Ëåêöèÿ10

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).
Tb ( )  T0 ( )  T1 ( ) cos   1 ( )
φ – фаза Луны (φ = 0° – новолуние, φ =
180° – полнолуние), φ1 – фазовое
запаздывание. Постоянная
составляющая T0 – 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.
Собственное радиоизлучение
планет и комет
Равновесная температура планеты
определяется балансом энергии
солнечного облучения и энергии,
излучаемой планетой:
L
2
2
4

r
(1

A
)

4

r

T
4 R 2
Teq  279R1/ 2 (1  A)1/ 4
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.
Карты нетеплового дециметрового радиоизлучения
Юпитера для разных значений долготы
центрального меридиана.
Jupiter - Synchrotron
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 extrasolar analogs
Observations: VLA 20 cm
De Pater, Schulz & Brecht 1997
3-D model: Sault et al. 1997; de
Pater & Sault 1998
www.atnf.csiro.au/people/rsault/jupiter/movies/
Comet Hale-Bopp
Spectrum of a
newly detected
molecule, SO2
Interferometer
map of the
12CO(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
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
радио
оптика
Cas A - radio
Основные свойства пульсаров
1. Короткие периоды пульсаций: от ~
0.0015 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:
3
R
Plim  2
GM
 P 
  2 10 

 0.001c 
14
2
г/см3
Для пульсаров с наименьшим периодом
получается ядерная плотность.
2. Очень высокая стабильность частоты
повторения импульсов (до 10-16 за
сутки), но при этом у большинства
пульсаров периоды со временем растут.
Это свойство интерпретируется как
торможение вращения нейтронной
звезды.
P ~ 10
15
с/с
P / P - оценка возраста пульсаров,   1 P
обычно принимается:
Оцененные по этой формуле возрасты
лежат в пределах 106–107 лет.
2P
Сбои периода пульсаров
Сбои периода объясняются «звездотрясениями»
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
1038 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 Tb ~ 1026 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 1045 эрг/с. В большинстве
случаев это гигантские эллиптические
галактики. Для сравнения, у
"нормальных" галактик (включая нашу
Галактику) светимость в
радиоконтинууме 1037–1038 эрг/с
• Радиосветимости квазаров, как и
радиогалактик, достигают 1045 эрг/с.
• Механизм радиоизлучения –
синхротронный.
Источником мощности и
радиогалактик, и квазаров, повидимому, 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.