Поляризационные исследования галактического радиоизлучения на дециметровых и метровых волнах

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................
1. Астрофизическое значение исследований линейно поляризованной составляющей радиоизлучения Галактики ...............................................
1.1. Поляризационные характеристики синхротронного излучения и методы их измерений .......................
1.2. Основные экспериментальные работы по исследованию линейно поляризованного радиоизлучения Галактики ..............................
1.3. Основные положения главы 1 . . ...................
2. Технические требования к радиополяриметрам. Методика поляризационных измерений ......................
2.1. Облучатели антенн ................................
2.2. Приемники радиополяриметров ......................
2.3. Четырехканальный поляриметр дециметрового диапазона .............................................
2.4. Методика измерений линейной поляризации и редукция экспериментальных данных .....................
2.5. Основные положения главы 2 .......................
3. Обзоры линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения в области Петли III в диапазоне дециметровых и метровых волн ................
3.1. Обзор линейной поляризации на частоте 920 МГц.....
3.2. Наблюдения линейной поляризации галактического радиоизлучения вблизи волны 1м ........................
3.2.1. Поляризационные наблюдения на частоте 290 МГц ...
3.2.2. Поляризационные наблюдения на частоте 334 МГц ...
3.2.3. Поляризационные наблюдения на частоте 240 МГц ...
3.3. Исследование линейной поляризации на шести частотах в диапазоне 375 -г 448 МГц ........................
4
20
21
27
37
38
39
42
43
46
54
56
58
73
74
78
82
84
3.4. Обсуждение результатов поляризационных обзоров ...
3.4.1. Пространственное распределение поляризационных
параметров в области Петли III ..................
3.4.2. Исследование структуры области высокой поляризации и ее модельное представление ..............
3.5. Основные положения главы 3 ........................
4. Результаты многочастотных поляризационных наблюдений отдельных областей Галактики методом сопровождения ....................................
4.1. Измерение линейной поляризации галактического радиоизлучения в избранных направлениях ...............
4.2. Частотный спектр поляризационных характеристик области а = 4Ь 30ш, 6 = 61° и модельное представление этой области...........................................
4.3. О частотном спектре поляризованной компоненты галактического радиоизлучения в направлении Северного Полюса Мира..................................
4.4. Линейно поляризованное радиоизлучение в направлении Северного полюса Галактики ................
4.5. Линейная поляризация галактического радиоизлучения на частоте 102 МГц около 1=140°, Ь=+8° ............
4.6. Основные положения главы 4 ........................
5. Природа области высокой поляризации ....................
5.1. Особенности синхр о тронного радиоизлучения области высокой поляризации ...........................
5.2. О пространственной локализации области
высокой поляризации ................................
5.3. О возможности отождествления области высокой поляризации с молекулярным облаком.....................
5.4. Ориентация магнитного поля в области
высокой поляризации ................................
5.5. Основные положения главы 5 ........................
Заключение ................................................
. 92
. 92
. 96 102
104
104
108
113
121
123
128
130
132
137
141
145
147
149
Литература
151
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Большая часть распределенного радиоизлучения нашей Галактики на дециметровых и метровых волнах имеет синхротронную природу и генерируется релятивистскими электронами, движущимися по винтовым траекториям в слабых межзвездных магнитных полях. Одной из особенностей синхротронного излучения является его частичная линейная поляризация. Степень линейной поляризации синхротронного излучения ансамбля релятивистских электронов со степенным спектром АГ(£?) ос Е~у в однородном магнитном иоле в вакууме равна
7 + 1 Р° ~ 7 + 7/3
Так для типичного значения 7 = 2.6 степень поляризации составляет 73%. В действительности степень поляризации наблюдаемого линейно поляризованного радиоизлучения даже на высоких частотах обычно не превышает 20 процентов, что обусловлено сложной структурой магнитного поля, которое имеет регулярную и хаотическую составляющую.
При распространении излучения в намагниченной межзвездной плазме плоскость поляризации линейно поляризованной волны испытывает фарадеевское вращение. Угол поворота равен
ь
<р(рад) = 0.81А2|ЛУЗц<Я о
где А/е — электронная концентрация в см3, 1 — длина пути в парсеках, Л — длина волны в метрах, £ц — продольная составляющая магнитного поля в микрогауссах.
В протяженном источнике синхротронное радиоизлучение генерируется на разных глубинах, и, соответственно, плоскость поляризации излучения поворачивается внутри источника на разные углы, что приводит к уменьшению степени поляризации радиоизлучения на выходе из источника.
По характеру изменений яркостной поляризационной температуры и позиционного угла с частотой можно оценить электронную концентрацию и продольную составляющую магнитного поля как в источнике радиоизлучения, так и в межзвездной среде между ним и на-
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Большая часть распределенного радиоизлучения нашей Галактики на дециметровых и метровых волнах имеет синхротронную природу и генерируется релятивистскими электронами, движущимися по винтовым траекториям в слабых межзвездных магнитных полях. Одной из особенностей синхротронного излучения является его частичная линейная поляризация. Степень линейной поляризации синхротронного излучения ансамбля релятивистских электронов со степенным спектром N (Е) ос Е~у в однородном магнитном поле в вакууме равна
7 + 1
РО — Г'пТо
7 + 7/3
Так для типичного значения 7 = 2.6 степень поляризации составляет 73%. В действительности степень поляризации наблюдаемого линейно поляризованного радиоизлучения даже на высоких частотах обычно не превышает 20 процентов, что обусловлено сложной структурой магнитного поля, которое имеет регулярную и хаотическую с оставляющую.
При распространении излучения в намагниченной межзвездной плазме плоскость поляризации линейно поляризованной волны испытывает фарадеевское вращение. Угол поворота равен
ь
^(рад) = 0.81 а2 у М€В^1
о
где Ne — электронная концентрация в см3, 1 — длина пути в парсеках, А — длина волны в метрах, В\\ — продольная составляющая магнитного поля в микрогауссах.
В протяженном источнике синхротронное радиоизлучение генерируется на разных глубинах, и, соответственно, плоскость поляризации излучения поворачивается внутри источника на разные углы, что приводит к уменьшению степени поляризации радиоизлучения на выходе из источника.
По характеру изменений яркостной поляризационной температуры и позиционного угла с частотой можно оценить электронную концентрацию и продольную составляющую магнитного поля как в источнике радиоизлучения, так и в межзвездной среде между ним и на-
4
блюдателем. Поскольку межзвездная среда весьма неоднородна фа-радеевская деполяризация меняется от направления к направлению особенно существенно на длинных волнах (А > 1м). Ввиду того, что угол фарадеевского вращения плоскости поляризации радиоизлучения на частотах выше ~ 1 ГГц пренебрежимо мал (< 3°), карты позиционных углов (”поляризационных векторов”) позволяют определить структуру составляющей магнитного поля, перпендикулярной лучам зрения. По спектру поляризационной яркостной температуры на этих частотах можно определить энергетический спектр релятивистских электронов в межзвездном пространстве.
Диапазон длин волн, на которых в настоящее время проводятся исследования поляризации галактического радиоизлучения, ограничен в длинноволновой части метровыми волнами из-за фарадеевской деполяризации, а в коротковолновой части из-за малой яркостной температурой синхротронного излучения .
Линейная поляризация непрерывного радиоизлучения Галактики впервые была обнаружена В.А.Разиным на волнах 1.45 и 3.3 м [1, 2, 3]. За рубежом первые результаты поляризационных исследований были получены в 1962г.[4]. С этого времени в ряде радиоастрономических обсерваторий (в Голландии, Англии , Австралии и Канаде) были выполнены поляризационные обзоры обширных областей небосвода на частотах 408, 610, 820, 1407 и 1415 МГц [5, 6, 7, 8, 9], а также обзор на частоте 240.5 МГц небольшого участка небосвода в направлении антицентра Галактики [10]. Эти наблюдения поляризации на небольшом числе частот не дают возможности получить исчерпывающую интерпретацию поляризационных результатов, т.к. они не позволяют учесть немонотонную частотную зависимость поляризационных параметров в ряде областей Галактики.
Программа поляризационных исследований НИР ФИ предусматривает иной подход: детальное изучение наиболее примечательных областей Галактики, в частности, петлевых объектов — Петля III и Петля I, области Северного полюса Мира, а также область Северного полюса Галактики в более широком частотном диапазоне 88-г 1680 МГц на большем числе частот. Регулярные измерения поляризации галактического радиоизлучения начались в 1965 г на радиоастрономической обсерватории НИРФИ Старая Пустынь в в Нижегородской области (географическая широта места 55°39', долгота 2л54т32*),
где наблюдается относительно низкий уровень радиопомех.
Трудность поляризационных измерений связана с тем, что необходимо обнаружить незначительную линейно поляризованную компоненту галактического радиоизлучения на фоне общего космического радиоизлучения и теплового радиоизлучения земного покрова, которое частично поляризовано. Учет побочных эффектов представляет основные трудности, поскольку величина последних обычно сравнима с полезным сигналом и зависит от угла места, азимута радиотелескопа и изменяется со временем из-за того, что уровень радиоизлучения Земли изменяется в течение наблюдений. Корректность учета побочных эффектов во многом определяет точность измерений поляризационных параметров галактического радиоизлучения. На это указывает анализ ряда поляризационных обзоров зарубежных авторов, выполнивших наблюдения на одних и тех же частотах, но результаты которых существенно отличаются.
Исследования линейной поляризации галактического радиоизлучения представляют большой астрофизический интерес так, как позволяют получить существенную информацию о межзвездном магнитном ноле, пространственном распределении ионизированного газа и релятивистских электронах в Галактике.
Цель работы состоит в получении новых данных о межзвездной среде по результатам исследования линейно поляризованного радиоизлучения Галактики. При этом в основу положены:
1. Исследования углового распределения линейно поляризованной компоненты распределенного галактического радиоизлучения в области крупномасштабной неоднородности — Петли III в дециметровом и метровом диапазонах волн. Исследование природы Петли III по результатам радиополяризационных и других астрофизических данных.
2. Детальное исследование тонкой структуры частотных спектров яркостной температуры и позиционного угла линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения в области высокой поляризации (ОВП ) ( 100° < / < 165°, -4“ < Ь < +16“) в диапазоне 240 -г 920 МГц на большом числе частот.
3. Эталонирование линейно поляризованных параметров в области низкой поляризации — Северного полюса Мира в интервале частот 88 — 1415 МГц.
6
4. Многочастотные измерения яркостной температуры и позиционного угла плоскости поляризации линейно поляризованной компоненты радиоизлучения Галактики в направлении ее Северного полюса.
5. Исследование природы ОВП с центром в / = 147°, Ъ = +8°.
Научная новизна. Выполнены многочастотные (на 11 частотах в интервале 102 -г 920 МГц) измерения яркостной температуры и позиционного угла линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения в области Петли III. Наблюдения на частоте 920МГц [13] показали, что на небосводе выделяется область с высокими значениями ТІ (ОВП), ограниченная координатами 105° < / < 165°, -4° < 6 < +16° . В работе [12], выполненной на частотах 437, 510, 735 МГц, отмечалось, что мера вращения мала в центре этой области (I = 142°, Ь = +8°) и увеличивается к ее краям. При / > 145° мера вращения положительна, а при / < 140° — отрицательна. Это свидетельствует о преобладающей роли упорядоченной составляющей магнитного поля в указанной области. На частоте 290 МГц обнаружена наиболее яркая в линейно поляризованном радиоизлучении область — яркое пятно [14], ограниченная координатами 140° < I < 156°, 0° < Ь < 4-15° с координатами центра / = 147°, 6 = +8° (ПО 147+8), Яркое пятно линейно поляризованного радиоизлучения представляется более или менее симметричным. Яркое пятно составляет только часть области высокой поляризации. Это свидетельствует о том, что на долготах I < 140° радиоизлучение на низких частотах существенно деполяризуется. Поляризационные температуры в ПО 147+8 на частоте 334 МГц несколько выше, чем на частоте 290 МГц. В центре ПО 147+8 на частоте 334 МГц максимальные значения Т£ ~ ПК , а окрестностях этой области поляризационные яркостныс температуры (2+3) К [15]. На частоте 240 МГц поляризационные яркостные температуры в среднем меньше, чем на частотах 290 и 334 МГц. Проведено калибровка поляризационных температур и позиционных улов методом сопровождения отдельных точек небосвода в пределах ОВП в интервале 240+ 920 МГц на большом числе частот. Установлено, что частотный спектр яркостной поляризационной температуры Т£ в диапазоне 290+ 510 МГц является немонотонным и имеет осциллирующую структуру [23, 24], вследствие чего спектральный индекс поляризованного радиоизлучения (Зру
в отличие от спектрального индекса полного радиоизлучения, меняется в широких пределах -2 < (Зр < +4 (Т* ос и~^) на галактических широтах 3° < Ь < 20°. Максимальные значения Т$ наблюдаются в диапазоне частот 290 -г 334 МГц. Детально исследовано пространственное распределение яркостных поляризационных температур и позиционных углов в области высокой поляризации. Наблюдаемые поляризационные данные хорошо объясняются в предположении, что межзвездное магнитное поле в области высокой поляризации имеют квазирегулярную структуру при этом угловые и частотные изменения и х обусловлены эффектом Фарадея и описываются выражением (sin (р)/ч>) где (р — угол поворота плоскости поляризации радиоизлучения в области излучения.
Сделано предположение, что источник высокой поляризации находится на расстоянии между 245 пк и 500 пк. Это следует из фарадеев-ской деполяризации радиоизлучения в Стремгреновской зоне вокруг звезды В2 Ve (HD 20336) [76], расположенной на расстоянии 245 пк, и исследований поляризации света звезд, которая происходит на расстоянии не далее чем 500 пк. Выдвинута гипотеза о возможном отождествлении области высокой линейной поляризации с газопылевым облаком, которое расположено на расстоянии 300 пк и почти полностью совпадает с границами газопылевого облака (100° < / < 164°, —4° < b < +10°).
Проанализированы результаты измерений яркостной температуры и позиционного угла линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения в направлении Северного полюса Мира на 13 частотах в интервале частот 88 -Ь 1407 МГц [27, 28, 29]. Полученные значения яркостной поляризационной температуры Tf и позиционного угла являются наиболее многочастотными. Установлено, что в интервале частот 200 -f- 1407 МГц спектр Т$ в отличие от спектра в ОВД имеет степенную зависимости со спектральным индексом (Зр = 1.87 ± 0.05, что отвечает выражению для степени линейной поляризации p(is) ос ^0-73:t(U1. Мера вращения по результатам настоящих измерений равна RM = (—0.9 ± 0.1) рад • м-2. Предложено интерпретировать полученные результаты с помощью статистической модели радиоисточника, состоящего из большого числа ”ячеек” с квазиоднородным магнитным полем, в каждой из которых происходит фарадеевское вращение плоскости поляризации радиоизлучения.
8
На основании анализа такой модели исследована частотная зависимость интегральной линейной поляризации. Показано, что в интервале длин волн (0.74-2) м степень поляризации можно аппроксимировать степенной зависимостью р(Х) ос Л-0 8, что хорошо согласуется с данными наблюдений.
Выполнены измерения яркостной температуры Т£ и позиционного угла х плоскости поляризации линейно поляризованной радиоизлучения Галактики в направлении ее Северного полюса на частотах 290,408,910 МГц . Определено значение температурного спектрального индекса вр = 1.25 ± 0.2 (Т£ ос что вдвое меньше значения
температурного спектрального индекса /3 — 2.6 полного галактического радиоизлучения в том же диапазоне частот и направлении и заметно меньше значения для Северного полюса Мира (/Зр = 1.87±0.05).
Практическое и научное значение диссертации определяется тем, что исследование частотного спектра и углового распределения параметров линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения являются весьма информативным методом изучения структуры и величины межзвездного магнитного поля, простран-ственного распределения релятивистских и тепловых электронов как в самом источнике, так и в среде между ним и наблюдателем. Поляризационные измерения внеземного радиоизлучения имеют прикладное значение для исследования межпланетной среды и ионосферы посредством наблюдений фарадеевского вращения плоскости поляризации эталонных областей небосвода.
Личный вклад. Автор диссертации принимал непосредственное участие в наблюдениях и обработке данных линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения, результаты которых выносятся на защиту.
Участие автора диссертации в поляризационных наблюдениях началось с первых регулярных измерений, выполненных на радиоастрономической станции ’’Старая Пустынь” в 1965 г.. Для обработки данных им была разработана методика учета фарадеевского вращения линейно поляризованного сигнала в ионосфере [12]; в 1969 г. автором выполнены наблюдения на высокой для поляризационных измерений частоте 920 МГц [13];
в 19724-1973 гг. были проведены наблюдения поляризации на частоте 102 МГц [9];
9
в 1974-1975 гг. автором были выполнены наблюдения поляризации на частоте 290 МГц [14];
в совместную работу [4] включены результаты поляризационных измерений выполненных автором на частотах 240, 290, 334 и 920 МГц в области Петли III;
автором разработан и изготовлен четырехканальный поляриметр дециметрового диапазона волн для измерений линейно поляризованного галактического радиоизлучения [17];
в 1984-1988 гг. выполнены поляризационные измерения и проведена обработка данных на 7 частотах в диапазонах 375 — 448 МГц [18, 19, 20];
интерпретация результатов поляризационных наблюдений в области высокой поляризации, как правило, проводилась совместно с научным руководителем В.А.Разиным ;
совместные работы по исследованию частотного спектра поляризационных параметров в направлении Северного полюса Мира основаны на результатах полученных в НИРФИ на 13 частотах, из них автором выполнены наблюдения на 7 частотах (334, 375, 385, 395, 408, 437, 448 МГц).
Апробация результатов исследований. Работы, составляющие основу настоящей диссертации, выполнялись по плану важнейших работ НИРФИ и на завершающем этапе — при поддержке грантов РФФИ N 97-02-16256-а, N 98-02-31014 и ФЦНТП подпрограмма ’’Астрономия” проект N 1.3.7.2.. Полученные результаты включались в отчеты Научного совета по комплексной проблеме ’’Радиоастрономия”. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 7-й Всесоюзной конференции по радиоастрономии (г. Горький, 1972 г.); 12-ой Всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии (г. Звенигород, 1979 г.); 17-й Всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре (г. Ереван, 1985г.); 19-й Всесоюзной конференции по галактической и внегалактической радиоастрономии (г. Таллин, 1987 г.); 23-ей Всесоюзной конференции но галактической и внегалактической радиоастрономии (г. Ашхабад, 1991г.); 25-ой радиоастрономической конференции (г.Пущино, 1993 г.); 26-ой радиоастрономической конференции (г. Санкт-Петербург, 1995 г.); 27-ой радиоастрономической конференции (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); 6th European and 3rd
10
Hellenic Astronomical Society Conference
(Thessaloniki, Greece, 1997) и на научных семинарах НИРФИ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация изложена на 158 страницах, включая 39 рисунков, 13 таблиц и 97 наименований списка цитируемой литературы.
краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научная новизна и кратко изложена ее содержание.
В первой главе дана краткая характеристика синхротронного излучения [1, 3, 34]. Показано, что исследование линейно поляризованной компоненты галактического радиоизлучения является эффективным средством изучения межзвездного магнитного поля, распределения ионизированного газа, физической природы областей с повышенным поляризованным радиоизлучением, а также ионосферы Земли.
В приводится описание двух известных систем параметров частично поляризованного радиоизлучения. Первая система параметров характеризуется четырьмя наглядными величинами: степенью поляризации р; позиционным углом % эллиптичностью; направлением вращения электрического вектора. Однако более удобно использовать параметры Стокса, которые непосредственно связаны с измеряемыми величинами: параметр / характеризует интенсивность излучения; параметры Q и U определяют линейную поляризацию; параметр V характеризует круговую поляризацию, который в ультро-релятивистском приближении равен нулю. Следовательно, принимаемое галактическое фоновое радиоизлучение является частично линейно поляризованным. Обе системы поляризационных параметров довольно просто связаны между собой.
Проанализированы основные поляризационные экспериментальные работы зарубежных авторов. Приведены наиболее существенные результаты, полученные в этих работах.
Во второй главе рассмотрены спецефические требования к характеристикам антенн и поляриметрам при проведении поляризаци-
11
онных наблюдений, а также приведена методика поляризационных измерений.
Основная сложность поляризационных наблюдений вызвана наличием побочных эффектов, которые возникают по следующим основным причинам [12, 2, 32]:
а) боковые лепестки антенны принимают частично поляризованное радиоизлучение Земли;
б) при вращении облучателя антенная температура может изменяться пз-за несимметричности главного луча и неоднородного пространственного распределения источников радиоизлучения, что приводит к появления ложной поляризации
Приведено описание облучателей радиотелескопов с параболическим рефлектором, предназначенных для исследований линейной поляризации. Эти облучатели позволили иметь диаграммы главного луча антенны с круговой симметрией и низким уровнем боковых лепестков, что обеспечивало уменьшение побочных сигналов. Наиболее точные поляризационные данные получены в случае применения облучателя на коаксиальном волноводе. Он представлял закороченный отрезок коаксиального волновода диаметром 0.8 Л , который возбуждался двумя взаимно перпендикулярными штырями.
Приводится описание поляриметров, которые применялись при поляризационных измерениях. Поляриметры должны обладать малыми шумами, иметь достаточно узкие полосы приема, чтобы исключить дисперсию в пределах полосы приемника, а так же обладать высокой стабильностью коэффициента усиления. В качестве приемников использовались модуляционные радиометры с шириной полосы Аи 22 0.011Л
Приводится описание более совершенных четырехканальных радиометров, разработанных автором, для исследования тонкой структуры частотного спектра линейно поляризованной компоненты на диапазоны частот 375408 МГц и 408-=-448 МГц с трехплечными переключателями, что позволило располагать головную часть радиометра вблизи облучателя и таким образом уменьшить потери во входном тракте.
Рассмотрена методика проведения измерений поляризации с помощью одиночных параболических антенн и обработка результатов наблюдений, которые корректировались на побочные эффекты и ио-
12