Радиоли́ния нейтра́льного водоро́да, также линия 21 см или линия HI — запрещённая линия (в смысле электродипольного приближения) нейтрального атомарного водорода. Важнейшая радиолиния в радиоастрономии, дающая информацию о распределении нейтрального водорода и движении его облаков. Используется также для поисков внеземных цивилизаций.
Механизм излучения
править
Запрещённая линия нейтрального водорода обусловлена взаимодействием магнитных моментов электрона и протона в атоме водорода. Энергия атома водорода при параллельном расположении магнитных моментов электрона и протона несколько больше, чем при антипараллельном, поэтому при спонтанном изменении ориентации магнитного момента электрона на противоположную атом испускает квант электромагнитного излучения с длиной волны 21,106114054160(30) см (частота 1420,405751768(2) МГц)[1][2]. Параллельно с излучением радиолинии происходит и обратный процесс — возбуждение атомов водорода электромагнитными квантами с бо́льшими энергиями, например, оптическими, либо в актах соударения атомов. Поэтому в межзвёздном атомарном водороде устанавливается динамическое равновесие между актами излучения радиоквантов и возбуждением атомов оптическими квантами и соударениями.
Такой самопроизвольный переход — время жизни возбуждённого состояния в каждом отдельном атоме происходит крайне редко — в среднем один раз за 11 миллионов лет (1 км³ водорода при плотности 1 атом/см³ излучает всего 3 кванта в секунду), и энергия каждого кванта крайне мала из-за низкой частоты (hν ≈ 9,411708152678(13)⋅10−25 Дж, или 5,8743261841116(81) мкэВ), поэтому интенсивность радиоизлучения межзвёздной среды на единицу объёма ничтожно мала[2]. К примеру, мощность излучения всего нейтрального водорода Солнечной системы в пределах орбиты Плутона не превышает 100 Вт. Однако в галактических масштабах мощность радиоизлучения нейтрального водорода становится заметной (например, мощность излучения всего нейтрального водорода нашей Галактики в десятки раз больше светимости Солнца), что позволяет обнаруживать его на галактических расстояниях[2][3].
Применение
правитьРадиоастрономия
правитьЛиния нейтрального водорода является важнейшей в радиоастрономии. Более половины массы межзвёздного вещества составляет нейтральный водород. Его можно исследовать только по излучению в линии 21 см, поскольку более никак он себя не проявляет. Поэтому наблюдения излучения с длиной волны 21 см дают очень ценные, часто уникальные, сведения о распределении нейтрального водорода в космическом пространстве[2].
Принципиальная возможность излучения межзвёздным водородом радиолинии 21 см показана в 1944 году голландским астрономом X. К. ван де Хюлстом, на тот момент аспирантом в Утрехтском университете; на встрече Нидерландского астрономического клуба в Лейденской обсерватории 15 апреля 1944 года по предложению Я. Оорта он сделал доклад с предсказанием, что такая линия может излучаться и поглощаться в условиях межзвёздной среды[4]. В 1948 году советский астрофизик И. С. Шкловский рассчитал ожидаемую интенсивность излучения межзвёздного водорода и показал, что она достаточна для того, чтобы его можно было обнаружить методами радиоастрономии. В 1951 году радиолиния нейтрального водорода была экспериментально обнаружена почти одновременно Г. Юэном[нем.] и Э. Пёрселлом в США и К. Мюллером[нидерл.] и Я. Оортом в Нидерландах[2][3].
Наша Галактика
правитьИсследование излучения нейтрального водорода позволило получить информацию о структуре Галактики: выяснилось, что бо́льшая часть нейтрального водорода сосредоточена в очень тонком (по сравнению с диаметром) слое толщиной около 220 парсек в плоскости Галактики. В распределении водорода отчётливо выделяются спиральные рукава, которые прослеживаются до больших расстояний[2][3].
Внегалактические объекты
правитьПроводились наблюдения излучения радиолинии 21 см не только от нашей, но и от других галактик, что позволило установить отношение массы нейтрального водорода к общей массе галактики в зависимости от её типа. С помощью таких данных были получены также кривые вращения галактик[2].
Измерение доплеровского смещения позволяет измерить скорость облаков нейтрального водорода относительно Земли, в том числе и красное смещение дальних галактик. При этом обнаружена хорошая корреляция с красным смещением оптических линий[2].
Поиск внеземных цивилизаций
правитьДлина волны 21 см, как самая распространённая во Вселенной, выбрана в качестве рабочей для поисков внеземных цивилизаций по программе SETI.
- Символика водорода и его излучения на посланиях инопланетянам
-
Два основных состояния водорода -
Пластинка «Пионера» (1973) -
Золотая пластинка «Вояджера» (1977)
Квантовые стандарты частоты
правитьНа основе радиолинии нейтрального водорода разработаны так называемые активные квантовые стандарты частоты. Для создания достаточной интенсивности линии 21 см в земных условиях используют вынужденное испускание фотонов атомами водорода в водородном генераторе. Ширина линии в нём составляет всего 1 Гц, поэтому квантовый стандарт частоты, работающий на радиолинии водорода, имеет высокую точность. В частности, в радиоастрономии этот стандарт как наиболее стабильный используется в качестве гетеродина в системах радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами[2].
Источник
править- Каплан С. А., Пикельнер С. Б. Физика межзвёздной среды. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 592 с. — 2500 экз.
Примечания
править- ↑ Hellwig H. et al. Measurement of the unperturbed hydrogen hyperfine transition frequency (англ.) // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. — 1970. — Vol. IM-19, no. 4. — P. 200—209. — doi:10.1109/TIM.1970.4313902. — .
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Радиолиния водорода. Энциклопедия физики и техники. Дата обращения: 9 февраля 2021. Архивировано 5 февраля 2020 года.
- ↑ 1 2 3 Постнов К. А. Лекции по общей астрофизике для физиков. 4.2 Радиолиния нейтрального водорода 21 см. Астронет (2001). Дата обращения: 13 февраля 2021. Архивировано 1 октября 2020 года.
- ↑ Habing H. J. Obituaries: Hendrik Christoffel van de Hulst, 1918-2000 (англ.) // Astronomy & Geophysics. — 2001. — Vol. 42, iss. 1. — P. 1.33—1.37. — doi:10.1046/j.1468-4004.2001.0420011.33.x. — .
