Радиоастрономия
1. Введение
2. Условия радиоастрономических исследований
3. Что наблюдают и изучают радиоастрономы
4. Основные этапы развития и достижения радиоастрономии
5. Заключение
1. Введение
Р. - раздел астрофизики, изучающий различные космические объекты методом исследования их эл.-магн. излучения в диапазоне радиоволн (от миллиметровых до километровых). Объектами изучения явл. практически все космич. тела и их комплексы (от тел Солнечной системы до Метагалактики), а также вещество и поля, заполняющие космич. пространство (межпланетная среда, межзвездный газ, межзвездная пыль и магн. поля, космические лучи, реликтовое излучение и т.п.). Метод исследования - регистрация космич. радиоизлучения с помощью <радиотелескопов>.
Р. зародилась в начале 30-х гг. 20 в., когда амер. радиоинженер К. Янский изучал помехи радиотелефонной связи. Для этой цели он сконструировал направленную антенну и использовал довольно высокочувствительный по тем временам приемник. Наряду с помехами земного, атмосферного происхождения (грозовые разряды, ионосферные шумы и др.) Янский заметил вариации мощности радиошума, коррелировавшие с периодом вращения Земли, и вскоре надежно установил космическое происхождение источника этих сигналов.
До 2-й мировой войны космич. радиоизлучение не интересовало астрономов. Новый метод исследования космоса требовал новых, необычных инструментов наблюдения и новых, владеющих этим методов исследователей.
Во время 2-й мировой войны ускорилось развитие радиофизики и радиотехники. Антенны и высокочувствительные приемники созданных в это время радарных систем дали мощный толчок развитию радиоастрономич. исследований. С 1950-х гг. началось бурное развитие Р.
2. Условия радиоастрономических исследований
Радиоволны, распространяющиеся в космич. пространстве, могут быть зарегистрированы наземными приемниками в диапазоне частот от ГГц ( см; см. Прозрачность земной атмосферы). Радиоволны с м не проходят (поглощаются или отражаются) через ионосферу Земли (см. Верхняя атмосфера). Наблюдения в этом диапазоне могут проводится радиотелескопами, вынесенными за пределы атмосферы. Радиоволны с см поглощаются молекулами атмосферных газов. Однако эта граница атмосферного "радиоокна" не резкая. Она представляет собой ряд интервалов прозрачности и полупрозрачности между полосами поглощения молекул, что позволяет проводить наблюдения на некоторых волнах миллиметрового диапазона, в частности вблизи длин волн 8, 4 и 2,6 мм.
Радиоастрономич. наблюдения, в отличие от оптических, можно проводить и в облачную погоду, т.к. атмосферные условия слабо влияют на прохождение радиоволн (кроме коротковолнового сантиметрового и миллиметрового диапазонов) .
Радиоастрономич. обсерватории оснащены большими радиотелескопами, основой которых явл. специально сконструированные и построенные антенны или комплексы антенн. Они снабжены набором высокочувствит. приемных устройств - радиометров , а также спец. многоканальными приемниками излучения для целей радиоспектроскопии в различных радиолиниях, устройствами для исследования линейной и круговой поляризации радиоволн. В радиоастроонмич. эксперименте широко применяются ЭВМ, облегчающие процесс регистрации принимаемого радиоизлучения и, главное, обработки данных наблюдений. Отдельно взятый радиотелескоп не может "перекрыть" весь диапазон радиоволнЮ в к-ром ведутся радиоастрономич. исследования. В длинноволновой области (декаметровые, метровые волны) применяются, как правило, сложные антенны, "набранные" из многих десятков и сотен элементов (напр., диполей). В дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн с успехом используются большие полу- и полноповоротные параболич. антенны. Антенны этого типа применяются и в миллиметровом диапазоне, но требованияк точности изготовления зеркал здесь выше.
Т.о., исследование космич. радиоизлучения во всем диапазоне явл. задачей, решение к-той возможно лишь с использованием многих радиотелескопов различных обсерваторий мира. Это требует координации и кооперации работы радиоастрономов многих стран, эффективного обмена научной информацией, т.е. тесного международного сотрудничества.
3. Что наблюдают и изучают радиоастрономы
Если бы "радионебо" можно было видеть так же, как мы видим в ясную ночь звездное небо, нам представилась бы картина, существенно отличающаяся от той, к-рая наблюдается в световых лучах. Мы увидели бы более широкую (в 2-3 раза) яркую полосу вдоль Млечного Пути со значит. увеличением яркости в галактическом центре (в оптич. излучении центр ненаблюдаем из-за сильного поглощения света межзвездной пылью). Все небо было бы усеяно "радиозвездами" и протяженными туманностями различной яркости. При сопоставлении вида неба в световых и радиолучах мы обратили бы внимание на странное, на первый взгляд, несоответствие: на месте многих оптически ярких звезд не было бы видно даже слабых "радиозвезд", в то время как нек-рые оптически слабые объекты, невидимые невооруженным глазом, в радиолучах были бы очень яркими. При помощи сильного оптич. телескопа на месте нек-рых ярких "радиозвезд" мы увидели бы далекие туманности и слабые звездобразные объекты - галактики и квазары. Самым ярким объектом "радионеба" остается Солнце (из-за близости к нам). Однако мощность его радиоизлучения в миллионы раз меньше оптического. Это сравнение показывает, насколько слабо, вообще говоря, радиоизлучение космоса и почему его интенсивное исследование стало возможным лишь после создания гигантских высокочувствит. радиотелескопов. Вторым по потоку радиоизлучения источником явл. галактич. туманность в созвездии Кассиопеи (радиоисточник Кассиопея А) - остаток вспышки сверхновой звезды. Но уже следующим по наблюдаемому потоку излучения объектом явл. радиоисточник в созвездии Лебедя, отождествляемый с далекой (расстояние ок. 200 Мпк) слабой (16-й звездной величины) туманностью (радиогалактика Лебедь А). Абсолютное большинство наиболее мощных радиоисточников на "радионебе" - внегалактич. объекты (радиогалактики и квазары).
Непрерывное радиоизлучение явл. излучением больших ансамблей заряженных частиц (прежде всего электронов). Быстро и хаотически меняющийся во времени "радиошум" "размазан" по широкому интервалу радиочастот, т.е. имеет непрерывный частотный спектр. Одна из задач радиоастрономич. исследований - определение спектр. распределения потока энергии, приносимого радиоволнами от космич. объектов. Спектр. состав радиоизлучения - важная характеристика механизма излучения. Осн. механизмами непрерывного радиоизлучения явл. тормозное излучение, магнитотормозное излучение и (в т.ч. синхротронное излучение). Осн. механизм радиоизлучения в линиях связан с переходами между уровнями энергии атомов и молекул.
Регистрируемое на некоторой частоте радиоизлучение космич. объекта выражают в т.н. ед. спектральной плотности потока [Вт/(м2 Гц)] (см. Янский).
Рис. 1. Образец записи космического радиоисточника (квазар 3С 48) на волне 32 см. К. Справа на записи калибровочная "ступенька" от шумового генератора. |
Радиотелескоп, работающий на нек-рой частоте , представляет собой "монохроматический" инструмент, регистрирующий излучение в полосе $\Delta \nu$, и, следовательно, дает лишь одну "точку" на спектре источника. Построение и исследование непрерывных спектров радиоизлучения требует измерений на многих частотах. На рис. 2 приведены построенные по отдельным "точкам" спектры синхротронного излучения ряда радиоисточников широко известного третьего Кембриджского каталога (3C).
Рис. 2. Примеры непрерывных спектров радиоизлучения некоторых радиоисточников каталога 3С (3С 295 - радиогалактика, остальные объекты - квазары). Указаны значения спектральных индексов . В квазаре 3С 345 коротковолновая часть спектра (пунктир) переменна. |
Помимо спектров излучения и структуры радиоисточников исследуются также поляризация излучения, распределение поляризов. излучения по видимой структуре источников (рис. 4). Это позволяет получать данные о структуре магн. полей, а также (на основе Фарадея эффекта) о св-вах среды (напр., о плотности плазмы как в области формирования излучения, так и на пути его распространения).
Рис. 3. Структура источника излучения в радиогалактике 3С 111 (на волне 21 см) и ее центрального компонента (вверху), наблюдаемого на волне 2,8 см. В левом нижнем углу - размеры диаграммы направленности интерферометра на волне 21 см. |
Важным направлением Р. явл. радиоспектроскопия - исследование излучения космич. объектов в различных радиолиниях, таких, как радиолиния 21 см нейтрального водорода, влиниях возбужденного водорода, в линиях OH ( см), воды H2O ( см) и многих др. молекул.
4. Основные этапы развития и достижения радиоастрономии
В 1945-46 гг. были проведены первые успешные эксперименты по радиолокации Луны. В последующие годы этот активный метод исследования тел Солнечной системы позволил с высокой точностью определять расстояния и, в частности, уточнить астрономическую единицу длины, а также детально изучить строение твердых поверхностей ряда планет (см. Радиолокационная астрономия).
В 1951 г. сразу тремя группами радиоастрономов в Нидерландах, США и Австралии была открыта предсказанная в 1944 г. голл. астрономом ван де Хюлстом радиолиния водорода 21 см (возможность ее обнаружения в излучении Галактики существовавшими в то время средствами была показана И.С. Шкловским в 1948 г.). Холодные области межзвездной среды, где практически все атомы водорода (подчеркнем, что это осн. элемент в космич. пространстве) находятся в нейтральном состоянии, нельзя наблюдать никакими др. методами. Поэтому линия 21 см - важнейший инструмент исследования межзвездного водорода, позволяющий получать важные сведения о его массе, характере распределения и кинематике как в нашей Галактике, так и во многих др. близких галактиках.
В 50-е гг. 20 в. интенсивно изучалось радиоизлучение Солнца и были открыты его осн. особенности. Изучалось радиоизлучение планет. Исследование радиоизлучения Луны на различных длинах волн позволило, в частности, установить, что ее поверхность покрыта значит. слоем пыли; было обнаружено, что поверхность Венеры имеет высокую ( К) темп-ру; и