Крабовидная туманность — наиболее изученный остаток взрыва сверхновой. На данном изображении показано, как она выглядит в радиодиапазоне.

Радиоизлучение генерируется быстрыми электронами при движении в магнитном поле. Поле заставляет электроны поворачивать, то есть двигаться ускоренно, а при ускоренном движении заряды испускают электромагнитные волны. По этому изображению, которое построено по данным наблюдений американской Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), можно судить о характере магнитных полей в Крабовидной туманности.

Изначально распределение вещества во Вселенной было почти идеально равномерным. Но все же небольшие (возможно даже квантовые) флуктуации плотности за многие миллионы и миллиарды лет привели к тому, что вещество фрагментировалось.

На рисунке представлен результат компьютерного моделирования эволюции Вселенной. Рассчитывалось движение 10 млрд частиц под действием взаимного тяготения на протяжении 15 млрд лет. В результате сформировалась пористая структура, отдаленно напоминающая губку. Скопления-галактики концентрируются в ее узлах и ребрах, а между ними находятся обширные пустыни, где почти нет объектов, — астрономы называют их войдами (от англ. void — пустота).

Похожие результаты дают наблюдательные обзоры распределения галактик в пространстве. Для сотен тысяч галактик определяются координаты на небе и красные смещения, по которым вычисляются расстояния до галактик.

Правда, достичь хорошего согласия расчетов и наблюдений удается, только если предположить, что видимое (светящееся в электромагнитном спектре) вещество составляет всего около 5% всей массы Вселенной. Остальное приходится на так называемые темную материю и темную энергию, которые проявляют себя только своим тяготением и природа которых пока не установлена. Их изучение — одна из наиболее актуальных задач современной астрофизики.

Когда на сверхмассивную черную дыру в центре галактики аккрецирует слишком много вещества, выделяется огромное количество энергии.

Эта энергия разгоняет часть вещества до околосветовых скоростей и выбрасывает его релятивистскими плазменными джетами в двух противоположных направлениях перпендикулярно оси аккреционного диска. Когда эти джеты сталкиваются с межгалактической средой и тормозятся, входящие в них частицы испускают радиоволны.

На радиоизображении квазара красным цветом показаны области высокой интенсивности радиоизлучения: в центре активное ядро галактики, а по бокам от него — два джета. Сама галактика в радиодиапазоне практически не излучает.

Для изображения космических объектов в диапазонах излучения, отличных от видимого, используются различные приемы. Чаще всего это искусственные цвета и карты изолиний.

С помощью искусственных цветов можно показать, как выглядел бы объект, если бы светочувствительные рецепторы человеческого глаза были чувствительны не к определенным цветам в видимом диапазоне, а к другим частотам электромагнитного спектра.

Карты изолиний обычно используются для представления изображений, полученных на одной длине волны, что особенно характерно для радиодиапазона. По принципу построения они подобны горизонталям на топографической карте, только вместо точек с фиксированной высотой над горизонтом ими соединяют точки с одинаковой радиояркостью источника на небе.

Космический фон микроволнового излучения, называемый также реликтовым излучением, создает радиошум, который почти одинаков во всех направлениях на небе. И всё же в нем есть очень небольшие вариации интенсивности — около тысячной доли процента. Это следы неоднородностей плотности вещества в молодой Вселенной, которые послужили зародышами для будущих скоплений галактик.

Изучение микроволнового фона было начато наземными радиотелескопами, продолжено советским прибором «Реликт-1» на борту спутника «Прогноз-9» в 1983 г. и американским спутником COBE (Cosmic Background Explorer) в 1989 г., но самую подробную карту распределения микроволнового фона по небесной сфере построил в 2003 г. зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Полученные данные накладывают существенные ограничения на модели образования галактик и эволюции Вселенной.

У радиотелескопа, как и у оптического, разрешение пропорционально диаметру, а чувствительность — площади антенны. Строить подвижные антенны крупнее 100 метров невозможно из-за ограничений по прочности конструкции. Но можно совместно обрабатывать излучение, собранное несколькими небольшими радиотелескопами, как бы синтезируя большое зеркало из маленьких кусочков.

Такая система называется радиоинтерферометром. Строящийся в Чили радиоинтерферометр ALMA будет состоять из 64 12-метровых антенн, размещенных на территории поперечником 15 км. Система будет работать в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Последний доступен благодаря тому, что строительство ведется на высоте более 5 тысяч метров в условиях очень сухого климата.

В радиоастрономии уже давно применяются интерферометры с антеннами, размещенными на разных континентах. В последнее время принцип интерферометра стали использовать и в оптическом диапазоне, например, в системе из четырех 8-метровых телескопов VLT Европейской Южной обсерватории.

Схема радиотелескопа

Радиотелескоп устроен отчасти подобно оптическому телескопу. Он тоже имеет параболическое зеркало, которое собирает радиоволны. Однако из-за большой длины радиоволн в фокусе нельзя получить изображение объекта, поскольку размер пиксела должен быть не меньше длины волны.

Поэтому в фокусе радиотелескопа вместо камеры (как в оптических инструментах) устанавливается единственный радиометр, измеряющий интенсивность собранного излучения. А для получения изображения радиотелескопу приходится линия за линией сканировать выбранный участок неба. Результат обычно представляют картой изолиний радиояркости, хотя может быть построено и обычное полутоновое изображение.

Космический микроволновый фон, называемый также реликтовым излучением, представляет собой остывшее свечение горячей Вселенной. Впервые оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия 1978 г.) Первые измерения показали, что излучение совершенно однородно по всему небу.

В 1992 году было объявлено об открытии анизотропии (неоднородности) реликтового излучения. Этот результат был получен советским спутником «Реликт-1» и подтвержден американским спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне). COBE также определил, что спектр реликтового излучения очень близок к чернотельному. За этот результат присуждена Нобелевская премия 2006 года.

Вариации яркости реликтового излучения по небу не превышают одной сотой доли процента, но их наличие указывает на едва заметные неоднородности в распределении вещества, которые существовали на ранней стадии эволюции Вселенной и послужили зародышами галактик и их скоплений.

Однако точности данных COBE и «Реликта» было недостаточно для проверки космологических моделей, и поэтому в 2001 году был запущен новый более точный аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который к 2003 году построил детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик.

Спектр реликтового излучения

Реликтовое излучение возникло, когда возраст Вселенной составлял около 400 тысяч лет и она вследствие расширения и остывания стала прозрачна для собственного теплового излучения. Первоначально излучение имело планковский (чернотельный) спектр с температурой около 3000 K и приходилось на ближний инфракрасный и видимый диапазоны спектра.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение испытывало красное смещение, что приводило к снижению его температуры. На сегодня температура реликтового излучения составляет 2,7 К и оно приходится на микроволновый и дальний инфракрасный (субмиллиметровый) диапазоны спектра. На графике показан приближенный вид планковского спектра для этой температуры. Впервые спектр реликтового излучения был измерен спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне), за что в 2006 году была присуждена Нобелевская премия.

Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см — это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.

Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте.

Главное преимущество микроволновой печи — прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности.

Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи. Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы.

А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон).

Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям.

Радиус действия базовой станции — размер соты — от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.

В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа.

Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет.

Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.

Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора — в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда — высокая яркость, низкая амплитуда — темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций).

С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется.

Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа, но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений.

Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд — 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см, и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м.