17.2. НЕЙТРАЛЬНЫЙ МЕЖЗВЕЗДНЫЙ ГАЗ

17.2.1. Нейтральный водород: линия 21 см в излучении и поглощении. Нейтральный водород излучает в радиолинии на частоте см) в результате почти полностью запрещенного перехода между подуровнями сверхтонкой структуры, при котором спины электрона и протона из параллельных становятся антипараллельными. Вероятность такого спонтанного перехода равна для основного состояния. Поскольку и у электрона, и у протона возможны две ориентации спинов, возникают четыре стационарных подуровня, три

из которых вырождены и образуют верхнее состояние, а один — нижнее. Вероятность перехода очень мала, поэтому столкновения и другие процессы успевают установить равновесие между верхним и нижним подуровнями (обозначаемыми соответственно 2 и 1), так что их населенности удовлетворяют распределению Больцмана где температура возбуждения, статистические веса верхнего и нижнего уровней Для излучения в линии 21 см температура возбуждения называется спиновой температурой и обозначается В космических условиях всегда поэтому

Если излучающая область является оптически тонкой, необходимо учитывать только спонтанные переходы, тогда излучательная способность равна

где концентрация нейтральных атомов водорода.

Пусть вдоль луча зрения наблюдателя каким-либо образом распределен нейтральный водород. Тогда поток, принимаемый в телесный угол (скажем, диаграмму направленности радиотелескопа), равен

Таким образом, полная наблюдаемая интенсивность излучения определяется полным числом атомов нейтрального водорода в столбе единичной площади, расположенном вдоль луча зрения, При этом измеряется в и равно интегралу по профилю линии; здесь интенсивность излучения в линии.

Естественная ширина линии 21 см очень мала, поскольку ничтожна вероятность перехода. Если нейтральный водород движется относительно наблюдателя, то доплеровское смещение линии 21 см легко измеряется с помощью радиоспектрометра — многоканального приемника с очень узкими каналами по обе стороны от центра линии. Это прекрасный метод исследования динамики нейтрального водорода в нашей и других галактиках.

Измеряя интенсивность излучения и скорость нейтрального водорода, можно построить карту его распределения в Галактике. Для интерпретации карт распределения скоростей по долготе необходимо вводить некоторые предположения, например, что водород движется вокруг галактического центра по круговым орбитам. Эти исследования позволили построить как кривую вращения Галактики (рис. 15.6.), так и карту распределения в ней нейтрального водорода (рис. 17.1). Видно, что существуют крупномасштабные образования, похожие на спиральные рукава, однако их положение не очень уверенно согласуется с положением других индикаторов спиралей. Характерная концентрация в спиральных рукавах составляет примерно с различием между отдельными рукавами в раза. Удобно использовать грубую оценку

Нетепловые радиоисточники имеют непрерывный степенной спектр, поэтому если в направлении на радиоисточник находится облако нейтрального водорода, в наблюдаемом спектре должна появиться особенность

Рис. 17.1. (см. скан) Общее распределение нейтрального водорода в Галактике, построенное по результатам наблюдений в линии 21 см. Диаграмма изображает плоскость Галактики. Галактический центр расположен в середине. Галактическая долгота измеряется, как обычно, по отношению к Солнцу. Ее значения показаны вдоль края диаграммы.

в поглощении. Если радиоисточник существенно ярче, чем создаваемый облаком фон, т. е. яркостная температура источника его спектр будет иметь вид

где

где ширина профиля линии нейтрального водорода. Очевидно, для интерпретации наблюдений необходимо знать спиновую температуру просвечиваемого облака. На практике профиль линии поглощения плохо ложится на простую гауссову кривую, поскольку состоит из отдельных компонентов с различными скоростями и ширинами линий. Это объясняется наложением систематических и случайных скоростей различных облаков, находящихся в направлении на источник. Подобные наблюдения дают важную информацию о мелкомасштабной структуре распределения нейтрального водорода и о его дисперсии скоростей.

17.2.2. Молекулярные радиолинии. О присутствии в межзвездном пространстве значительного количества молекул было известно задолго до зарождения радиоастрономии. У таких молекул, как и частоты электронных переходов попадают в оптический диапазон, и соответствующие линии поглощения часто наблюдались в спектрах ярких звезд. Радионаблюдения обладают значительным преимуществом, поскольку межзвездная среда прозрачна для радиоволн. Первой межзвездной молекулой, открытой в радиодиапазоне, был гидроксильный радикал интенсивность излучения которого оказалась очень большой. Быстрая переменность и малые угловые размеры источников требовали чрезвычайно высоких яркостных температур что привело к предположению о мазерном механизме излучения. Через пять лет, в 1968 г., был обнаружен аммиак в следующем году — вода и формальдегид С тех пор число зарегистрированных молекул быстро увеличивалось. В поглощающих областях межзвездного пространства, где газ защищен от оптического и ультрафиолетового излучения, способного вызвать диссоциацию, были открыты сложные органические молекулы, включающие до девяти атомов, и среди них этиловый спирт Сейчас обнаружены молекулы, состоящие практически из всех самых распространенных элементов: водорода (и дейтерия), азота, углерода, серы, кремния и кислорода и их изотопов.

Многие из наблюдавшихся до сих пор радиолиний возникают при вращательных переходах. В качестве примера рассмотрим двухатомную молекулу, такую, как моноксид углерода Линейчатое излучение обусловлено электронными, колебательными и вращательными переходами. Расстояние между электронными уровнями наиболее велико, и соответствующие линии попадают обычно в оптический диапазон. Связь между атомными ядрами в молекуле позволяет им совершать колебания относительно положения равновесия. Молекулу с хорошей точностью можно считать простым гармоническим осциллятором, собственная частота которого, как правило, попадает в инфракрасный диапазон Меньше всего расстояние между вращательными уровнями. Собственные значения энергии двухатомной молекулы в данном состоянии равны

Здесь вращательное квантовое число, принимающее значения

приведенная масса молекулы равновесное расстояние между ядрами атомов. Согласно правилам отбора для электрических дипольных переходов, поэтому при переходе излучается фотон, энергия которого равна Например, для атомных единиц массы см, отсюда минимальная частота вращательного перехода равна Аналогичные результаты получаются и для сложных молекул, содержащих больше двух атомов.

У других молекул, таких, как гидроксильный радикал или формальдегид существуют разрешенные радиочастотные переходы между дублетными уровнями. В случае двухатомных молекул (например, удвоение происходит за счет взаимодействия между движением электронов в молекуле и ее вращением как целого.

Вообще говоря, линейчатое излучение молекул несет информацию о более плотных областях межзвездного газа, чем излучение в линии 21 см. Это связано с тем, что молекулы очень непрочные и легко диссоциируют при облучении оптическими и ультрафиолетовыми фотонами. Поэтому их в основном обнаруживают в плотных «молекулярных» облаках, в которых и где молекулы защищены от пронизывающего межзвездное пространство излучения. Эти эмиссионные линии тоже могут использоваться для построения карт распределения молекул в нашей и других галактиках.

Считается, что наиболее распространена молекула водорода но линий в радиодиапазоне у нее нет. Однако создаваемые ею ультрафиолетовые линии поглощения были зарегистрированы на спутнике «Коперник». Эти наблюдения подтвердили, что в межзвездном газе в больших количествах присутствует молекула Следующей по распространенности считается молекула моноксида углерода Как показано выше, она должна излучать сильную линию на длине волны соответствующую разрешенному переходу между основным и первым вращательными состояниями. Интенсивное излучение зарегистрировано практически от всех областей Галактики, оно дает важную информацию о распределении межзвездного вещества, дополняющую обзоры в линии нейтрального водорода 21 см. Важность наблюдений состоит в том, что, как предполагается, всюду, где присутствуют молекулы должны также быть молекулы следовательно, является индикатором в Галактике. В самом деле, столкновения с молекулами водорода являются механизмом возбуждения молекул и по интенсивности излучения можно судить о плотности в облаках. Наблюдения указывают, что в центральных областях Галактики водород находится в основном в молекулярном, а не в атомарном состоянии, причем полная масса молекулярного водорода в радиусе от галактического центра составляет приблизительно

17.2.3. Оптические и ультрафиолетовые линии поглощения. Чтобы атомы могли создавать линии поглощения в оптическом диапазоне

3100 — 8000 А, они должны иметь возбужденный уровень, энергия которого не превышает если отсчитывать от основного состояния. Этому критерию удовлетворяет относительно небольшая группа распространенных атомов и ионов, важнейшие среди них Линии всех этих элементов наблюдаются в звездных спектрах, причем самые сильные принадлежат и Обе последние линии являются дублетами, парами линий, называемыми соответственно) и Более широкие возможности для изучения межзвездных атомов и молекул предоставляет ультрафиолетовый диапазон куда попадают, в частности, линии молекулярного и атомарного водорода, а также большинства тяжелых элементов. Серия орбитальных астрономических обсерваторий и «Коперник») и недавно запущенная «Международная ультрафиолетовая обсерватория» произвели революцию в изучении межзвездной среды. Ими были зарегистрированы линии поглощения всех распространенных элементов в разных состояниях ионизации.

Для интерпретации линий межзвездного поглощения необходимо знать атомные сечения поглощения в зависимости от частоты Для покоящегося атома сечение в простых случаях рассчитывается квантовомеханически, но чаще находится в лабораторных экспериментах. Зависимость сечения от частоты определяется механизмом уширения линии. В условиях межзвездной среды самыми важными механизмами уширения являются: доплеровское уширение, возникающее либо за счет теплового движения поглощающих атомов в максвелловском газе, либо в результате движения целых межзвездных облаков, и радиационное затухание или естественное уширение, возникающее благодаря тому, что атом находится в возбужденном состоянии только конечное время В этом случае грубую оценку ширины линии можно сделать с помощью принципа неопределенности Гейзенберга т. е.

Мы не будем подробно останавливаться на интерпретации атомных спектров, но по крайней мере в оптически тонком случае очевидно, оптическая толща в линии определяется полным числом атомов данного вида на луче зрения Положение значительно усложняется, когда становится больше единицы. В пределе очень больших ту оказывается важным естественное уширение линии. У астрономов принято использовать эквивалентную ширину линии поглощения которая определяется как ширина участка непрерывного спектра, энергия которого равна энергии, поглощенной в линии, т. е.

где интенсивность непрерывного спектра в отсутствие линии поглощения. Соотношение между и числом атомов, содержащихся в столбе единичной площади, расположенном вдоль луча зрения, называется кривой роста.

Применение этого метода к результатам ультрафиолетовых наблюдений межзвездного газа привело к ряду замечательных открытий. Например:

В межзвездном газе открыт в больших количествах молекулярный водород Его доля по отношению к атомарному водороду меняется в широких пределах. Как указано выше, молекулы сохраняются только в областях с концентрацией где они защищены от оптического и ультрафиолетового излучения.

Содержание тяжелых элементов в межзвездном газе ниже чем средняя космическая распространенность, в 103 — 104 раз. Это и понятно, поскольку значительная часть «недостающего» количества находится в межзвездных пылинках.

Был зарегистрирован атомарный дейтерий, содержание которого по отношению к нейтральному водороду составляет Это очень большое значение для такого непрочного изотопа. Считается (разд. 15.7), что весь дейтерий был синтезирован в течение первых десяти минут после начала расширения Вселенной. В спектрах большинства звезд спутник «Коперник» зарегистрировал широкие абсорбционные детали, связанные с сильно ионизованным водородом Это прямое свидетельство наличия горячей фазы межзвездного газа с температурой в интервале В спектрах звезд гало и звезд спектрального класса В в Магеллановых облаках были открыты подобные широкие особенности, соответствующие линиям Их объясняют поглощением в сильно ионизованном газе гало Галактики.

17.2.4. поглощение рентгеновского излучения. В разд. 4.2 мы уже описывали процесс фотоэлектрического поглощения. Здесь только повторим, что если в спектре рентгеновского источника наблюдается резкий обрыв при энергии то он почти наверняка связан с фотопоглощением. Коэффициент поглощения для нормального космического химического состава показан на рис. 4.2. Эта величина приближенно описывается следующей полезной формулой:

Заметим, что поглощение может происходить как в самом источнике, так и в среде на луче зрения наблюдателя.