Радиолиния нейтрального водорода , 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

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 излучает квант электромагнитного излучения с длиной волны 21,106114 см (частота 1420,40575 МГц ) . 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 ( h ν ≈ 0,941171⋅10 ⁻²⁴ Дж , или 5,87433 мк эВ ), поэтому интенсивность радиоизлучения межзвёздной среды на единицу объёма ничтожно мала . 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 .

Применение

Радиоастрономия

Линия 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 .

Принципиальная возможность излучения межзвёздным водородом радиолинии 21 см показана в 1945 году X. К. ван де Хюлстом . 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 и Э. Пёрселлом в США и и Я. Оортом в Нидерландах .

Наша Галактика

Исследование излучения нейтрального водорода позволило получить информацию о структуре Галактики : выяснилось, что большая 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 .

Внегалактические объекты

Проводились 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 .

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 .

Поиск внеземных цивилизаций

Длина 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

На 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 .

Источник

• Каплан, С. А. Физика межзвёздной среды / С. А. Каплан, С. Б. Пикельнер . — М. : Наука , Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 592 с. — 2500 экз. — ББК 22.66 К 20 . — УДК .

Примечания

Ссылки