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.

На простом примере измерения проиллюстрируем , как проводятся радионаблюдения. Радиотелескоп наводится на точку небесной сферы, в к-рой расположен или через к-рую вследствие ее суточного вращения должен пройти исследуемый радиоисточник. Самопишущий регистратор приемника (напр., вольтметр) записывает кривую изменения антенной температуры . Чтобы получить из записи поток , необходимо выразить в К, т.е. прокалибровать приращение антенной темп-ры. Тогда поток от источника определяется по формуле , где A_э - известная эффективная площадь антенны радиотелескопа. Для калибровки используют либо запись радиоисточника с уже хорошо известным потоком , либо подключение ко входу радиометра согласованных нагрузок (сопротивлений с известной темп-рой, а следовательно, мощностью "радиошума"). На рис. 1 приведен пример записи прохождения радиоисточника через диаграмму направленности неподвижной антенны. На записи видна флуктуационная (шумовая) дорожка, характеризующая минимальную чувствительность радиотелескопа, а также калибровочная "ступенька" от генератора шума.

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.

Другой, более сложной, задачей Р. явл. исследование структуры радиоисточников. Если ширина диаграммы направленности радиотелескопа больше угловых размеров источника, она решается с помощью сложных многоантенных радиоинтерферометров. Разрешение деталей структуры размером от секунды до неск. десятков секунд дуги осуществляется системами апертурного синтеза (см. Апертурного синтеза метод). Напр., система VLA (США) позволяет получать на длинах волн сантиметрового диапазона радиоизображения с разрешением до 0,6"-1,0", что соответствует разрешающей способности самых больших наземных оптич. телескопов. В тысячу раз более высокое разрешение структуры источников радиоизлучения (до десятых долей миллисекунды дуги) достигается методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Этим методом изучаются компактные образования в ядрах галактик и квазаров, источники мазерного излучения в линиях молекулы H₂O ( см). На рис. 3 приведены радиоизображение (линии равной интенсивности излучения - радиоизофоты) галактики 3C 111 (видны характерная для многихвнегалактических объектов двойная структура и неразрешенный на этой волне радиоисточник в центре галактики) и радиоизображение центрального радиоисточника, полученные, соответственно, методом апертурного синтеза и методом интерферометрии со сверхдлинной базой.

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.

Радиоизлучение многих космич. объектов переменно с различными характерными временами. Разнообразны, напр., явления переменности радиоизлучения активного Солнца, Юпитера, пульсаров. Наконец, обнаружена и всесторонне изучается переменность радиоизлучения на сантиметровых и дециметровых длинах волн многих внегалактических объектов (радиогалактик и квазаров).

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; изучались физ. условия и на поверхности др. планет, в частности, Марса и Меркурия; была открыта обширная магнитосфера планеты Юпитер, а также его мощное спорадич. всплесковое излучение на декаметровых длинах волн.

На метровых длинах волн изучалось фоновое радиоизлучение Галактики, были проведены первые интерферометрические наблюдения, выявившие ряд интенсивных дискретных радиоисточников, составлены их первые каталоги. Отдельные радиоисточники были отождествлены с галактич. остатками вспышек сверхновых звезд и зонами HII.

Рис. 4. Наблюдаемое распределение линейно поляризованной составляющей излучения двойного радиоисточника 3С 219. Длина и направление черточек показывают величину поляризованной части излучения (шкала приведена внизу слева) и направление, характеризующее направление магнитных полей. В структуре источника видны уярчения у внешних краев компонентов ("горячие пятна") и "хвосты", тянущиеся от них к галактике.

В 1951 г. амер. астрономы У. Бааде и Р. Минковский отождествили мощный радиоисточник в созвездии Лебедя с далкой галактикой (радиогалактика Лебедь А). Вскоре были отождествлены радиоисточники с галактиками NGC 4486 (Дева А), NGC 5128 (Кентавр А) и др., началось всестороннее исследование радиогалактик. В 1953 г. обнаружена двойная структура источника в радиоаглактике Лебедь А, оказавшаяся типичной для многих внегалактич. радиоисточников (см. Радиогалактики).

В конце 50-х - начале 60-х гг. был проведен ряд детальных обзоров неба, что позволило обнаружить значит. чмсло дискретных радиоисточников. Отметим Кембриджские (Великобритания) обзоры неба и соответствующие каталоги радиоисточников, обзоры, проведенные в Австралии (MSH и PKS) и США (обзор Нац. радиоастрономич. обсерватории NRAO, Калифорнийского технологич. института - CT, Огайского университета - O и др.). Интерферометрич. методами уточнялись координаты источников, что позволило сделать надежные оптич. отождествления, приведшие к ряду открытий. Число известных (содержащихся в каталогах) дискретных радиоисточников достигло неск. десятков тыс. Абсолютное большинство их - внегалактические. Поскольку радиоастрономич. методы дают возможность проникнуть во Вселенную значительно глубже, чем оптические, можно надеятся на решение радиоастрономией ряда космологич. проблем. Попытки такого рода, основанные на подсчетах радиоисточников и анализе зависимости их числа N от наблюдаемого потока (построение кривых ), пока не дали однозначного ответа на вопрос о строении Вселенной. Следует отметить тем не менее, что радиоастрономич. наблюдения свидетельствуют о высокой степени изотропии видимого распределения внегалактич. радиоисточников по небу (подтверждая предположение о крупномасштабной изотропии мира), а также о нехватке числа источников с малыми потоками (по сравнению с тем числом, к-рое можно было бы ожидать при их однородном пространственном распределении, напр. в статической евклидовой модели Вселенной; см. Космология).

Важным достижением теоретич. Р. было установление в 50-е гг. синхротронной природы радиоизлучения многих космич. радиоисточников. Изучение распределения радиояркости и областей, обнаруживающих нестационарность радиоизлучения, дает информацию о вероятных источниках космич. лучей. Достаточно зорошо разработанный теоретич. аппарат позволяет по наблюдаемым параметрам синхротронного радиоисточника (поток излучения, размеры источника) оценивать напряженность магн. поля, концентрацию релятивистских электронов, полное энергосодержание (энергетику) радиоисточников.

Особенно богатыми на открытия в Р. были 60-е годы. В 1963 г. ряд интенсивных радиоисточников был отождествлен с далекими звездообразными оптич. объектами - квазарами. Методами оптич. спектроскопии было установлено, что они имеют значит. красные смещения эмиссионных линий (известны квазары с красным смещением до 3,7) и, следовательно, находятся на больших космологич. расстояниях. Большой интерес, обусловивший всестороннее интенсивное исследование этих необычных объектов, объясняется их необычно мощным эл.-магн. излучением в широчайшем диапазоне длин волн - от радиоволн до рентгеновских, а также тем обстоятельством, что они явл. своеобразными пространств. реперами во Вселенной.

В том же году было открыто излучение в радиолиниях гидроксида OH ( см). Дальнейшие исследования этого излучения показали, что оно обусловлено мезарным механизмом, а источниками явл. очень компактные, богатые молекулами газопылевые комплексы вблизи зарождающихся звезд (см. Мазерный эффект, Звездообразование).

В 1964 г. были открыты предсказанные Н.С. Кардашевым радиолинии возбужденного водорода (см. Рекомбинационные радиолинии) и радиоастрономы получили новый эффективный методисследования областей ионизованного водорода (зон HII) как в нашей, так и в др. галактиках.

В 1965 г. было сделано одно из фундаментальных открытий Р. - обнаружено реликтовое радиоизлучение (см. Микроволновое фоновое излучение). Это радиоизлучение свидетельствует, что в прошлом расширяющаяся Вселенная была плотной, имела очень высокую темп-ру вещества, находившегося в равновесии с излучением (см. Модель горячей Вселенной).

В том же году было сделано еще одно интересное и неожиданное открытие - обнаружена переменность радиоизлучения квазаров и радиогалактик (рис. 5), связанная с мощными выбросами излучающего вещества из активных ядер этих объектов (см. Ядра галактик). С этого времени проводятся систематические исследования вариаций потока, а также изменений степени и позиционного угла линейно поляризованной составляющей радиоизлучения.

В 1967 г. англ. радиоастрономами (Дж. Белл, М. Райл, Э. Хьюиш и др.) были открыты галактич. радиоисточники с импульсным характером излучения - пульсары. Детальные исследования особенностей радиоизлучения пульсаров, наряду с развитием теоретич. представлений об этих объектах, позволили надежно установить, что они представляют собой быстровращающиеся нейтронные звезды. Была установлена связь пульсаров с остатками взрывов сверхновых звезд.

Рис. 5. Первые наблюдения переменного радиоизлучения квазаров 3С 273, 3С 454.3 и радиогалактик 3С 120, 3С 84 на волне 2 см. По осям отложены поток излучения в Ян и время (годы) наблюдений.

В 1969-71 гг. методом интерферометрии со сверхдлинными базами было обнаружено явление видимого (кажущегося) сверхсветового расширения структур в ядрах квазаров и радиогалактик. Как показали дальнейшие детальные исследования, это расширение носит характер быстрого относит. движения (разделения) отдельных компонентов структуры. Видимая скорость разлета компонентов варьируется в различных объектах от 4-6 c до 12-20 c. На рис. 6 приведена структура околоядерного радиоисточника в квазаре 3C 345 [красное смещение z=0,59, расстояние при постоянной Хаббла H=100 км/с/Мпк, ок. 1800 Мпк], а на рис. 7 характер систематич. увеличения углового расстояния между его компонентами с 1969 по 1977 гг.

Рис. 6. Структура компактного околоядерного радиоисточника в квазаре 3С 345, наблюдавшаяся в июле 1975 г. на волне 2,8 см.

Ср. угловая скорость разделения источников составляла 0,17 мс дуги в год, что соответствует видимой скорости разлета ок. 6 c. Имеются разнообразные теоретич. модели, объясняющие это явление. Наиболее вероятными явл. выбросы с релятивистскими скоростями отдельных "плазмонов" (структур, содержащих магн. поля, плазму и релятивистские частицы) из активных ядер объектов, либо инжекция отдельных сгустков релятивистских частиц в регулярно расширяющуюся трубку магн. поля в полосе его биполярной структуры. При достаточно малых углах между лучом зрения и скоростью сгустков () излучающего вещества видимая (наблюдаемая) скорость движения с проекции на картинную плоскость может быть во много раз больше скорости света из-за того, что фактор . Отметим, что явление видимого сверхсветового разлеления (разлета) копмактных околоядерных радиоструктур тесно связано с наблюдаемой переменностью радиоизлучения.

Рис. 7. Зависимость от времени углового расстояния между двумя компонентами околоядерного источника в квазаре 3С 345.

В 70-е гг. не было таких ярких открытий, как в 60-е, хотя исследования космоса методами Р. продолжались с нарастающей интенсивностью. Следует отметить проведение ряда глубоких обзоров локальных областей неба, позволивших обнаружить радиоисточники с потоками вплоть до неск. десятков и даже единиц мЯн: обзор 5C (Кембридж, Великобритания), обзор на радиотелескопе РАТАН-600 (СССР). Обзоры показали заметный дефицит радиоисточников с малыми потоками. Это, по-видимому, явл. важным указанием на то, что имеющимися обзорами исчерпываются все мощные далекие внегалактич. радиоисточники (квазары, радиогалактики), вплоть до горизонта Вселенной.

Следует отметить также обнаружение в межзвездной среде линий радиоизлучения большого числа молекул, в т.ч. сложных органических (см. Молекулы в межзвездной среде).

Важные результаты радиоастрономич. исследований связаны с изучением объектов Метагалактики. Совокупность данных наблюдений свидетельствует о тмо, что в мощных внегалактич. радиоисточниках (квазарах, радиогалактиках), часто обладающих двойной структурой, областями выделения энергии явл. их активные ядра. Характер структуры и магн. поля раидоисточников, наряду с наличием центарльных околоядерных переменных источников излучения, свидетельствует о существовании какого-то механизма переноса энергии из ядер в компоненты двойных структур, в область их "горячих пятен", а уже них - в протяженные образования типа "хвостов" и "мостов". Однако до сих пор неясно, в какой форме и как передается эта энергия.

Методом апертурного синтеза в ряде двойных радиоисточников были найдены узконаправленные (коллимированные) выбросы излучающей материи. Эти выбросы тянутся непосредственно от ядер к одному из компонентов двойной структуры. Явление одностороннег овыброса иллюстрирует рис. 8, где показана общая сложная структура радигалактики NGC 6251. Интересен односторонний видимый характер выбросов (всегда контрастно видна одна струя, тянущаяся к одному из двух компонентов). Это можно объяснить либо релятивистской скоростью движения струй, как целого, когда из-за Доплера эффекта более интенсивной и потому легче наблюдаемой явл. струя, движущаяся к наблюдателю, либо анизотропным излучением релятивистских электронов, движущихся от ядер к периферии в "каналах", образованных крупномасштабным магн. полем.

Рис. 8. Структура двойного радиоисточника в радиогалактике NGC 6251 (а); гигантского выброса, тянущегося от ядра галактики к одному из компонентов и расположенного в отмеченной эллипсом области (б); а также околоядерного источника (в). Около каждого радиоизображения указан соответствующий ему масштаб.

При большом объеме материала, накопленного за десятилетия наблюдений, мы еще далеки от правильного понимания большей части явлений, происходящих в различных радиоисточниках. В частности, неясна природа активных ядер, ускорения релятивистских частиц и их "канализации" в протяженные радиоструктуры, природа магн. полей и т.п. Р. располагает значит. количеством сведений об интегральных характеристиках радиоисточников (спектрах, светимостях, поверхностной яркости, структуре, энергосодержании и т.д.), существуют соотношения между параметрами радиоисточников, к-рые имебт эволюционный смысл. Однако отдельные, известные детали еще не созлают полной картины и предстоит длительная работа, чтобы соединить все звенья в единую цепь представлений о природе и эволюции космич. радиоисточников.

5. Заключение

Метода радиоастрономич. исследований непрерывно совершенствуются и широко применяются при изучении Солнца и Солнечной системы, Галактики и различных дискретных радиоисточниках в ней, внегалактических радиоисточниках и Метагалактики в целом.

При всей важности Р. она явл. не отдельной изолированной наукой, а лишь большим разделом астрофизики и частью древнейшей науки - астрономии. Развитие Р. тесно связано с развитием др. направлений астрономич. исследований (оптич., ИК-, УФ-, рентг. и гамма-астрономии).

Лит.:
Каплан С.А., Элементарная радиоастрономия, М., 1966; Шкловский И.С., Космическое радиоизлучение, М., 1956; Стейнберг Ж., Леку Ж., Радиоастрономия, пер. с франц., М., 1963; Пахольчик А., Радиоастрофизика, пер. с англ., М., 1973; его же, Радиогалактики, М., 1980.

(В.Н. Курильчик)