Изменчивость непрерывного излучения во времени

Временная изменчивость излучения с непрерывным спектром – это довольно распространенное явление. Такое излучение может принимать различные формы: вспышки, которые длятся от долей наносекунд до нескольких часов, пульсирующее излучение с периодом повторения в интервале от миллисекунд до секунд, непериодические изменения, происходящие в течение недель и месяцев, или периодические синусоидальные изменения.

Исключительным по интенсивности источником вспышек энергии радиоизлучения разных типов с коротким периодом является Солнце, которые дают важную информацию о соответствующих физических процессах, происходящих в плазме [McLean and Labrum, 1985]. Эти вспышки наиболее интенсивны на частотах ниже 300 МГц. Кроме того, вспышки, возникающие за счет возмущений в атмосфере Солнца, могут постепенно увеличиваться по частоте за время своего существования. У других звезд были обнаружены коррелированные вспышки радиоизлучения и оптического излучения, при этом планета Юпитер также является источником интенсивных вспышек, которые возникают спорадически на частотах ниже 30 МГц [Roberts, 1963].

У планеты Юпитер проявляется особая форма изменчивости, помимо постоянного теплового излучения, исходящего от ее диска и отмеченного выше вспышками, поскольку в магнитосфере планеты существуют пояса ван Аллена. Они генерируют поляризованное нетепловое синхротронное излучение, которое является остронаправленным и концентрируется у экваториальных поясов. Поскольку магнитная ось Юпитера смещена относительно оси вращения, то интенсивность и направление поляризации наблюдаемого на Земле нетеплового излучения в процессе вращения планеты изменяются синусоидально.

На звездах типа белых карликов, обладающих мощными магнитными полями, часто происходят сильные вспышки радиоизлучения на частотах вплоть до нескольких гигагерц, что дает возможность проведения исследований плазмы в их атмосфере.

Ионосфера Земли и межпланетная среда Солнечной системы могут вызывать мерцания наблюдаемого радиоизлучения от источников с небольшими угловыми размерами. Частота мерцания может составлять несколько герц. На основе характеристики этого мерцания можно получить информацию как о размере источника, так и о неоднородности и перемещениях межпланетной среды. Хотя мерцание наблюдается и у некоторых пульсаров, его причиной служит межзвездная, а не межпланетная среда.

Некоторые источники радиоизлучения в отдельных квазарах проявляют изменчивость радиоизлучения во времени в масштабе недель. Радиоизлучение оптически определяемых источников, таких как сверхновые, новые, а также источники рентгеновского излучения, меняется синхронно с изменениями оптической яркости.

В астрофизике пульсары, возможно, являются источниками импульсного излучения, представляющими наибольший интерес. Их в крайне высокой степени регулярное импульсное излучение было открыто в 1967 году [Hewish et al., 1968]. Пульсары – это звезды, почти полностью состоящие из нейтронов (т. е. из вещества в очень плотном состоянии). Большинство известных пульсаров расположено в нашей Галактике, периоды их импульсов варьируются в диапазоне от 1 мс до 8 с. Период импульса определяется вращением звезды, а продолжительность импульса зависит от угла между линией наблюдения (LoS) и осью вращения звезды и обычно составляет несколько процентов от периода импульса. Излучение пульсара, как правило, наблюдают в диапазоне частот 30 МГц – 3 ГГц. Для определения средних профилей импульса обычно используют методы усреднения импульсов со временем интегрирования, равным нескольким часам. Импульсы некоторых пульсаров бывают по своей природе линейно поляризованными. По пути через межзвездное пространство к Земле импульсы диспергируются, и их направление поляризации меняется за счет вращения Фарадея (см. п. 2.3.2). Измерения дисперсии и вращения Фарадея позволяют определить плотность электронов и напряженность магнитного поля вдоль направления линии прямой видимости. Аналогичным образом измерения времени прихода импульсов в течение нескольких лет позволяют определить положения и движения пульсаров по небосводу (истинное движение). Данные по долговременной стабильности пульсаров, особенно с миллисекундными периодами, служат основанием для их возможного использования в будущем в качестве стандартных часов для службы времени (см. главу 7). Всемирное сообщество наблюдателей проводит временную привязку миллисекундных пульсаров в надежде на то, что этот передовой проект в конечном счете позволит им непосредственно обнаружить излучение гравитационной волны.

Уровни поверхностной интенсивности магнитного поля пульсаров, по оценкам, соответствуют значениям в диапазоне 10⁴ – 10⁹ Тл, а в магнетарах в качестве крайних случаев они могут достигать 10¹⁰ Тл. Сильное магнитное поле в сочетании с быстрым вращением индуцирует сильные электрические поля и создает плотную релятивистскую плазму вокруг нейтронной звезды, перенося мощный поток энергии. Мощное когерентное радиоизлучение представляется в виде побочного результата рассеяния энергии в магнитосфере, хотя более точное определение свидетельствует о том, что данное излучение составляет только незначительную часть (10^–4 – 10^–6) глобальной потери энергии плазмы. Эти экстраординарные условия электромагнитного поля являются маловероятными в масштабе всей Вселенной, их также невозможно воспроизвести в наземных лабораториях. Пульсары являются идеальным испытательным полигоном для законов физики, а тот факт, что процесс их радиоизлучения в течение сорока лет не был до конца изучен, является еще одним подтверждением необходимости масштабных исследований в данной области. Радиоизлучение проще всего наблюдать в диапазоне частот 30 МГц – 1,5 ГГц, однако потоки излучения многих источников на частоте 40 ГГц составляют в среднем несколько сотен микроянских (100 мкЯн =
–300 дБ(Вт м^–2 Гц^–1)). Их можно обнаружить только при помощи больших антенн на частоте до 90 ГГц. Для определения среднего профиля импульса в основном используют синхронизированные по фазе методы усреднения импульсов, время интегрирования которых составляет от нескольких минут до нескольких часов. Чувствительность радиотелескопа при обнаружении периодического импульсивного излучения со средним радиопотоком в S _min определяется в работе [Lorimer & Kramer, 2005]:

.

Здесь G – это усиление антенны, n_p – количество усредненных поляризаций, Δ t – время интеграции, Δ n – исследуемая полоса частот, P – период импульсов, а W – ширина импульса. Следовательно, для любого среднего уровня излучения порог обнаружения узких импульсов (W<<P) принимает значение, пропорциональное квадратному корню коэффициента заполнения h = W/P. В то же время пиковый поток в h^–1 =P/W раз мощнее среднего потока. В результате порог обнаружения узких пиковых импульсов пропорционален h^–1/2 и увеличивается по мере сужения импульсов при одной и той же средней мощности.

рисунок 2.2

Дисперсия импульсов в межзвездной среде (диапазон L)

Дисперсия в сильно разреженной межзвездной плазме приводит к искажению радиоимпульсов. При этом импульсы на высоких частотах приходят раньше по сравнению с аналогичными импульсами на более низких частотах, а задержка обратно пропорциональна квадрату частоты. Поскольку в данном случае речь идет о больших расстояниях, воздействие в большинстве частотных полос оказывается довольно сильным и искажает профили импульсов даже в полосах шириной в несколько мегагерц. Сигнал должен подвергнуться обратной дисперсии, и только после этого может быть обнаружен профиль.

Радиоимпульсы от некоторых источников линейно поляризованы. По пути через межзвездную среду к Земле импульсы подвергаются дисперсии, и их направление поляризации меняется за счет вращения Фарадея (см. п. 2.3.2). Совместные измерения дисперсии и вращения Фарадея дают информацию о значениях плотности электронов и магнитных полях вдоль линии наблюдения пульсара.

Измерения времени прихода импульсов, продолжающиеся в течение нескольких лет, дают информацию о положении и движении пульсаров по небосводу (истинное движение), а также об орбитальном движении нейтронной звезды при наличии спутников. Первые планеты, открытые за пределами Солнечной системы, были обнаружены на орбите вокруг пульсара. Исключительная стабильность и предсказуемость пульсаров как источников радиоимпульсов делает их идеальными инструментами для проверки постулатов общей теории относительности. Излучение гравитационных волн пульсарами, находящимися на низких орбитах вокруг других нейтронных звезд и белых карликов, является одним из прогнозов общей теории относительности, которые подтверждены импульсными временными измерениями. Проводятся дополнительные проверки постулатов общей теории относительности и сравнение ее прогнозов с прогнозами других теорий гравитации с использованием результатов измерения времени, а также при помощи измерения небольших отклонений времени прихода импульсов от нескольких пульсаров, рассеянных по небосводу. Эта методика в принципе способна обнаруживать гравитационные волны большой длины.

В настоящее время точность долгосрочного отсчета времени пульсаров составляет порядка 0,1 мкс (для наилучших примеров источников), а стабильность отсчетов времени приближается к наилучшим атомным стандартам времени. Стабильность отсчетов времени, присущая пульсарам, потенциально позволяет использовать эти источники в качестве эталонных часов будущего для служб отсчета времени (см. главу 7) и для автономной навигации в аппаратах исследования дальнего космоса.

Большинство из приблизительно 2000 обнаруженных пульсаров расположены в нашей Галактике. Радиообсерватории, ведя поиск пульсаров, преследуют различные цели. Одна из них – обнаружение пульсаров, вращающихся на орбитах вокруг других компактных объектов, таких как нейтронные звезды, пульсары, а возможно, и черные дыры. Исследования проводятся путем записи радиошума, исходящего из определенной точки пространства, и последующего поиска периодических отклонений в диапазоне от миллисекунд до нескольких секунд.

Переходная и кратковременная изменчивость в пульсарах

Профили отдельных импульсов, исходящих от пульсара, изменяются от импульса к импульсу, при этом средний профиль остается неизменным в течение нескольких лет и аналогичен его "отпечатку пальца". Такого рода отклонения отдельных импульсов могут быть слабыми или сильными и отличаются для каждого объекта. У наиболее мощных источников наблюдаются так называемые гигантские радиоимпульсы, в которых пиковый поток может превышать среднее значение
в 10⁶–10⁸ раз.

РИСУНОК 2.3

Гигантский радиоимпульс от пульсара "Краб" на частоте 15,35 ГГц [Jessner et al., 2010]

Пиковый поток равен 6800 Ян (~9000 K для 100‑метровой антенны). Общая продолжительность показанной записи равна 1,2 мкс.

Гигантские импульсы сильно поляризуются, а пик их излучения находится на субнаносекундной шкале времени. Считается, что механизм их излучения представляет собой крайний случай обычного радиоизлучения пульсара, однако до конца он еще не изучен. Радиоастрономы обнаруживают и исследуют гигантские импульсы при помощи устройств регистрации неустановившихся процессов с высокой частотой выборки и механизмом срабатывания, способным выделять из шума мощные кратковременные сигналы.

Не все импульсы, излучаемые пульсарами, могут быть обнаружены в любое время. Межзвездные мерцания (подобные мерцанию звезд в ночном небе, но вызываемые изменчивостью межзвездной среды) модулируют их радиоизлучение и, представляя собой воздействие параметров плазмы, также сильно зависят от частоты. Изучение мерцания пульсаров проводится в целях лучшего понимания структуры и распределения плотности электронов в межзвездной среде в разных масштабах расстояний.

Однако некоторые пульсары испускают излучение довольно нерегулярно. Некоторые из этих объектов время от времени пропускают (аннулируют) небольшое количество импульсов, однако в ряде случаев пульсар "молчит" на протяжении многих дней, а затем внезапно возобновляет излучение. Крайним случаем такого поведения являются вращающиеся радиотранзиенты (RRATS), представляющие собой источники излучения с мощными, но короткими вспышками, длящимися лишь несколько секунд, которые можно обнаружить лишь один или два раза в день. Для их обнаружения и исследования необходима большая антенна, работающая в полосе радиочастот, свободной от внезапных импульсных помех.