Основные характеристики радиоизлучения космических источников Лекции по астрофизике

Радиоизлучение Луны Собственное радиоизлучение Луны впервые наблюдалось в 1945 г. Дикке и Беринджером на волне 1.25 см. Радиоизлучение Луны является чисто тепловым. Лунное вещество представляет собой диэлектрик, свободных электронов в нем мало, и коэффициент поглощения невелик. Поэтому радиоизлучение, особенно длинноволновое, может проникать в лунный грунт на большую глубину (и, соответственно, выходить с большой глубины). Температура, естественно, меняется с глубиной.

Изофоты радиоизлучения Луны (в градусах Кельвина) на волне 3.2 см для разных фаз освещенности Солнцем.

Фазовые изменения яркостной температуры Луны на волнах 1.42 мм (сплошная кривая) и 2.25 мм (штриховая кривая).

φ – фаза Луны (φ = 0° – новолуние, φ = 180° – полнолуние), φ 1 – фазовое запаздывание. Постоянная составляющая T 0 – средняя температура слоев лунного грунта, откуда в основном выходит излучение (то есть уровень τ = 1).

При достаточно точном измерении постоянной составляющей эффективной температуры Луны (например, методом «искусственной Луны») можно определить излучательную способность лунного вещества, а по ней – его плотность. При этом необходимо учитывать температурную зависимость теплопроводности и наличие потока тепла из глубины к поверхности. Последний обусловлен распадом радиоактивных элементов в лунной коре.

Интересная возможность проверки свойств лунного грунта – лунные затмения

Малая теплопроводность лунного грунта указывает, что поверхностный слой Луны сильно раздроблен или что он состоит из пористого материала. Прямые исследования лунного грунта подтвердили, что поверхность Луны покрыта слоем пыли толщиной несколько сантиметров, а под ним на глубину до 6 м находится пористый материал.

Собственное радиоизлучение планет и комет Равновесная температура планеты определяется балансом энергии солнечного облучения и энергии, излучаемой планетой:

Основные характеристики радиоизлучения планет Меркурий, Марс – в основном, излучение поверхности. Применима теория радиоизлучения Луны. Венера – на коротких волнах доминирует излучение атмосферы (состоящей на 90% из углекислого газа) Юпитер и в меньшей степени Сатурн – нетепловая компонента на длинных волнах (у Юпитера очень сильная). Яркостная т-ра тепловой компоненты выше равновесной. Уран, Нептун – тепловое излучение.

Меркурий Обнаружена (так же, как и у Луны) фазовая вариация. По величине вариации яркостной температуры определено отношение глубин проникновения электромагнитной и тепловой волны δ. Величина δ для Меркурия оказалась в 2 раза больше, чем для Луны, что соответствует большему содержанию SiO 2 в грунте Меркурия (на Луне больше базальта). Тепловая инерция поверхности велика (с увеличением λ инерция уменьшается). Значит, грунт сильно раздроблен; степень раздробленности падает с глубиной.

Венера Атмосфера на 90% состоит из углекислого газа, обладающего высокой непрозрачностью в ИК- диапазоне на 2.3–4.6 мкм, как раз там, где находится спектральный максимум собственного излучения планеты. Вследствие этого ИК-излучение "запирается" в приповерхностных слоях атмосферы, что приводит к перегреву планеты. Из-за большой оптической толщи в ИК температура планеты, измеряемая в этом диапазоне, –45°C, в то время как в радиодиапазоне она гораздо выше. На волнах длиннее 20 см начинается "завал" яркостной температуры Венеры. С чем он связан, пока неясно. Одна из гипотез – поглощение радиоизлучения на более длинных волнах в ионосфере Венеры.

Основной механизм поглощения радиоволн в атмосфере Венеры обусловлен их взаимодействием с молекулами CO 2. Эта молекула симметрична и ее дипольный момент равен нулю. Однако при соударениях возникает индуцированный дипольный момент, приводящий к нерезонансному поглощению. В радиоспектре Венеры заметны линии некоторых молекул, в частности, CO.

Марс Теория радиоизлучения Луны может быть использована и для интерпретации наблюдений Марса. Данные радионаблюдений свидетельствуют, что электропроводность марсианского грунта примерно вдвое выше, чем у лунного, так как много окислов железа (отсюда красноватый цвет планеты). Основу марсианского грунта составляет кремнезем.

Юпитер

Длинноволновое излучение планеты (на метровых и декаметровых волнах) имеет спорадический характер, плотность потока достигает 10 6 Ян. После Солнца Юпитер – самый мощный радиоисточник Солнечной системы в этом диапазоне. Юпитер обладает сильным магнитным полем (дипольная составляющая 7 Гс) и мощными радиационными поясами, что и обуславливает наличие сильного радиоизлучения на низких частотах.

Карты нетеплового дециметрового радиоизлучения Юпитера для разных значений долготы центрального меридиана.

Jupiter - Synchrotron Observations: VLA 20 cm De Pater, Schulz & Brecht D model: Sault et al. 1997; de Pater & Sault Charged particles trapped in Jupiters magnetic field Similar to earths Van Allen belt At times, Jupiter outshines the Sun at radio wavelengths – can use this fact for finding extra- solar analogs

Сатурн Тепловое радиоизлучение Сатурна аналогично излучению Юпитера на сантиметровых волнах. Равновесная температура планеты 80 K, T ИК = 120 K, T b (3.5 см) = 106 K. Вероятно, имеется поток тепла из недр планеты. На волнах длиннее 9 см появляется нетепловая составляющая, но гораздо меньшая, чем у Юпитера. Мощных спорадических всплесков у Сатурна не обнаружено.

Уран и Нептун Эффективные температуры измерены в диапазоне длин волн от миллиметровых до дециметровых и существенно выше равновесных.

Плутон Радиоизлучение Плутона было зарегистрировано только в 1986 г. Планета наблюдалась на 30-метровом радиотелескопе Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) в Испании на частоте 250 ГГц. Расстояние до Земли было а.е. Поток S = мЯн. Равновесная температура планеты 39–43 K. Она согласуется с наблюдаемым потоком, если принять радиус Плутона равным 1244 км (правда, в этих наблюдениях Плутон и его спутник Харон не разделялись)

Comet Hale-Bopp Spectrum of a newly detected molecule, SO 2 Interferometer map of the 12 CO(2-1) emission from the comet

Наша звезда, – Солнце Радиоизображения, полученные на интерферометре в Нобеяма (Япония), частота 17 ГГц.

Основные виды солнечного радиоизлучения Излучение «спокойного» Солнца Медленно меняющаяся (S) компонента Быстропеременное излучение или радиовсплески

Спектры радиоизлучения Солнца: 1,2 – всплески IV типа, 3 – шумовые бури, 4 – медленный компонент. Сплошные кривые – спектр спокойного Солнца в годы минимума и максимума солнечной активности (область между ними заштрихована). Наклонные прямые соответствуют излучению черного тела при указанной температуре.

Спектр спокойного Солнца

Распределение яркости по диску Солнца Вследствие увеличения температуры с высотой распределение яркости имеет максимум на лимбе или вблизи него (уярчение). Этот эффект уверенно наблюдается в сантиметровом и дециметровом диапазонах. На мм волнах область уярчения сужается, а приращение интенсивности падает.

Спектр S-компоненты

Механизм генерации S-компоненты В миллиметровом диапазоне излучение обусловлено тормозным механизмом. Излучение с длиной волны 1-30 см представляет собой циклотронное излучение на низших гармониках гирочастоты. Оно возникает в неоднородном магнитном поле над солнечными пятнами в так называемых гирорезонансных слоях. Слои, соответствующие большим гармоникам при фиксированной частоте, лежат выше, в области более слабого магнитного поля.

Расположение гирорезонансных слоев в активной области на Солнце

С увеличением частоты вся система гирорезонансных слоев перемещается вниз, к солнечной фотосфере, где магнитное поле сильнее. Поглощение циклотронного излучения при прохождении сквозь гирорезонансный слой характеризуется оптической толщиной τ. В конкретных условиях солнечной короны и хромосферы τ >> 1 для s = 1, 2, 3 на необыкновенных волнах и s = 1, 2 на обыкновенных волнах. Слои с большими s, как правило, прозрачны для радиоволн. Модель оптически толстых гирорезонансных слоев над солнечными пятнами лежит в основе теории, дающей единое объяснение спектра, поляризации и распределения радиояркости по источнику s- компоненты.

Связь между пульсарами и остатками сверхновых Считается, что имеется генетическая связь между пульсарами и остатками сверхновых (ОСН). Однако только 2 пульсара из нескольких сотен отождествляются с ОСН. Вероятно старые ОСН сильно разрежены. Кроме того, пульсары обладают значительными скоростями, приобретенными во время взрыва и «убегают» из туманностей.

Крабовидная туманность в оптике и в рентгеновском диапазоне

Радиоизлучение остатков сверхновых Всего известно около 150 нетепловых галактических радиоисточников, отождествляемых с остатками вспышек сверхновых (SNI и SNII). Ряд ОСН отождествлен с исторически известными сверхновыми (Краб, ОСН Тихо, Кеплера и др.) Они имеют степенные спектры в широком диапазоне частот. Излучение линейно поляризовано. Механизм– синхротронный. Многие ОСН имеют оболочечную структуру (оболочка бывает разорванной или неполной). Иногда ОСН выглядят как аморфная туманность с максимумом яркости в центре (плерион).

Крабовидная туманность радиооптика

Cas A - radio

Основные свойства пульсаров 1.Короткие периоды пульсаций: от ~ с до ~ 10 c. Отсюда можно оценить характерную плотность вещества пульсаров. Предельный период вращения звезды с массой M и радиусом R может быть найден из условия равенства центробежной силы на экваторе вращения силе притяжения: Для пульсаров с наименьшим периодом получается ядерная плотность.

2.Очень высокая стабильность частоты повторения импульсов (до за сутки), но при этом у большинства пульсаров периоды со временем растут. Это свойство интерпретируется как торможение вращения нейтронной звезды. Оцененные по этой формуле возрасты лежат в пределах 10 6 –10 7 лет. - оценка возраста пульсаров, обычно принимается:

Сбои периода пульсаров Сбои периода объясняются «звездотрясениями»

Параметр замедления: Обычно принимается n = 2-3. Для пульсара в Крабовидной туманности n = 2.5

3.Скважность излучения от 10 до 100. Бывают интеримпульсы (то есть вторичные импульсы в промежутках между главными). Отдельные импульсы также могут обладать сложной внутренней структурой, которая может меняться от одного импульса к другому.

Форма импульсов некоторых пульсаров

4.Светимости радиопульсаров достигают эрг/с. Спектры пульсаров в диапазоне метровых волн (~ 100 – 400 МГц) линейные (S ν -α ), довольно крутые (в среднем α ~ 3 1), на частотах ν > 1000 МГц наступает завал. Наблюдается сильная линейная поляризация излучения. В течение одного импульса происходит поворот плоскости поляризации. От импульса к импульсу свойства поляризации существенно меняются.

5.Необычайно высокая яркостная температура излучения. Если принять размер источника ~ 10 км, то T b ~ K! Для объяснения радиоизлучения пульсаров привлекаются нетепловые механизмы.

6.Задержка времени прихода импульсов на разных частотах – следствие дисперсии показателя преломления радиоволн в межзвездной среде. Позволяет определять «меру дисперсии» 7.Фарадеевское вращение плоскости поляризации – дает «меру вращения»

Модели радиоизлучения пульсаров Предложены два типа моделей радиоизлучения пульсаров: –излучение возникает вблизи поверхности светового цилиндра; –излучение возникает вблизи поверхности нейтронной звезды. В моделях первого типа направленность излучения – следствие релятивистской тангенциальной скорости вращающейся плазмы вблизи поверхности светового цилиндра; частицы излучают при помощи синхротронного механизма. В моделях второго типа имеет место излучение частиц, летящих вдоль силовых линий магнитного поля, в направлении вектора мгновенной скорости.

Радиоизлучение нормальных спиральных галактик Излучение в непрерывном спектре (механизм излучения, в основном, синхротронный): –излучение диска; –излучение спиральных рукавов; –излучение зон HII; –излучение остатков вспышек сверхновых; –радиогало; –излучение ядер галактик. Излучение в линиях: –линия нейтрального водорода на волне 21 см, –молекулярные линии, в том числе мазерные.

Радиогалактики и квазары Радиогалактики – это галактики, выделяющиеся своим сильным радиоизлучением. Их радиосветимости достигают эрг/с. В большинстве случаев это гигантские эллиптические галактики. Для сравнения, у "нормальных" галактик (включая нашу Галактику) светимость в радиоконтинууме –10 38 эрг/с Радиосветимости квазаров, как и радиогалактик, достигают эрг/с. Механизм радиоизлучения – синхротронный.

Источником мощности и радиогалактик, и квазаров, по- видимому, являются черные дыры, окруженные кольцом пыли. Если смотреть точно вдоль оси пылевого кольца, т.е. вдоль джета, то объект является быстро переменным, радиоушей не видно, и такой объект называют лацертидой - blazar - объектом типа BL Lacertae (BL Ящерицы). Если объект к нам так повернут, что мы смотрим под не очень большим углом к оси, и можем видеть генератор энергии в центре, то он называется квазаром. Если же мы смотрим на такой же объект сбоку, когда пыль закрывает центр, то называем его радиогалактикой.