Астрономический радиоисточник — Astronomical radio source
Астрономический радиоисточник — это объект в космическом пространстве, излучающий сильные радиоволны. Радиоизлучение исходит от самых разных источников. Такие объекты являются одними из самых экстремальных и энергичных физических процессов во вселенной .
Содержание
- 1 История
- 2 Источники: солнечная система
- 2.1 Солнце
- 2.2 Юпитер
- 3.1 Центр Галактики
- 3.2 Остатки сверхновой
- 3.3 Нейтронные звезды
- 3.3.1 Пульсары
- 3.3.2 Вращающиеся радиотрансиентные (RRAT) источники
- 4.1 Радиогалактики
- 4.2 Космический микроволновый фон
- 4.3 Внегалактические импульсы
- 5.1 Первичные черные дыры
- 5.2 ET
- 5.3 Другие неоткрытые явления
История
В 1932 году американский физик и радио инженер Карл Янский обнаружил радиоволны, исходящие от неизвестного источника в центре нашей галактики. Янски изучал происхождение радиочастотных помех для Bell Laboratories. Он обнаружил «… устойчивое шипение неизвестного происхождения», которое, в конечном итоге, он пришел к выводу, что оно имеет внеземное происхождение. Это был первый случай обнаружения радиоволн из космоса. Первый обзор неба по радио был проведен Гроте Ребером и был завершен в 1941 году. В 1970-х годах было обнаружено, что некоторые звезды в нашей галактике являются радиоизлучателями, одним из самых сильных из которых была уникальная двойная MWC 349.
Источники: Солнечная система
Солнце
Как ближайшая звезда, Солнце является самым ярким источником излучения на большинстве частот, вплоть до радиоспектра на 300 МГц (длина волны 1 м). Когда Солнце спокоено, галактический фоновый шум преобладает на более длинных волнах. Во время геомагнитных бурь Солнце будет доминировать даже на этих низких частотах.
Юпитер
Колебания электронов, захваченных в магнитосфере Юпитера, производят сильные радиосигналы, особенно яркие в дециметровом диапазоне.
Магнитосфера Юпитера ответственна за интенсивные эпизоды радиоизлучения из полярных регионов планеты. Вулканическая активность на спутнике Юпитера Ио выбрасывает газ в магнитосферу Юпитера, создавая тор частиц вокруг планеты. Когда Ио движется через этот тор, взаимодействие порождает альфвеновские волны, которые переносят ионизированную материю в полярные области Юпитера. В результате радиоволны генерируются посредством циклотрона мазерного механизма, а энергия передается по конической поверхности. Когда Земля пересекает этот конус, радиоизлучение Юпитера может превышать мощность солнечного радио.
Источники: галактический
Галактический центр
галактический центр Млечный Путь был первым обнаруженным радиоисточником. Он содержит ряд радиоисточников, включая Стрелец A, компактную область вокруг сверхмассивной черной дыры, Стрелец A *, а также саму черную дыру.. При вспышке аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры загорается, что можно обнаружить с помощью радиоволн.
Остатки сверхновой
Остатки сверхновой часто имеют диффузное радиоизлучение. Примеры включают Кассиопею A, самый яркий внесолнечный радиоисточник в небе, и Крабовидную туманность.
Нейтронные звезды
Пульсары
Схематическое изображение пульсара. Сфера в центре представляет нейтронную звезду, кривые указывают силовые линии магнитного поля, выступающие конусы представляют собой эмиссионные лучи, а зеленая линия представляет собой ось, по которой вращается звезда.
Сверхновые звезды иногда оставляют после себя плотное вращение нейтронные звезды называются пульсарами. Они испускают струи заряженных частиц, которые испускают синхротронное излучение в радиоспектре. Примеры включают Крабовидный пульсар, первый обнаруженный пульсар. Пульсары и квазары (плотные центральные ядра чрезвычайно далеких галактик) были открыты радиоастрономами. В 2003 году астрономы с помощью радиотелескопа Паркса обнаружили два пульсара, вращающихся вокруг друг друга, первая известная такая система.
Вращающиеся радиопереходные процессы (RRAT)
Вращающиеся радиотранзиенты (RRAT) — это тип нейтронных звезд, обнаруженных в 2006 году группой под руководством Мауры Маклафлин из Обсерватория Джодрелл Бэнк в Манчестерском университете в Великобритании. Считается, что RRAT производят радиоизлучения, которые очень трудно обнаружить из-за их кратковременного характера. Ранние попытки позволяли обнаруживать радиоизлучения (иногда называемые вспышками RRAT ) менее одной секунды в день, и, как и в случае с другими одиночными импульсными сигналами, нужно проявлять большую осторожность, чтобы отличить их от наземного радио. вмешательство. Таким образом, распределенные вычисления и алгоритм Astropulse могут быть использованы для дальнейшего обнаружения RRAT.
Области звездообразования
Короткие радиоволны излучаются сложными молекулами в плотных облаках газа, где звезды рожают.
Спиральные галактики содержат облака нейтрального водорода и окиси углерода, которые излучают радиоволны. Радиочастоты этих двух молекул были использованы для составления карты большой части галактики Млечный Путь.
Источники: внегалактические
Радиогалактики
Многие галактики обладают сильным радиосигналом. излучатели, называемые радиогалактиками. Некоторые из наиболее примечательных: Центавр A и Мессье 87.
Квазары (сокращение от «квазизвездный радиоисточник») были одними из первых точечных радиоисточников, которые были обнаружил. Крайнее красное смещение квазаров привело нас к выводу, что это далекие активные галактические ядра, которые, как полагают, питаются черными дырами. Активные ядра галактик имеют струи заряженных частиц, которые испускают синхротронное излучение. Одним из примеров является 3C 273, оптически самый яркий квазар в небе.
Слияние скоплений галактик часто демонстрирует диффузное радиоизлучение.
Космический микроволновый фон
Космический микроволновый фон черное тело фоновое излучение, оставшееся после Большого взрыва (быстрое расширение, примерно 13,8 миллиарда лет назад, которое было началом Вселенной.
внегалактических импульсов
Д. Р. Лоример и другие проанализировали данные архивных съемок и обнаружили 30- jansky рассеянную вспышку длительностью менее 5 миллисекунд, расположенную в 3 ° от Малого Магелланова Облака. Они сообщили, что вспышка properties выступают против физической ассоциации с нашей Галактикой или Малым Магеллановым Облаком. В недавней статье они утверждают, что современные модели содержания свободных электронов во Вселенной подразумевают, что вспышка находится на расстоянии менее 1 гига парсек Тот факт, что в течение 90 часов дополнительных наблюдений не было замечено никаких новых всплесков, означает, что это было единичное событие, такое как сверхновая звезда или слияние (т. ion) релятивистских объектов. Предполагается, что сотни подобных событий могут происходить каждый день и, в случае их обнаружения, могут служить космологическими зондами. Обзоры радиопульсаров, такие как Astropulse-SETI @ home, предлагают одну из немногих возможностей для мониторинга радионеба на предмет импульсных всплесков с длительностью миллисекунды. Из-за изолированного характера наблюдаемого явления природа источника остается предположительной. Возможные варианты включают столкновение черной дыры с нейтронной звездой, столкновение нейтронной звезды с нейтронной звездой, столкновение черной дыры с черной дырой или какое-то явление, которое еще не рассмотрено.
В 2010 г. появилось новое сообщение о 16 подобных импульсах от телескопа Паркса, которые явно имели земное происхождение, но в 2013 г. были идентифицированы четыре источника импульсов, которые подтверждали вероятность истинного внегалактического пульсирующего населения.
Эти импульсы известны как быстрые радиопакеты (FRB). Первый наблюдаемый всплеск стал известен как всплеск Лоримера. Блицары — одно из предлагаемых объяснений им.
Источники: еще не наблюдались
Изначальные черные дыры
Согласно модели Большого взрыва, в первые несколько мгновений после Большого взрыва давление и температура были чрезвычайно высокими. В этих условиях простые флуктуации плотности материи могли привести к локальным областям, достаточно плотным, чтобы образовались черные дыры. Хотя большинство областей с высокой плотностью будет быстро рассеяно при расширении Вселенной, изначальная черная дыра будет стабильной и сохранится до настоящего времени.
Одной из целей Astropulse является обнаружение постулируемых миниатюрных черных дыр, которые могут испаряться из-за «излучения Хокинга ». Постулируется, что такие мини-черные дыры были созданы во время Большого взрыва, в отличие от известных в настоящее время черных дыр. Мартин Риз предположил, что черная дыра, взрывающаяся из-за излучения Хокинга, может дать сигнал, который можно обнаружить по радио. Проект Astropulse надеется, что это испарение вызовет радиоволны, которые Astropulse сможет обнаружить. Испарение не будет напрямую создавать радиоволны. Вместо этого он создал бы расширяющийся огненный шар из высокоэнергетических гамма-лучей и частиц. Этот огненный шар будет взаимодействовать с окружающим магнитным полем, выталкивая его и генерируя радиоволны.
Предыдущие поиски в рамках различных проектов «поиск внеземного разума» (SETI), начиная с Проект Озма искал внеземную связь в виде узкополосных сигналов, аналогичных нашим собственным радиостанциям. Проект Astropulse утверждает, что, поскольку мы ничего не знаем о том, как инопланетяне могут общаться, это может быть немного ограниченным. Таким образом, Astropulse Survey можно рассматривать как дополнение к узкополосному обзору SETI @ home как побочный продукт поиска физических явлений.
Другие неоткрытые явления
Объяснение их недавнего открытия о мощном импульсном радиоисточнике, астроном NRL д-р Джозеф Лацио заявил: «Удивительно, но, несмотря на то, что небо, как известно, полно переходных объектов, излучающих в рентгеновских и гамма-диапазонах волн, очень мало было сделано для поиска радиовсплесков., которые зачастую легче создавать для астрономических объектов «. Использование когерентных алгоритмов выделения и вычислительной мощности, обеспечиваемой сетью SETI, может привести к открытию ранее не обнаруженных явлений.
Откуда приходят самые загадочные радиосигналы Вселенной?
Открытие быстрых радиовсплесков стало совершенно неожиданным. Уже полтора десятилетия ученые спорят о природе этих загадочных космических вспышек. Недавно астрономы выдвинули новую интригующую версию. По их мнению, дело в планетах, гибнущих в объятиях нейтронных звезд. Naked Science объясняет, что такое быстрые радиовсплески, как они были открыты и какие есть гипотезы по поводу их происхождения.
Быстрый радиовсплеск в воображении художника (на самом деле радиоволны, конечно, невидимы)./(с) James Josephides/Swinburne.Быстрые радиовсплески (fast radio bursts, FRB) — это вспышки космического происхождения, наблюдаемые в радиотелескопы. Такая вспышка сияет наравне с сильнейшими радиоисточниками неба, но длится всего несколько миллисекунд.
Мир познакомился с ними в 2007 году. Обрабатывая данные австралийского радиотелескопа Parkes за 2001 год, ученые обнаружили первую из подобных вспышек. Сегодня счет открытым FRB идет уже на сотни, и можно только гадать, сколько событий не попадает в поле зрения радиотелескопов.
Не верь антеннам своим
Многие астрономы отнеслись к открытию с недоверием. Очень короткие, очень яркие и непредсказуемые вспышки в случайных областях неба выглядели чрезвычайно похожими на помехи земного происхождения.
Поясним. Небесное тело может быть мощнейшим источником радиоволн, но им приходится преодолевать космические расстояния. Так что до Земли сигнал доходит невероятно ослабленным. Принятая в астрономии единица плотности потока (грубо говоря, яркости) — янский. Она названа в честь пионера радиоастрономии Карла Янского. Один янский равен 10 −26 ватта на квадратный метр в герце.
Космический радиоисточник в 10 янских считается очень сильным. Но несложно подсчитать, что в полосе частот, скажем, 100 килогерц излучение этого «яркого» источника имеет смехотворную мощность 10 −19 (одну десятиквинтиллионную) ватта на квадратный метр антенны. Для сравнения: передатчик портативной рации имеет мощность в несколько ватт!
При крошечной мощности космических радиоволн, падающих на квадратный метр, нужна антенна побольше. Именно поэтому радиотелескопы имеют столь впечатляющие размеры. Но это не решает проблему земных помех, которые оказываются гораздо ярче космических радиоисточников. Чтобы защититься от них, наблюдатели работают с частотами, на которых нет вещания. Однако источником земного радиосигнала может быть, например, банальная молния. Или срабатывание какого-нибудь устройства, которое вовсе не задумывалось как радиостанция. Так что когда радиоастроном видит короткие, нерегулярные и яркие вспышки (а именно таковы FRB), в его мозгу загорается тревожная лампочка.
Будьте осторожны с электроприборами
Отчасти этот скепсис оправдался. Наряду с быстрыми радиовсплесками тот же радиотелескоп Parkes регистрировал и другие очень похожие на них вспышки — так называемые перитоны. Но в отличие от FRB, со временем обнаруженных и другими инструментами, перитоны видел только «Паркс», причем лишь с одного направления. Между перитонами и быстрыми радиовсплесками есть и более тонкие различия, в которые мы не будем углубляться.
Исследователи довольно быстро пришли к выводу, что перитоны рождаются на Земле. Их точное происхождение еще некоторое время оставалось загадочным. Разгадка оказалась поистине анекдотической. Вспышки порождала… микроволновая печь в комнате отдыха персонала Parkes.
Дверца микроволновки не пропускает излучение наружу. Вот только астрономы имели обыкновение открывать ее раньше, чем заканчивался разогрев еды. В таких случаях автоматика почти мгновенно отключает излучатель. Но на доли секунды устройство превращается в источник коротких радиоволн. Их-то и фиксировал честный радиотелескоп, никак не ожидавший от своего персонала такой «подлянки».
Отсмеявшись, наблюдатели убедились, что их микроволновка умеет вызывать только перитоны, но не FRB. Это был важный, но, разумеется, не единственный аргумент за то, что быстрые радиовсплески приходят все-таки с просторов Вселенной. Под давлением накопившихся фактов даже самые въедливые скептики сняли подозрение с загадочных вспышек. Оставалось «всего ничего»: выяснить их истинное происхождение.
Пойди туда, уже знаю куда
Как это обычно и случается в науке, путь к истине складывался из множества небольших шагов.
Еще первооткрыватели быстрых радиовсплесков измерили их дисперсию. Всем знакома дисперсия света: белый луч, пропущенный сквозь стеклянную призму, распадается на целую радугу. Дело в том, что электромагнитные (в том числе световые) волны разной длины распространяются сквозь вещество с разной скоростью. А красные, зеленые и прочие световые волны имеют разную длину.
Радиоволны — это тоже электромагнитные волны, и они тоже подвержены дисперсии. Правда, не в призме, а в межзвездном и межгалактическом газе. Он очень разрежен, так что для высокомерных земных инженеров это просто-напросто вакуум. Но как капля точит камень, так и световые годы «почти пустого» пространства заставляют радиоволну на своей шкуре ощутить это самое «почти».
Зная типичную концентрацию вещества во Вселенной и измерив дисперсию радиоволны, можно определить пройденное ею расстояние. Точность такого измерения аховая, но отличить парсеки от килопарсеков можно. И наблюдения многочисленных радиовсплесков показали: они приходят далеко из-за пределов Млечного Пути. В 2016 году ученые впервые определили родительскую галактику FRB. Родившиеся там радиоволны добирались до Земли около 5 миллиардов лет. Впоследствии «родные» для радиовсплесков звездные системы определялись еще несколько раз.
Нельзя сказать, чтобы это сильно прояснило природу вспышек. В любой уважающей себя галактике целый зоопарк самых разных объектов, от банальных звезд до сверхмассивной черной дыры. И что же из всего этого «плещется» в радиоэфире?
Взорви то, не знаю что!
И все же «геолокация» оказалась полезной. Зная расстояние до источника и мощность принятого сигнала, астрономы вычислили энергию вспышки. Она оценивается в 10 38 –10 46 эрг. Разброс довольно велик: первую энергию Солнце вырабатывает за сутки, а вторую за сотни тысяч лет. Оба значения впечатляют, учитывая, что радиовсплеск длится лишь несколько миллисекунд. Однако во Вселенной бывают взрывы и покруче. Например, типичная сверхновая выделяет порядка 10 50 –10 51 эрг энергии.
Сам собой напрашивается вывод, что быстрый радиовсплеск связан с краткой и бурной космической катастрофой. Во Вселенной то и дело что-нибудь да бабахает. Вспыхивают сверхновые, звезды сталкиваются друг с другом или разрываются на части черными дырами. Но астрономам не хватало данных, чтобы сопоставить радиовсплески с конкретным типом космических катастроф.
Загадка будоражила воображение теоретиков. Высказывалась заманчивая гипотеза, что FRB порождаются взрывами первичных черных дыр. Да-да, не удивляйтесь: черные дыры теоретически могут взрываться. Говоря точнее, они «испаряются» за счет излучения Хокинга. Чем меньше масса черной дыры, тем мощнее это излучение. А чем мощнее излучение, тем больше массы черной дыры оно уносит с собой. Поэтому «испарение» ускоряет само себя, и его финальная стадия выглядит буквально как взрыв. Так, по крайней мере, говорит теория.
А на практике легчайшие из известных черных дыр имеют массу в несколько солнц. Они испаряются так медленно, что у нас нет никаких шансов дождаться финального фейерверка. Иное дело — первичные черные дыры, образовавшиеся сразу же после Большого взрыва. Они могут весить и как астероид, и даже как пылинка. Теоретически прямо сейчас во Вселенной взрывается целая куча первичных черных дыр. Вот только мы пока не видели ни одной черной дыры, которую можно уверенно опознать как первичную. И ни одного события, однозначно являющегося ее взрывом. Может быть, быстрые радиовсплески — это как раз «оно»?
Некоторые исследователи выдвигали и более смелые идеи по поводу загадочных вспышек. Например, что это взрываются не черные дыры, а гипотетические бозонные звезды, состоящие из темной материи.
Ну-ка повтори!
Однако Вселенная устроила ученым холодный душ. Оказалось, что быстрые радиовсплески могут повторяться.
Быстрые радиовсплески именуются по дате первого наблюдения. Например, событие FRB 121102 произошло, как нетрудно понять, 2 ноября 2012 года. Если позже в той же точке неба снова был зафиксирован радиовсплеск, считается, что это повтор FRB 121102, а не новое событие. Таким образом, радиовсплески делятся на повторяющиеся и неповторяющиеся.
Счет повторяющимся радиовсплескам идет на десятки, а самим повторам — на сотни. Повторяющиеся всплески редко бывают по-настоящему периодическими, хотя некие математические закономерности удается нащупать.
Событие, многократно происходящее в одной и той же точке неба, никак не может быть взрывом небесного тела. Очень трудно вообразить звезду или черную дыру, которая взрывается, а потом… снова взрывается. И так сотни раз.
Зато повторяющиеся радиовсплески прекрасно укладываются в другую теорию. Она гласит, что источник FRB — магнетары. Это нейтронные звезды с магнитными полями 10 13 –10 14 гаусс. Такие значения, невероятные даже по меркам нейтронных звезд, делают магнетары самыми сильными магнитами в известной Вселенной.
Некоторые магнетары неоднократно демонстрировали радиовспышки, правда, не дотягивающие до настоящих быстрых радиовсплесков. К тому же некоторые радиовсплески явно прошли сквозь очень мощное магнитное поле. Астрономы сделали такой вывод, измерив тонкую характеристику радиоволн. Для искушенных читателей уточним: это была мера вращения плоскости поляризации в магнитном поле.
И однажды наблюдатели все-таки дождались от магнетаров настоящего FRB. Это был FRB 200428, единственный (пока) всплеск, произошедший в Млечном Пути. Дисперсия сигнала однозначно указывала, что событие произошло в Галактике, а не за ее пределами. И надо же было такому случиться, чтобы именно в этой точке неба находился магнетар SGR 1935+2154. Впоследствии оказалось, что FRB 200428 — повторяющийся радиовсплеск.
Совсем другой вопрос, как именно магнетар порождает радиовсплески. Теорий по этому поводу предостаточно, и «планетная» гипотеза, с которой мы начали разговор, — лишь очередная из них. Чтобы сделать выбор между разными версиями, пока не хватает данных.
А может, все-таки бахнем?
Так что же, магнетары поставили жирный крест на разговорах о взрывах всяких интересных штуковин?
Не совсем. Возможно, что повторяющиеся и неповторяющиеся всплески имеют разную природу. В конце концов подавляющее большинство FRB так никогда и не повторились.
Астрономам не привыкать к вспышкам, похожим как сестры, но имеющим разное происхождение. Взглянем, например, на сверхновые.
Сверхновая типа Ia — это термоядерный взрыв белого карлика. Вообще-то белые карлики — это остатки небольших звезд, исчерпавших топливо. Обычно они медленно и скучно остывают. Но иногда белый карлик наращивает массу. Либо постепенно, поглощая вещество соседней звезды, либо резко, столкнувшись и слившись с другим белым карликом. Если масса белого карлика становится слишком большой, происходит термоядерный взрыв, разносящий жадину в пыль.
Сверхновые всех остальных типов имеют совсем другое происхождение. Такая вспышка происходит, когда массивная звезда исчерпывает запасы термоядерного топлива. При этом ее ядро сжимается, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. Внешние же слои падают на ядро и отскакивают от него. Огромная энергия этого удара превращает отскочившую оболочку в раскаленный расширяющийся фронт, похожий на взрывную волну.
Это только один пример из целого ряда совершенно разных явлений, очень похоже выглядящих в телескоп. Возможно, что и за быстрыми радиовсплесками стоят события разной природы, в том числе и взрывы чего-нибудь этакого.
Что несут с собой радиоволны исходящие от звезд
Привет!
Вы пришли на данный сайт, потому-что ищите ответ на вопрос, из игры-викторины.
У нас на сайте самая большая база отгадок к данной и многим другим похожим играм.
По-этому, мы советуем добавить наш ресурс к себе в браузерные закладки, чтобы не потерять его. Чтобы вы могли очень легко найти ответ на требуемый вопрос из игры-викторины, рекомендуем воспользоваться поиском по сайту, он находиться в верхней-правой части портала(если же вы смотрите наш сайт со смартфона, то ищите форму поиска внизу, под коментариями). Чтобы найти нужный вопрос, достаточно будет ввести всего начальные 2-3 слова из разыскиваемого вопроса.Если вдруг произошло невероятное и вы не отыскали ответа на какой-то вопрос через поиск, то просим вас написать об этом в комментариях.
Мы очень постараемся быстро поправить это.РАДИОАСТРОНОМИЯ
РАДИОАСТРОНОМИЯ, раздел астрономии, изучающий космические объекты путем анализа приходящего от них радиоизлучения. Многие космические тела излучают радиоволны, достигающие Земли: это, в частности, внешние слои Солнца и атмосфер планет, облака межзвездного газа. Радиоизлучением сопровождаются такие явления, как взаимодействие турбулентных потоков газа и ударные волны в межзвездной среде, быстрое вращение нейтронных звезд с сильным магнитным полем, «взрывные» процессы в ядрах галактик и квазаров, солнечные вспышки и др. Приходящие к Земле радиосигналы естественных объектов имеют характер шумов. Эти сигналы принимаются и усиливаются с помощью специальной электронной техники, а затем регистрируются в аналоговом или цифровом виде. Часто радиоастрономическая техника оказывается более чувствительной и дальнодействующей, чем оптическая.
Сравнение с оптической астрономией.
Из всех видов космического электромагнитного излучения к поверхности Земли сквозь ее атмосферу проходят, практически не ослабевая, только видимый свет, близкое (коротковолновое) инфракрасное излучение и часть спектра радиоволн. С одной стороны, радиоволны, имеющие значительно большую длину волны, чем оптическое излучение, легко проходят сквозь облачные атмосферы планет и облака межзвездной пыли, непрозрачные для света. С другой стороны, только самые короткие радиоволны проходят сквозь прозрачные для света области ионизованного газа вокруг звезд и в межзвездном пространстве.
Слабые космические сигналы радиоастрономы улавливают с помощью радиотелескопов, основными элементами которых служат антенны. Обычно это металлические рефлекторы в форме параболоида. В фокусе рефлектора, там, где концентрируется излучение, помещают собирающее устройство в виде рупора или диполя, которое отводит собранную энергию радиоизлучения к приемной аппаратуре. Рефлекторы диаметром до 100 м делают подвижными и полноповоротными; они могут наводиться на объект в любой части неба и следить за ним. Более крупные рефлекторы (до 300 м в диаметре) – неподвижные, в виде огромной сферической чаши, а наведение на объект происходит за счет вращения Земли и перемещения облучателя в фокусе антенны. Рефлекторы еще большего размера обычно имеют вид части параболоида. Чем больше размер рефлектора, тем детальнее наблюдаемая радиокартина. Часто для ее улучшения один объект наблюдают синхронно двумя радиотелескопами или целой их системой, содержащей несколько десятков антенн, разнесенных иногда на тысячи километров.
Диапазоны регистрируемого радиоизлучения.
Сквозь земную атмосферу проходят радиоволны длиной от нескольких миллиметров до 30 м, т.е. в диапазоне частот от 10 МГц до 200 ГГц. Таким образом, радиоастрономы имеют дело с частотами, заметно более высокими, чем, например, широковещательный радиодиапазон средних или коротких волн. Однако с появлением УКВ и телевизионного вещания в диапазоне частот 50–1000 МГц, а также радиолокаторов (радаров) в диапазоне 3–30 ГГц у радиоастрономов возникли проблемы: мощные сигналы земных передатчиков в этих диапазонах мешают приему слабых космических сигналов. Поэтому путем международных соглашений радиоастрономам выделено для наблюдения космоса несколько диапазонов частот, в которых запрещена передача сигналов.
Историческая справка.
Радиоастрономия как наука началась в 1931, когда К.Янский из компании «Белл телефон» стал изучать помехи радиосвязи и обнаружил, что они приходят из центральной части Млечного Пути. Первый радиотелескоп построил в 1937–1938 радиоинженер Г.Ребер, самостоятельно сделавший у себя в саду из листов железа 9-метровый рефлектор, в принципе такой же, как нынешние гигантские параболические антенны. Ребер составил первую радиокарту неба и обнаружил, что на волне 1,5 м излучает весь Млечный Путь, но наиболее сильно – его центральная часть. В феврале 1942 Дж.Хей заметил, что в метровом диапазоне Солнце создает помехи радиолокаторам, когда на нем происходят вспышки; радиоизлучение Солнца в сантиметровом диапазоне в 1942–1943 открыл Дж.Саутворт.
Планомерное развитие радиоастрономии началось после Второй мировой войны. В Великобритании были созданы крупная обсерватория Джодрелл-Бэнк (Манчестерский университет) и станция Кавендишской лаборатории (Кембридж). Радиофизическая лаборатория (Сидней) организовала несколько станций в Австралии. Нидерландские радиоастрономы стали изучать облака межзвездного водорода. В СССР были построены радиотелескопы под Серпуховом, в Пулкове, в Крыму.
Крупнейшими радиообсерваториями США являются Национальные радиоастрономические обсерватории в Грин-Бэнк (шт. Зап.Виргиния) и Шарлотсвилле (шт. Виргиния), обсерватория Корнеллского университета в Аресибо (о. Пуэрто-Рико), обсерватория Калифорнийского технологического института в Оуэнс-Вэлли (шт. Калифорния), Линкольновская лаборатория Массачусетского технологического института и обсерватория Ок-Ридж Гарвардского университета (шт. Массачусетс), обсерватория Хэт-Крик Калифорнийского университета в Беркли (шт. Калифорния), Радиоастрономическая обсерватория пяти колледжей Массачусетского университета (шт. Массачусетс).
Типы радиотелескопов.
В простейшем виде радиотелескоп состоит из антенны, приемника и регистрирующего устройства. Радиотелескоп может только принимать сигналы из космоса, а радиолокатор может излучать мощный сигнал и принимать отраженное от космического объекта эхо. Некоторые известные радиотелескопы являются также радиолокаторами, например 305-метровый телескоп в Аресибо. См. также РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ.
Параболические антенны.
Первые послевоенные радиотелескопы имели параболические антенны, т.е. напоминали «тарелки» военных радаров. До сих пор это наиболее распространенный тип антенны для наблюдений в широком диапазоне длин волн. Качество радиотелескопа в основном определяется его чувствительностью и разрешающей способностью. Чувствительность – это способность регистрировать предельно слабые сигналы. Она зависит от апертуры антенны (т.е. ее собирающей площади), от диаграммы направленности антенны (способности выделять сигнал с определенного направления на фоне сигналов, приходящих со всех других направлений) и от величины собственных шумов приемника. В диапазоне длинных волн шумы приемников невелики, но на коротких волнах это становится серьезной проблемой.
Разрешающая способность, или, просто, разрешение телескопа – это его способность разделить сигналы от двух близких по направлению источников. Минимальный угол (в радианах) между такими источниками определяется отношением длины волны излучения к диаметру телескопа. Если антенна диаметром 300 м используется для наблюдения на волне длиной 1 м, то ее разрешение составляет около 1/300 радиана или 11ў. Это заметно хуже, чем у человеческого глаза (около 1ў) и намного хуже, чем у крупных оптических телескопов (менее 1ўў). Для увеличения разрешающей способности стремятся использовать антенны большого диаметра на короткой длине волны. Однако при этом возникает серьезная проблема: если форма антенны отличается от идеального параболоида более чем на 1/15 длины волны, то такая антенна не может точно фокусировать приходящее излучение.
Крупнейшая полноповоротная параболическая антенна диаметром 100 м находится близ Бонна (Германия). Она работает на волнах сантиметрового диапазона. Подобные антенны диаметром 70–90 м имеются в США, Англии, России и Австралии. Создать более крупную подвижную антенну не удается из-за проблем деформации под действием собственного веса. Поэтому крупнейшая в мире 305-метровая антенна радиотелескопа в Аресибо неподвижно лежит в земляной чаше, имеющей в центре глубину 137 м. Она осматривает небо благодаря вращению Земли и перемещению ее облучателя относительно вертикали на 20°. Форма рефлектора этой антенны не параболическая (при которой он фокусировал бы излучение, приходящее лишь с одного направления), а сферическая, одинаково пригодная для фокусировки лучей, приходящих с любого направления. Обладая огромной площадью, этот радиотелескоп самый чувствительный в мире; работая как радиолокатор, он может «дотянуться» до Сатурна.
Стремясь повысить разрешающую способность радиотелескопов, создают антенны сложной формы: например, в виде параболического цилиндра, вытянутого вдоль поверхности Земли и имеющего высокое разрешение в горизонтальном направлении и низкое – в вертикальном; или в виде кольца, представляющего как бы обод параболической антенны без ее средней части, как у радиотелескопа РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории АН России диаметром 600 м. Такие конструкции называют антеннами с незаполненной апертурой. Еще более сложными являются многоапертурные радиотелескопы – «антенные решетки», – состоящие из нескольких антенн, направленных на один объект и суммирующих принятые сигналы.
Радиоинтерферометры.
Простейший из них по принципу действия похож на оптический интерферометр Майкельсона и состоит из двух небольших антенн, находящихся друг от друга на некотором расстоянии, называемом базой. Сигнал источника достигает одной из антенн чуть раньше, чем другой: разница в пути сигнала определяется базой интерферометра и углом между ней и направлением на источник. Если эта разница составляет целое число длин волн, то сложенные вместе сигналы усиливают друг друга; если нечетное число полуволн – то ослабляют. Поэтому при перемещении источника по небу его суммарный сигнал периодически усиливается и ослабляется, аналогично светлым и темным полосам в оптическом интерферометре. Чем больше база прибора, тем чаще располагаются полосы. Это позволяет точнее определять положение на небе точечных источников или детальнее исследовать структуру протяженных источников.
Радиоинтерферометр Калифорнийского технологического института в Оуэнс-Вэлли состоит из трех 27-метровых параболических антенн, которые могут передвигаться по рельсовым путям на расстояние 488 м в направлениях север-юг и запад-восток. Меняя таким образом размер и направление базы, можно исследовать структуру источников в разных масштабах и направлениях. Похожая система работает и в Грин-Бэнк.
Интерферометры другого типа состоят из двух линейных рядов антенн, образующих крест. Каждый из рядов имеет высокое разрешение в направлении своей протяженности, а вместе они точно локализуют источник на небе. В начале 1950-х годов в Австралии такие системы создавали У.Кристиансен и Б.Миллс. Крест Миллса состоит из двух рядов элементарных дипольных антенн, а крест Кристиансена – из рядов параболических антенн; существуют также кресты из параболических цилиндров. Первый крест Миллса, сооруженный в 1952 близ Сиднея (Австралия), имел плечи по 457 м, второй, законченный в 1957, – по 1067 м. Позже в Хоскинтауне (шт. Новый Южный Уэльс, Австралия) был построен крест из двух параболических цилиндров длиной по 1554 м. В крестообразном телескопе Стэнфордского университета каждое плечо длиной 114 м состоит из 16 трехметровых параболических антенн. Физический институт Российской АН имеет близ Серпухова крестообразный телескоп из двух параболических цилиндров длиной по 1 км. Такой же инструмент используется в Университете Болоньи (Италия), а крест вблизи Сиднея имеет плечи по 1,6 км.
Развитие этих идей привело к созданию гигантских инструментов. Например, на плато Св. Августина, к западу от Сокорро (шт. Нью-Мексико) сооружен радиоинтерферометр VLA (Very Large Array, очень большая решетка) Национальной радиоастрономической обсерватории США. Это система из 27 параболических полноповоротных антенн диаметром по 25 м, имеющая три плеча по 22,4 км, расположенных в виде буквы Y. Предельно большими для наземной радиоастрономии стали межконтинентальные интерферометры, отдельные антенны которых расположены в разных странах и даже на разных континентах. Разрешающая способность таких систем достигает 0,001ўў.
Радиоизлучение Солнца.
Зарегистрировано радиоизлучение Солнца с длиной волны от нескольких миллиметров до 30 м. Особенно сильно излучение в метровом диапазоне; оно рождается в верхних слоях атмосферы Солнца, в его короне, где температура порядка 1 млн. К. Коротковолновое излучение Солнца относительно слабо; оно выходит из хромосферы, расположенной над видимой поверхностью Солнца – фотосферой.
Галактические радиоисточники.
Уже первые наблюдения Г.Ребера показали, что радиоизлучение Млечного Пути неоднородно – оно сильнее в направлении центра Галактики. Дальнейшие исследования подтвердили, что основные источники радиоволн относительно компактны; их называют точечными или дискретными. Зарегистрированы уже десятки тысяч таких источников.
Излучение космических радиоисточников бывает двух типов: тепловое и нетепловое (обычно синхротронное). Тепловое излучение рождается в горячем газе от случайного (теплового) движения заряженных частиц – электронов и протонов. Его интенсивность в широком диапазоне спектра почти постоянна, но на длинных волнах она быстро уменьшается. Такое излучение характерно для эмиссионных туманностей. Остальные источники имеют нетепловое излучение, интенсивность которого растет с увеличением длины волны. В этих источниках излучение возникает при движении очень быстрых электронов в магнитном поле. Скорости электронов близки к скорости света, и это не может быть следствием простого теплового движения. Для разгона электронов до таких скоростей в лаборатории используют специальные ускорители – синхротроны. Как это происходит в естественных условиях, не совсем ясно. Синхротронное излучение сильно поляризовано. Это позволяет обнаруживать его в космических источниках и по направлению поляризации определять ориентацию их магнитного поля. Таким методом исследованы межзвездные магнитные поля в нашей и соседних галактиках.
Одним из важнейших достижений радиоастрономии стало открытие активных процессов в ядрах галактик. Радионаблюдения указывали на это еще в 1950-е годы, но окончательное подтверждение появилось в 1962, когда с помощью 5-метрового оптического телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) были независимо обнаружены бурные процессы в ядре галактики М 82.
Другим важнейшим открытием радиоастрономии считаются квазары – очень далекие и активные внегалактические объекты. Вначале они казались рядовыми точечными источниками. Затем некоторые из них были отождествлены со слабыми звездами (отсюда название «квазар» – квазизвездный радиоисточник). Доплеровское смещение линий в их оптических спектрах указывает на то, что квазары удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света и, в соответствии с законом Хаббла, расстояния до них составляют миллиарды световых лет. Находясь на таких гигантских расстояниях, они заметны лишь потому, что излучают с огромной мощностью – порядка 10 41 Вт. Это значительно больше мощности излучения целой галактики, хотя размер области генерации энергии у квазаров существенно меньше размера галактик и порой не превосходит размера Солнечной системы. Загадка квазаров до сих пор не раскрыта. См. также КВАЗАР.
Отождествление источников.
Звезды – слабые источники радиоволн. Долгое время единственной звездой на «радионебе» было Солнце, и то лишь благодаря его близости. Но в 1970-х годах Р.Хелминг и К. Уэйд из Национальной радиоастрономической обсерватории США открыли радиоизлучение от газовых оболочек, сброшенных Новой Дельфина 1967 и Новой Змеи 1970. Затем они обнаружили радиоизлучение красного сверхгиганта Антареса и рентгеновского источника в Скорпионе.
В.Бааде и Р.Минковский из обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар (США) отождествили многие яркие радиоисточники с оптическими объектами. Например, ярчайший источник в Лебеде оказался связан с очень далекой и слабой галактикой необычной формы, ставшей прототипом радиогалактик. Мощный радиоисточник в Тельце они отождествили с остатком взрыва сверхновой звезды, отмеченной в китайской летописи 1054. Мощный источник в Кассиопее также оказался остатком сверхновой, вспыхнувшей всего лет 300 назад, но не замеченной никем.
В 1967 Э.Хьюиш, Дж.Белл и их коллеги из Кембриджа (Англия) открыли необычные переменные радиоисточники – пульсары. Излучение каждого пульсара представляет строго периодическую последовательность импульсов; у открытых пульсаров периоды лежат в интервале от 0,0016 с до 5,1 с. Через 2 года У.Кокки, М.Дисней и Д.Тейлор обнаружили, что радиопульсар в Крабовидной туманности совпадает со слабой оптической звездой, которая, как и пульсар, изменяет свою яркость с периодом 1/30 с. Среди более 700 известных сейчас пульсаров еще только один – в созвездии Парусов (Vela) – демонстрирует оптические вспышки. Выяснилось, что феномен пульсара связан c нейтронными звездами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса ядер массивных звезд. Имея диаметр около 15 км и массу как у Солнца, нейтронная звезда быстро вращается и как маяк периодически «освещает» Землю. Постепенно скорость вращения пульсара замедляется, период между импульсами возрастает, а их мощность падает. Иногда наблюдаются резкие сбои периода, когда у нейтронной звезды происходит перестройка структуры, называемая «звездотрясением». См. также НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА; ПУЛЬСАР.
Фоновое излучение.
Кроме отождествленных и неотождествленных дискретных источников, наблюдается суммарный фон от миллионов далеких галактик и облаков межзвездного газа нашей Галактики. С повышением чувствительности и разрешающей способности радиотелескопов из этого фона удается выделить все больше дискретных источников.
Радиоизлучение планет.
В 1956 К.Мейер из Военно-морской лаборатории США открыл излучение Венеры на волне 3 см. В 1955 Б.Бурке и К.Франклин из института Карнеги в Вашингтоне обнаружили короткие всплески радиоизлучения от Юпитера на волне 13,5 м. Дальнейшие исследования в Австралии показали, что всплески излучения от Юпитера приходят в те моменты, когда определенные зоны его поверхности обращены к Земле. В дециметровом диапазоне кроме теплового излучения наблюдалось и синхротронное, что указывало на наличие у Юпитера мощного магнитного поля, которое позже было действительно обнаружено космическими зондами.
Радиолокационные исследования планет позволяют точно определять их расстояние от Земли, скорость их суточного вращения и свойства поверхности. Радиолокация Венеры позволила изучить топографию ее поверхности, закрытой от оптических телескопов плотным облачным слоем. См. также РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ.
Излучение водорода.
Нейтральный атомарный водород – возможно, самый распространенный элемент в межзвездном пространстве. Он способен излучать радиолинию с длиной волны 21 см, которая была предсказана в 1944 нидерландским теоретиком Х. ван де Хюлстом и обнаружена в 1951 Х.Юэном и Э.Парселом из Гарвардского университета (США). Существование узкой линии в радиодиапазоне оказалось очень полезным: измеряя ее доплеровское смещение, можно очень точно определять лучевую скорость наблюдаемого облака газа. При этом приемная аппаратура радиотелескопа сканирует некоторый диапазон длин волн в районе линии 21 см и отмечает пики излучения. Каждый такой пик – это линия излучения водорода, смещенная по частоте из-за движения одного из облаков, попавших в поле зрения антенны телескопа.
Около 5% водорода в Галактике вследствие высокой температуры находится в ионизованном состоянии. Когда свободные электроны пролетают вблизи положительно заряженных ядер водорода – протонов, они испытывают притяжение, движутся ускоренно и при этом излучают электромагнитные кванты. Иногда, потеряв энергию, электрон оказывается захваченным на один из верхних уровней атома (т.е. происходит рекомбинация). Спускаясь затем каскадно на устойчивый нижний уровень, электрон также излучает кванты энергии. Такое излучение свободных и рекомбинирующих электронов наблюдается в радиодиапазоне от эмиссионных туманностей и позволяет обнаруживать их даже в тех случаях, когда оптическое излучение не может достичь Земли из-за поглощения в межзвездной пыли. Благодаря этому радиоастрономы смогли обнаружить практически все эмиссионные туманности в Галактике. См. также ТУМАННОСТИ.
Млечный Путь.
Наша Галактика – довольно плоская спиральная звездная система диаметром около 100 тыс. св. лет. Солнце – одна из 100 млн. ее звезд – движется по орбите почти точно в плоскости галактического диска на расстоянии около 30 тыс. св. лет от его центра. Радиоволны, свободно проходящие сквозь облака межзвездной пыли, идеально подходят для изучения спиральных рукавов Галактики, содержащих много межзвездного газа. Наблюдая в линии 21 см скопления облаков нейтрального водорода, можно довольно точно определять строение спиральных рукавов и их положение: они тянутся почти от самого центра Галактики до расстояния в 40 тыс. св. лет. В области центра Галактики движение газа довольно беспорядочное; возможно, газ движется там радиально от центра. См. также МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ.
Молекулы и формирование звезд.
Исследование облаков атомарного водорода показало, что они тесно связаны с процессом формирования звезд. Как показал Т.Менон из Гарвардского университета (США), комплекс молодых звезд в Орионе с известной яркой эмиссионной Туманностью Ориона, пылевой туманностью Конская голова и множеством массивных горячих звезд погружен в огромное облако водорода массой 60 тыс. масс Солнца. Наиболее холодные и плотные части таких облаков содержат многие виды молекул и атомных групп. Простейшая и самая распространенная из них – молекула водорода H2, но встечаются и более сложные: гидроксил (OH), окись углерода (CO), вода (H2O), аммиак (NH3), формальдегид (H2CO), метиловый спирт (CH3OH), этиловый спирт (CH3CH2OH), ацетон (CH3CH3CO) и т.д. Всего в межзвездных облаках открыто около 100 различных молекул, самые сложные из которых содержат 13 атомов. В недрах молекулярных облаков под действием гравитации межзвездное вещество сжимается в звезды, а из остатков этого вещества вокруг звезд формируются планетные системы. Не исключено, что межзвездные органические молекулы, попадая в атмосферы планет, дают начало развитию жизни. См. также МЕЖЗВЕЗДНОЕ ВЕЩЕСТВО.
Космологические исследования.
Астрономы считают, что эволюция нашей Вселенной началась 10–15 млрд. лет назад с колоссального взрыва, после которого началось ее расширение. Радионаблюдения далеких галактик и квазаров помогают узнать состояние Вселенной в глубоком прошлом. Значительно глубже проникнуть в прошлое нашего мира помогло открытие реликтового радиоизлучения, оставшегося от первого этапа расширения горячего вещества Вселенной. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии, было сделано А.Пензиасом и Р.Уилсоном. Оно окончательно подтвердило справедливость представлений о Большом взрыве, родившем нашу Вселенную.