книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

ника — около 1000 км/сек. Иногда всплеск радиоизлуче­ ния, испускаемого крупным факелом, сопровождается внезапным увеличением потока космических лучей, па­ дающих на Землю. Исследование взаимосвязанности указанных явлений представляет важную задачу астро­ физики.

в) Механизмы излучения

В то время как радиоизлучение спокойного Солнца и медленно меняющаяся СВЧ-радиация возмущенного Солнца могут удовлетворительно объясняться тепловым излучением свободных электронов, в случае процессов радиоизлучения, обсуждавшихся в предыдущем разделе, речь идет о нетепловых механизмах. На это указывает не только значительно более высокая интенсивность и флуктуационный характер радиоизлучения, но и в пер­ вую очередь ход спектральных зависимостей. То, что ин­ тенсивность шумовых бурь и радиовсплесков возрастает с увеличением длины волны (рис. 98, кривые 3 и 4), по­ казывает, что ход этой зависимости противоположен хо­ ду кривой в случае теплового излучения.

Природе нетепловых процессов радиоизлучения да­ ются различные объяснения. Наиболее вероятным, по-видимому, является так называемый синхротронный механизм излучения. Под синхротронным понимают из­ лучение электронов, которые с релятивистскими (срав­ нимыми со скоростью света) скоростями вращаются в магнитном поле по круговым траекториям. При малых скоростях движения (малых по сравнению со скоростью света) электрон излучает с так называемой циклотрон­

ной частотой 00, = —• В в направлении, перпендикуляр­

ном плоскости вращения. При релятивистских скоро­ стях, напротив, он излучает в направлении своего дви­ жения внутри угла, который уменьшается с увеличением скорости. Приемник улавливает поэтому не непрерыв­ ные волны, а отдельные импульсы излучения, причем спектр принимаемого сигнала складывается из гармоник циклотронной частоты. Синхротронным излучением объ­ ясняется, например, упоминавшееся выше радиоизлуче­ ние IV спектрального типа.

Другим возможным механизмом метеплового излуче­ ния являются плазменные колебания. В ионизированном

201

газе* (плазме) электроны совершают колебания вокруг ионов (протонов), которые в первом приближении можно считать неподвижными. Характерная для этих колебаний плазменная частота рассчитывается по фор­ муле

N — плотность электронов в единице объема. Под дейст­ вием потока электронов, проходящего через плазму, мо­ гут возбуждаться продольные плазменные волны или волны пространственного заряда. Энергия этих плазмен­ ных волн частично переходит в электромагнитное излу­ чение. Как это происходит, не совсем ясно, хотя одна из последних теорий утверждает, что существование плаз­ менного излучения можно объяснить на основе указан­ ных предположений. Для подтверждения гипотезы плаз­ менных колебаний как основного процесса при возбуж­ дении солнечных радиоволн особенно ценными являются сведения о том, что в спектре какой-либо определенной вспышки наблюдаются частоты, которые находятся в гармоническом соотношении друг с другом 2 : 1, и что

частота испускаемого излучения во времени постепенно сдвигается от высоких значений к низким. Это измене­ ние частоты объясняется тем, что частота плазменных колебаний зависит от плотности электронов; последняя, однако, является весьма различной в разных слоях сол­ нечной короны, которая играет решающую роль в про­ цессах эмиссии интересующего нас радиоизлучения. На­ блюдаемые плазменные частоты находятся в хорошем соответствии с нашими представлениями о строении сол­ нечной короны и о распределении в ней плотности элек­ тронов по высоте. Плазменные колебания и плазменное излучение считаются в настоящее время наиболее ча­ стой причиной нетеплового солнечного радиоизлучения. Однако весьма вероятно, что, не говоря о рассмотрен­ ном уже синхротронном излучении, в возбуждении спо­ радической радиоэмиссии участвуют и другие физиче­ ские процессы. Как известно из физики электронных приборов СВЧ, возможны такие эффекты усиления за счет взаимодействия между высокочастотными электро­ магнитными полями и солнечными потоками электронов

202

и протонов. Поэтому исследование иетеплового (спора­ дического) радиоизлучения Солнца представляет инте­ рес не только для многих астрофизических и геофизиче­ ских задач; точное знание механизма его возбуждения могло бы повлиять и на развитие принципиально новых усилительных и генераторных ламп миллиметровых и субмиллиметровых волн.

3. Космические радиоволны

Кроме Солнца, радиоволны излучаются также и дру­ гими многочисленными космическими источниками. Как и в случае Солнца, при этом имеют место и тепловое из­ лучение и нетепловые процессы. Однако здесь обстанов­ ка еще более сложная, чем на Солнце, так как источни­ ки, ответственные за радиоизлучение, имеют самую раз­ личную природу и даже не всегда известны.

а) Непрерывное излучение

В случае непрерывного радиоизлучения, которое сле­ дует рассмотреть в первую очередь, речь пойдет глав­ ным образом о той его компоненте, которая исследуется в диапазоне метровых воли и может быть обнаружена в любой точке небесной сферы. При изучении этого непре­ рывного космического радиоизлучения одна из важных частных задач заключается в том, чтобы определить рас­ пределение его интенсивности по небесной сфере. При этом используют то обстоятельство, что радиотелескоп, установленный в меридиональной плоскости, регистри­ рует интенсивность излучения вдоль окружности посто­ янного магнитного склонения, если положение телеско­ па не изменяется в течение полного оборота Земли во­ круг своей оси. В течение следующих суток антенна телескопа устанавливается под другим углом; при этом изменяется интенсивность вдоль новой окружности по­ стоянного склонения и так до тех пор, пока не получит­ ся полная карта распределения интенсивности радиоиз­ лучения по небесной сфере.

После 1945 г. появилось много различных карт радио­ излучения небесной сферы. Не останавливаясь на дета­ лях, можно утверждать, что радиоизофоты (линии рав­ ной мощности излучения), полученные на высоких ча­ стотах (СВЧ), выглядят иначе, чем в случае более низких

203

частот (волны метрового диапазона). Это различие объясняется тем, что источниками высокочастотного из­ лучения в действительности являются не источники низ­ кочастотной радиации, а другие космические объекты. Коротковолновая СВЧ-радиация своим происхождением обязана тепловому излучению ионизированных газовых облаков, которые сконцентрированы в области галакти­ ческого экватора. Можно получить очень хорошее соот­ ветствие с оптической картиной облаков ионизированного газа, если на фотографическое изображение небесного свода нанести радиоизофоты. Механизм этого тепло­ вого радиоизлучения эквивалентен механизму излучения спокойного Солнца, т. е. он основан на тормозном излу­ чении свободных электронов в электростатическом поле атома водорода (переход из свободного состояния в сво­ бодное) .

Иначе обстоят дела в случае излучения, наблюдае­ мого в диапазоне метровых волн. Оно не только имеет большую интенсивность, но и отличается также ходом спектральных кривых, которые типичны для нетепловых механизмов излучения. Особый интерес представляет то, что это излучение испускается главным образом изоли­ рованными радиоисточниками (радиотуманностями). В настоящее время известно свыше двух тысяч подобного рода радиоисточников, но только лишь некоторые из них идентифицированы с оптически видимыми объектами. К ним относятся среди прочих сверхновые звезды и стал­ кивающиеся звездные системы. Следовательно, излуче­ ние космических радиоволн находится в непосредствен­ ной связи с превращениями гигантских количеств энер­ гии в космосе. Согласно современным представлениям при таких процессах электроны и протоны ускоряются до релятивистских скоростей. В магнитном поле меж­ звездного пространства они испускают линейно поляри­ зованное синхротронное излучение как в спектре радио­ частот, так и в видимом диапазоне. Излучение с такими свойствами могло бы быть обнаружено при наблюдении нескольких дискретных радиоисточников, например та­ ких, как Крабовидная туманность, оставшаяся на месте вспышки сверхновой в 1954 г. Весьма вероятно, что ди­ скретные радиоисточники, излучающие на основе синхротронного механизма, являются источниками сверхмо­ щного космического излучения,

204

Имеются, однако, и другие космические радиоисточ ники; правда, интенсивность интегрального (суммарно­ го) излучения звезд настолько мала, что в настоящее время может не приниматься во внимание. При этом предполагается, что излучение отдельной звезды такое же, как спокойного Солнца. Имеются также взрывные (так называемые «вспышечные») звезды; к ним отно­ сятся «красные карлики» в плоскости Млечного Пути. Предполагают, что они также генерируют радиоволны и космическое излучение. Предположения о том, что «■вспышечные» звезды (например, новые) испускают ин­ тенсивные радиоволны, было высказано лишь в самое последнее время.

Дискретные радиоисточники имеются как в галакти­ ческой системе Млечного Пути, так и в других галакти­ ках. Исследования показывают, что механизм испуска­ ния радиоизлучения, приходящего из других галактик, в основном такой же, как и в нашей галактике.

б) Линия излучения с длиной волны X —21 см

Кроме космического радиоизлучения с непрерывным спектром, которое наблюдается, следовательно, на всех частотах (конечно, с различными механизмами испуска­ ния), имеется также монохроматическое излучение меж­ звездного водорода на частоте 1420,40 Мгц (А,=21,1 см). Эта линия излучения связана со сверхтонкой структурой основного состояния водородного атома и возникает бла­ годаря взаимодействию электронного спина с магнит­ ным моментом протона. В возбужденном состоянии спин ядра и спин электрона в атоме водорода располагаются параллельно друг другу. При переходе в основное со­ стояние они становятся антипараллельными. Этот кван­ товый переход в точности соответствует частоте 1420,4056 Мгц. Несмотря на то, что вероятность перехо­ да равна всего лишь 1 0~ 15 сек~* и время пребывания в не-

излученном состоянии составляет, следовательно, в сред­ нем 11 миллионов лет, из-за громадного числа атомов

водорода в Млечном Пути существует излучение, кото­ рое может быть измерено с помощью высокочувстви­ тельных устройств. Это монохроматическое излучешг было обнаружено впервые в 1951 г. одновременно в Ав­ стралии, Голландии и США.

205

Исследование эмиссии межзвездного водорода на длине волны А, = 2 1 см имеет большое значение для аст­

рономии, так как по измеренной интенсивности можно узнать о распределении плотности оптически невидимого водорода по Млечному Пути и в других галактиках; по результатам измерения частоты с учетом эффекта Доп­ плера молено судить также о движении излучающих во­ дородных облаков. ‘Причиной допплеровского сдвига ли­ нии Л= 21 см является наличие радиальной скорости дви-

жения водородных облаков, обусловленной разностным галактическим вращением. Под этим понимают явление, при котором угловая скорость вращения галактической системы Млечного Пути уменьшается от внутренних об­ ластей галактики к внешним. При этом в области рас­ положения Солнца, т. е. в нашей части Млечного Пути, должно казаться, что звезды и облака газов, находящи­ еся ближе к центру галактики, оперел(ают тела солнеч­ ной системы, а более удаленные от центра, напротив, от­ стают. Тем самым создается относительное движение звезд и облаков газа, радиальная компонента которого является причиной наблюдаемого на Земле допплеров­ ского сдвига линии А,=21 см. Линия с частотой 1420,405 Мгц, излучаемая водородным облаком, имею­ щим относительную радиальную скорость vr, сдвигается по шкале частот за счет эффекта Допплера на величину

Относительная скорость двилсения излучающего об­ лака, равная, например, 1,5 км/сек, приводит улсе к сдвигу частоты в 7,1 кгц. Зная угловую скорость галак­ тического вращения, можно теперь для калщого направ­ ления наблюдений по частотному сдвигу линии судить об удаленности излучающего водородного облака. Если провести такие измерения для каледой точки небесной сферы, то можно получить достоверную картину распре­ деления водорода по Млечному Пути. Эти очень слож­ ные измерения впервые были тщательно проведены груп­ пой голландских исследователей. Новые и более тонкие измерения были выполнены, кроме того, в последние го­ ды группой сотрудников немецкой радиоастрономиче­ ской обсерватории «Штеккерт». Рис. 100 показывает профиль линии, полученный этой группой. Данная кри­

206

вая снималась без применения параметрического пред­ усилителя, который, вообще говоря, был установлен на радиотелескопе. Линия расщеплена на множество ком­ понент и размыта. Расщепление линии обусловлено тем, что в направлении наблюдения расположены один за другим большое количество водородных облаков, кото­ рым соответствуют различной величины допплеровские

Рис. 100. Качественное изображение профиля линии излучения водо­ рода Л = 21 см.

сдвиги частоты. Уширение спектральной линии объясня­ ется тепловым движением атомов и турбулентными яв­ лениями в водородных облаках. Если теперь разложить профиль линии иа составляющие, то эти допплеровские сдвиги будут давать скорость движения соответствую­ щего водородного облака относительно Солнца. С уче­ том известного движения облаков вокруг галактическо­ го центра можно по относительной скорости рассчитать расстояние от них до Солнца, а затем и расстояние до центра галактики. Эти результаты представлены на

207

желающие связаться с жителями других планет, т. е. и с земными тоже, попытаются осуществить космическую связь именно на этой линии водорода, Я=21 см. Такая длина волны особенно благоприятна для сверхдальней связи, так как космические шумы в этом диапазоне ми­ нимальны.

в) Радиоизлучение планет

Исследование радиочастотного излучения планет — самая молодая отрасль радиоастрономии. Известные ра­ нее сведения о планетах основывались исключительно на визуальном наблюдении и измерениях инфракрас­ ного излучения. Изучение же их радиочастотной ра­ диации должно дать новые интересные и важные зна­ ния как о свойствах планет, так и об их атмосфере или ионосфере.

Луна испускает чисто тепловое радиоизлучение (а также инфракрасное), соответствующее температуре лунной поверхности, нагретой Солнцем, так же как Зем­ ля или любое другое нагретое тело. Как показывают из­ мерения, радиоизлучение различных частот приходит из разных слоев лунной коры; это говорит о том, что по­ верхность Луны может состоять из пыли и сухого песка или пористой горной породы. Температура слоя лунной поверхности, измеряемая на основе анализа ее радиоиз­ лучения, практически не зависит от изменения освещен­ ности (от фазы Луны).

Тепловое СВЧ-излучение испускают также и плане­ ты: Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В табл. 4 сопостав­ ляются температуры, которые могут быть приписаны этим планетам на основе радиоизмерений. Указанные температуры представляют усредненные значения. Тем­ пература Венеры оказалась равной округленно 600 °К. Это в два раза больше величины, полученной в резуль­ тате инфракрасных измерений. Наиболее вероятным объяснением этого расхождения является то, что инфра­ красное излучение исходит от верхних слоев атмосферы, расположенных сразу же под облаками, которые плотно окутывают Венеру и препятствуют непосредственному визуальному наблюдению, тогда как СВЧ-излучение приходит от твердой поверхности планеты. Предполага­ ется, что инфракрасное излучение Солнца поглощается

атмосферой Венеры и рассеивается в сторону ее поверх­ ности; благодаря этому и происходит нагрев поверхно­

ду этими радиоимпульсами и периодом вращения Юпи­ тера имеется явная связь, поскольку они исходят от не­ большого четко ограниченного участка планеты, который воспринимается визуально как некое светлое пятно. Важ­ ной особенностью, свидетельствующей о нетепловом ха­ рактере этой длинноволновой компоненты, является уве­ личение мощности излучения (измеренной в вт1м2-гц) с возрастанием длины волны, в противоположность тепло­ вой компоненте, интенсивность которой с длиной волны, наоборот, уменьшается.

210