Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Исследование радиоструктуры Крабовидной туманности, переменности и поляризации ее радиоизлучения на волнах дециметрового, метрового и декаметрового диапазонов 17
1.1. Особенности Крабовидной туманности как радиоисточника 17
1.2. Вековое уменьшение и флуктуации плотности потока радиоизлучения Крабовидной туманности на частоте 927 МГц 20
1.3. Относительные измерения плотности потока излучения Тельца А на частотах 151,5 и 2924 МГц 29
1.4. Измерения угловых размеров компактного источника в Крабовидной туманности на частоте 25 МГц 34
1.5. Наблюдения покрытия Крабовидной туманности Луной на частотах 102 и 151,5 МГц 41
1.6. Исследование линейной поляризации радиоизлучения Тельца А на частоте 2,3 ГГц 55
1.7. Основные результаты главы I 68
2. Исследование особенностей радиоизлучения остатка сверх новой Кассиопея А на дециметровых, метровых и декаметрових волнах 70
2.1. Краткий обзор свойств остатка сверхновой Кассиопея А как радиоисточника 70
2.2. Исследование векового уменьшения и флуктуации радиоизлучения Кассиопеи А на волнах дециметрового
и метрового диапазонов 75
2.2.1. Исследование частотной зависимости векового уменьшения плотности потока радиозлучения Кассиопеи А на дециметровых волнах 75
2.2.2. Вариации плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А на частотах 151,5, 290 и 927 МГц 2.2.3. 0 спектре радиоизлучения Кассиопеи А вблизи волны 3 м 92
2.3. Исследование поляризации радиоизлучения Кассиопеи А на волне 13 см 94
2.4. Измерение угловых размеров Кассиопеи А на частоте 9 ГЛГц 98
2.5. Основные результаты главы 2 Ю9
3. Исследование .линейной поляризации радиоизлучения Девы А, Лебедя А и Центавра А на волне 13 см с помощью радиотелескопа РАТАН-600 ш
3.1. Исследование инструментальной линейной поляризации южного сектора с плоским отражателем радиотелескопа РАТАН-600 на волне 13 см I Ш
3.2. Методика поляризационных измерений и обработка данных XfcU
3.3. Результаты измерений 3.3.1. Дева А 126
3.3.2. Лебедь А 130
3.3.3. Центавр А 135
3.4. Основные результаты главы 3 139
4. Обсуждение данных наблюдений 141
4.1. Расчет модели эволюции излучения остатка сверхновой типа плериона 141
4.2. Фаза эволюции радиоизлучения Крабовидной туманности 156
4.3. О влиянии оптических волокон Крабовидной туманности на характеристики ее радиоизлучения 169
4.4. К интерпретации частотной зависимости векового уменьшения плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А 180
4.5. 0 флуктуациях плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А 183
4.6. Об угловых размерах Кассиопеи А на частоте 9 МГц и ее низкочастотном спектре 185
4.7. Фаза эволюции Кассиопеи А 190
4.8. Интерпретация поляризационных свойств радиоизлучения Девы А, Лебедя А и Центавра А 194
4.9. Основные результаты главы 4 209
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 211
ЛИТЕРАТУРА 2
Введение к работе
Исследования вспышек сверхновых звезд и их остатков ведутся в настоящее время в диапазоне от декаметрових радиоволн до жестких -лучей [66,113,315] . Проблема сверхновых и их остатков связана с такими актуальными проблемами современной астрофизики, как эволюция звезд и звездообразование, синтез тяжелых ядер и происхождение космических лучей, физика и химия межзвездной среды, нейтринное и гравитационное излучение [44,48,53,56,299].
Радиоастрономические исследования остатков вспышек сверхновых звезд являются одним из основных источников информации о физических процессах, происходящих в этих объектах. Это связано как со все возрастающими возможностями радиоастрономии, так и с . тем, что синхротронное радиоизлучение остатков сверхновых является их неотъемлемым и определяющим свойством [44,113] .
Современные каталоги радиоисточников - галактических остатков сверхновых - насчитывают около 120 объектов [151,235] . Эти каталоги являются основой для изучения эволюции остатков сверхновых и для определения расстояний до них.
Исследования радиоизлучения остатков сверхновых распространились на ближайшие галактики: Магеллановы облака, М 31 и М 33 [ 168,229,265] . В последние годы обнаружены так называемые радиосверхновые в галактиках М 100, М 101, NGC6946, что открывает возможность исследования радиоизлучения остатков сверхновых, на ранних этапах (спустя примерно год после вспьшки) их эволюции [309,310] .
Значительный интерес представляет изучение остатков сверхновых, вспыхнувших в Галактике в течение последнего тысячелетия: 1006 г. ( G 327.6 + 14.6), 1054 г. (Крабовидная туманность) , ІІ8І г. (ЗС 58), 1572 г. (ЗС 10), 1604 г. (ЗС 358), 1680 г. (Кассиопея А) [113,123,152 J . Остатки сверхновых 1054 и II8I гг. принадлежат к классу плерионов [66,282,308] , а остальные являются оболочечными объектами. Перечисленные остатки сверхновых еще довольно молоды, и поэтому их эволюцию можно заметить, проводя регулярные наблюдения через сравнительно небольшие интервалы времени [113,149] . Наиболее интенсивными радиоисточниками из них являются Кассиопея А (ЗС 461) и Крабовидная туманность (Телец А) [113,124] . Предсказанное И.С.Шкловским в[П2] и обнару -женное впоследствии у Кассиопеи А вековое уменьшение плотности потока радиоизлучения длительное время не обнаруживалось у Крабо-видной туманности. Одной из задач настоящей работы и являлся поиск этого эффекта. Кроме того, представляет несомненный интерес дальнейшее подробное исследование изменения плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А в возможно более широком диапазоне частот. Важными для понимания характера эволюции остатков сверхновых и изучения физических условий в них являются исследования их ра -диоструктуры, особенно в метровом и декаметровом диапазонах, и поляризации радиоизлучения.
Поляризационные исследования являются весьма информативными и при изучении радиогалактик, позволяя определять структуру магнитного поля, находить распределение и концентрацию тепловых и релятивистских электронов [ 78,89] . Кроме того, поляризационные наблюдения большого числа радиогалактик, и в первую очередь наиболее компактных из них, а также квазаров позволяют изучать магнитное поле и межзвездную среду нашей Галактики путем измерений позиционных углов плоскостей поляризации линейно поляризованной компоненты их радиоизлучения на возможно большем числе длин волн и определения по ним меры фарадеевского вращения [29,89, 262,285 ]+).
Исследования переменности и поляризации радиоизлучения остатка сверхновой Кассиопея А и поляризации радиоизлучения радиогалактики Лебедь А важны еще и с той точки зрения, что они являются первичными эталонными источниками и используются в этом качестве как в радиоастрономии, так и в антенных измерениях [108],
Настоящая работа посвящена исследованию переменности и поляризации радиоизлучения остатков сверхновых Телец А и Кассиопея А, поляризации радиоизлучения мощных радиогалактик Дева А, Лебедь А и Центавр А, а также исследованию радиоструктуры некоторых из перечисленных объектов.
Целью работы является:
1. Исследование переменности радиоизлучения Крабовидной туманности и Кассиопеи А в дециметровом и метровом диапазонах волн.
2. Измерение угловых размеров1 компактного источника в Крабовидной туманности и Кассиопеи А в декаметровом диапазоне волн.
3. Исследование линейной поляризации радиоизлучения Тельца А, Кассиопеи А, Девы А, Лебедя А и Центавра А в коротковолновой части дециметрового диапазона волн.
4. Анализ с использованием полученных данных характера эволюции радоизлучения Крабовидной туманности и Кассиопеи А и физических условий в Деве А, Лебеде А и Центавре А.
Для решения поставленных задач потребовалось в частности:
- создать комплект радиометров на частоты 102, 151,5, 437, 510, 927 и 2924 МГц;
- разработать методику интерферометрических относительных измерений плотностей потоков радиоизлучения источников;
. Для исследования магнитного поля Галактики используются также поляризационные наблюдения галактического радиоизлучения [ 81,87,89] , пульсаров [ 67,90] и света звезд [56] .
- подготовить к интерферометрическим измерениям на декаметрових волнах две антенные решетки;
- провести измерения инструментальной линейной поляризации южного сектора с плоским отражателем радиотелескопа РАТАН-600;
- создать пакет программ для обработки с помощью мини-ЭВМ "Наири К" данных поляризационных и других измерений.
В диссертации суммированы результаты, полученные автором и при его активном участии в І97І-І983 гг. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе диссертации приведены результаты исследова -- ний переменности и поляризации радиоизлучения Крабовидной туманности на ряде длин волн дециметрового и метрового диапазонов, а также исследований структурных особенностей этого остатка сверхновой на метровых волнах и угловых размеров компактного источника в декаметровом диапазоне.
Описаны аппаратура и методика относительных измерений плотности потока радиоизлучения Крабовидной туманности на частоте 927 МГц, проведенных осенью 1977 г., и приведены результаты этих измерений, позволившие впервые с хорошей точностью обнаружить уменьшение плотности потока радиоизлучения Крабовидной туманности $КраБ • Это уменьшение составило Z%% по сравнению с 1962 г., когда В.А.Разиным и В.Т.Федоровым были проведены абсолютные измерения интенсивности радиоизлучения ряда дискретных источников,в том числе и Крабовидной туманности [85] . Относительные измерения плотности потока радиоизлучения Тельца А были повторены в декабре 198Гг. и январе 1983 г. В результате было выявлено, что уменьшение величины S Kpag является немонотонным процессом и в отдельные периоды времени возможно ее возрастание на (1-3)% за время порядка нескольких лет. Среднее годовое за период времени 1962-1983 гг. уменьшение плотности потока радиоизлучения Крабовид - 9 ной туманности составило (0,13 + 0,02)%.
Далее рассмотрены аппаратура и методика относительных измерений плотности потока радиоизлучения Крабовидной туманности на частотах 151,5 и 2924 МГц и приведены результаты этих измерений. Их целью было расширение частотного диапазона исследований изменений плотности потока радиоизлучения Тельца А. Измерения на частоте 151,5 МГц проводились с помощью интерферометра, составленного из двух 14-метровых радиотелескопов, а на частоте 2924 МГц -с помощью того же РТ-10, что и на 927 МГц. Особенностью измерений на волне около 10 см явилась необходимость учета частичной линейной поляризации интегрального радиоизлучения Крабовидной туманности при приеме на антенну с облучателем линейной поляризации.
Наблюдения угловых размеров компактного радиоисточника в Крабовидной туманности на частоте 25 МГц велись с помощью радиоинтерферометра с независимым приемом на базе Зименки - Граково. Рас -смотрены некоторые особенности интерферометрических измерений на декаметрових волнах. По данным измерений оценены угловые размеры компактного источника I В 2 ,8.
Частичное покрытие Крабовидной туманности Луной наблюдалось 2 декабря 1982 г. на частотах 102 и 151,5 МГц. Подобные наблюдения остаются пока основным средством изучения структуры Тельца А в метровом и декаметровом диапазонах длин волн. Осложняющим эти измерения фактором является влияние ионосферы, приводящее к мерцаниям интенсивности регистрируемого радиоизлучения и ограничивающее как разрешующую способность метода, так и достоверность результатов. Для обработки кривых затмения применено их сглаживание с последующим дифференцированием. На полученных одномерных рас -пределениях радиояркости источника видны области повышенной яркости (локальные источники) в центральной и Ю.-В. частях объекта.
Контраст этих деталей увеличивается с понижением частоты, что, с одной стороны, обусловлено, по-видимому, более крутым спектром локальных источников по сравнению со спектром интегрального радиоизлучения Тельца А [ 230 ] , а с другой стороны - поглощением излучения, идущего из объема туманности, в ярких оптических волокнах, расположенных на передней стороне объекта и "окаймляю - щих" локальные источники [226] .
Измерение линейной поляризации радиоизлучения Тельца А на волне 13 см проводилось с помощью южного сектора с плоским отражателем радиотелескопа РАТАН-600 (диаграмма направленности на уровне 0,5 по мощности 2 х 1°). Полученное одномерное распределение линейно поляризованной компоненты радиоизлучения Крабовид-ной туманности существенно отличается от распределения полной интенсивности.
В дополнении к первой главе проведен расчет влияния фараде-евского вращения, изменения фазы и дисперсии среды на амплитуду и фазу интерференционного сигнала. Полученные соотношения необходимы при оценке оптимальных значений параметров приемной аппаратуры и редукции данных наблюдений угловой структуры космических радиоисточников, проводимых с помощью длиннобазовых интерферометров на достаточно низких частотах. С другой стороны, они могут быть полезны при оценке крупномасштабных вариаций полного электронного содержания на луче зрения в ионосфере по данным соответствующих интерферометрических наблюдений.
-Вторая глава посвящена исследованию особенностей радиоизлучения молодого остатка сверхновой Кассиопея А на волнах дециметрового, метрового и декаметрового диапазонов длин волн.
Приведены параметры аппаратуры и методика относительных измерений плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А на частотах 437, 510, 927 и 2924 МГц. Опорным источником-являлся Лебедь А. В течение 1977-1979 гг. были получены значения отношений плотностей потоков радиоизлучения Кассиопеи А и Лебедя А,что позволило путем сравнения их с соответствующими значениями, измеренными в 1962-1965 гг. [85,106] , определить параметры частотной зависимости векового уменьшения плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А. Среднее годовое уменьшение 5,. зависит от частоты по итогам этих измерений следующим образом: S /5 (% в год) = -(0,94+0,05) + (0,29 +0,04) Ц-) (ГГц), т.е. уменьшение замедляется с ростом частоты. Это соотношение хорошо согласуется с полученными ранее рядом авторов аналогичными зависимостями [ 99,125,165] + .
Изложены результаты "патрульных" относительных измерений плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А на частотах 151,5, 290 и 927 МГц. Эти измерения показали, что изменение 5 дне сво - 12 дится к монотонному уменьшению, а носит более сложный характер. В частности, в течение І980-І98І гг. произошел всплеск радиоизлучения с амплитудой Ъ% от невозмущенного уровня.
Относительные измеренияS на частотах 102 и 151,5 МГц, про кэс.л
веденные в августе 1982 г., позволили определить разность спектральных индексов Кассиопеи А и опорного источника Лебедь А в диапазоне длин волн 2-3 и:с& - oL д _ д = 0,11 + 0,07( 5 со \ ). Из этого следует, что на волнах А 2 м спектр Кассиопеи А уже становится круче спектра Лебедя А, в то время как на более коротких волнах ситуация обратная и с - растет с увеличен частоты.
Получено одномерное распределение линейно поляризованного радиоизлучения Кассиопеи А на частоте 2,3 ГГц, из которого следует, что степень поляризации максимальна на внешних краях оболочки источника и достигает Ь%. Сравнение с результатами измерений на других волнах, известными из литературы, показало, что степень поляризации интегрального радиоизлучения Кассиопеи А приблизительно пропорциональна X .
Изложены методика и результаты наблюдений угловых размеров Кассиопеи А на частоте 9 МГц, проведенных с помощью интерферометра с независимым приемом. Основным мешающим фактором в этом эксперименте явилось влияние неоднородностей.ионосферы. С помощью определенной методики обработки и отбора записей удалось оценить эффективный гауссов размер источника, оказавшийся равным 5 +1 . Это в пределах ошибок измерений совпадает с угловыми размерами на метровых, дециметровых и сантиметровых волнах.
Третья глава посвящена поляризационным наблюдениям радиоизлучения радиогалактик Дева А, Лебедь А и Центавр А на волне 13 см.
Приведены результаты исследования инструментальной линейной поляризации (побочного сигнала) южного сектора с плоским отража - ІЗ телем радиотелескопа РАТАН-600. Подобное исследование является необходимым этапом в проведении поляризационных измерений радиоизлучения космических источников. Получены соотношения между наблюдаемыми на выходе радиотелескопа величинами параметров Стокса и их истинными значениями.
Описана методика наблюдений и редукция данных. Приведены формулы для вычисления по данным наблюдений интегральных поляризационных параметров (степени поляризации и позиционного угла) и их погрешностей. Проведен учет фарадеевского вращения в ионосфере на наблюдаемые значения позиционного угла плоскости поляризации радиоизлучения источников.
Далее изложены результаты наблюдений. Приведены одномерные распределения параметров Стокса Q. ,TJ , I , а также антенной температуры, обусловленной линейно поляризованной компонентой ТА пол ) и П03ИЦИ0НН0Г0 угла. Из полученных распределений, в частности, следует, что
- наиболее поляризованной ( 6%) на волне 13 см во внешних радиолепестках Девы А (гало) является область к западу от ядра источника;
- поляризация радиоизлучения Лебедя А обусловлена на этой волне в основном западной компонентой, степень поляризации радиоизлучения которой 0,8%;
- распределение поляризации радиоизлучения восточной компоненты двойного ядра Центавра А несимметрично относительно максимума, где степень поляризации достигает 2% и спадает к внешнему краю существенно быстрее, чём в сторону центрального источника.
В четвертой главе проведено обсуждение результатов наблюдений, изложенных в первых трех главах диссертации.
Приведен критический обзор существующих теоретических представлений о причинах векового уплощения спектра радиоизлучения Кассиопеи А. Сделан вывод, что ни одна из существующих моделей не объясняет всех наблюдаемых особенностей в эволюции радиоизлучения Кассиопеи А.
Рассмотрена простая модель флуктуации плотности потока радиоизлучения Кассиопеи А, в которой источник представляется со-состоящим из однородной оболочки и примерно 100 независимых "ячеек" с квазиоднородным магнитным полем и повышенной излучательной способностью. В результате вращения ячейки изменяется величина проекции магнитного поля на картинную плоскость, а значит и поток ее радиоизлучения. В силу независимости движений этих ячеек суммарная плотность потока их радиоизлучения испытывает случайные вариации.
Отсутствие существенного увеличения угловых размеров Кассиопеи А на частоте 9 МГц по сравнению с более высокими частотами с учетом формы спектра на частотах ниже 20 МГц (частоты максимума в спектре Кассиопеи А) можно объяснить малостью утечки релятивистских электронов за пределы источника. Кроме того, отсюда следует, что спектр радиоизлучения низкочастотного компактного источника, находящегося в пределах Кассиопеи А, становится более пологим на частотах меньше 20 МГц.
Путем сравнения наблюдаемой зависимости степени поляризации интегрального радиоизлучения Кассиопеи А С р со \ ) с соотношениями статистической теории линейной поляризации интегрального радиоизлучения дискретных радиоисточников (В.А.Разин [89] ) получена оценка массы ионизованного газа в оболочке объекта 17 М , что хорошо согласуется с оценками массы горячего газа по данным рентгеновских наблюдений [І74П .
Проанализированы поляризационные свойства радиоизлучения внешних радиолепестков (гало) Девы А, компонент Лебедя А и внутренних радиолепестков (двойного ядра) Центавра А. Показано, что фарадеевское вращение плоскости поляризации радиоизлучения поляри - 16 зованной области в Ю.-З. части гало Девы А объясняется наличием вокруг М 87 ионизированного газа, ответственного за тепловое тормозное "рентгеновское излучение, при значении параллельной лучу зрения компоненты магнитного поля 6 0,1 мкГс. Степень поляризации интегрального радиоизлучения Девы А на волнах X 13 см приблизительно пропорциональна X , что находит свое объяснение в рамках статистической теории интегральной линейной поляризации радиоизлучения дискретных источников С893 .
Мера вращения плоскости поляризации радиоизлучения западной компоненты Лебедя А определена по значениям позиционных углов в существенно большем интервале длин волн, чем в предшествовавших о работах, и оказалась равной (97 + 19) рад/м . Рассмотрена уже давно существующая проблема объяснения большой разницы в мерах вращения компонент Лебедя А. Показано, что эту разницу можно, в принципе, объяснить, учитывая распределение поляризации в каждой из компонент С197 Ц .
Определены меры вращения плоскости поляризации радиоизлуче -ния внутренних радиолепестков Центавра А. Отмечено, что существенно менее поляризованная западная компонента характеризуется мерой вращения втрое большей, чем у восточной компоненты.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации, и приведены соображения о перспективах дальнейших исследований радиоизлучения молодых остатков сверхновых и радиогалактик.
