21. Радиоизлучение водорода в линии 21 см

Тепловое радиоизлучение газа позволяет судить о некоторых свойствах областей ионизованного водорода. В частности, оно позволяет обнаружить эти области, даже если их излучение в Н_α и других линиях поглощается в межзвездной среде. Однако больший интерес представляют области Н I, поскольку они, во-первых, охватывают большую часть межзвездного газа, а во-вторых, потому, что оптические методы дают о них крайне скудные сведения. Особенно важно было бы получить возможность наблюдать сам водород как наиболее обильный элемент. Выше было сказано, что в области Н I водород не излучает, так как все его атомы находятся на основном уровне. На самом деле, хотя атомы водорода действительно не возбуждены, однако они все-таки излучают. Основной уровень атома водорода, в отличие от С II, 0 1 и других ионов, не имеет тонкой структуры, обусловленной тем, что электрон является как бы магнитом, имеет вращательный и магнитный момент - "спин". Однако термы водорода, как и большинство других атомов, имеют сверхтонкую структуру, расщепление в которой примерно в тысячу раз меньше, чем расщепление в тонкой структуре. Сверхтонкое расщепление образуется из-за того, что ядра большинства атомов имеют, подобно электронам, магнитный момент, который примерно в тысячу раз меньше, чем спин электрона. Спин ядра взаимодействует с магнитным моментом электрона, как два магнита, которые притягиваются или отталкиваются. В зависимости от их относительной ориентации терм будет смещен в ту или другую сторону. У атома водорода оказываются возможными две ориентации: спин ядра параллелен или антипараллелен полному моменту электрона. Это соответствует двум энергетическим уровням, расщепленным столь незначительно, что переход между ними дает излучение с длиной волны 21 см, т. е. в радиообласти. Радиоизлучение нейтрального водорода отличается от описанного выше радиоизлучения областей Н II тем, что оно сосредоточено в линии, тогда как области Н II дают непрерывный спектр (свободно-свободные переходы). В этом отношении их можно сравнить соответственно с радиостанцией, излучающей в определенном узком интервале длин волн, и с грозовыми разрядами, создающими радиошумы во всех частотах. В 1945 г. X. ван де Холст (Голландия) указал на астрономическое значение радиоизлучения нейтрального водорода и высказал предположение, что межзвездные атомы могут излучать эту линию. Однако он не мог произвести достаточно точных количественных оценок и решить, может ли радиолиния наблюдаться при современной технике, так как в то время были неизвестны свойства данного перехода, в первую очередь его вероятность. Более детально возможность наблюдения линии 21 см была исследована И. С. Шкловским. Методами квантовой механики он рассчитал, что среднее время жизни атома водорода на верхнем подуровне равно И миллионам лет - чудовищно большая величина даже в сравнении с очень большими временами жизни для обычных метастабильных уровней. Используя свои расчеты, И. С. Шкловский показал, что линия 21 см может быть наблюдаема, и предложил различные способы ее использования для астрофизических исследований. Каким механизмом возбуждаются атомы водорода до верхнего подуровня? В отличие от электронных столкновений, возбуждающих свечение обычных запрещенных линий, здесь более существенны столкновения между нейтральными атомами. Обычно тяжелая частица мало эффективна для возбуждения потому, что она может передать лишь малую часть своей энергии электрону. Однако в данном случае и не нужно передавать большую часть ее, так как тепловая энергия атомов в областях Н I в тысячу раз превышает энергию верхнего подуровня. Следовательно, почти каждое столкновение атомов может привести к возбуждению. Сам процесс возбуждения здесь тоже не совсем обычный. Ведь перейти с одного подуровня на другой значит изменить относительную ориентацию спинов ядра и электрона. Это не может быть сделано ударом, электрон не может просто "перевернуться"¹. В действительности столкнувшиеся атомы обмениваются электронами. Если новый электрон имеет противоположно направленный спин, то произойдет переход с одного подуровня на другой (возбуждение или удар второго рода). Изменение энергии атома при этом компенсируется изменением относительной кинетической энергии. Если же новый электрон имеет то же направление спина, что и у прежнего, то состояние атома не изменится. Между прочим, возбуждение обычных запрещенных уровней электронным ударом тоже происходит с обменом электронами.

¹ (Для этого нужно сильное магнитное поле, действующее на магнитный момент, как пара сил (поворот стрелки компаса). При столкновениях же частиц возникают силы преимущественно электростатического характера)

Вероятность электронного обмена весьма велика - эффективное сечение в несколько десятков раз больше, чем сечение, определяющее свободный пробег атома [Е. Парселл и Д. Филд (США)]. Поэтому возбуждения и удары второго рода происходят довольно часто: в условиях среднего облака атом переходит из одного состояния в другое примерно через 10 лет. В то же время переход с излучением кванта происходит в среднем через 11 миллионов лет. Следовательно, в отличие от большинства оптических запрещенных линий, здесь удары второго рода имеют доминирующее значение - атом переходит вверх и вниз за счет ударов первого и второго рода, и в очень редких случаях излучается квант линии 21 см. Поскольку энергия возбуждения так мала, что практически каждый атом может при столкновении обменяться электронами, распределение атомов между подуровнями не зависит от температуры и является стандартным - на втором подуровне находятся ³/₄ атомов, на первом - ¹/₄. Второй подуровень больше заселен потому, что он в свою очередь состоит из трех слитых подуровней. В обычных условиях они неразличимы, но если атом находится в магнитном поле, то энергия этих трех подуровней становится слегка различной, причем расщепление подуровней тем больше, чем сильнее поле. Это позволяет в принципе измерить напряженность межзвездного поля. Таким образом, всего имеется не два, а четыре подуровня, атомы распределяются по ним поровну, и в верхнем состоянии находится в три раза больше атомов, чем в нижнем.

Для расчета излучения в линии 21 см несущественно, что каждый данный атом переходит то на первый, то на второй подуровень - все время ³/₄ атомов находятся в возбужденном состоянии и время от времени излучают кванты. Следовательно, пока слой остается оптически тонким, интенсивность излучения просто пропорциональна количеству атомов на луче зрения и не зависит от температуры. Если же слой становится оптически толстым, то интенсивность приближается к своему верхнему пределу- интенсивности излучения черного тела при температуре газа в области H I, - так как излучение в линии 21 см является тепловым, оно возбуждается за счет кинетической энергии атомов. Следовательно, по излучению оптически тонкого слоя можно определить число атомов на луче зрения, т. е. количество неионизованного водорода, а по излучению непрозрачного слоя - его температуру. И тот и другой метод используются в астрофизике. Нужно еще отметить, что в некоторых случаях линия 21 см наблюдается в поглощении ¹, когда через газ проходит радоизлучение от достаточно мощного источника.

¹ (Магнитное поле радиоизлучения "переворачивает" электрон, так что квант поглощается, а энергия атома соответственно увеличивается)

Рис. 16. Два типа профилей линии 21 см

Каждый атом поглощает и излучает в очень узком интервале длин волн. Вследствие эффекта Допплера этот интервал смещается в ту или другую сторону в зависимости от лучевой скорости¹ атома относительно наблюдателя. Если газ в целом неподвижен, то дисперсия лучевых скоростей определяется тепловым движением, и профиль линии, т. е. зависимость ее интенсивности от частоты, имеет вид, подобный изображенному на рис. 16, а. Ширина профиля в этом случае зависит от температуры газа. Если в газе имеются какие-то потоки, систематические движения, то профиль может быть более сложным, как, например, изображенный на рис. 16, б. В каждой данной частоте излучают и поглощают атомы с определенной лучевой скоростью. Поскольку смещение частоты пропорционально скорости, профиль линии при малой оптической толще газа просто изображает число атомов на луче зрения, имеющих различные лучевые скорости. Из рис. 16, б можно, например, заключить, что имеются два основных потока, приближающихся к нам, причем более медленный поток содержит больше газа, чем более быстрый. Потоки имеют значительную дисперсию скоростей и как бы плавно переходят один в другой, но атомов с промежуточными скоростями значительно меньше, чем в основных потоках.

¹ (Скорости приближения или удаления)

Таким образом, радиолиния 21 см позволяет изучать движения межзвездного газа. Преимущество этого метода по сравнению с методом, основанным на линиях Са II и др., состоит в том, что, во-первых, контур радиолинии может быть получен для любого участка неба, тогда как линии поглощения видны только в тех направлениях, где есть горячие звезды, а во-вторых, радиоизлучение не поглощается пылью и поэтому оно доходит от самых далеких частей Галактики, а оптические линии могут наблюдаться в плоскости Галактики только от облаков, расстояние которых меньше 1000 - 2000 парсеков.

Полное количество атомов водорода на луче зрения равно сумме атомов со всеми скоростями, поэтому оно определяется просто площадью под профилем, если толща невелика. Возникает задача, как определить пространственное распределение этого водорода, как узнать, на каком расстоянии находятся излучающие атомы. Оказывается, что, имея профиль линии 21 см, можно решить и эту задачу.