Астронет > Радиолиния водорода 21 см

Астронет: Р. Л. Сороченко, "Физика Космоса", 1986 Радиолиния водорода 21 см
http://variable-stars.ru/db/msg/1188603

Радиолиния водорода 21 см

В 1945 г. голл. астрономом ван де Хюлстом была указана принципиальная возможность наблюдения радиоизлучения межзвездного нейтрального водорода на волне 21 см. Это излучение обусловлено сверхтонким расщеплением основного уровня энергии атома водорода (см. Уровни энергии) на два близких подуровня. Причиной расщепления явл. взаимодействие спинов ядра протона и электрона. Энергия атома при параллельном расположении спинов электрона и ядра несколько больше, чем при антипараллельном. При спонтанном изменении ориентации спина электрона на противоположную происходит испускание кванта излучения с частотой $\nu$ =1420,40575 МГц ( $\lambda$ = 21,1 см). В 1948 г. советский астрофизик И.С. Шкловский рассчитал ожидаемую интенсивность радиолинии и показал, что она достаточна для того, чтобы линию можно было обнаружить методами радиоастрономии. В каждом отдельном атоме переход, рождающий квант радиоизлучения, происходит в среднем один раз за 11 млн. лет, но благодаря высокой распространенности атомарного водорода в межзвездной средерадиолиния оказывается достаточно интенсивной. Обнаружена Р.в. 21 см была в 1951 г. почти одновременно Х. Юэном, Э. Перселлом (США) и К. Мюллером, Я. Оортом (Нидерланды).

Р.в. 21 см явл. эффективным средством исследования Вселенной. Более половины массы галактич. межзвездного вещества составляет нейтральный водород в основном состоянии. Его можно исследовать только по излучению в линии 21 см. Поэтому Р.в. 21 см дает очень ценные, часто уникальные, сведения о распределении нейтрального водорода в космич. пространстве.

Интенсивность издучения на волне 21 см содержит непосредств. информацию о числе атомов нейтрального водорода на луче зрения (в столбике сечением 1 см²), а частота и профиль линии дают возможность определить (см. Доплера эффект) движение водорода относительно наблюдателя. В соответствии с моделью дифференциального вращения Галактики данные о движении позволяют, в свою очередь, определить расстояние до излучающих объектов, т.е. найти распределение нейтрального водорода в Галактике.

Исследования Р.в. 21 см позволили установить, что нейтральный водород в основном заключен в очень тонком ( $\approx$ 220 пк) и ровном слое около плоскости Галактики. Лишь по периферии, на расстояниях, превышающих 10-12 кпк, слой водорода размывается до 1 кпк по толщине и изгибается относительно галактич. плоскости. В распределении водорода довольно отчетливо выделяются спиральные рукава, к-рые прослеживаются до больших расстояний. На рис. приведен профиль Р.в. 21 см для области Лебедь X ( $\alpha=20^h28^m,\; \delta=42^\circ$ ): отчетливо видны максимумы излучения, соответствующие отдельным спиральным рукавам (наиболее интенсивный максимум при v_r=3 км/с соответствует ближайшему к Солнцу т.н. Орионову рукаву) . Внутри рукавов нейтральный водород распределен также неравномерно, в них выделяются вытянутые вдоль плоскости Галактики комплексы облаков с характерными размерами $\approx 200\times 50$ пк. Были получены также важные данные о зависимости ср. концентрации нейтрального водорода от галактоцентрич. расстояния и о детальном распределении водорода в отдельных галактич. областях, в т.ч. в центре Галактики.

Профиль радиолинии $\lambda=21$ см для
области Лебедь Х. По оси абсцисс
отложена лучевая скорость (v_r),
по оси ординат - яркостная температура
линии (T_b).

Излучение Р.в. 21 см наблюдалось также от большого числа др. галактик, что позволило установить отношение массы нейтрального водорода к общей массе галактики в зависимости от ее типа. Доля нейтрального водорода увеличивается при переходе от галактик типа Sa к неправильным, достигая для последних десятков процентов. Миним. количество нейтрального водорода найдено у эллиптич. галактик; для подавляющего большинства из них доля нейтрального водорода по массе составляет < 0,1%. Для ряда ближайших галактик (M31, M33 и др.) с помощью Р.в. 21 см была получена картина внутр. распределения нейтрального водорода. Ценные данные были получены в результате определения красного смещения Р.в. 21 см от удаленных галактик.

Лит.:
Каплан С.А., Пикельнер С.Б., Физика межзвездной среды, М., 1979.

(Р.Л. Сороченко)

Р. Л. Сороченко, "Физика Космоса", 1986
Глоссарий Astronet.ru