Основная часть наших знаний о физической природе и свойствах небесных тел была получена путем анализа приходящего от них света или других видов электромагнитного излучения. Свет — источник информации о природе и свойствах небесных тел.
Свет — сложное физическое явление, которому присущ корпускулярно-волновой дуализм. При распространении свет ведет себя как волна, при излучении и поглощении свет ведет себя как поток частиц — фотонов (квантов). Он испускается и поглощается только отдельными порциями, а они характеризуются определенным значением энергии и импульса. В вакууме электромагнитное излучение распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью — с = 3 х 108м/с. Любая волна характеризуется частотой v и длиной волны X, между которыми существует связь в виде соотношения: с= X х v.
Энергия фотона пропорциональна частоте излучения и обратно пропорциональна длине его волны.
При помощи спектрографов — специальных оптических приборов — излучение можно разложить на составляющие его электромагнитные колебания разных длин волн. В результате такого разложения получается полоска спектра, вдоль которой меняется цвет. Пример естественного спектра — радуга, часто наблюдаемая на небе после дождя. Она получается при разложении света Солнца множеством капелек воды на лучи различных цветов, так как существует зависимость коэффициента преломления воды от длины волны. Спектр обычно представляется в форме графика распределения энергии излучения по длинам волн или частотам.
Цвет видимого излучения определяется длиной его волны. Глаз человека воспринимает излучение с длиной волны от 0,4 мкм (фиолетовый цвет) до 0,7 мкм (красный цвет). К видимому диапазону с длинноволновой стороны присоединяется инфракрасное, а с коротковолновой — ультрафиолетовое излучение. Свет — один из многих видов электромагнитного излучения. Эти виды электромагнитного излучения вместе образуют шкалу электромагнитных волн. Наименьшую длину волны имеют гамма-лучи, а наибольшую длину волны — радиоволны.
Земная атмосфера прозрачна для видимого электромагнитного излучения. Она пропускает небольшую часть ультрафиолетовых, инфракрасных лучей и широкий диапазон радиоволн от нескольких миллиметров до 15—20 м. Все остальные электромагнитные волны хорошо поглощаются и отражаются различными слоями земной атмосферы. У атмосферы имеются два окна прозрачности: для радио- и оптического излучения.
До изобретения фотографии использовался только видимый свет, т.е. ничтожно малая часть всей шкалы электромагнитных волн. Единственным приемником излучения служил глаз наблюдателя. Благодаря фотографиям и фотоэлектрическим приемникам излучения стали осваиваться такие участки спектра электромагнитных волн, как инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, частично проходящие через земную атмосферу.
Благодаря развитию радиотехники в 1930-е гг. было открыто космическое радиоизлучение. Оно приходит из межзвездного пространства и достигает земной поверхности. С этого момента началось освоение радиоокна земной атмосферы. В результате появилась радиоастрономия, которая расширила наши знания о процессах, происходящих во Вселенной.
В последние десятилетия, в результате использования высотных ракет и других космических аппаратов, появилась возможность приема электромагнитного излучения в диапазонах, не пропускаемых земной атмосферой. На КА устанавливают аппаратуру для регистрации рентгеновского и гамма-излучения, а также длинноволнового инфракрасного излучения, приходящего из космоса.
Современная астрономия является всеволновой (табл.1), так как благодаря радиоастрономии и развитию внеатмосферных методов наблюдений небесных объектов ученым стали доступны все виды космического электромагнитного излучения. Выяснилось, что в различных диапазонах электромагнитного излучения небо представляется по-разному. Одни и те же объекты могут быть яркими в одних лучах, а в других могут быть совершенно незаметными. Например, в видимых лучах по яркости Солнце на первом месте. Следующий по яркости объект — полная Луна. Она уступает Солнцу примерно в миллион раз.
Таблица 1- Диапазоны электромагнитного излучения
| Диапазоны | Длина волны, X |
| Радиоволны | Больше 1 мм |
| Инфракрасные лучи | От 760 нм до 1 мм |
| Видимые лучи | От 390 до 760 нм |
| Ультрафиолетовые лучи | От 10 до 390 нм |
| Рентгеновские лучи | От 0,01 до 10 нм |
| Гамма-лучи | Меньше 0,01 нм |
Важные результаты о природе межзвездной среды получаются на основании изучения космических лучей, представляющих собой весьма энергичные элементарные частицы и атомные ядра, которые движутся с огромными скоростями, близкими к скорости света. Энергии этих частиц огромны. Во время прохождения земной атмосферы космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха и порождают много новых энергичных частиц. Это вторичные космические лучи. Первичные космические лучи отличаются от вещества многих звезд химическим составом. Они имеют относительно большое содержание некоторых элементов, особенно лития, бериллия и бора, которые практически отсутствуют в космосе. В космических лучах содержатся также наиболее тяжелые элементов Са, Fe, Ni, которые превышают среднее содержание их в космосе в несколько десятков раз.
Благодаря расщеплению более тяжелых ядер из-за столкновений с ядрами атомов межзвездного газа в космических лучах определяется неимоверно высокое содержание лития, бериллия и бора.
Такие столкновения увеличивают количество легких ядер и уменьшают количество тяжелых элементов (особенно железа). Космические лучи проходят огромный путь внутри нашей Галактики и при этом постоянно меняют свое направление. Причиной изменения направления траектории заряженной частицы, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, является магнитное поле. Оно позволяет двигаться заряженным частицам вдоль силовых линий, не пропуская их, однако, в поперечном направлении. Движение заряженной частицы происходит по спирали вокруг силовых линий магнитного поля. Существует еще одно доказательство существования магнитного поля в Галактике. Это поляризация света удаленных звезд. Измерения показали то, что излучение большинства звезд, которые наблюдаются в больших областях на небе, одинаково поляризовано.
Зная время (3 х 1016 секунд), в течение которого существуют наблюдаемые космические лучи, можно рассчитать необходимую мощность их источников. Например, концентрация космических лучей 10'1 ’см3, а средняя их энергия Ю10 эв * 10'2 эрг, тогда плотность энергии космических лучей равна: 10‘"см'3 х 10‘2эрг = 10'13эрг/см3. Объем сферы с поперечником, равным диаметру Галактики, составляет: V= 5 х 1068 см3. Можно вычислить полную энергию космических лучей:
Имея эти данные, можно найти мощность источника:
В Галактике имеется один источник сравнимой мощности — это сверхновые звезды. Вероятно, взрывы сверхновых звезд приводят к образованию быстрых электронов и космических лучей. Космические лучи нагревают разреженный газ до температуры в несколько миллионов градусов. Этот горячий разреженный газ, образующий обширное гало, относится к сфероидальной подсистеме Галактики и называется галактической короной.
Контрольные вопросы
1. Что такое свет?
2. Что образует шкалу электромагнитных волн?
3. Какие лучи имеют наименьшую длину волны?
4. Какие волны имеют наибольшую длину волны?
5. Какая основная задача современных космических исследований в области астрофизики?
6. Какие виды космического электромагнитного излучения вам известны?
7. Что представляют собой космические лучи?
8. Как можно вычислить полную энергию космических лучей?
9. Что приводит к образованию космических лучей?