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qhhauhsz60
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射電天體物理學


問題: 解答: 射電天體物理學   radio astrophysics   用現代物理學理論解釋天體的射電現象,以便探討天體的物理狀態、化學組成和演化過程的學科。雖然央斯基在1931~1932年就已探測到來自銀河中心的射電,各國射電天文學家在五十年代對[[太陽射電]]也作了相當多的觀測和理論探討,但只是在六十年代的幾項重大發現(類星體、脈沖星、微波背景輻射、星際分子)以及對射電星系進行細致觀測以后,射電天體物理學才成為一門獨立的學科。以綜合孔徑射電望遠鏡、甚長基線干涉儀和射電天文譜線技術為標志的現代射電天文手段,已經可以用與光學天文圖片同等清晰的程度描繪出遙遠天體的射電圖像,可以測量一些天體中小到萬分之幾角秒的射電細節,可以探測到宇宙中“復雜”分子的微波譜線。射電天體物理學的這種實測基礎,目前仍在繼續發展。   為了解釋射電星系、類星體和脈沖星中劇烈而復雜的射電現象,首先就要探索新的輻射機制和解決巨大能量的起源問題。從理論物理的角度看,這主要涉及處在磁場內的相對論性(即以接近于光速的速度運動的)粒子在等離子體中的高能現象,包括相對論性粒子的加速、輻射機制以及能量轉移過程。因此,相對論、等離子體物理學(特別是等離子體電動力學)和電磁波在等離子體中的傳播理論,構成這一領域的理論基礎。另一方面,射電譜線的觀測研究,涉及溫度比較低的電離氣體星云和分子云中的物理-化學過程,所以,原子物理學和分子化學也成為射電天體物理學的主要理論支柱。   實測基礎 用各種類型射電望遠鏡獲得的天體射電的信息,是研究射電源的物理狀態、化學組成和輻射-能源機制的實測依據。射電的實測內容一共有七項。①射電源的光學證認:測定射電源的位置,找出它的光學對應體。②角徑和大小:直接測出射電源的角徑,如果知道射電源的距離,即可定出它的直徑。對于河外射電源,通常是根據對應光學體的光譜線紅移值,利用哈勃定律計算距離。③強度分布和射電光度:高分辨率射電望遠鏡可以測出射電源輻射強度的分布,得到源的結構。在已知距離時,由輻射強度可計算出射電功率。④頻譜:通常在 10兆赫~100京赫頻段內的許多個頻率上測量輻射強度,從而得到射電源的輻射頻譜。如果利用高分辨率觀測,可以得到源中細節的頻譜。⑤偏振:用射電偏振計測定輻射中的偏振成分。⑥射電譜線測量:搜索原子、分子發出的射電譜線,測定譜線的強度、輪廓、多普勒頻移和偏振。⑦隨時間的變化:許多射電源的輻射強度和輻射結構在幾天、幾個月或幾年內發生明顯變化,需要長時間的監測。   輻射機制和輻射轉移 大部分射電天體都處在等離子體狀態,因而射電天體物理學的主要課題之一是研究等離子體中射電的產生機制,以及這種射電在傳遞過程中發生的變化,包括發射、吸收、放大、波的轉換等。   射電天體物理學的另一主要課題,是解釋天體射電的頻譜分布和譜線特征。在射電天體物理學中,輻射按頻譜的特點,可分為連續輻射和譜線輻射;而按輻射性質,則可分為熱輻射和非熱輻射,或分為相干輻射和非相干輻射。   目前已知的主要輻射機制屬于連續輻射的有三類。①軔致輻射:在電子和離子發生碰撞的過程中產生的輻射。②同步加速輻射:相對論性電子在磁場內回轉時發出的輻射,大量宇宙射電源的輻射特性,可用這種機制來解釋(能量低一些的電子,在磁場內的輻射稱為回旋加速輻射)。③等離子體輻射:高溫磁等離子體內存在著各種不穩定性。當不穩定性出現時,等離子體粒子的“集合行為”產生各種類型的等離子體波,然后通過非線性效應轉化成射電。屬于譜線輻射的也有三類。①原子譜線:電子在原子能級之間躍遷時產生的輻射。②分子譜線:分子或分子離子的振動-旋轉能級的精細結構之間躍遷產生的輻射。③復合線:自由電子被離子重新俘獲到激發能級,接著再向低能級躍遷時產生的輻射。   每一種發射過程都有相應的逆過程──吸收,如熱吸收(碰撞吸收)、同步自吸收等。但在射電天體物理學中,輻射的放大機制也在一定條件下出現,特別是通過微波激射機制產生的羥基、水分子等的譜線。   典型射電天體上的物理過程 射電天體物理學所研究的天體包括:太陽,太陽系天體(特別是木星);銀河系中的超新星遺跡,脈沖星,射電星,電離氫云(HⅡ云),分子云;河外射電源,如類星體、射電星系、鄰近星系中的電離氫區(見電離氫區和中性氫區)和星系核等。有些射電天體具有非常獨特的輻射特性,涉及特殊的物理問題。目前,側重于研究和解釋各類射電天體的輻射特性,關于它們在演化上的聯系,還只有一些設想。   太陽和行星 太陽是離我們最近的一顆射電恒星。太陽的射電是從太陽大氣中的色球和日冕中發出來的。除了寧靜太陽射電和與黑子活動有關的太陽緩變射電外,有時伴隨著光學耀斑出現強大的太陽射電爆發。有的爆發可持續幾個小時,射電輻射總能量約1037爾格。這些爆發一般可用 0.1~10兆電子伏的高能電子在黑子區磁場內的回旋加速輻射或同步加速輻射來解釋。大爆發常伴生太陽宇宙線,發射大量等離子體云,干擾行星際空間和地球環境。同時,我們在太陽上確實觀測到某些等離子體輻射:電子束和等離子體激波通過太陽大氣時產生強大射電(米波Ⅱ型和Ⅲ型爆發)。因此,在高能粒子加速和等離子體不穩定性研究上,太陽是檢驗理論的一個理想的“實驗室”。木星射電在行星物理研究中有特殊的意義(見行星射電)。航天器的直接探測表明,木星也有磁層。而射電觀測發現,分米波到十米波的射電(包括背景輻射和爆發)起源于磁層內相對論性電子的同步加速輻射;十米波以上的射電爆發,又和木星的一顆衛星──木衛一的軌道位相有關。可能是木衛一在繞木星的軌道運動時,有時擾動了磁場,引起這種調制作用。對木星大氣中氨和其他分子的射電譜線的觀測和研究,則為行星大氣起源和演化的研究提供了新的資料。   銀河系的射電 集中于銀道面附近,包括普遍輻射和迭加在其上的分立源(非熱的超新星遺跡和電離氫區的熱輻射源)輻射。星際物質的譜線發射也具有類似的分布。   射電星 要探測恒星的寧靜射電是相當困難的,但已測到一些恒星的射電爆發(射電耀),例如,著名的1972年9月天鵝座X-3的大爆發。已知的射電星有鯨魚座UV型紅矮耀星、紅超巨星、射電新星、早型發射線星、射電雙星、射電 X射線星和脈沖星等。這些射電爆發形態和太陽爆發有些類似,但規模和強度都要大得多,也許它們具有不同的物理機制。分析天鵝座 X-3射電爆發頻譜的時間變化得知,爆發源是一個膨脹的磁相對論性等離子體團,膨脹損耗和輻射損耗都起作用。在射電爆發時,光學和 X射線也常出現躍變。在這些波長上進行的聯測會為恒星演化的研究提供新的線索。   超新星遺跡 一個大質量恒星演化到晚期,因引力坍縮而發生大爆發,便形成一個星云形狀的殘骸──超新星遺跡。在銀河系中,有許多射電源是超新星遺跡。研究得最充分的是著名的蟹狀星云,它是公元1054年超新星爆發留下的遺跡。中央有一個較暗的光學體。這個光學體就是著名的射電脈沖星,也是一顆光學脈沖星。蟹狀星云發出連續的射電,同時也發射X射線、可見光和γ射線。它是正在膨脹的磁相對論性粒子云。它的射電、可見光和X射線,都起源于同步加速輻射。而γ射線則起源于逆康普頓散射機制。脈沖星自轉減慢所釋放的轉動能量提供了蟹狀星云的粒子和磁場的能量。超新星、蟹狀星云與脈沖星之間存在的物理聯系,構成了一幅明確生動的演化圖像。   射電脈沖星 1967年發現射電脈沖星是天體物理學史上一個劃時代的重大成就。射電脈沖星發出的不是連續的輻射,而是周期地發射出一系列短促的射電脈沖。脈沖周期從幾十毫秒到幾秒。脈沖重復頻率非常精確,在幾年內精度達到 10-12量級。這項發現促進了在整個電磁波段(從射電波、可見光、X射線直到 γ射線)上對脈沖現象觀測技術的發展。現在大多數射電天體物理學家認為,脈沖星是快速自轉的中子星,是某些恒星演化到晚期坍縮而成的。從理論和觀測射電脈沖細節推知,中子星直徑只有10公里左右,可是質量卻有太陽質量那樣大,密度達到10-13~1015克/厘米3。中子星表面有極強磁場,強度約1010~1014高斯,它的周圍有一個磁層。它的脈沖輻射可以用“燈塔”模型來解釋:由于自轉和強磁場的作用,在中子星上形成了定向的相對論性電子束。它所發出的輻射也沿著這個束的方向。由于自轉,當輻射束掠過地球時,人們便觀測到射電脈沖。因此,脈沖周期也就是中子星的自轉周期。輻射等效溫度非常高,達到1025~1030K,所以只能用相干輻射機制(相干粒子束或相干輻射束)加以解釋。到目前為止,中子星物理學和它的磁層物理學還沒有建立起來,它的輻射機制理論還沒有探討清楚。顯然,這涉及超密態物質、超強磁場、超高能輻射問題,也涉及極強磁場內相對論等離子體電動力學的極其復雜的過程。   射電譜線和恒星的形成 射電譜線對于恒星形成的研究更有直接意義。恒星是從平均每立方厘米只有 1個分子的星際物質凝聚而成的。因此,星際氣體中冷而密的分子云,是恒星演化程序中的第一步。對電離氫區和它附近的分子云的射電譜線觀測,以及紅外觀測和光學觀測均表明,那里存在著大量年輕的天體:早型O、B型星,致密紅外源,OH和H2O天體微波激射源,河外致密射電源等。圖4表示獵戶座星云及其中心部分紅外源和微波激射源的分布。在這個區域,有兩個電離氫區、三個OH微波激射源、九個 H2O微波激射源和一個紅外源集團。甚長基線干涉儀觀測表明,OH和H2O微波激射源一般尺度很小,只有0.15光年,常和紅外致密源相重合,被認為是原恒星所在處。但OH微波激射源和H2O微波激射源常互相分離。在H2O源中氫分子密度約109厘米—3,溫度約103K;而OH源中則低得多,氫分子密度約106厘米—3,溫度約102K。看來OH和H2O微波激射源出現在原恒星或原恒星的殼層內,都是恒星形成的初期表現。但是,H2O源比OH源出現更早,也更靠近原恒星。通過射電譜線的研究,可以了解到星際分子云中各類分子的形成、離解、激發、輻射等條件和過程以及云中的元素的豐度。   類星體和射電星系 河外射電源絕大多數是射電星系和類星體。它們的射電現象涉及巨大能量的起源問題。正常星系的射電功率為1037~1041爾格/秒,而類星體和最強的射電星系,則要強102~106倍,達到1047爾格/秒。類星體紅移很大(已測到的最大紅移是OQ172,z=3.53),如果用哈勃定律來估計距離,則它們可能處在目前可觀測到的宇宙的邊緣。這意味著它們可能是可觀測到的宇宙的演化早期的天體。因此,研究類星體射電對于宇宙演化和結構以及星系的演化的研究都有直接意義。類星體和射電星系的射電結構基本上相似,主要射電來自光學體以外體積很大的區域,稱為河外射電展源。它們大體上對稱地分布在光學體兩側,形成雙源結構。雙源之間的距離可以達到2,000萬光年(如3C236),表明它們的年齡至少已有106~108年。同時,在類星體和射電星系核的位置上常出現一個致密射電源。甚長基線干涉儀觀測表明,星系核中存在著精細結構,常常也是一對雙源,其軸線和外雙源軸線也大致符合。這一種雙核源-雙展源的結構(空間尺度和時間尺度差不多都是105:1至106:1),對于探討類星體和射電星系的能量問題和演化問題有深刻的物理意義。現在普遍認為,射電星系和類星體外部展源的射電,是弱磁場內的同步加速輻射。由此計算出的相對論性粒子和磁場的能量,分別達到1060和1062爾格的量級。如此巨大的能量,又集中在遠離光學體之外106~107光年的距離上,所以,高能粒子和磁場的起源問題成為射電天體物理學中最重大課題之一。一種比較可取的觀點是:星系核(類星體被看作是巨星系核)是能量供應者,它以相對論性粒子、磁場或其他形式的能量不斷地供給外部展源。然而,甚長基線干涉儀觀測表明,星系核中的射電核非常之小,例如,銀河系中心的射電核的線度只有3×1010公里,而且1/4輻射集中在109公里內,所以必須有一種極為有效的產能機制。黑洞的吸積過程被提出來作為一種可能的選擇。但是關于產能機制和供能機制至今仍不清楚。另外,在一些河外致密射電源中,甚長基線干涉儀觀測表明,核中射電結構發生變化,主要現象是,雙核源以很大速度分離(射電星系3C120,類星體3C273,3C345等)。如果星系和類星體處在宇宙學距離,那么分離速度好像達到光速的許多倍。這種“視超光速”現象的物理本質有待進一步觀測和研究。 
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