Межпланетное мерцание

В астрономии межпланетное мерцание относится к случайным колебаниям интенсивности радиоволн небесного происхождения в масштабе времени в несколько секунд. Оно аналогично мерцанию, которое человек видит, глядя на звезды на ночном небе , но в радиочасти электромагнитного спектра , а не в видимой . Межпланетное мерцание является результатом распространения радиоволн за счет флуктуаций плотности электронов и протонов , составляющих солнечный ветер .

Раннее обучение

Мерцание, означающее быструю модификацию радиоволн из-за мелкомасштабных структур в ионосфере , известное как ионосферное мерцание . наблюдался еще в 1951 году Энтони Хьюишем , а затем он сообщил о нерегулярности излучения, полученного во время наблюдения яркого радиоисточника в Тельце в 1954 году. Хьюиш рассмотрел различные возможности и предположил, что неоднородности солнечной короны могут вызывать рассеяние за счет рефракции и могут вызывать наблюдаемые им неоднородности. Десять лет спустя, проводя астрометрические наблюдения нескольких ярких источников небесных радиоволн с помощью радиоинтерферометра , Хьюиш и двое его сотрудников сообщили о «необычных колебаниях интенсивности» в некоторых из источников. Данные убедительно подтвердили представление о том, что флуктуации возникли из-за неравномерностей в плотности плазмы , связанной с солнечным ветром , которое авторы назвали межпланетным мерцанием. и признано «открытием явления межпланетного мерцания».

Для изучения межпланетного мерцания Хьюиш построил Межпланетную мерцающую решетку в Радиоастрономической обсерватории Малларда . Массив состоял из 2048 диполей на площади почти в пять акров и был построен для постоянного наблюдения за небом с временным разрешением около 0,1 секунды . Такое высокое временное разрешение отличало его от многих других радиотелескопов того времени, поскольку астрономы не ожидали, что излучение объекта будет иметь такие быстрые изменения. Вскоре после начала наблюдений ученица Хьюиша Джоселин Белл перевернула это предположение с ног на голову, когда заметила сигнал, который вскоре был признан исходящим от нового класса объектов — пульсара . Таким образом, «именно исследование межпланетных мерцаний привело к открытию пульсаров, хотя это открытие было скорее побочным продуктом, чем целью исследования».

Причина

Мерцание возникает в результате изменения показателя преломления среды, через которую распространяются волны. Солнечный ветер представляет собой плазму , состоящую в основном из электронов и одиночных протонов , а изменения показателя преломления вызваны изменениями плотности плазмы . Различные показатели преломления приводят к изменению фазы между волнами, проходящими через разные места, что приводит к интерференции . По мере интерференции волн как частота волны, так и ее угловой размер уширяются, а интенсивность меняется.

Приложения

Солнечный ветер

Поскольку межпланетное мерцание вызвано солнечным ветром , измерения межпланетного мерцания могут «использоваться как ценные и недорогие зонды солнечного ветра». Как уже отмечалось, наблюдаемая информация, флуктуации интенсивности, связана с желаемой информацией, структурой солнечного ветра, через изменение фазы, испытываемое волнами, проходящими через солнечный ветер. Среднеквадратичные флуктуации интенсивности (RMS) часто выражаются относительно средней интенсивности источника в термине, называемом индексом мерцаний, который записывается как

$m={\frac {\langle \Delta I^{2}\rangle ^{1/2}}{\langle I\rangle }}.$

Это можно связать с отклонением фазы, вызванным турбулентностью солнечного ветра, если рассматривать падающую плоскую электромагнитную волну, и получаем

$m\approx {\sqrt {2}}\Delta \phi .$

Следующий шаг, связывающий изменение фазы со структурой плотности солнечного ветра, можно упростить, если предположить, что плотность плазмы наибольшая по направлению к Солнцу, что позволяет использовать «приближение тонкого экрана». Это в конечном итоге дает среднеквадратичное отклонение для фазы

$\phi _{RMS}=\lambda r_{e}\left(aL\right)^{1/2}\left[\langle \delta N^{2}\rangle \right]^{1/2},$

где $\lambda$ длина волны приходящей волны, $r_{e}$ – классический радиус электрона , $L$ — толщина «экрана» или масштаб длины, на котором происходит большая часть рассеяния, $a$ - типичный размер неоднородностей плотности, а $\delta N^{2}$ – среднеквадратичное изменение плотности электронов относительно средней плотности. Таким образом, межпланетные мерцания можно использовать в качестве датчика плотности солнечного ветра. Измерения межпланетных мерцаний также можно использовать для определения скорости солнечного ветра.

Особенно хорошо изучены стабильные характеристики солнечного ветра. В данный момент наблюдатели на Земле имеют фиксированную линию обзора солнечного ветра, но по мере вращения Солнца в течение примерно месячного периода перспектива на Земле меняется. Тогда можно провести « томографическую реконструкцию распределения солнечного ветра» для характеристик солнечного ветра, которые остаются статичными.

Компактные источники

Спектр мощности , наблюдаемый от источника, испытавшего межпланетное мерцание, зависит от углового размера источника. Таким образом, измерения межпланетных мерцаний можно использовать для определения размера компактных радиоисточников, таких как активные ядра галактик .

См. также

• Межпланетное пространство
• Межпланетная среда
• Межпланетная пыль
• Межпланетное пылевое облако
• Межпланетное магнитное поле
• Межзвездное пространство
• Межзвездная среда
• межзвездная пыль
• Межгалактическое пространство
• Межгалактическая среда
• Межгалактическая пыль

Библиография

• Артюх, Вадим С. (2001). «Исследование АЯГ методом межпланетных мерцаний». Астрофизика и космическая наука . 278 (1/2): 185–188. Бибкод : 2001Ap&SS.278..185A . дои : 10.1023/А:1013154728238 . S2CID   123391914 .
• Алуркар, СК (1997). Солнечные и межпланетные возмущения . Сингапур: World Scientific. ISBN  978-981-02-2925-2 .
• Хьюиш, А. (1955). «Неправильная структура внешних областей солнечной короны». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 228 (1173): 238–251. Бибкод : 1955RSPSA.228..238H . дои : 10.1098/rspa.1955.0046 . JSTOR   99619 . S2CID   122176976 .
• Хьюиш А., Скотт П.Ф. и Уиллс Д. (сентябрь 1964 г.). «Межпланетное мерцание радиоисточников малого диаметра». Природа . 203 (4951): 1214–1217. Бибкод : 1964Natur.203.1214H . дои : 10.1038/2031214a0 . S2CID   4203129 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Джокипии, младший (1973). «Турбулентность и мерцания в межпланетной плазме». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 11 (1): 1–28. Бибкод : 1973ARA&A..11....1J . дои : 10.1146/annurev.aa.11.090173.000245 .
• Лайн, АГ; Грэм-Смит, Ф. (1990). Пульсарная астрономия . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-83954-9 .
• Манчестер, штат РН; Тейлор, Дж. Х. (1977). Пульсары . Сан-Франциско: WH Freeman and Company. ISBN  978-0-7167-0358-7 .
• Шишов В.И., Шишова Т.Д. (1978). «Влияние размеров источников на спектры межпланетных мерцаний - Теория». Астрономический журнал . 55 : 411–418. Бибкод : 1978АЖ....55..411С . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )