Радиолиния водорода 21 см. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиолиния водорода 21 см - спектральная линия с длиной волны l ! 21,1 см, обусловленная переходами между подуровнями сверхтонкой структуры осн. уровня энергии атома водорода. Причиной сверхтонкого расщепления является взаимодействие спинов ядра и электрона. Энергия атома при параллельном расположении спинов несколько больше, чем при антипараллельном. При изменении ориентации спина электрона на противоположную происходит испускание (или поглощение) кванта излучения с l ! 21,1 см (частота v ! 1420 МГц). Принципиальная возможность излучения межзвёздным водородом радиолинии водорода 21 см указана в 1945 X. К. ван де Хюлстом (Н. Ch. van de Hulst). В 1948 И. С. Шкловский рассчитал ожидаемую интенсивность радиолинии и показал, что она достаточна для того, чтобы радиолинии водорода 21 см можно было обнаружить методами радиоастрономии. В каждом отд. атоме переход, рождающий квант радиоизлучения, происходит в ср. 1 раз за 11 млн. лет, но благодаря высокой распространённости атомарного водорода в межзвёздной среде радиолиния оказывается достаточно интенсивной. Радиолиния водорода 21 см обнаружена в 1951 почти од-новрем. X. Юэном (Н. Ewen), Э. Пёрселлом (Е. Pur-cell), К. Мюллером (С. Muller), Я. Оортом (J. Oort).

Радиолиния водорода 21 см оказалась эфф. средством исследования Вселенной. Ок. половины массы галактич. межзвёздного вещества составляет атомарный водород, находящийся в осн. состоянии. Его можно исследовать только по излучению радиолинии водорода 21 см; никаким др. образом эта важнейшая составная часть космич. вещества себя не проявляет. Поэтому радиолиния водорода 21 см даёт ценные, часто уникальные сведения о строении и распределении материи в космич. пространстве.

Интенсивность радиолинии водорода 21 см содержит непосредств. информацию о числе атомов нейтрального водорода на луче зрения (за исключением направлений на нек-рые плотные облака, центр и антицентр Галактики, в к-рых межзвёздный газ непрозрачен в этой линии), а частота и профиль линии позволяют определить по эффекту Доплера лучевые скорости u_R водорода. В соответствии С моделью дифференц. вращения Галактики эти данные дают возможность определить расстояние до излучающих объектов, т. е. найти распределение нейтрального водорода. Исследования радиолинии водорода 21 см позволили установить, что нейтральный водород в Галактике в осн. заключён в очень тонком (! 220 пк) и ровном слое около её плоскости. Лишь на периферии на расстояниях, превышающих 10-12 кпк от центра Галактики, слой водорода размывается до 1000 пк по толщине и отклоняется от галактич. плоскости. В распределении водорода довольно отчётливо выделяются спиральные рукава, к-рые прослеживаются до больших расстояний. На рис. приведён профиль радиолинии водорода 21 см в направлении области Лебедь X (a=20^h28^m, d = 42°). Отчётливо видны максимумы излучения, соответствующие отд. спиральным рукавам. Наиб. интенсивный максимум при

= 3 км/с соответствует ближайшему к Солнцу т. н. Орионову рукаву, максимум при u_R = 40 км/с - Персееву рукаву. Внутри рукавов нейтральный водород распределён неравномерно, в них выделяются вытянутые вдоль плоскости Галактики комплексы облаков с характерными размерами ж 200 X X 50 пк. Получены данные о зависимости ср. концентрации нейтрального водорода от галактоцентрич. расстояния и о детальном распределении водорода в отд. галактич. областях, в т. ч. в галактическом центре.

Профиль радиолинии l = 21 см в направлении области Лебедь X. По оси абсцисс отложена лучевая скорость (

), по оси ординат - яркостная температура линии (Т_b).

Излучение радиолинии водорода 21 см наблюдалось также от большого числа др. галактик, что позволило установить отношение массы нейтрального водорода к общей массе галактики в зависимости от её типа. Доля нейтрального водорода увеличивается при переходе от галактик типа Sа к неправильным, достигая для последних десятков процентов. Мин. кол-во нейтрального водорода найдено у эллиптич. галактик; для подавляющего большинства из них доля нейтрального водорода по массе составляет ~0,1%. Для ряда ближайших галактик по радиолинии водорода 21 см получены распределения нейтрального водорода в них и кривые вращения (см. Вращение галактик). Ценные данные получены также по красному смещению радиолинии водорода 21 см. Линия зарегистрирована более чем от 100 галактик, изменение частоты линии соответствует удалению галактик с разл. скоростями (до ~10⁴ км/с) при хорошей корреляции с красным смещением оптич. линий. Линия водорода, обнаруженная в спектре удалённого внегалактич. источника - квазара ЗС 286, оказалась смещённой с частоты 1420,4 МГц до 839,4 Мгц, что соответствует красному смещению г = 0,692. Полученные данные существенно способствовали развитию теории расширения Вселенной.

Обнаруженная в межзвёздной среде и ставшая эфф. средством исследования космич. пространства радиолинии водорода 21 см нашла также важное земное применение. На её основе разработаны т. н. активные квантовые стандарты частоты. Для создания достаточной интенсивности радиолинии водорода 21 см в земных условиях используют вынужденное испускание фотонов атомами водорода. Из источника, в к-ром под влиянием электрич. разряда при низком давлении происходит диссоциация молекулярного водорода, вылетает пучок атомов водорода. В сортирующем устройстве с помощью магн. поля происходит сортировка атомов: возбуждённые атомы поступают в кварцевую камеру, находящуюся в объёмном резонаторе, настроенном на частоту линии 21 см, а невозбуждённые - отклоняются в сторону. При достаточной плотности потока атомов, поступающих в камеру, в резонаторе возникает самовозбуждающаяся генерация на частоте радиолинии водорода 21 см (подробнее см. Водородный генератор ). Ширина радиолинии водорода 21 см в таком водородном генераторе всего 1 Гц. По этой причине квантовый стандарт частоты, работающий на радиолинии водорода 21 см, имеет высокую точность. В радиоастрономии этот стандарт как наиб. стабильный используется в качестве гетеродина в системах радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.

Литература по радиолинии водорода 21 см

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.