Радиоастрономия
Радиоволны
Радиоволны – электромагнитные волны, частоты которых ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 миллионов километров до 0,1 миллиметра.
В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.
Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в множестве других приложений.
Радиоастрономия
Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн. Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение). Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.
Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.
Реликтовое излучение также было впервые обнаружено с помощью радиотелескопов. Кроме того, радиотелескопы использовались и для исследования ближайших к Земле астрономических объектов, включая наблюдения Солнца и солнечной активности, и радарное картографирование планет Солнечной системы.
Инструменты радиоастрономии
Радиотелескопы – инструменты для приёма собственного радиоизлучения космических объектов и исследования их дислокации, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.
Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов, исследующих электромагнитное излучение. На более высоких частотах работают телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.
История радиотелескопов началась в 1931 году с экспериментов Карла Янски на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех он построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30,5 метров в длину и 3,7 метров в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 метров (20,5 МГц). Антенна соединялась с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.
В 1932 году Янски уже сообщал о первых результатах, полученных на своей установке. В статье сообщалось об обнаружении «постоянного шипения неизвестного происхождения», которое трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа». В двух своих следующих работах 1933 года и 1935 года Карл Янски постепенно приходит к заключению, что помехи производит центральная область нашей Галактики.
Янски сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30,5 метров в диаметре для работы на метровых волнах, однако его предложение не получило поддержки.
В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США), заинтересовался работой Янски и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янски, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее.
Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты. Развивая аппаратуру, Ребер приступил к систематическому обзору неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода на волне 1,87 метров, показывающие центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы.
После Второй мировой войны произошли существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учеными в Европе, Австралии и США. Расцвет радиоастрономии привел к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.
Миллиметровое и субмиллиметровое излучение открывает окно в загадочную холодную Вселенную, но эти сигналы из космоса почти целиком поглощаются водяным паром в атмосфере Земли. Поэтому телескопы, работающие в этой области астрономии, должны устанавливаться на большой высоте над уровнем моря в местах с низкой влажностью воздуха. Именно таким местом является плато Чахнантор на высоте 5000 метров, где расположена одна из самых высокогорных радиоастрономических обсерваторий на Земле.
ALMA — сверхсовременный инструмент для изучения самых холодных объектов во Вселенной. Они излучают на волнах длиной около миллиметра, между инфракрасным светом и радиоволнами, поэтому такое излучение называется миллиметровым и субмиллиметровым. ALMA состоит из 66 высокоточных антенн, расставленных на расстояния до 16 километров друг от друга. Это крупнейший из существующих глобальных наземных астрономических проектов.
Радиоастрономия подарила мировому научному сообществу важные знания о самых далеких галактиках и потенциально угрожающих Земле астероидах, о сверхмассивных черных дырах и слияниях галактик. Таким образом, сегодня благодаря современным радиообсерваториям мы можем смотреть не только в прошлое, разбирая свет, идущий к нам миллиарды лет, но и делать прогнозы на как ближайшее, так и на весьма отдаленное будущее, не теряясь в пыли космического пространства.
© 2015-2021 Ин-Спейс. Все права защищены.
Использование всех текстовых материалов без изменений разрешается только с активной гиперссылкой на издание Ин-Спейс. Все аудиовизуальные произведения являются собственностью своих авторов и правообладателей и используются только в образовательных и информационных целях.
Сетевое издание Ин-Спейс зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 04 мая 2018 года. Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77 — 72684.
Сайт может содержать контент, не предназначенный для лиц младше 18 лет.
Источник
Электромагнитное излучение в космосе.
Наибольшая часть наших сведений о Вселенной получена благодаря исследованию света звезд. Свет, излучаемый звездой, распространяется в космосе в форме волны. Волна — это поднимающееся и опадающее периодическое колебание, которое переносит энергию от источника к приемнику без переноса вещества.
Световая волна — электромагнитное колебание. Световые волны переносят энергию от звезд (источник) к сетчатке нашего глаза (приемник). Расстояние от какой-либо точки на волне до следующей такой же самой точки, например, от гребня до гребня, называется длиной волны.
Человеческий глаз ощущает свет с очень короткой длиной волны. Волны, благодаря которым мы видим, называются видимым светом. Длины волн видимого света обычно измеряют в ангстремах. Один ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра (10-8 см). Видимый свет имеет длины волн между 4000 А и 7000 А.
Различные длины волн видимого света воспринимаются как разные цвета. Расположение цветов по длинам волн называется спектром.
Видимый свет — это лишь небольшая доля всего электромагнитного излучения в космосе. Энергия переносится также в форме гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения и радиоволн.
Нам известно, что гамма-лучи используют в медицине для лечения опухолевых заболеваний, а рентгеновские — для диагностики. Ультрафиолетовые лучи вызывают на теле загар, а инфракрасные — согревают. Радиоволны используются для связи.
Все эти формы излучения представляют собой тот же вид энергии, что и видимый свет. Отличаются они только длиной волны. Эта же причина приводит к резко различным свойствам излучения. Самые короткие волны (гамма-лучи) имеют наибольшую энергию, в то время как самые длинные (радиоволны) — наименьшую энергию.
Все семейство электромагнитного излучения, составленное согласно длинам волн, называется электромагнитным спектром.
Все виды электромагнитных волн распространяются в пустом пространстве с одной и той же скоростью, а именно со скоростью света. Скорость света в вакууме составляет примерно 299 793 км/с. Для расчетов берется значение 300 000 км/с. Ни один из известных объектов во Вселенной не может двигаться быстрее света. Во всех других средах (например, в воздухе, в стекле) скорость света меньше.
Световой год — это расстояние, которое проходит свет в пустоте за один год.
Задача. Сколько километров содержится в одном световом году?
1 св. год = скорость света x 1 год. Так как в 1 году содержится 3,156∙107 секунд, то 1 св. год = 299 793 км/с ∙ 3,156∙107 с = 9,46 триллионов км.
Волновое движение может быть описано либо с помощью понятия длины волны, либо с помощью понятия частоты. Частота волны — это число волн, которые прошли за данное время через данную точку пространства. Например, за 1 секунду. Количество колебаний в секунду измеряется в герцах (Гц).
Человеческий глаз воспринимает световые волны различных цветов, обладающие очень высокой частотой.
Для всех видов волнового движения справедливо соотношение:
V=v*λ, где V — скорость волны, ν — частота волны, λ — длина волны. Для электромагнитных волн в пустоте скорость V равна скорости света с.
Звезды, как и другие горячие тела, излучают энергию во всех длинах волн (закон излучения Планка). Чем горячее звезда, тем больше энергии она излучает. Температура звезды также определяет, какая длина волны соответствует самому интенсивному излучению.
Чем звезда горячее, тем на более короткие длины волн приходится максимум света. Это есть закон смещения излучения Вина. По цвету звезды можно узнать ее температуру. Горячие звезды выглядят бело-голубыми (короткие длины волн), а холодные — красными (длинные волны). Самые горячие (очень короткие длины волн) и самые холодные (очень длинные волны) практически невидимы.
Для астрономов важны электромагнитные волны всех длин, потому что каждая волна несет особенную ценную информацию о наблюдаемом объекте. Земная атмосфера поглощает большую часть излучения из космоса, и до телескопов, находящихся на земной поверхности, доходят лишь волны некоторых диапазонов.
Астрономы видят Вселенную с Земли через три «окна прозрачности»:
оптический (видимый), радио, инфракрасный. Современная техника дает возможность поднять инструменты над земной атмосферой, то есть, проводить наблюдения из космоса. Современная астрономия стала всеволновой — ей доступны все длины волн. Оказалось, что в различных диапазонах электромагнитного излучения небо «выглядит» совершенно по-разному. Объекты, яркие в одних лучах, могут быть невидимы в других, и наоборот. Например, на «радионебе» ярче всего «светит» центр нашей Галактики и отдельный источник в созвездии Кассиопеи — остаток взрыва Сверновой. В рентгеновских и гамма-лучах наблюдается множество источников, которые вообще не видны в других диапазонах, и о которых ранее даже не догадывались.
Электромагнитные волны разной длины воспринимаются разными приемниками излучения.
Приемником видимого света является человеческий глаз. Все оптические телескопы в итоге направляют световое излучение от звезд в глаз наблюдателя. На выходе телескопа можно также установить камеру с фотопленкой.
Существуют две основные конструкции оптических телескопов — рефракторы (преломляющие лучи линзовые системы) и рефлекторы (отражающие свет зеркальные устройства).
Увеличение телескопа определяется следующим образом:
увеличение = фокусное расстояние объектива / фокусное расстояние окуляра
Приемником радиоволн является антенна радиотелескопа. Чем больше размеры антенны, тем более слабый источник может «видеть» радиотелескоп. Основные достоинства радиотелескопов: 1) «видят» источники, скрывающиеся за облаками межзвездной пыли; 2) могут работать и днем и в облачную погоду; 3) изучают объекты, восприятие которых находится за пределами наших органов чувств.
Приемниками инфракрасного излучения являются специальные приборы — термопары и болометры. Они охлаждаются до температуры космического пространства и надежно защищаются от окружающей наземной среды. Существуют также и специальные фотопленки, чувствительные к тепловому инфракрасному излучению.
Астрофизика высоких энергий изучает объекты являющиеся источниками ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Приемниками этих видов волн являются особые составы — люминофоры, светящиеся под воздействием лучей и сложные устройства (пузырьковая камера, счетчик Гейгера), устанавливаемые на космических аппаратах-обсерваториях.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
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.
Источник