§ 8. Радиоизлучение ионизованного межгалактического газа и период нейтрального водорода

В § 2 мы рассчитали процесс рекомбинации. Если отсутствуют источники энергии, то после рекомбинации начинается период нейтрального водорода. Он будет продолжаться до тех пор, пока уже в эпоху, близкую к нашей, источники энергии, связанные с возникающими объектами, ионизуют газ. Мы будем обозначать красное смещение, соответствующее моменту ионизации нейтрального газа какими-либо процессами, через а рекомбинации — Однако картина может быть более сложной. В §§ 5, 6 рассматривалась картина межгалактического газа и выделение энергии. Возникает вопрос о том, будет ли это выделение энергии мешать рекомбинации. Наши знания о ранних процессах, в которых может выделяться энергия, недостаточны. Вопрос об энергетическом балансе газа, о его рекомбинации и ионизации, тесно связан с теорией возникновения современной структуры — галактик, их скоплений и т. д.; см. об этом следующий раздел. В так называемой теории адиабатических или энтропийных возмущений, растущих вследствие гравитационной неустойчивости, возмущения (см. §§ 2, 8

гл. 14) в момент рекомбинации весьма малы, Такие возмущения плотности и соответствующая им скорость движения приводят к образованию ударных волн и ионизации газа при В момент рекомбинации эти возмущения никак не нарушают картину эволюции однородной плазмы, развитую выше.

В вихревой теории начальные скорости значительны, порядка столкновения сверхзвуковых потоков и ионизация газа происходят не позже, чем при (см. § 9 гл. 14).

Наконец, в зарядово-симметричных теориях выделение энергии при аннигиляции может полностью предотвратить рекомбинацию. Весьма важно найти все следствия тех или иных предположений о фактическом ходе рекомбинации. В этой связи радиоизлучение ионизованного газа крайне важно [Сюняев (1968)]. Было упомянуто (см. § 5), что тормозное излучение имеет плоский спектр в области частот а общая мощность

Радиоизлучение на низких частотах пропорционально следовательно, если кто-то захочет исследовать все возможные области температуры газа, то нижний предел температуры будет даваться сравнением вычисленного радиоизлучения с наблюдениями. Верхний предел температуры может быть найден из рентгеновского излучения газа или из вычислений энергии, которая требуется для того, чтобы компенсировать тепловые потери.

Наиболее подходящие для исследований длины волн находятся из условия минимума интенсивности суммы реликтового излучения и излучения всех дискретных источников. Пересечение графиков спектров РИ и дискретных источников имеет место при при этом значении к поток с плоским спектром в наблюдениях незаметен, и потому из наблюдений можно дать верхний предел

для тормозного излучения, обозначаемого индексами ff (free-free).

Более тщательно проводя измерения, выбирая направления, где источников нет, можно значительно увеличить длину волны и снизить соответствующий предел Прямые вычисления дают

Взятое само по себе это условие может выполняться и при согласуется и с отсутствием рекомбинации, так как этот интеграл может быть сделан сколь угодно малым при увеличении Действительно, это условие выполняется, если или если

Мы предполагаем, что при больших которые наиболее важны в интеграле, большая часть материи находится в виде газа,

Но есть и другие условия, которые противоречат высокой температуре. Одно из них: энергетические потери газа (при комптоновском взаимодействии с реликтовым излучением, см. § 3) не могут превышать запас полной ядерной энергии вещества Это условие дает

Условие (8.8.3) слабо зависит от Есть и другое условие, ограничивающее высокую температуру газа: искажения реликтового спектра, характеризуемые параметром у (§ 6), не должны превышать определенного предела. Основываясь на результатах Блейра и др. (1971), можно взять (см. § 6 этой главы). Неопределенность экспериментальных данных слабо влияет на конечные результаты. После подстановки численных величин условие принимает вид

Эта формула основывается на наблюдениях и не использует априорных предположений, в отличие от предыдущего условия (8.8.3).

При составлении условий (8.8.2)-(8.8.4) мы предполагали эти формулы верны только для периода, когда (газ ионизован). Если же то газ состоит главным образом из нейтральных атомов. Поставим теперь математический вопрос: как лучше всего использовать два неравенства типа

определения максимума совместимого с обоими этими условиями? Функции известны из теории, а и даны наблюдениями,

дает момент вторичной ионизации газа (газ нейтрален при и ионизован при

Проблема состоит в выборе Предлагается взять линейную комбинацию двух уравнений с положительными коэффициентами которые мы определим позже:

Для любого 2 выбираем минимизируя выражение в скобках (8.8.6). Обозначим это выражение через В и найдем его минимум:

Соответствующее равно

и

Подставляя в (8.8.6), получаем

т. е.

где функция определяется интегралом, приведенным выше. Теперь выбирается отношение минимизирующее правую часть выражения (8.8.8): При этом выборе получим из (8.8.8)

откуда находится верхний предел на Этот способ, примененный к неравенствам (8.8.2), (8.8.3) [Сюняев (1968)], дает

Численное значение дано для максимального выделения энергии около половины ядерной энергии газа.

Другой подход, основанный на оценке искажения спектра (8.8.2), (8.8.4) [Зельдович, Сюняев (1969)], дает (при

Мы видим, что для в самом худшем случае должно быть Следовательно, в течение периода газ был нейтрален.

Итак, вывод из всего сказанного в этом параграфе заключается в том, что период нейтрального водорода действительно был в прошлой истории Вселенной и должен был кончиться в прошлом. Действительно, представление о вторичной ионизации, происходящей при неизбежно следует из отсутствия нейтрального водорода в нашу эпоху. Однако напомним, что сделанные выводы относятся к Менее очевидна ситуация с и при

В этом случае ограничения недостаточны для того, чтобы быть совершенно уверенным в существовании периода нейтрального водорода. Формулы, приведенные выше, показывают, как дальнейшие измерения смогут помочь в разрешении этой проблемы.