Межпланетное мерцание

Случайные колебания радиоволн небесного происхождения

В астрономии межпланетное мерцание относится к случайным колебаниям интенсивности радиоволн небесного происхождения в масштабе времени в несколько секунд. Это аналогично мерцанию, которое можно увидеть, глядя на звезды в небе ночью, но в радиочасти электромагнитного спектра, а не в видимой . Межпланетное мерцание является результатом прохождения радиоволн через колебания плотности электронов и протонов , составляющих солнечный ветер .

Раннее исследование

Сцинтилляция, то есть быстрая модификация радиоволн из-за мелкомасштабных структур в ионосфере , известная как ионосферное мерцание , ^[1] была обнаружена еще в 1951 году Энтони Хьюишем , а затем он сообщил о нерегулярностях в излучении, полученном во время наблюдения яркого радиоисточника в Тельце в 1954 году. ^[2] Хьюиш рассмотрел различные возможности и предположил, что нерегулярности в солнечной короне могут вызывать рассеяние за счет рефракции и могут вызывать нерегулярности, которые он наблюдал. ^[3] Десятилетие спустя, проводя астрометрические наблюдения нескольких ярких источников небесных радиоволн с помощью радиоинтерферометра , Хьюиш и двое его коллег сообщили о «необычных колебаниях интенсивности» в нескольких источниках. ^[4] Полученные данные убедительно подтверждают идею о том, что колебания являются результатом неравномерности плотности плазмы , связанной с солнечным ветром , которую авторы назвали межпланетным мерцанием ^[5] и признали «открытием явления межпланетного мерцания». ^[6]

Для изучения межпланетных мерцаний Хьюиш построил Межпланетную мерцательную решетку в Радиоастрономической обсерватории Малларда . Решетка состояла из 2048 диполей на почти пяти акрах земли и была построена для постоянного обзора неба с временным разрешением около 0,1 секунды . Такое высокое временное разрешение отличало ее от многих других радиотелескопов того времени, поскольку астрономы не ожидали, что излучение от объекта будет иметь столь быстрые изменения. ^[7] Вскоре после начала наблюдений ученица Хьюиша Джоселин Белл перевернула это предположение с ног на голову, когда заметила сигнал, который вскоре был распознан как исходящий от нового класса объектов — пульсаров . Таким образом, «именно исследование межпланетной мерцания привело к открытию пульсаров, хотя это открытие было скорее побочным продуктом, чем целью исследования». ^[8]

Причина

Сцинтилляция происходит в результате изменений показателя преломления среды, через которую распространяются волны. Солнечный ветер представляет собой плазму , состоящую в основном из электронов и одиноких протонов , а изменения показателя преломления вызваны изменениями плотности плазмы . ^[9] Различные показатели преломления приводят к фазовым изменениям между волнами, проходящими через разные места, что приводит к интерференции . Когда волны интерферируют, как частота волны, так и ее угловой размер расширяются, а интенсивность изменяется. ^[10]

Приложения

Солнечный ветер

Поскольку межпланетное мерцание вызвано солнечным ветром , измерения межпланетного мерцания могут «использоваться как ценные и недорогие зонды солнечного ветра». ^[11] Как уже отмечалось, наблюдаемая информация, флуктуации интенсивности, связана с желаемой информацией, структурой солнечного ветра, через изменение фазы, испытываемое волнами, проходящими через солнечный ветер. Среднеквадратичные ( RMS) флуктуации интенсивности часто выражаются относительно средней интенсивности от источника, в термине, называемом индексом мерцания, который записывается как

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

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

${\displaystyle m\approx {\sqrt {2}}\Delta \phi .}$^[12]

Следующий шаг, связывающий изменение фазы со структурой плотности солнечного ветра, можно упростить, предположив, что плотность плазмы наиболее высока по направлению к Солнцу, что допускает «приближение тонкого экрана». В конечном итоге это дает среднеквадратичное отклонение для фазы

${\displaystyle \phi _{RMS}=\lambda r_{e}\left(aL\right)^{1/2}\left[\langle \delta N^{2}\rangle \right]^{1/2},}$^[13]

где - длина волны входящей волны, - классический радиус электрона , - толщина «экрана» или масштаб длины, на котором происходит большая часть рассеяния, - типичный масштаб размеров неоднородностей плотности, и - среднеквадратичное изменение электронной плотности относительно средней плотности. Таким образом, межпланетное мерцание можно использовать в качестве зонда плотности солнечного ветра. Измерения межпланетного мерцания также можно использовать для определения скорости солнечного ветра. ^[14] ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle r_{e}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \delta N^{2}}$

Стабильные характеристики солнечного ветра могут быть особенно хорошо изучены. В определенное время наблюдатели на Земле имеют фиксированную линию зрения через солнечный ветер, но по мере вращения Солнца в течение приблизительно месячного периода перспектива на Земле меняется. Затем можно сделать « томографическую реконструкцию распределения солнечного ветра» для характеристик солнечного ветра, которые остаются статическими. ^[15]

Компактные источники

Спектр мощности , наблюдаемый от источника, испытавшего межпланетное мерцание, зависит от углового размера источника. ^[16] Таким образом, измерения межпланетного мерцания могут быть использованы для определения размера компактных радиоисточников, таких как активные ядра галактик . ^[17]

Смотрите 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

Ссылки

1. "Ионосферное мерцание | Центр прогнозирования космической погоды NOAA / NWS".
2. Хьюиш (1955), стр. 238.
3. Хьюиш (1955), стр. 242–244.
4. Хьюиш (1964), стр. 1214.
5. Хьюиш (1964), стр. 1215.
6. Алуркар (1997), стр. 38.
7. Манчестер (1977), стр. 1–2.
8. Лайн (1990). стр. 4.
9. Джокипии (1973), стр. 11–12.
10. Алуркар (1997), стр. 11.
11. Йокипии (1973), стр. 1.
12. Алуркар (1997), стр. 45.
13. Алуркар (1997), стр. 39–45.
14. Джокипии (1973), стр. 23–25.
15. "Murchison Widefield Array: Interplanetary Scintillation". Архивировано из оригинала 2011-07-20 . Получено 2009-07-20 .
16. Шишов (1978).
17. Артюх (2001), стр. 185

Библиография

• Артюх, Вадим С. (2001). «Исследования активных ядер галактик методом межпланетных мерцаний». Астрофизика и космические науки . 278 (1/2): 185–188. Bibcode : 2001Ap&SS.278..185A. doi : 10.1023/A:1013154728238. S2CID  123391914.
• Alurkar, SK (1997). Солнечные и межпланетные возмущения. Сингапур: World Scientific. ISBN 978-981-02-2925-2.
• Хьюиш, А. (1955). «Нерегулярная структура внешних областей солнечной короны». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки . 228 (1173): 238–251. Bibcode : 1955RSPSA.228..238H. doi : 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». Nature . 203 (4951): 1214–1217. Bibcode :1964Natur.203.1214H. doi :10.1038/2031214a0. S2CID  4203129.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Йокипи, Дж. Р. (1973). «Турбулентность и мерцания в межпланетной плазме». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 11 (1): 1–28. Bibcode : 1973ARA&A..11....1J. doi : 10.1146/annurev.aa.11.090173.000245.
• Лайн, АГ; Грэхем-Смит, Ф. (1990). Пульсарная астрономия. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-83954-9.
• Манчестер, Р. Н.; 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. Bibcode :1978АЖ....55..411С.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )