Космическое радиоизлучение
Косми́ческое радиоизлуче́ние, электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм до нескольких километров, приходящие на Землю от астрономических объектов. Космическое радиоизлучение – предмет исследования радиоастрономии. Различаются два вида космического радиоизлучения: излучение с непрерывным спектром (континуум) и линейчатое космическое радиоизлучение на выделенных частотах, соответствующих энергетическим переходам в атомах и молекулах. Источниками космического радиоизлучения являются Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы, объекты нашей Галактики – облака межзвёздного газа (как ионизованного, так и нейтрального) и звёзды, а также внегалактические объекты – галактики, квазары. Особый вид космического радиоизлучения – реликтовое излучение, возникшее на ранней стадии эволюции Вселенной.
Радиоизлучение в непрерывном спектре от плоскости Галактики впервые наблюдал на длине волны 14,6 м К. Янский в 1931 г. при исследовании помех радиоприёму. Во время 2-й мировой войны приёмники радиолокаторов в США и Великобритании зафиксировали радиоизлучение Солнца. Собственно астрономическое исследование космического радиоизлучения началось в конце 1940-х гг., когда были открыты первые дискретные источники космического радиоизлучения, галактические и внегалактические, которые вскоре были отождествлены с известными астрономическими объектами – туманностями и галактиками.
Солнце – один из ближайших к Земле и поэтому самый заметный источник космического радиоизлучения. Радиоизлучение метровых волн, поступающее от Солнца, исходит из солнечной короны, которая непрозрачна для волн длиннее 1,2 м. Более коротковолновое радиоизлучение возникает в солнечной хромосфере. Различают радиоизлучение «спокойного» Солнца, которое присутствует постоянно в течение всего 11-летнего цикла солнечной активности, и всплески солнечного радиоизлучения, связанные с процессами в активных областях на Солнце – солнечными вспышками, выбросами коронального вещества и ударными волнами. Вторая составляющая солнечного радиоизлучения усиливается вблизи максимума солнечной активности. Механизм радиоизлучения «спокойного» Солнца – тепловое тормозное излучение полностью ионизованного газа короны и хромосферы. Всплески излучения имеют плазменный и циклотронный механизмы.
В 1945 г. обнаружено радиоизлучение Луны, в 1955 г. – Юпитера, а затем и других планет Солнечной системы. Радиоизлучение Меркурия, Венеры и Марса имеет чисто тепловую природу и представляет собой излучение твёрдой поверхности планет. У планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна – тепловое излучение возникает в толще атмосферы; наряду с этим присутствует и нетепловая составляющая, обусловленная синхротронным механизмом – излучением релятивистских электронов в магнитном поле в радиационных поясах планет. Эта составляющая наиболее сильна у Юпитера, который также является источником мощных радиовсплесков на длинах волн в десятки метров; по интенсивности эти всплески сравнимы с солнечными.
Рис. 1. Изображение Крабовидной туманности в радиодиапазоне, полученное радиоинтерферометром VLA.За пределами Солнечной системы в Галактике выделяется прежде всего непрерывное радиоизлучение, сосредоточенное в полосе неба вблизи плоскости Млечного Пути. Это синхротронное излучение релятивистских электронов в межзвёздных магнитных полях. Вдоль той же плоскости сосредоточено обнаруженное в 1951 г. излучение в спектральной линии нейтрального водорода на длине волны 21 см, позволяющее проследить структуру распределения нейтрального газа в Галактике. Радионаблюдения в спектральных линиях атомов привели к обнаружению в межзвёздной среде многочисленных молекул, таких как гидроксил (OH), оксид углерода (CO), формальдегид (H2CO), метанол (CH3OH) и многие другие, всего свыше 130 разновидностей, в том числе достаточно сложные – органические кислоты, альдегиды и эфиры. Особый интерес представляет интенсивное мазерное излучение в радиолиниях некоторых молекул (гидроксил, вода, метанол и др.). Источники мазерного радиоизлучения встречаются в областях активного звездообразования, в окрестностях молодых звёзд, а также в оболочках красных гигантов – звёзд на поздних стадиях эволюции. Ещё один вид космического радиоизлучения в спектральных линиях – линии высоковозбуждённых атомов водорода, гелия и углерода, т. н. рекомбинационные линии, излучаемые ионизованной составляющей межзвёздной среды.
К источникам космического радиоизлучения в Галактике относятся диффузные туманности (облака ионизованного газа вокруг горячих звёзд), излучение которых имеет тормозной механизм; остатки вспышек сверхновых звёзд (рис. 1), в которых радиоизлучение создаётся релятивистскими электронами в магнитном поле; пульсары – быстро вращающиеся нейтронные звёзды с сильными магнитными полями, посылающие радиоволны в виде коротких импульсов с периодом собственного вращения (от нескольких миллисекунд до нескольких секунд).
Рис. 2. Радиогалактика Геркулес-А. На оптическое изображение галактики наложено изображение в радиодиапазоне (розовый цвет). Фото: космический телескоп «Хаббл». NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA). CC BY 4.0Источники космического радиоизлучения за пределами Галактики – галактики разных типов, обладающие непрерывным радиоизлучением (тепловым и нетепловым) и линейчатым излучением в спектральных линиях водорода и молекул. Особый класс составляют радиогалактики (рис. 2); мощность их радиоизлучения в сотни миллионов раз выше, чем у «нормальных» галактик, что связано с процессами интенсивного ускорения релятивистских частиц. Родственные радиогалактикам объекты – квазизвёздные источники (квазары), удалённые от нас на сотни и тысячи мегапарсек. Квазары очень слабо проявляют себя в видимом свете, однако обладают мощнейшим радиоизлучением, что выделяет их на небе среди множества слабых оптических объектов.
Фоновое космическое радиоизлучение, являющееся остатком («реликтом») ранней эпохи эволюции Вселенной, имеет планковский спектр, соответствующий температуре 2,725 К. Это излучение было предсказано Г. А. Гамовым в его теории горячей Вселенной. Открытие реликтового излучения стало прямым доказательством справедливости этой теории. 
Рис. 3. Карта анизотропии температуры реликтового излучения на небесной сфере, показывающая отклонения температуры в разных направлениях от среднего значения. Составлена по результатам анализа данных космической обсерватории «Планк». Вычтен вклад Галактики, диапазон отклонений составляет от –300 до 300 мкК. Синий цвет – отрицательные отклонения, красный – положительные. Planck Collaboration. Planck 2015 results, A&A 594, A1, 2016 (Fig. 9). © ESA and the Planck CollaborationПоследующие исследования при помощи наземных радиотелескопов и с искусственных спутников Земли (ИСЗ) установили высокую степень изотропии реликтового фона. В 1983–1984 гг. в эксперименте «Реликт-1» (ИСЗ «Прогноз-9», СССР) найдена дипольная составляющая в распределении фона, вызванная движением Солнечной системы относительно поля реликтового излучения. С помощью наблюдений, выполненных со спутников COBE и WMAP, были обнаружены более мелкомасштабные пространственные флуктуации в распределении реликтового излучения по небу (анизотропия реликтового излучения) (рис. 3). Эти результаты позволяют уточнить модель эволюции Вселенной.