• Nie Znaleziono Wyników

MASERY KOSMICZNE

W dokumencie Postępy Astronomii nr 2/1984 (Stron 37-44)

Znakomita większość spośród ponad 50 molekuł wykrytych meto­ dami radiowymi w ostatnich 20 latach w chmurach

międzygwiazdo-140 K. M. Borkowski

wych znajduje się w równowadze termodynamicznego Ich widma emisyj­ ne bądź absorpcyjne daje się względnie prosto interpretować. W kil­ ku przypadkach promieniowanie jest jednak tak szczególne, że moż­ na je tłumaczyć jedynie jako efekt wzmocnienia maserowego. Proces maserowy wymaga uczestnictwa przynajmniej trzech poziomów energe­ tycznych danej cząsteczki. Pod wpływem pewnego mechanizmu pompo­ wania następuje przejście cząsteczek z najniższego na najwyższy z tych trzech poziomów, skąd - dostatecznie szybko - na bardziej długożyciowy poziom pośredni. Może się zdarzyć, że poziom pośred­ ni uzyska w ten sposób wyższe obsadzenie niż poziom najniższy (in­ wersja obsadzeń). W takim przypadku kwanty o energii równej różni­ cy energetycznej tyoh poziomów (pochodzące np. z emisji spontani­ cznej w ośrodku lub z promieniowania tła) przechodząc prżez chmu­ rę cząsteczek, częściej wywołuję stymulowaną emisję, niż sę absor­ bowane. Kwanty wyemitowane w sposób wymuszony sę wiernymi kopiami kwantów stymulujących tak pod względem energii, jak i kierunku roz­ chodzenia się. Skutkiem jest proces lawinowy, równoważny wielo­ krotnemu wzmocnieniu promieniowania stymulującego na częstości li­ nii cząsteczki (stąd wyraz „maser" jako skrót od Microwave Ampli­ fication by Stimulated Emission of Radiation).

Bodajże najbardziej niezwykły wśród tych z natury osobliwych obiektów jest maser pary wodnej (HgO) stowarzyszony z obszarem HII nazywanym W49 i odkryty w 1968 r. ( C h e u n g i in. 1969). □ego energia wypromieniowana w paśmie o szerokości zaledwie ok. 30 MHz (na częstości spoczynkowej 22 235,080 MHz) jest rzędu cał­ kowitej energii elektromagnetycznej wypromieniowywanej przez Słoń­ ce. Poszczególne składniki bogatego profilu widma w tym okienku radiowym mają średnice zaledwie rzędu oyooi, co czyni, że stru­ mień promieniowania w takich prążkach widmowych odpowiada emisji ciała doskonale czarnego o temperaturze 10 K. Z odległości W49 (15 000 pc) wynika, że liniowe rozmiary poszczególnych maserów są rzędu 10 j.a., a jest ich tam kilkaset rozsianych na obszarze ok. 1” . Ponadto ogniska maserujące zapalają się i gasną po czasie rzę­ du 1 roku, a ponieważ każdemu takiemu ognisku odpowiada jeden wąs­ ki (typowo 50 kHz) prążek w widmie (umiejscowiony na częstości zgo­ dnej z prędkością radialną obłoku, w którym odbywa się akcja ma­ serowa), to i widmo całego obiektu ulega równie szybkim i drama­ tycznym zmianom.

Interferometria wielkobazowa 141

Linia HgO ma sześć nadsubtelnych składników o częstościach

odpowiadających odstępowi ok. 6 km/s w prędkości radialnej (S u 1- 1 i v a n 1973). Sugerowano wcześniej, że pewien ułamek rozrzutu obserwowanych prędkości może być skutkiem tej nadsubtelnej struk­ tury (M o r a n i in. 1973; G e n z e 1 i in. 1979). Ostat­ nie analizy statystyczne W a l k e r a (1983) wskazuję na real­ ność tego efektu właśnie w wynikach obserwacji źródła W49.

Dziś znanych jest ok. 150 różnych źródeł, skupisk maserów H

2

O

związanych z obszarami powstawania gwiazd i kilkaset maserów oko- łogwiazdowych. Tylko niektóre z nich wykazuję'polaryzację liniową w stopniu do 50%. Pierwsze obserwacje VLBI maserów wodnych wykona­

no w USA w 1969 r. ( B u r k e i in. 1970), a opublikowano do­

tychczas już ponad 30 prac poświęconych tym maserom.

Chociaż te są najsilniejsze, nie wodne masery kosmiczne wykry­ to jednak najpierw. Jeszcze w latach pięćdziesiątych w okresie wy­ siłków skoncentrowanych na radiowych obserwacjach w linii neutral­ nego wodoru, przynajmniej raz próbowano dostrzec linię wodorotlen­

ku, rodnika OH. Niepowodzenie spowodowane było niedostateczny

znajomością częstości przejścia tej molekuły. Później, opierając się na pomiarach laboratoryjnych, wykryto absorpcyjną linię OH w kierunku radioźródła Cas A ( W e i n r e b i in. 1963). Owa lata

potem zaobserwowano tę cząsteczkę także w linii emisyjnej (G u-

d e r m a n 1965; W e a v e r i in. 1965) na częstościach

1665,4018 i 1667,539 MHz. Deszcze późniejsze obserwacją wielko- bazowe (M o r a n i in. 1968) wykazały, że są to masery. Wnio­ sek taki wyciągnięto z faktu, że temperatura jasnościowa w tych liniach osiągała patologicznie wysokie wartości (miliard razy wyż­ sze niż te dla Słońca), zaś same linie były nadzwyczaj wąskie, rzę­ du 1 kHz, a czasem nawet 600 Hz, czyli najwęższe linie spotykane w astrofizyce. CJeśliby tę szerokość interpretować jako poszerze­ nie termiczne, to temperatura kinetyczna powinna wynosić zaled­ wie 10 do 100 K,co stoi w rażącej sprzeczności z temperaturą jas- nościową.

Znanych jest kilkanaście radiowych linii częsteczki OH, ale

najsilniejsze z nich to te dwie wymienione wyżej i nazywane głów­ nymi oraz dwie satelitarne o częstościach spoczynkowych 1612,231

i 1720,53 MHz. Wykryto już ponad 1000 takich źródeł, z których

najlepiej zbadane i jedno z najsilniejszych to źródło w obszarze W3. Masery OH w ogólności spotyka się w rejonach powstawania pwiazd.

142 K. M. Borkowski

w otoczkach olbrzymów i nadolbrzymów późnych typów i na obrzeżach pozostałości po supernowych. Sę one na ogół słabsze od maserów wodnych, o mniejszej dyspersji prędkości radialnych (rzędu 100 km/s, gdy w źródłach H^O bywa i 500 km/s) i o promieniowaniu silnie spo­ laryzowanym kołowo. Z obserwacji VLBI wynika, że źródła OH stano­ wię skupiska oddzielnych maserów o rozmiarach kilku jednostek as­ tronomicznych. Ich promieniowanie jest szybkozmienne, ze skalę czasowę od kilku tygodni do kilku lat.

Częsteczka OH jest bardzo czuła na pole magnetyczne, dlatego można ję wykorzystać do pomiaru natężenia tego pola w źródle. Zaobserwowano przypadki detali dopplerowskich z przeciwnę polary­ zację kołowę, a późniejsze obserwacje VLBI (M o r a n i in. 1978; R e i d i in. 1980) wykazały ich zbieżność przestrzennę. Inter­ pretacja tego faktu jako rozszczepienia Zeemana prowadzi do natę­ żeń 1 do 10 mGs, tzn. kilkarotnie więcej niż obserwuje się w prze­ strzeni międzygwiazdowej.

Masery HgO i OH sę najbardziej rozpowszechnione w Galaktyce, chociaż ani typ, ani miejsce nie sę wyjętkami. Poza nimi wykryto także masery tlenku krzemu (SiO na częstości 43 GHz i wyżej; S n y ­ d e r i B u h l 1974, wiele prac w zbiorze A n d r e w a 1980), metanolu (CH^OH, 25 G H z ; B a r r e t i in. 1971), formal­ dehydu (H2C0, 4,8 GHz; D o w n e s i W i l s o n 1974; R o t s i in. 1981) i ostatnio siarczku krzemu (SiS, 18 GHz; H e n k e l i in. 1983). Masery H^O i OH sę tak intensywne, że niektóre z nich udało się wykryć w innych galaktykach ( M o r r i s i R i c k a r d 1982). Daje to nadzieje, że dalsze doskonale­ nie techniki VLBI pozwoli rozdzielić i takie źródła, co umożliwi wyznaczanie odległości galaktyk. R e i d i M o r a n (1981) oceniaję, że np. dla rozdzielenia masera wodnego wykrytego w M33 (odległej o 750 kpc) potrzebna będzie rozdzielczość kilku mikro­ sekund łuku.>

Wprawdzie już kilkanaście lat trwaję obserwacje maserów kos­ micznych z wysokimi zdolnościami rozdzielczymi, ale teoretycy cię­ gle dopominaję się o dokładniejsze informacje o ich strukturze (takie jak np. rozmiary obłoków z akcję maserowę). Rozkład punk­ tów emisji na mapach wyględa niekiedy na zupełnie losowy, a kiedy indziej masery gromadzę się w grupy czy gniazda. Cięgle też bra­ kuje zgodności teoretyków co do samej przyrody maserów i ich sku­ pisk (np. D e g u c h i 1982).

In te rfe ro m e tria wielkobazowa 143

Dużo więcej in form a cji o maserach astronomicznych z n a j d z i e z a ­ interesowany C zyte ln ik w przeglądach takich autorów, j a k : H a a r i P e l l i n g ( 1 9 7 4 ) , S t r e l ' n i t s k i j ( 1 9 7 4 ) , L i t- v a k ( 1 9 7 4 ) , S t r o m , S t r o m i G r a s d a l e n (1975), M o r a n ( 1 9 7 6 ) , D i c k i n s o n ( 1 9 7 8 ) , K a p l a n i P i - k e 1' n e r ( 1 9 7 9 ) , O l o f s s o n ( 1 9 7 9 ) , H a b i n g i I s r a e l ( 1 9 7 9 ) , C a s s i n e l l i ( 1 9 7 9 ) , Z u c k e r- m a n ( 1 9 8 0 ) , D o w n e s i G e n z e l ( 1 9 8 0 ) , S n y d e r ( 1 9 8 0 ) , R e i d i M o r a n ( 1 9 8 1 ) , V a ^ r s h a l o v i c h ( 1 9 8 2 ) , E 1 i t z u r ( 1 9 8 2 ) , M a t v e e n k o ( 1 9 8 2 ) , G e n ­ z e l i D o w n e s ( 1 9 8 2 ) , M o r r i s i R i c k a r d ( 1 9 8 2 ) , S c h e f f l e r ( 1 9 8 2 ) , R u d n i t s k i j ( 1 9 8 3 ) . W pracach E n g e l s a ( 1 9 7 9 ) , T u r n e r a ( 1 9 7 9 ) , D i n- g e r a i D i c k i n s o n a ( 1 9 8 0 ) znajdują się katalogi ma­ serów kosmicznych.

3 . OBSERWACJE

Przebieg obserw acji widmowych VLBI u sta la się biorąc pod uwa­ gę takie c z y n n i k i , jak rodzaje badanych źródeł ( t y p , rozciąg ło ść, moc, struktura) i zakresy dostępnych częstości radiowych oraz przy­ jęte z ało że n ia co do rodzaju in f o r m a c ji , którą oczekuje się wy­ ekstrahować z wyników. W przypadku o bserwacji źródeł OH (1 8 cm) i s t n i e j e wybór czterech zakresów c zę sto śc i tej c zą stec zki i do­ datkowo dwie możliwe polaryzacje kołowe, a ponadto trzeba u sta lić szerokość pasma odbieranych c z ę s t o ś c i , która będzie narzucona dys­ persję prędkości radialnych w ź r ó d le . System Mark I I dopuszcza re­ j e s t r a c j ę tylko jednego sygnału o wstędze do 2 MHz, dlatego ko­ nieczne bywa powtarzanie o bserw acji na kolejnych częstościach - aż do wyczerpania całego zakresu albo wszystkich p o l a r y z a c j i . A l t e r ­ natywną s trateg ię je st prze łą czan ie czę sto śc i (n p . O o h n s t o n i i n . 1 9 7 1 ; G e n z e l i i n . 1 9 8 1 ; K. e n t i M u t e l 1 9 8 2 ; F o u q u e t i R e i d 1982) bądź p o la r y z a c ji (n p . B e n s o n i M u t e l 1 9 7 9 , 1 9 8 2 ; F i x i i n . 1982) w trakcie obserw acji w ustalonych odstępach c z a s u . Można przy tym prze łą czan ie takie realizować w czasach krótszych od czasu sp ój­ ności interferometru ( n p . co s e k u n d ę ), nie tracąc związku między parametrami źródła i instrumentu, wyznaczanymi później dla od­ dzieln y ch zakresów lub p o l a r y z a c j i . Prawie zawsze też co j a k i ś

144 K. M. Borkowski

czas trzeba obserwować źródła kalibracyjne o promieniowaniu ciąg­ łym oraz tło nieba poza źródłem. Robi się to w celu wyznaczenia aktualnych pozycji obserwowanych źródeł, współrzędnych baz inter­ ferometru oraz kalibracji parametrów systemów odbiorczych (tempe­ ratury systemowej, charakterystyki przenoszenia, zapóźnienia in­ strumentalnego itp.). Niekiedy pożyteczne wyniki można uzyskać już z jednobazowych obserwacji (np. M o r a n i in. 1977; R e i d i in. 1977; E l m e g r e e n i in. 1980; K e n t i M u t e l 1982), ale oczywiście systemy wieloantenowe daję znacznie bar­ dziej wyczerpujące informacje o źródle.

Kiedy sygnały zapisywane są węskow6tęgowo, to względne prze­ sunięcia dopplerowskie wynikające z rotacji Ziemi (czyli częstoś­ ci listków) mogę stać się znaczącymi ułamkami szerokości odbiera­ nego pasma, powodując istotne zawężenie efektywnej (wspólnej dla dwóch stacji) wstęgi. Może dojść nawet do całkowitej utraty kore­ lacji (obserwowane pasma nie pokrywają się), gdy przesunięcia są większe od szerokości pasma. Jedyną radą na ten efekt jest syste­ matyczne, z góry zaplanowane przestrajanie oscylatorów lokalnych w poszczególnych stacjach w trakcie obserwacji (teoretyczne uza­ sadnienie takiej procedury podaliśmy w cz. I, wzór (6) i punkt 3.3). Tak były wykonane np. obserwacje opisane przez R e i s z a i in. (1973) albo G u b b a y a i in. (1977).

Podamy teraz dwa przykłady organizacji obserwacji widmowych VLSI z użyciem systemu Mark II. Oba eksperymenty przeprowadzono w Stanach Zjednoczonych i dotyczyły najsilniejszych maserów.

W a l k e r i in. (1982) opisują obserwacje źródła W49 za pomocą interferometru trójelementowego. W każdej stacji stosowano wzmacniacze maserowe i wodorowe wzorce częstości do stabilizacji oscylatorów lokalnych. Oscylatory były przełączane między dwiema lub czterema częstościami z jednosekundowym czasem obserwacji na każdej. Wybrany zestaw częstości zawierał jedno pasmo wspólne dla wszystkich zestawów, w którym znajdował się detal (maser) użyty jako źródło odniesienia. W sumie w ciągu trzech dni zapisano 14 różnych 2-MHz okien na widmie tego źródła HgO z rozdzielczością wy­ rażoną w prędkości radialnej 0,2 km/s. Efektem końcowej obróbki by­ ło wyznaczenie wzajemnych położeń 386 oddzielnych detali źródła.

Inaczej zorganizowano obserwacje źródła W3 (OH), w których uczestniczyło osiem stacji Ameryki (R e i d i in. 1980). Sesja obserwacyjna składała się z powtarzających się sekwencji

śledze-Interferometria wielkobazowa 145 nia źródła ze wstęgę 62,5 kHz w cięgu 14 minut i sześciominu- tojwych obserwacji źródła kalibracyjnego 3C84 ze wstęgę 2 MHz w pa­ śmie 1665 MHz i na jednej polaryzacji liniowej. Ponadto przeprowa­ dzono obserwacje (ze wstęgę 2 MHz) zestawu źródeł pozagalaktycz- nych o promieniowaniu cięgłym, użytych później do wyznaczenia współrzędnych stacji uczestniczęcych w eksperymencie oraz błędów ustawienia epoki i dryfów zegarów atomowych. Kilka najsilniejszych z tych źródeł obserwowano także ze wstęgę 62,5 kHz w celu określe­ nia różnicy zapóźnień w tych dwóch wstęgach. Położenie bezwzględ­ ne źródła wyznaczono z analizy częstości listków izolowanego de­ talu wewnętrz VV3 oraz źródeł kalibracyjnych o znanych współrzęd­ nych. W tych wyznaczeniach wykorzystano pomiary gęstości elektro­ nów w atmosferze (do modelowania wpływu jonosfery) wykonane w cza­ sie obserwacji w dwóch innych miejscach USA. Szczegółowe mapy koń­ cowe pozwoliły zidentyfikować (położenie, natężenie i prędkości) 70 składników źródła, które w widmie mocy całkowitej (uzyskiwanym np. z obserwacji pojedynczymi radioteleskopami) zdaje się składać z zaledwie kilkunastu detali (blendowanie linii). Analogicznę stra­ tegię obserwacyjnę opisuję H a s c h i c k i in. (1981).

Wiele wspólnego z obserwacjami widmowymi VLBI maję podobne ob­ serwacje wykonywane na MERLIN-ie ( N o r r i s i B o o t h 1981; N o r r i s i in. 1982), z tym że korelacja danych odbywa się tam w czasie rzeczywistym (w trakcie obserwacji).

Po korelacji i skalibrowaniu funkcji widzialności dane VLBI poddaje się analizie jednę lub kilku metodami, o których piszemy w szczegółach niżej, w celu wyznaczenia wzajemnych położeń i in­

tensywności poszczególnych składników widmowych będź ich prędkoś­ ci. Często przy tym zdarza się, że interesujęcy obiekt obejmuje ob­ szar na niebie zbyt duży na to, aby poddaćf go w całości analizie szczegółowej wybranę technikę. Podjęcie takiej próby oznaczałoby konieczność wykonania dziesiętków map o dużych rozmiarach, co wię­ żę się z olbrzymię czasochłonnościę, kosztami obliczeń i problema­ mi pojemności pamięci komputerów. Dlatego w praktyce wykonuje się najpierw przybliżone rozpoznanie charakteru rozkładu jashości mniej dokładnymi metodami (najczęściej jest to metoda j'ednopunkto- wa) w celu określenia rozmieszczenia „gniazd- detali wewnętrz więk­ szego obszaru. Dopiero teraz szczegółowej analizie poddaje się je­ dynie fragmenty pola widzenia obejmujęce znalezione s k u p i s k a . W ta­ kich sytuacjach problemem bywa również sama prezentacja map o

bar-146 K. M. Borkowski

dzo wysokich rozdzielczościach, kłócących się z dużymi rozmiarami analizowanych obszarów. Często praktykowanym wyjściem jest kil­ ka niezależnych map.

W dokumencie Postępy Astronomii nr 2/1984 (Stron 37-44)

Powiązane dokumenty