Происхождение и характер космического радиоизлучения

Космическое радиоизлучение образуется в результате действия нескольких различных механизмов. Тепловое излучение создается любым объектом, температура которого выше абсолютного нуля. В частности, оно создается горячей плазмой, а также нейтральным газом (межзвездные газовые облака, горячие оболочки звезд и т. д.) и твердыми телами. Кроме того, считается, что микроволновый фон Вселенной представляет собой остаточное тепловое излучение горячего газа на самой ранней стадии развития Вселенной. С другой стороны, нетепловое излучение, в основном синхротронное, возникает от спирального движения релятивистских электронов в магнитном поле. Сюда входит также гиро-синхротронное и электронно-циклотронное мазерное излучение, а также излучение плазменных волн. И наконец, излучение в виде спектральных линий возникает за счет переходов между энергетическими состояниями отдельных атомов и молекул.

В частотной области эти процессы приводят к двум характерным типам излучения – а именно, широкополосному непрерывному излучению и узкополосному излучению спектральных линий.

Непрерывное излучение

Непрерывное излучение создается разнообразными радиоисточниками; это излучение относительно равномерно распределяется по большей части спектра радиочастот. В общем случае нетепловые источники демонстрируют зависимость интенсивности излучения от частоты, которая отличается от зависимости тепловых источников. Кроме того, на эту зависимость могут влиять облака газа и пыли, находящиеся между источником и наблюдателем. Наблюдения небосвода, касающиеся непрерывного излучения, позволили обнаружить существование многих дискретных источников радиоизлучения, накладывающихся на широкий фон. Почти изотропная составляющая фона с яркостной температурой 2,73 K связана с тепловым излучением в ту эпоху, когда газ во Вселенной впервые стал непрозрачным для радиоизлучения. Слабая угловая структура этого излучения, измеренная на частотах между 30 и 300 ГГц, дает сведения о космологической плотности и других параметрах Вселенной. Эти измерения проводили с помощью радиометров, установленных на шарах и спутниках [Smoot et al., 1992; Bennet et al., 2003; Planck collaboration et al., 2011], а также в наземных пунктах с сухой атмосферой [Pryke et al., 2002], в целях сведения к минимуму влияния атмосферы Земли. Фоновое радиоизлучение также содержит гребенку интенсивного излучения, идущего из плоскости нашей Галактики (Млечного Пути), с явно выраженным максимумом в направлении к центру Галактики. В некоторых направлениях зубцы излучения выходят за пределы этой плоскости. Галактическое излучение обычно нетепловое, но гребенка, определяющая плоскость Галактики, также содержит тепловой вклад от ионизированного газа.

Непрерывное излучение, наблюдаемое из многих направлений небосвода, возникает в результате сочетания разных физических механизмов, что иллюстрируется спектром на Рисунке 2.1. Для получения этого спектра необходимы наблюдения на нескольких частотах, позволяющие производить оценку сочетания задействованных механизмов излучения, тем самым определяя физические условия внутри и вокруг источника.

рисунок 2.1

Спектр источника непрерывного радиоизлучения

Большинство дискретных источников, расположенных вне плоскости галактики, являются внегалактическими. В основном это нетепловые источники, которые оптически определяются как удаленные галактики и квазизвездные объекты (квазары), которые распределяются более или менее случайным образом по небосводу. Радиоастрономические наблюдения таких источников позволили построить модель активного галактического ядра (AGN) с массивным центральным объектом, который может быть черной дырой, окруженной аккреционным диском с втекающим газом и вытекающими струями частиц очень высоких энергий, которые взаимодействуют с магнитными полями и создают широкие области радиоизлучения. С другой стороны, большинство объектов в пределах нескольких градусов от плоскости галактики принадлежат нашей Галактике. Они включают тепловые источники, связанные с областями ионизованного водорода (области HII), или звезды (включая Солнце), или планеты, а также нетепловые источники, включающие остатки сверхновых звезд (разлетающиеся остатки взорвавшихся звезд). Кроме того, наблюдалось радиоизлучение из областей HII и остатков сверхновых звезд в соседних галактиках.

Нетепловое излучение, наблюдаемое от внегалактических источников и источников в плоскости галактики (включая фон и остатки сверхновых), нередко бывает частично линейно поляризованным. Это излучение является синхротронным излучением, которое вырабатывается при вращении (и, соответственно, ускорении) электронов в магнитных полях с линейной поляризацией, собственное направление поляризации которой перпендикулярно направлению магнитного поля. Таким образом, существование поляризации в космическом радиоизлучении предполагает наличие определенной упорядоченности соответствующих магнитных полей. Исследования поляризованного излучения от остатков сверхновой позволило проникнуть в механизм взаимодействия этих остатков с окружающими межзвездными магнитными полями. Однако собственное направление поляризации обычно отличается от наблюдаемого направления, поскольку оно претерпевает вращение Фарадея под действием электронов в магнитных полях между источником излучения и Землей. Поскольку вращение Фарадея изменяется обратно пропорционально квадрату частоты, оно может быть измерено при помощи результатов наблюдения поляризации, полученных в некотором диапазоне частот. Таким образом, исследования вращения Фарадея являются мощным средством для изучения плотности электронов и магнитных полей, присутствующих в межзвездной среде.

Некоторые явления, представляющие астрофизический интерес, можно наблюдать только на частотах 30 МГц и ниже. В качестве примеров можно привести поглощение непрерывного излучения активным ионизированным газом в нашей Галактике, самопоглощение в радиогалактиках и квазарах, а также низкочастотное излучение разреженной плазмы, присутствующей в скоплениях галактик.