§ 2. Электромагнитное излучение во Вселенной: обзор наблюдений

Широкий обзор наблюдений всего спектра электромагнитного излучения во Вселенной — от радиоволн до гамма-лучей — служит хорошим введением в детальное изучение реликтового излучения, которое наиболее важно в космологии. Полный обзор электромагнитного излучения дали недавно Лонгейр и Сюняев (1971); мы используем их рисунки и таблицу. Нас интересует средняя плотность излучения вдали от тех или иных источников, поэтому все величины (интенсивность плотность энергии и плотность квантов экстраполированы на внегалактическое пространство, вклад нашей Галактики вычтен из наблюдательных данных.

Сравнивая рис. 27 и табл. II, следует помнить очевидные соотношения:

Интегралы данные в таблице, не равны площади под кривой на рис. 27 из-за логарифмической шкалы на рисунке;

приблизительно для каждой области спектра где а, порядка единицы.

Дадим краткое описание различных частей спектра. Предполагается, что левое крыло обязано дискретным радиоисточникам. Основная часть его дается степенным законом

Рис. 27. Спектр электромагнитного излучения во Вселенной.

Принимая во внимание рэлей-джинсовскую формулу эти данные можно представить формулой для эффективной температуры: (X в см). При [см. Бридль (1967, 1968), Ребер (1968)]. На этой длине волны наша Галактика дает минимум (в направлении, перпендикулярном плоскости Галактики; этот вклад исключается измерениями и вычислениями угловой зависимости галактического вклада). Каково происхождение внегалактической части радиоизлучения, составляющей Более чем половину его дают дискретные источники, только малая часть их отождествлена с оптическими источниками. Остальное приписывается дискретным источникам, слишком слабым для современной аппаратуры и не наблюдаемым по отдельности. На длинноволновой части спектра наблюдается излом

ТАБЛИЦА II (см. скан) Плотность энергии и числа квантов фонового излучения в различных диапазонах

Ионосфера, окружающая нашу Землю, отражает достаточно длинные радиоволны; измерения для таких волн выполнены с помощью спутников и межпланетных зондов вплоть до [см., например, Александер, Броун, Кларк, Стоун, Вебер (1969). Отчетливый максимум проявляется на частоте гц).

В следующем диапазоне, гц, доминирует реликтовое излучение. Оно сильно превышает все другие типы излучения, вместе взятые, как в плотности энергии, так и в плотности квантов (см. табл. II). Мы обсудим РИ отдельно в следующих параграфах.

Инфракрасная часть ( гц) известна сегодня плохо, она показана на рис. 27 пунктирной линией. Приводимые оценки взяты из работы и Текера (1968). Ядро (центральная часть) нашей Галактики обладает высокой инфракрасной светимостью для Недавняя теория объясняет это пылевым облаком, окружающим ядро. Оптическое излучение поглощается, пыль нагревается и переизлучает при Светимость квазаров также часто имеет максимум в инфракрасной области. Как указал Шкловский (1965), инфракрасное излучение в квазарах и ядрах

галактик, возможно, лучше объясняется синхротронным излучением особых малых областей с сильным магнитным полем. Интересная гипотеза Бисноватого-Когана и Сюняева (1971) связывает инфракрасный максимум с коллективными механизмами в плазме около релятивистских объектов.

Измерения в оптической области трудны из-за фона, создаваемого рассеянным светом Солнца; наблюдения Роуча и Смита (1968) представляют скорее верхний предел внегалактического излучения.

Многие теоретики вычисляли спектр излучения галактик, предполагая постоянной плотность галактик в сопутствующем пространстве или делая некоторые предположения об эволюции. Результаты слабо чувствительны к космологическим моделям [см., например, Дорошкевич и Новиков (1964)]. Ярчайшие галактики наблюдаются вплоть до поэтому вычисления основаны на экстраполяции в прошлое. Большинство звезд имеют массу они могут светить без заметной эволюции, оставаясь на главной последовательности, более чем 1010 лет, поэтому «исчезновение» галактик как светящихся объектов невероятно. Следует предположить, что плотность галактик в прошлом была не больше, чем сейчас. Однако возможно, что в молодых галактиках процент очень ярких звезд больше, чем сейчас. Расчетные данные в табл. II и рис. 27 для этой области спектра взяты из работ Партриджа и Пиблса (1967 а, б). Наблюдаемый верхний предел в несколько раз выше.

Следует указать, что плотность энергии в оптическом диапазоне, о вычислении которой говорилось выше, а данные даны в табл. II и на рис. 27, составляет очень малую часть ядерной энергии материи. Даже принимая нижний предел для оценки плотности материи в (плотность материи, входящей в галактики), получим, что если предположить превращение в звездах и других источниках 30% всего водорода в гелий, что составляет энерговыделение то выделившаяся энергия составит Эта величина в 200 раз превышает оценку оптического фона. Поэтому нет никаких трудностей в объяснении оптического фона суммарным излучением всех галактик. Важны прямые наблюдения оптического фона; однако измерения яркости ночного неба трудны, так как мешает зодиакальный свет и свет звезд нашей Галактики. Последние измерения дают поток на волне 5300 А [Роуч и Смит (1968) и на 4100 А [Лили (1969), что соответствует .

Для ультрафиолетового излучения прямые измерения на космических ракетах [Курт, Сюняев (1967 а — в, 1970)] дают верхний предел Измерения располагаются по обе стороны от линии длина волны которой 1216 А. Сама линия преобладает в излучении газа в нашей Галактике, включая область рблизи Солнца. Данные для представляют большой

терес: межгалактический газ должен излучать Будучи сдвинутым космологическим красным смещением, это излучение попадает в интервал Цитированные измерения дают оценку для верхнего предела межгалактической плотности газа Конечно, необходимы более точные измерения.

Излучение с длиной волны короче порога ионизации водорода -континуум) сильно поглощается нейтральным водородом Галактики, и пока не существует способа прямого его измерения.

Сюняев (1969а, б) предложил остроумную оценку коротковолнового излучения с длиной волны меньше порога -континуума по наблюдениям разреженных нейтральных водородных гало галактик и мостов между галактиками, причем наличие нейтрального водорода определяется по наблюдениям линии 21 см. Присутствие нейтрального водорода с низкой плотностью вокруг галактик несовместимо с большим ультрафиолетовым потоком в межгалактическом пространстве; так как нейтральный водород галактик наблюдается по линии см, то это дает верхний предел потока в ультрафиолетовой области, показанный на рис. 27. Отсюда также следует, что межгалактического нагретого газа, дающего ультрафиолетовый поток, не может быть слишком много; соответствующая оценка

Начиная с Галактика становится достаточно прозрачной, так что коротковолновые рентгеновские лучи и у-лучи измеряются непосредственно на ракетах и спутниках [см. обзор Лонгейра и Сюняева (1971)].

Если исключить около 150 известных дискретных рентгеновских источников, то фон будет изотропным (вариации в пределах По-видимому, он не объясняется тепловым излучением горячего межгалактического газа, так как спектр в жесткой области степенной, а не экспоненциальный, Имеются основания полагать, что рентгеновское и -излучение (или часть его) обязаны обратному комптоновскому рассеянию низкоэнергичных фотонов на релятивистских электронах [Фелтен, Моррисон (1966)]. Не решен вопрос, распределены ли эти электроны более или менее однородно в пространстве или, как полагают Лонгейр и Сюняев (1969а, в), они дают рентгеновское и -излучение прямо в окрестности источника электронов. В последнем случае квазиизотропный рентгеновский фон разобьется на много дискретных источников при улучшении углового разрешения. Детальное обсуждение относится скорее к физике космических лучей, чем к космологии. Мы вернемся к наиболее важному вкладу в электромагнитный спектр — реликтовому излучению.