначення низки споріднених явищ, що стосуються поширення світла в рухомих тілах. Аберація відрізняється від паралаксу, який є зміною видимого положення відносно близького об'єкта, виміряною рухомим спостерігачем відносно більш віддалених об'єктів, що задають систему відліку. Величина паралаксу залежить від відстані до об'єкта, тоді як аберація — ні. Абераційний зсув положення світила накладається на відповідний паралактичний зсув (добовий, річний і віковий). В обох випадках видима траєкторія світила на небосхилі являє собою еліпс. Але розмір абераційного еліпса залежить від кута між напрямком на світило та на апекс, а величина паралакса залежить від відстані до об'єкта. Таким чином, їх можна розрізнити й визначити окремо.
Аберація відіграла значну роль у розвитку теорій світла, електромагнетизму і, зрештою, спеціальної теорії відносності. Вперше її спостерігали наприкінці XVII століття астрономи, які шукали зоряний паралакс, аби підтвердити геліоцентричну модель Сонячної системи. Проте тоді ще не усвідомлювали, що це інше явище. У 1720-х роках кілька спостережень цього явища здійснив італійський астроном . Він був одним із перших, хто зрозумів, що аберація не є наслідком паралаксу, однак продовжував тлумачити її в рамках геоцентричної моделі. Саме Манфреді ввів термін «аберація». У 1727 році Джеймс Бредлі запропонував класичне пояснення цього явища в термінах скінченної швидкості світла відносно руху Землі на її орбіті навколо Сонця, яке він використав для одного із перших вимірювань швидкості світла. Проте теорія Бредлі виявилася несумісною з теоріями світла XIX століття, і аберація стала головним аргументом на користь теорій ефірного вітру Огюстена Френеля (1818) та Джорджа Стокса (1845), а також Гендріка Лоренца (1892). Аберація світла, разом з модифікаціями максвелівської електродинаміки, , нульовими результатами експериментів з виявлення ефірного вітру, а також дослідом Фізо, привели Альберта Ейнштейна у 1905 році до створення спеціальної теорії відносності, у межах якої вдалося отримати загальну формулу для аберації.
Пояснення
Аберацію можна пояснити як різницю в куті променя світла у різних інерціальних системах відліку. Поширена аналогія — уявити собі напрям падіння дощу. Якщо дощ падає вертикально у системі відліку людини, яка стоїть нерухомо, то людині, що рухається вперед, здавається таким, що він іде під кутом, і спостерігачеві доведеться нахилити парасольку вперед. Чим швидше рухається спостерігач, тим більший потрібен нахил.
У випадку річної аберації зоряного світла напрямок приходу променів у системі відліку Землі нахилений відносно кута, який спостерігався б у системі відліку Сонця. Оскільки напрямок руху Землі змінюється під час її орбітального руху, то й напрямок цього нахилу змінюється протягом року, спричиняючи періодичне видиме зміщення положення зорі відносно її істинного положення, виміряного в інерціальній системі відліку.
Класичні міркування дають інтуїтивне пояснення аберації, але вони призводять до низки фізичних парадоксів, які можна спостерігати навіть на класичному рівні. Для правильного пояснення аберації необхідна спеціальна теорія відносності. Водночас релятивістське пояснення дуже подібне до класичного: в обох випадках аберацію можна розуміти як приклад додавання швидкостей.
Класичне пояснення У системі відліку Сонця розгляньмо промінь світла зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла , з компонентами швидкості і , під кутом , таким що . Якщо Земля рухається зі швидкістю у напрямку осі x відносно Сонця, то за правилом додавання швидкостей x-компонента швидкості променя у системі відліку Землі дорівнюватиме , тоді як y-компонента не змінюється: . Таким чином, кут світла у системі відліку Землі через кут у системі відліку Сонця виражається як
У випадку цей вираз спрощується до , що у випадку наближено дає .
Релятивістське пояснення Міркування у релятивістському випадку подібні до класичного, але потрібно використовувати формули релятивістського додавання швидкостей, які можна вивести з перетворень Лоренца між різними системами відліку. Ці формули мають вигляд:
де . Вони дають компоненти променя світла у системі відліку Землі через компоненти у системі відліку Сонця. Кут променя у системі Землі виражається так:
або
У випадку цей вираз зводиться до , а за умови це можна наблизити як . Це релятивістське доведення на відміну від класичного зберігає швидкість світла сталою в усіх системах відліку.
Зв'язок із поправкою на час руху світла
Аберація пов'язана з іншим явищем — поправкою на час руху світла, що виникає через рух об'єкта під час поширення його світла до спостерігача. При аберації спостерігач розглядається як такий, що рухається відносно (для простотиIn fact, the light source doesn't need to be stationary, consider for example eclipsing binary stars: they are rotating with high speed —and ever changing and different velocity vectors— around each other, but they appear as one spot all the time.) нерухомого джерела світла, тоді як у випадку поправки на час руху світла випромінювання розглядають рух джерела відносно нерухомого спостерігача.
Розгляньмо випадок, коли спостерігач і джерело світла рухаються одне відносно одного з постійною швидкістю, а промінь світла поширюється від джерела до спостерігача. У момент випромінювання промінь у системі відліку спостерігача нахилений порівняно з променем у системі джерела, що пояснюється релятивістським бімінгом. За час поширення світла до спостерігача джерело зміщується у його системі відліку, і його істинне положення відрізняється від видимого, що пояснюється поправкою на світловий час. Нарешті, у момент спостереження промінь у системі відліку спостерігача нахилений відносно променя у системі джерела, що можна розглядати як ефект аберації. Таким чином, у системі джерела нахил пояснюється аберацією, тоді як у системі спостерігача — поправкою на час руху світла.
Зв'язок між цими явищами справедливий лише тоді, коли системи відліку джерела і спостерігача інерціальні. На практиці, оскільки Земля не є інерціальною системою відліку, а зазнає доцентрового прискорення у напрямку до Сонця, багато абераційних ефектів, зокрема річну аберацію на Землі, не можна вважати поправками на час руху світла. Проте якщо час між випромінюванням і спостереженням світла є малим порівняно з орбітальним періодом Землі, її можна вважати наближено інерціальною системою, й абераційні ефекти еквівалентні поправкам на час руху світла.
Типи описує кілька різних типів аберації, що виникають унаслідок різних складових руху Землі та спостережуваного об'єкта:
Зоряна аберація — видиме кутове зміщення спостережуваного положення небесного тіла, що виникає внаслідок руху спостерігача. Зоряна аберація поділяється на добову, річну та вікову:
Річна аберація виникає внаслідок руху Землі навколо Сонця. Добова аберація виникає внаслідок добового руху спостерігача навколо центра Землі через її обертання. Вікова аберація виникає внаслідок практично рівномірного і майже прямолінійного руху всієї Сонячної системи в космосі. Вікову аберацію зазвичай не враховують.
Планетна аберація — видиме кутове зміщення спостережуваного положення тіла Сонячної системи від його миттєвого геоцентричного напрямку, яке бачив би спостерігач у геоцентрі. Це зміщення зумовлене аберацією світла та зміщенням через час поширення світла.
Річна аберація
Річна аберація спричинена рухом спостерігача на Землі, коли планета обертається навколо Сонця. Через ексцентриситет орбіти швидкість Землі (у системі відліку Сонця) періодично змінюється протягом року, що зумовлює відповідну періодичну зміну аберації і призводить до видимого руху зір по малих еліпсах.
Якщо наближено вважати, що орбіта Землі є коловою, то зміщення зорі внаслідок річної аберації називають константою аберації й позначають . Її можна обчислити за співвідношенням , де — середня швидкість Землі в системі відліку Сонця, а — швидкість світла. Прийняте значення дорівнює 20,49552 кутових секунд (″) або 0,000099365 радіана (рад) (для епохи J2000).
У випадку колової орбіти річна аберація надає зорям у площині екліптики прямолінійних періодичних рухів узад-вперед, із відхиленнями на величину обабіч їхнього істинного положення. Зорі на одному з (на 90° від площини екліптики) аберація надає видимий рух по колу радіусом навколо її істинного положення, а зорі на проміжних екліптичних широтах описуватимуть еліпси із великою піввіссю .
Для прикладу, розглянемо зорю на північному полюсі екліптики, яку спостерігає астроном із Полярного кола. Такий спостерігач бачитиме, як зоря проходить через зеніт під час кульмінації раз на добу (точніше, раз на сидеричний день). На момент весняного рівнодення орбіта Землі переносить спостерігача на південь, і видиме схилення зорі буде зміщене на південь на кут . На осіннє рівнодення положення зорі зміщується на північ на таку ж величину, але в протилежний бік. У сонцестояння зміщення за схиленням дорівнює нулю. Натомість зміщення за прямим піднесенням дорівнює нулю у рівнодення і є максимальним під час сонцестоянь.
Насправді орбіта Землі є дещо еліптичною, а швидкість її руху змінюється протягом року, тому наведений вище опис є лише наближеним. Точніші розрахунки аберації враховують миттєву швидкість Землі відносно барицентра Сонячної системи.
Слід зауважити, що зміщення, спричинене аберацією, ортогональне до зміщення, спричиненого паралаксом. Для паралаксу максимальне зміщення на південь відбуватиметься у грудні, а на північ — у червні. Саме ця ортогональність абераційного руху до очікувань від паралактичного руху вводила у оману давніх астрономів.
Сонячна річна аберація Особливим випадком річної аберації є майже стале відхилення Сонця від його положення в системі відліку Сонця на кут у напрямку на захід (при спостереженні з Землі), протилежно до видимого руху Сонця вздовж екватора (який відбувається із заходу на схід). Таким чином здається, що Сонце відстає від свого дійсного положення у нерухомій системі відліку на кут .
Це відхилення можна так само описати як наслідок скінченного часу поширення світла, спричинений рухом Землі протягом 8,3 хвилини, за які світло долає відстань від Сонця до Землі. Співвідношення з таке: [0,000099365 рад / 2 π рад] × [365,25 д × 24 год/д × 60 хв/год] = 8,3167 хв ≈ 8 хв 19 с = 499 с. Оскільки час проходження світла є малим порівняно з періодом обертання Землі навколо Сонця, тому систему відліку Землі можна вважати інерціальною. У системі відліку Землі Сонце за середньої швидкості км/с зміщується на відстань ≈ 14 864,7 км за час, за який світло досягає Землі, ≈ 499 с для орбіти з середнім радіусом = 1 а.о. = 149 597 870,7 км. Це дає кутову поправку ≈ 0,000099364 рад = 20,49539 ″, що можна розв'язати як ≈ 0,000099365 рад = 20,49559 ″, практично рівну абераційній поправці (тут виражене в радіанах, а не в кутових секундах).
Добова аберація Добова аберація спричинена швидкістю руху спостерігача на поверхні обертової Землі. Вона залежить не лише від часу спостереження, але й від широти та довготи спостерігача. Її ефект значно менший за річну аберацію і становить лише 0,32 кутової секунди для спостерігача на екваторі, де швидкість обертання найбільша.
Вікова аберація