Миллиметровая и субмиллиметровая астрономия

Астрофизические задачи, решаемые средствами миллиметровой и субмиллиметровой астрономии, включают исследования Солнца и планет, межзвездной среды и звездообразования, активности галактик и квазаров, спектра и угловых вариаций интенсивности микроволнового реликтового фона и пр. Актуальность этих проблем стимулирует быстрый технический прогресс в данной области.
Исследования в области миллиметровой и субмиллиметровой астрономии в ИПФ РАН имеют долгую историю. Сотрудниками института совместно с рядом российских и зарубежных организаций ведутся разработки приемной аппаратуры и астрофизические исследования в данном диапазоне. В последние годы основные результаты получены по следующим направлениям.

Исследования областей звездообразования.

Примеры полученных карт плотных сгустков в областях образования массивных звезд. Цвет — излучение пыли в континууме на волне 1,2 мм, синие сплошные контуры— изофоты излучения молекул CS
(переход J = 5–4), желтые прерывистые контуры —
изофоты излучения N2H+ (переход J = 1–0).
Звездочки — ИК-источники IRAS
Наблюдения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах представляют собой уникальный инструмент изучения внутренних областей плотных межзвездных облаков, которые являются «колыбелями» новых звезд и недоступны для исследований в других диапазонах. Эволюционная картина образования звезд из протозвездных конденсаций пока далека от ясности, в особенности для звезд большой массы, которые сильно влияют на окружающую их среду родительского облака. Сотрудниками ИПФ (И. И. Зинченко, А. В. Лапинов, Л. Е. Пирогов и др.) проводятся систематические исследования областей звездообразования, направленные, во-первых, на статистические оценки их основных физических характеристик и химического состава, а во-вторых, на детальные исследования типичных объектов. В частности, выполнен обзор около 100 областей образования массивных звезд, расположенных в разных частях Галактики, в наиболее информативных радиолиниях молекул и в континууме на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. В результате определены их основные физические характеристики в зависимости от положения в Галактике, внутренняя структура и особенности химического состава.
Одним из результатов этих обзоров было обнаружение систематической химической дифференциации молекул в этих областях, существенно отличающейся от той, которая имеет место в областях образования звезд малой массы. Обнаружено возрастание степени ионизации плотного молекулярного газа вблизи молодых звезд большой светимости, что может быть причиной наблюдаемых вариаций химического состава. Обнаружена «изрезанность» профилей линий излучения J = 1–0 HCN в областях образования массивных звезд, что наряду с наблюдаемыми особенностями сверхтонкой структуры этой линии указывает на значительную мелкомасштабную неоднородность плотного газа.
С целью детального исследования условий и процессов в областях звездообразования проведены многочастотные наблюдения нескольких таких объектов (S76, S255, W40) при помощи интерферометров и одиночных антенн на масштабах от тысячных долей до нескольких парсек. В результате получены данные о распределении и свойствах плотного молекулярного и ионизованного газа, характеристиках высокоскоростных биполярных потоков и пр. Большое внимание уделяется изучению так называемых инфракрасных темных облаков, которые, как считается, представляют собой самую раннюю стадию образования массивных звезд. Получены важные данные об их химическом составе и строении.

Прецизионная спектроскопия молекул.

Темные холодные облака Галактики, в которых образуются звезды малой массы, демонстрируют очень узкие линии излучения молекул. Наблюдения различных линий позволяют проводить детальные исследования относительных движений различных компонент в областях звездообразования (например, плотных сгустков в разреженном газе, ионов и нейтралов и пр.). Для этого требуется из лабораторных данных с достаточно хорошей точностью знать частоты соответствующих переходов. Кроме того, такие наблюдения позволяют с высокой точностью, превосходящей точность оптических измерений, проверить теории, предсказывающие вариации некоторых фундаментальных констант (в частности, отношения массы электрона к массе протона µ) в зависимости от локальной плотности барионов (А. В. Лапинов). Выявлены многочисленные погрешности в измерениях на крупнейших радиотелескопах и значительно улучшены верхние пределы возможных вариаций µ.

Пример прецизионных измерений нескольких компонент сверхтонкой структуры перехода J = 2–1 молекулы HC3N в темном облаке L1512

 

Молекулы в ранней Вселенной.

Химия Вселенной вскоре после появления первых звезд и галактик пока практически не изучена. Число зарегистрированных молекул в области больших величин красного смещения (при z > 2) очень мало. Одной из самых интересных для изучения ранней Вселенной является молекула HeH+, которая до сих пор в космосе не обнаружена. Недавно зарегистрирована (И. И. Зинченко) возможная линия излучения (на уровне 3σ) вблизи ожидаемой частоты перехода HeH+ в спектре далекого квазара (z = 6,42).

Технические разработки.

ИПФ традиционно занимает лидирующее положение в стране в области разработки радиоастрономической приемной техники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Из работ последнего времени можно отметить создание приемника диапазона длин волн 3 мм на основе HEMT-усилителей для 14-метрового радиотелескопа в Финляндии (В. Ф. Вдовин, А. М. Штанюк, О. С. Большаков и др.), разработку двухдиапазонного радиометра для мониторинга прозрачности атмосферы на миллиметровых волнах (В. И. Носов и др.).
ИПФ является ведущей организацией по оснащению приемной аппаратурой строящегося 70-метрового радиотелескопа на плато Суффа в Узбекистане. Сотрудники ИПФ участвуют также во многих других российских и международных проектах по созданию новых высокоэффективных радиоастрономических инструментов вышеназванного диапазона.

Выполнен ряд разработок систем охлаждения различного уровня температуры как для радиоастрономии, так и для других приложений (В. Ф. Вдовин, И. В. Лапкин).

Радиоастрономический приемник диапазона длин волн 3 мм на основе HEMT-усилителей (слева)
и двухдиапазонный (3 и 2 мм) радиометр для мониторинга прозрачности атмосферы