Лунное отражение

Такая непривычная раскраска Луны получилась после совмещения двух изображений: на обычную фотографию Луны (полученную в оптическом диапазоне) наложено смоделированное излучение на длине волны 150 МГц, которое могла бы отражать в сторону Земли лунная поверхность, если бы она была идеально гладкой. Яркая желтая полоса — это синхротронное излучение электронов межзвездной среды в магнитном поле Млечного Пути. В этом диапазоне Луна отражает примерно 7% от попадающей на ее поверхность электромагнитной энергии. Отраженные радиоволны повышают «яркость» Луны на этой частоте примерно на 14%.

Стоит отметить, что если «посмотреть» на Луну в радиотелескоп на такой длине волны, то видна будет совсем не такая четкая картинка. Сигнал от отраженного синхротронного излучения будет сильно забит помехами: само оно будет рассеиваться на лунной поверхности, а еще довольно сильный эффект будет вносить отражение Луной радиоволн, имеющих земное происхождение (в частности, волн в диапазоне FM, в котором идет вещание большинства радиостанций).

Этот эффект больше всего известен по своей «оптической ипостаси», которая называется пепельным светом Луны: за несколько дней до новолуния и в течение нескольких дней после него, в то время, когда Луна есть на небе, а Солнца нет (например, сразу после заката), можно разгядеть полный лунный диск, который подсвечивается солнечным светом, отразившимся от поверхности Земли (подробнее об этом можно прочитать в картинке дня «Неомения и пепельный свет Луны»). Радиотелескопы позволяют непосредственно наблюдать отражение земных радиоволн от Луны.

Радиоволны (на частоте 68 МГц), имеющие земное происхождение, которые отражены лунной поверхностью обратно и зафиксированы радиоинтерферометром LOFAR. Слева вверху — полное изображение: Луна видна как темное пятно в центре, отраженный сигнал — яркое пятно в центре Луны, окружает это все фоновое излучение Млечного Пути. Цветом показана плотность потока излучения. Изображение из статьи H. K. Vedantham et al., 2015. Lunar occultation of the diffuse radio sky: LOFAR measurements between 35 and 80 MHz

Смоделированное отраженное излучение, которое было использовано на верхнем изображении, взято из недавней статьи с длинным названием Measuring the global 21-cm signal with the MWA-I: improved measurements of the Galactic synchrotron background using lunar occultation. Зачем же авторам этой работы понадобилось предсказывать изменение яркости Луны в радиодиапазоне, вызванное излучением, порожденным нашей Галактикой?

Дело тут в стремлении ученых разобраться с начальными этапами эволюции Вселенной. После рекомбинации (см. Recombination), когда из-за расширения и остывания Вселенной электроны и протоны смогли соединяться и образовывать атомы, Вселенная стала электронейтральной: практически ничего не излучало и не поглощало свет, из-за чего это время называют Темными веками (Dark ages, мельком об этом говорилось в задаче «Очень темные дела»). Постепенно огромные газовые облака, состоящие из водорода (и небольшого количества гелия), начали уплотняться и сжиматься под действием собственной гравитации — зажглись первые звезды, появились звездные скопления и галактики. Звезды излучали энергичные фотоны, которые стали вновь ионизировать межзвездный газ нашей Вселенной, — началась реионизация. Мы и сейчас живем во Вселенной, где большая часть газа в межзвездной и межгалактической среде находится в ионизированном состоянии.

Темные века таят очень много загадок. В частности, хотя общая картина происходившего примерно понятна, до сих пор остаются открытыми вопросы об образовании первых звезд и галактик, о появлении первых скоплений, сверхмассивных черных дыр и активных галактических ядер. Ответ на них следует искать именно в изучении сигналов, дошедших до нас из этой эпохи. Проблема в том, что нейтральный водород практически ничего не излучает и не поглощает, и это сильно затрудняет наблюдения.

Однако один очень полезный вид излучения всё же есть. Это излучение нейтрального водорода на длине волны 21 см (частота 1420 МГц), возникающее в атомарном водороде из-за «переворота» спина электрона относительно спина протона. С его помощью, в частности, в 60-е годы XX века удалось картографировать спиральные рукава Млечного Пути.

Карта Млечного Пути, составленная по итогам анализа излучения нейтрального водорода в 1959 году Яном Оортом. Изображение из статьи J. H. Oort, 1959. A summary and assessment of current 21-cm results concerning spiral and disk structures in our galaxy

Так почему же нельзя на этой длине волны увидеть излучение водорода, испущенное в Темные века? Дело в том, что из-за расширения Вселенной длина волны излучения, испущенного в какой-нибудь момент времени, постепенно увеличивается. Степень этого увеличения описывается параметром красного смещения \(z\) (выражающим относительное изменение длины волны \(\Delta \lambda/\lambda\)). Так, излучение горячего газа, которое было испущено еще до рекомбинации с длиной волны несколько микрон, мы видим сейчас как космический микроволновой фон на длине волны несколько миллиметров (так как красное смещение для такого излучения примерно равно 1100).

Так как для реионизации красное смещение составляет \(z\sim 10\), излучение, испущенное в те времена на длине волны 21 см, приходит к нам с длиной волны 210 см. С частотами происходит обратное: изначальная частота 1420 МГц превращается примерно в 142 МГц. Проблема в том, что на таких частотах очень сильно излучают электроны в магнитном поле нашей Галактики: они на 5–6 порядков ярче. Сложность этой задачи — поймать на таком фоне редкие фотоны, долетевшие до нас из молодой Вселенной, — сравнима с задачей услышать писк комара рядом с включенным двигателем реактивного самолета.

Чувствительность и точность (разрешающая способность) радиотелескопов пропорциональны размеру «собирающей» поверхности, однако содержать слишком большие телескопы тяжело и дорого, поэтому наблюдатели придумывают различные ухищрения, чтобы увеличивать точность, но не строить огромные «тарелки». Один из вариантов — использовать радиоинтерферометрию: несколько радиотелескопов в разных уголках Земли (и даже в космосе, см. Радиоастрон), работают вместе как один большой телескоп. Точность при этом примерно такая же, как была бы у гиганта с размерами, сравнимыми с расстоянием между телескопами. У интерферометров, правда, довольно плохая чувствительность.

В 1999 году было предложено использовать Луну для наблюдений на радиоинтерферометрах. Спутник Земли — отличная «мишень» для калибровки приборов, а из-за того, что Луна блокирует часть радиоизлучения неба, радиоинтерферометр становится чувствительным не к абсолютной яркости неба, а к разности яркости неба и Луны (в радиодиапазоне), что значительно повышает точность.

Но чтобы такой метод работал, нужно уметь предсказывать «радиояркость» Луны с очень хорошей точностью. Для этого ученые и выполняют моделирование, подобное тому, что показано на верхнем изображении.

Разные фазы отраженного лунной поверхностью синхротронного излучения электронов межзвездной среды в магнитном поле Млечного Пути. Анимация с сайта astro3d.org.au

Изображение получено наложением данных из статьи B. McKinley et al., 2018. Measuring the global 21-cm signal with the MWA-I: improved measurements of the Galactic synchrotron background using lunar occultation на фотографию Луны, взятую с сайта ru.wikipedia.org.

Айк Акопян