ИЗЛУЧЕНИЕ МЕЖЗВЕЗДНОГО НЕЙТРАЛЬНОГО ВОДОРОДА НА ВОЛНЕ 21 см

Самый нижний энергетический уровень водорода состоит из двух подуровней — тип, веса которых соответственно равны 3 и 1.

Рис. 145. Схема подуровней в уровне атома водорода. В верхнем подуровне, имеющем втрое больший вес, спины протона и электрона параллельны, а в нижнем — антипараллельны. Переход — запрещенный. Вероятность его составляет . Разность уровней в волновых числах равна

Верхний уровень, соответствующий немного более высокой энергии, осуществляется при параллельности спинов протона и электрона, у нижнего уровня эти спины антипараллельны (рис. 145). Соответствующая разность энергии составляет , так что длина волны перехода с одного уровня на другой равна см, а частота МГц.

Особенность рассматриваемого перехода состоит в том, что он запрещенный, с ничтожной вероятностью перехода

Здесь — боровский магнетон. Казалось бы, при столь низкой вероятности перехода (один раз в 11 млн лет) надежда наблюдать водородную линию очень мала. Но на достаточно длинном оптическом пути и в достаточно широком телесном угле в плоскости Галактики, как правило, содержится очень много водородных атомов, в среде которых общее число описанных исключительно редких переходов настолько велико, что возникающий поток излучения на волне см оказывается доступным наблюдению современными радиоастрономическими средствами. Предсказанное в 1945—1949 гг. излучение Галактики на см было в 1951 г. обнаружено одновременно в трех обсерваториях. Его интенсивность соответствует плотности атомов водорода от 0,1 до 3 в 1 см3, т. е. от до , что значительно превышает плотность всех других рассмотренных нами составляющих межзвездного вещества.

Такая плотность создает на большом протяжении большую оптическую толщину и потому излучение в линии 21 см от отдаленных мест Галактики доходит до нас заметно ослабленным, а в излучении самостоятельных далеких и сильных источников радиоизлучения, например Кассиопея А, Лебедь А и даже более близкий Телец А, наблюдается линия поглощения на длине волны 21 см. Радиоизлучение водорода в Галактике все же достигает Земли даже из областей Галактики, находящихся «по ту сторону» ее центра благодаря наличию дифференциального вращения Галактики, так как по частотам это излучение смещено согласно эффекту Доплера и не совпадает с частотами, поглощаемыми атомами HI, более близкими к нам.

Заметим себе прежде всего, что на частоте 1420 МГц лучевая скорость всего лишь в 30 км/с дает доплеровское смещение в 142 кГц, тогда как современная радиотехника без труда выделяет в дециметровом диапазоне полосу шириной в 1 кГц. Благодаря этому в большом числе участков неба были определены профили линии излучения см, т. е. интенсивность ее в функции или — отклонения наблюдаемой длины волны или частоты от канонической 1420,4056 МГц, что естественнее всего выразить в шкале лучевых скоростей по принципу Доплера. Пример подобного профиля показан на рис. 146 и 149. Наличие нескольких максимумов в профиле указывает на существовав ние дискретных облаков сгущения водородных атомов. Величина сдвига максимума через формулу (27.1) дает расстояние до облака, а высота максимума — концентрацию атомов . Так была получена картина распределения нейтрального водорода в нашей Галактике с концентрациями, приведенными выше.

Выяснилось, что этот водород не очень сильно концентрируется к плоскости Галактики и даже имеет своеобразный выступ его — «отрог», выходящий из плоскости Млечного Пути около созвездий Орла и Щита до самого северного галактического полюса.

Что касается распределения водорода в самой плоскости Галактики, то здесь хорошо прослеживаются ветви спиралей (рис. 147), которые ранее подозревались по аналогии между системой Млечного Пути и другими галактиками, а затем обнаружились в расположении газовых туманностей и галактических звездных скоплений. Вместе с тем иногда распределение водорода в направлениях, отличающихся всего на V8°, бывает совершенно разным. Водород так же, как кальций и пылевая материя, располагается в пространстве отдельными беспорядочными сгущениями. Поверхностная яркость Галактики в лучах водородного излучения в тех направлениях, где это излучение испытывает сильное поглощение, позволяет сразу получить температуру межзвездного нейтрального водорода. Это яркостная температура . Она лежит в пределах 40—120 К.

Рис. 146. Профиль водородной линии К 21 с в направлении на созвездие Кормы (Puppis) с галактической долготой 245°, т. е. под углом 115° к направлению на галактический центр. По оси абсцисс отложены длины волн (или частоты), выраженные в шкале лучевых скоростей согласно принципу Доплера

Обратимся к формуле (2.13). Излучение однородного газа, оптическая толща которого есть , имеет интенсивность перпендикулярном к границе слоя направлении)

Здесь — интенсивность излучения газа при термодинамическом равновесии. В радиодиапазоне его можно представить в форме закона Рэлея — Джинса

а для оценки оптической толщины воспользоваться выражением, даваемым квантовой физикой:

Мы обозначили через число атомов водорода в столбе длиной с поперечным сечением находящихся в самом нижнем энергетическом состоянии и обладающих скоростями по лучу зрения от v до , причем v соответствует частоте v в смысле принципа Доплера:

где МГц — частота водородного излучения при отсутствии относительного движения водородного облака и наблюдателя. Все число атомов водорода же интервале скоростей в четыре раза больше . Мы видим, что при прочих равных условиях оптическая толща слоя межзвездного водорода на волне 21,1 см тем больше, чем ниже его температура.

Рис. 147. Распределение нейтрального водорода в плоскости Галактики по наблюдению нндерландских и австрийских ученых. Намечается спиральная структура, хотя ветви спиралей мало отличаются от круговых. В направлениях долгот около 0 и 180° дифференциальное вращепие Галактики не дает составляющих по лучу зрения, и потому применение формулы (27.1) для определения расстояний невозможно

Подставляя в формулу (27.5) числовые значения атомных и общефизических постоянных, найдем

(). С другой стороны, объединяя формулы (27.3) и (27.4), найдем интенсивность излучения на волне 21,2 см слоя водорода с оптической толщей :

Чем больше оптическая толща , тем больше интенсивность излучения. В направлениях на центр Галактики и ее антицентр интенсивность 21-сантиметрового излучения особенно велика, что указывает на особенно большую непрозрачность межзвездного водорода — большую, чем в других направлениях. Причина этого такова. В направлениях на центр и антицентр Галактики дифференциальное вращение ее не имеет радиальной составляющей [см. формулу (27.1)] при .

Поэтому длина волны водородного излучения на протяжении всего луча зрения остается одной и той же с точностью до небольших вариаций, вызванных индивидуальными движениями водородных облаков, скорости которых вообще незначительны. А тогда в названных направлениях межзвездный водород создает большую непрозрачность для собственного излучения. Иначе обстоит дело в направлениях, отличающихся от , как это видно, например, на рис. 146. Дифференциальное вращение Галактики в подобных случаях придает излучению отдельных облаков длину волны, существенно иную, чем для других, и потому одни водородные облака не мешают распространению излучения других, сзади лежащих. В частности, сдвугорбая» часть профиля справа на рис. 146, соответствующая скорости от +50 до +80 км/с, вызвана плотным сгущением водорода на расстоянии 4,5—5,0 кпк, совпадающим с группой О — В-звезд, имеющих ту же лучевую скорость.

Формула (27.8) обосновывает также метод вывода температуры межзвездного водорода, так как в направлениях большой его непрозрачности , и потому получаемая из радионаблюдений интенсивность излучения (фактически поток со стерадиана; см. КПА 455) приводит к значению яркостной температуры

Как сказано она оказывается в среднем равной 125 К.

В тех случаях, когда можно приблизительно оценить геометрическую толщину излучающего слоя водорода в каком-либо направлении и определить из наблюдений оптическую толщу в том же направлении, формула (27.7) после интегрирования по интервалу скоростей в рассматриваемом слое позволяет вывести истинную концентрацию атомов нейтрального водорода . Она оказывается в среднем , но отдельные значения могут быть много выше и много ниже. Значения оптической плотности межзвездного водорода, т. е. оптической толщи на единицу расстояния, получаются делением на .

В среднем равно около 1,20 на килопарсек, т. е. 21-сантиметровое излучение в среднем ослабевает в е раз на протяжении 830 пк, если нет эффектов дифференциального вращения.

Отдаленный источник радиоизлучения, когда он обладает достаточно высокой яркостной температурой (более высокой, чем межзвездный водород), станет причиной появления линии поглощения на волне 21,1 см. Количественные соображения здесь довольно просты, если считать слой межзвездного водорода однородным по плотности и температуре.

Согласно закону Рэлея — Джинса, интенсивность радиоизлучения пропорциональна температуре, т. е. в достаточно узком спектральном интервале можно рассматривать кинетическую температуру газа Тк как меру интенсивности излучения. Таким образом, формулу (27.8) можно переписать для собственного излучения межзвездного водорода так: наблюдаемая температура есть

    (27.10)

Пусть в исследуемом направлении есть источник радиоизлучения. Он обладает непрерывным спектром и в участке спектра, непосредственно прилегающем к частоте 1420,4 МГц (например, при МГц), дает излучение, ничем не ослабленное, которое создает антенную температуру .

В ближайших частотах она должна оставаться той же самой, но на частоте 1420,5 МГц она будет ослаблена поглощением в том же слое водорода и станет равной . Таким образом, при наблюдении источника на частоте 1420 МГц принимаемый сигнал будет соответствовать температуре

    (27.11)

тогда как в соседнем участке спектра

    (27.12)

Производя быстрое разностное сравнение обоих участков спектра на различных удаленных от основной частоты водородного излучения, получим профиль спектральной линии 21,1 см:

Рис. 148. Среднее из четырех записей спектра излучения в окрестностях источника Кассиопея А и в нем самом около частоты 1420,4 МГц при разрешении 9 кГц: а) спектр области на расстоянии 39 от Кассиопеи А; б) то же на расстоянии 19; в) то же в самом источнике. В а) и б) наблюдается излучение межзвездного водорода от двух спиральных рукавов Галактики, а в в) отмечается сильное поглощение излучения Кассиопеи А нейтральным водородом в тех же рукавах.

Если , то будет абсорбционная линия (т. е. сигнал будет ниже уровня ). При будет эмиссионная линия. Как пример, на рис. 148 показана запись спектра источника Кассиопея А в частотах, соседних с . Здесь видны и эмиссионные, и абсорбционные детали.

Нейтральный водород может быть также обнаружен по энергетическим переходам между очень высокими уровнями в атоме, например 110 и 109, которые дают излучение, наблюдаемое в сантиметровом и дециметровом диапазонах. На такую возможность впервые указал Н. С. Кардашев.

Впрочем, эти линии возникают в процессе рекомбинации ионизованного водорода и их следует относить к областям HII (см. с. 340). Их известно уже около десятка — при переходах между уровнями 77—76 (Н 76а) до перехода 253—252 (Н252а). При достаточно высокой плотности вещества наблюдаются такие же линии гелия (Не 76а, Не 109а и т. д.) и углерода (С 76а, С 134а и т. д.) (рис. 149).

Рис. 149. Профили линий излучения водорода и гелия гигантской туманности 30 Doradus (Золотой Рыбки) в Большом Магелановом Облаке. Линии образуются при переходах между очень высокими уровнями 110—109, 137—135 водорода, при его рекомбинации из ионизованного состояния, и 110—109 ионизованного гелия. Из отношения интенсивностей линий можно вывести отношение числа ионов гелия к числу ионов водорода

К 1985 г. достигнуто на декаметровых волнах излучение перехода 732а от атома углерода; при этом электрон находится на расстоянии 3 мкм от ядра.