Мир Знаний

Источники радиоизлучения во Вселенной (стр. 8 из 9)

Медленно меняющееся Р.С. связано прежде всего с активными областями в атмосфере Солнца над солнечными пятнами, а также с флоккулами. Излучение также носит тепловой характер, однако, кроме тормозного механизма излучения, здесь, по-видимому, играет роль и магнитотормозной механизм, т.е. излучение частично возникает вследствие искривления траекторий электронов магнитными полями солнечных пятен. Этот вид Р.С. преобладает в диапазоне волн 5-20 см и согласуется по времени с видимой в оптическом диапазоне волн активностью Солнца, в частности с площадью солнечных пятен. Такое Р.С. часто бывает сильно поляризованным по кругу, что свидетельствует о наличии сильных (до нескольких тыс. эрстед) магнитных полей в области возникновения радиоизлучения.

Всплески Р.С. весьма разнообразны, иногда превышают по своей мощности тепловое радиоизлучение спокойного Солнца в миллионы раз. Этот вид Р.С. преобладает в метровом диапазоне волн, хотя т. н. микроволновые всплески зарегистрированы даже в миллиметровом диапазоне волн. При вспышках на Солнце в районах солнечных пятен возникают релятивистские частицы, движение которых сквозь солнечную атмосферу приводит к сильному радиоизлучению. Радиоизлучение связано либо с магнито-тормозным механизмом, либо с возбуждением различных волн в солнечной плазме с последующим преобразованием плазменных волн в электромагнитные. Кроме того, зарегистрированы малые квазипериодические флуктуации Р.С. с периодами в сотни и тысячи секунд весьма малой амплитуды. Природа этих флуктуаций ещё (1975) не выяснена.

Результаты наблюдений Р.С. используются при построении модели атмосферы Солнца, при изучении механизма воздействия Солнца на атмосферу Земли. Исследованием Солнца методами радиолокации занимается Радиолокационная астрономия.

2. Излучения

2.1 Фоновое излучение

ФОНОВОЕ излучение в астрофизике - диффузное и практически изотропное электромагнитное излучение Вселенной. Спектр фонового излучения простирается от длинных радиоволн до гамма-лучей. Вклад в фоновное излучение могут давать неразличимые в отдельности далекие источники и диффузное вещество (газ, пыль), заполняющее космическое пространство. Важнейший компонент фонового излучения - реликтовое излучение.

ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - , радиация, которая присутствует в окружающей среде в нормальных условиях. Ее следует принимать в расчет при измерении радиации, исходящей от какого-либо конкретного источника.

2.2 Реликтовое излучение

Рели́ктовое излуче́ние (или космическое микроволновое фоновое излучение от _en. cosmic microwave background radiation). Термин "реликтовое излучение ", который обычно используется в русскоязычной литературе, ввёл в употребление советский астрофизик И.С. Шкловский - космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

2.2.1 Природа излучения

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из фотонов, электронов и барионов. Благодаря эффекту Комптона, фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, испытывая с ними упругие столкновения и обмениваясь энергией. Таким образом, излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютно чёрного тела.

По мере расширения Вселенной, космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы и, на определённом этапе, для электронов стало энергетически предпочтительней, соединившись с протонами - ядрами водорода и альфа-частицами - ядрами гелия, сформировать атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны перестали рассеиваться теперь уже нейтральными атомами и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Наблюдаемая сфера, соответствующая данному моменту, называется поверхностью последнего рассеяния. Это - самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре.

В результате дальнейшего остывания излучения за счёт красного смещения, его температура снизилась и сейчас составляет 2,725 К.

2.2.2 История исследования

Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории горячего Большого взрыва. Более того, Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5 К, а Гамов дал предсказание в 3 К [Physics Today, 1950, No.8, стр.76]. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь "эффективной " температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю галактики Млечный Путь и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.

Результаты Гамова широко не обсуждались. Однако они были вновь получены Робертом Дикке и Яковом Зельдовичем в начале 60-х годов. В 1964 году это подтолкнуло Дэвида Тодда Вилкинсона и Питера Ролла, коллег Дикке по Принстонскому университету, к созданию радиометра Дикке для измерения реликтового излучения.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон из Bell Telephone Laboratories в Холмдейле (штат Нью-Джерси) построили радиометр Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке прибора выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 К, которую они не могли объяснить. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: "Мы сорвали куш, парни". Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. В 1978 году Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию за их открытие.

В 1983 году был проведён первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения с борта космического аппарата. В январе 1992 года на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские учёные объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Тем не менее, в 2006 году Нобелевская премия по физике за это была присуждена американцам, объявившим о подобном открытии тремя месяцами позже на основании данных эксперимента COBE. Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти измерения стали наиболее точными на сегодняшний день измерениями спектра абсолютно черного тела.

Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.

2.2.3 Свойства

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001% - среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6,706 мК ), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы отсчёта, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с

Литература

1. Каплан С.А. Элементарная радиоастрономия. М., 1966

2. Хей Дж. Радиовселенная. М., 1978

3. Ржига О.Н. Радиолокационная астрономия. - В кн. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. М., 1986

4. Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной.М., 1975 Космология: теория и наблюдения. М., 1978

5. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981

6. Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной. М., 1982

7. Сюняев Р.А. Микроволновое фоновое излучение. - В кн.: Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М., 1986

8. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. М., 1988

9. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990

10. Железняков В.В., Радиоизлучение Солнца и планет, М., 1964.

11. Бербидж Дж. и Вербидж М., Квазары, пер. с англ., М., 1969.