Российская космическая обсерватория «Радиоастрон» совместно с наземными радиотелескопами из нескольких стран исследовала область активного звездообразования «Цефей А», находящуюся на расстоянии около двух тысяч световых лет от Земли в линии излучения молекулы воды на частоте 22 гигагерца и сумела обнаружить там объект с угловым размером около 24 микросекунд, то есть сравнимый по размер с Солнцем. Это сравнимо с футбольным мячом, увиденным с расстояния в три миллиона километров. Итоги исследования опубликовал The Astrophysical Journal, кратко о них рассказывается в пресс-релизе Физического института имени Лебедева РАН.
«Мы обнаружили самую маленькую структуру, когда-либо наблюдавшуюся в галактических мазерах и это еще раз показывает, какими возможностями обладает наш радиоинтерферометр - мы смогли различить объекты размером с диаметр солнечного диска на расстоянии в 700 парсек, угловые размеры которых 3000 раз меньше, чем мог различить знаменитый космический телескоп «Хаббл», - говорит один из авторов работы, Алексей Алакоз из Астрокосмического центра ФИАН. Мазерами называют источники когерентных электромагнитных волн сантиметрового диапазона. Изначально это название было дано приборам, созданным людьми, но впоследствии обнаружилось, что существуют астрономические объекты с таким излучением. Чаще всего космические мазеры – это огромные межзвездные молекулярные облака.
Мазерное излучение, как и лазерное, возникает в среде, где число молекул или атомов, находящихся на верхнем уровне энергии, превосходит число молекул или атомов, находящихся на нижнем. Когда в такую среду попадает фотон с энергией, соответствующей разности энергий между уровнями, он вызывает процесс перехода молекул на нижний уровень с излучением когерентных фотонов (являющихся почти точной копией исходных), в результате чего происходит лавинообразное усиление излучения Для работы космического мазера необходим постоянный приток энергии, создающий инверсную заселенность уровней путем накачки излучением (например, от молодой звезды) и/или столкновениями с молекулами газа. Необходим также отток энергии, обеспечивающий работу циклов накачки, а также достаточно большие размеры самих облаков газа, где может генерироваться излучение. В том случае, если происходит резкое изменение условий накачки или два (или более) облака газа в процессе движения совмещаются на луче зрения наблюдателя, возможно резкое усиление излучения – вспышка мазера.
В области «Цефей А» ранее уже было обнаружено 16 компактных источников теплового радиоизлучения – большинство из которых, скорее всего – новорожденные звезды класса О или В в "коконе" из родительских газопылевых облаков. Они были описаны в работе Hughes & Wouterloot 1984, поэтому таким объектам присвоены названия начинающиеся с HW. Со многими из этих объектов также связано излучение мазеров воды и гидроксила, а в HW2 ранее было зарегистрировано излучение метанольных мазеров, то есть источников мазерного излучения в радиолиниях метилового спирта. В ноябре 2012 года эта область звездообразования была исследована «Радиоастроном» совместно с тремя наземными радиотелескопами, расположенными в России, Италии и Испании.
В результате удалось обнаружить три очень компактных мазерных детали, не разрешаемых до конца даже на наземно-космических базах, что примерно соответствует разрешению радиотелескопа с диаметром зеркала в три с лишним раза диаметра Земли. Одна из этих деталей связана с областью HW2, где расположен массивный протопланетный диск. Две другие детали наблюдаются в окрестностях другого объекта, HW3Diii. Всего в этом объекте удалось разглядеть два сверхкомпактных ярких пятна мазерного излучения, каждое из которых имеет размеры, сопоставимые с диаметром Солнца.
По одной из наиболее вероятных версий, рассмотренных в статье, поток газа от близкой массивной молодой звезды, связанной с объектом HW3dii наталкивается на препятствие, связанное с объектом HW3Diii (вероятно, на аккреционный диск вокруг молодой звезды), в результате взаимодействия с этим препятствием в потоке газа образуется вихревая дорожка (дорожка фон Кармана), а наблюдавшиеся на «Радиоастроне» объекты представляют собой ближайшую к препятствию пару вихрей (пару турбулентных ячеек), где уплотнившийся газ получает близкие к идеальным условия для возникновения мазерного эффекта. Другое возможное объяснение этих наблюдательных данных – мазеры в различных сгустках газа, попавших одновременно на луч зрения.
«Вероятнее всего, мы наблюдаем взаимодействие струи газа, выброшенной соседней звездой с каким-то препятствием, например аккреционным диском вокруг другой звезды. В таких струях возникают турбулентные явления, самым красивым из которых является образование дорожки вихрей (мы видим это и на спутниковых снимках земных облаков). В этих вихрях и возникают наблюдавшиеся нами сверхкомпактные мазерные детали. Различить отдельные ячейки турбулентности до сих пор не удавалось, несмотря на то, что знания об их размере необходимы для построения теории строения и эволюции космических объектов. Для проведения таких измерений потребовался «Радиоастрон» - самый большой прибор, созданный человеком», - прокомментировал результаты космического проекта первый автор статьи - Андрей Соболев из Уральского федерального университета.
Размер «Радиоастрона» действительной рекордный. Дело в том, что он представляет собой радиоинтерферометр, систему из нескольких радиотелескопов, связанных между собой и работающих синхронизировано. Радиоинтерферометры позволяют астрономам добиваться значительно более высокой точности, чем одиночные радиотелескопы. Угловая разрешающая способность радиотелескопа определяется отношением длины волны к диаметру антенны. Чем меньше это отношение, тем более близкие объекты способен различать телескоп. Соответственно, увеличивая диаметр параболической антенны, можно улучшать эту характеристику телескопа. Но всё равно разрешающая способность радиотелескопа удручающе мала. По этому параметру она сильно уступает оптическим телескопам. Даже в лучших телескопах угловое разрешение редко превышает 1 угловую минуту, что примерно соответствует зоркости невооруженного глаза. И излучение от двух или более источников, расположенных близко друг от друга, радиотелескопы воспринимают как один радиоисточник.
Вот почему на помощь приходят радиоинтерферометры. В таком случае угловая разрешающая способность определяется не диаметром зеркала одного телескопа, а расстоянием между телескопами (так называемой базой радиоинтерферометра). С появлением радиоинтерферометров радиоастрономия резко обогнала по разрешающей способности оптическую астрономию. Например, радиоинтерферометр МЕРЛИН (Multi-Element Radio Linked Interferometer Network, MERLIN), представляющий собой сеть из семи радиотелескопов в Англии, которые отстоят друг от друга на расстояния несколько более 200 километров, имеет разрешающую способность 0,05 угловой секунды. Если бы наш глаз имел такую же разрешающую способность, мы могли бы видеть монету диаметром два сантиметра на расстоянии почти 100 километров. Радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ, Very Long Baseline Interferometry, VLBI) объединяют радиотелескопы, разнесенные на тысячи километров и находящиеся в разных странах, а часто и на разных континентах. Излучение, принятое на каждом из них записывается и обрабатывается в едином центре.
Наконец, наступила эпоха космической радиообсерватории. Если запустить радиотелескоп на околоземную орбиту и наладить его работу синхронно с земными телескопами, то получится интерферометр с базой, равной расстоянию от Земли до этого космического телескопа. Научная концепция «РадиоАстрона» появилась в Астрокосмическом центре ФИАНа (ранее – один из отделов Института космических исследований), там же была разработан комплекс научной аппаратуры, а сам радиотелескоп и космический аппарат «Спектр-Р», на котором он установлен, созданы специалистами НПО имени Лавочкина. Запуск состоялся на космодроме Байконур 18 июля 2011 года в 6:31 по московскому времени. Аппарат был успешно выведен на орбиту, и там 27 лепестков его антенны удачно раскрылись. Апогей орбиты (то есть база интерферометра) составляет 340 тысяч километров. В качестве «наземного плеча» интерферометра выступают радиотелескопы в России и других странах. Угловое разрешение «Радиоастрона» составляет до 8 угловых микросекунд (то есть до 0,000008 секунды дуги) на частоте 1,35 см.
