Пусть облако нейтрального водорода наблюдается в направлении на источник непрерывного спектра, который имеет на частоте линии яркостную температуру T0. Тогда, согласно решению уравнения переноса (1.9), яркостная температура излучения на частоте линии

Разность яркостных температур в линии и в соседнем участке непрерывного спектра фонового радиоисточника

Множитель в фигурных скобках всегда заключен в пределах:

Таким образом, знак добавки DTb(n), создаваемой к непрерывному спектру наличием линии, определяется знаком разности (Ts – T0). При Ts > T0 (водород в облаке горячее фона) получим линию излучения на фоне континуума; при Ts < T0 (водород холоднее фона) – линию поглощения. Особенно удобно наблюдать в поглощении холодные облака (собственное излучение которых мало из-за низкой величины Ts) на фоне ярких нетепловых фоновых радиоисточников, так как в этом случае образуется глубокая линия поглощения с большим перепадом температур DTb.

Если угловой размер облака больше углового размера фонового радиоисточника, можно сравнить профили линии поглощения 21 см в направлении на фоновый источник и линии собственного излучения облака в смещенной точке, вне источника континуума. В принципе линия поглощения должна быть зеркальным отражением линии излучения. На практике это никогда не наблюдается.

Обзоры в линии 21 см. Первый обзор в линии 21 см был выполнен в 1954–1957 гг. в Лейденской обсерватории (Нидерланды). Затем в 1960-е гг. последовали обзоры Мэриленд–Грин Бэнк (США) и, для южного неба, Паркс (Австралия).

При обработке профилей линии, измеренных в разных направлениях на небе, необходимо в первую очередь установить на профилях шкалу лучевых скоростей. Из наблюдаемых лучевых скоростей, обусловленных эффектом Доплера , необходимо исключить следующие составляющие:

1) 1) движение Солнца к апексу (приведение к Местному Стандарту Покоя – Local Standard of Rest, LSR) – максимально 19.5 км/с;

2) 2) орбитальное движение Земли – до 30 км/с;

3) 3) суточное вращение Земли –до 0.465 км/с;

4) 4) движение вокруг барицентра Земля–Луна – до 0.029 км/с.

Профиль линии определяется следующими факторами:

а) тепловое движение атомов;

б) хаотические движения облаков как целого и газа внутри облаков;

в) дифференциальное вращение Галактики;

г) систематические отклонения от кругового движения.

В предположении о чисто круговых движениях газа в Галактике (модель галактического вращения Шмидта) связь между лучевой скоростью Vr и положением излучающего элемента газа дается формулами Оорта (см. рис. 5.4):

Здесь R0 – расстояние от центра Галактики до Солнца, R – расстояние от центра Галактики до элемента газа, r – расстояние от Солнца до элемента, l, b – галактические координаты элемента, w(R, z) – угловая скорость движения газа, функция, описывающая кривую вращения Галактики. Во второй формуле знак плюс берется для интервала долгот l = 270°–360° ® 0°–90°, знак минус – для l = 90°–270°. Положим l = const, z = 0 (т.е. b = 0). Тогда из формул Оорта можно получить

– формулу, выражающую градиент лучевой скорости вдоль луча зрения.

Формулы (5.20)–(5.22) связывают наблюдаемые параметры (галактические координаты, лучевая скорость) с расстоянием до объекта и с кривой вращения Галактики. Это позволяет по измеренной Vr оценить расстояние r от Солнца до объекта. Расстояние, найденное таким способом, называется кинематическим расстоянием. Для объектов, не имеющих оптических отождествлений, это в большинстве случаев единственный способ определения расстояния.

Применение формул (5.20)–(5.22) в принципе дает возможность найти распределение нейтрального водорода. Осложнение с двойственностью расстояний во внутренней области Галактики можно разрешить, наблюдая точки с некоторым смещением по b: более удаленные области имеют меньшую протяженность по широте.

Еще одна трудность: для определения расстояний необходимо знать кривую вращения w(R), которая заранее не известна. Преодолевается это для внутренней области Галактики так. Для любого направления l имеется так называемая тангенциальная точка, где луч зрения проходит по касательной к линии равных лучевых скоростей Vr. В тангенциальной точке наблюдается максимальное значение Vrmax, и бóльших значений Vr на той же l быть не должно. Скорость Vrmax должна быть скоростью обрыва профиля линии 21 см. Построив зависимость Vrmax(l), можно проследить кривую вращения w(R). На самом деле трудность устраняется лишь частично. Наблюдаемые профили обычно не показывают крутого спада к краю (Vrmax) из-за наличия у облаков водорода пекулярных скоростей (до 10 км/с), а также из-за некруговых составляющих скорости.

В пределах Dl = ±15° от направлений на центр (l = 0°) и антицентр (l = 180°) скорости чисто кругового движения направлены перпендикулярно лучу зрения, и теоретически весь газ должен иметь Vr = 0. По этой причине кинематический метод определения расстояний не работает в данном секторе Галактики. Все скорости, наблюдаемые в этих направлениях, относятся только к пекулярным движениям газа.

Связав лучевую скорость и расстояние до излучающего элемента газа, можно по отдельным пикам в профиле линии 21 см найти распределение nH(r), в частности, по локальным максимумам nH(r) выделить газовые рукава Галактики. Тем самым, можно найти распределение полной массы в Галактике (включая звезды) и распределение гравитационного потенциала (поскольку нейтральный водород – индикатор потенциала).

На рис. 5.6 представлена кривая вращения Галактики [линейная скорость орбитального движения V(R), V(R) = w(R)R], найденная по обзорам в линии 21 см. Для чисто кругового (кеплеровского) движения , где M(R) – полная масса вещества Галактики, заключенная внутри круга радиусом R. Следовательно, кривая вращения непосредственно описывает распределение массы в Галактике. Согласно последним данным обзоров в линии молекулы CO, функция V(R) остается неубывающей до расстояний R ~ 18 кпк, что может указывать на присутствие значительной скрытой массы в Галактике.

Расстояние Солнца от центра Галактики R0 в первых обзорах в линии 21 см было найдено равным 8.2 кпк. С тех пор величина R0 неоднократно пересматривалась в пределах от 6 до 10 кпк. В последние годы с применением независимых методов определения расстояния по мазерным источникам линий OH и H2O (см. §6.1) удалось уточнить величину R0, и сейчас общепринятым значением является R0 = 7.1 ± 1.5 кпк (т.е. достаточно близко к самым ранним определениям).

Полная масса нейтрального водорода в Галактике ~1.4×109M¤, или ~2% от общей массы Галактики.

Ширина спиральных рукавов ~400 пк. Толщина водородного диска по половинной плотности меняется в пределах от 0.5 кпк во внутренней части Галактики до 2 кпк во внешней.

Отклонение от модели кругового вращения Шмидта в Галактике – скорее правило, чем исключение. Некруговые движения получают естественное объяснение в теории волновой структуры, которая трактует спиральные рукава как волны плотности в галактическом диске (модель Лина и Шу). Следствие этой модели – наличие потоков газа вдоль краев спиральных ветвей, что и наблюдается в виде размытия края профиля 21 см вблизи скорости в тангенциальной точке Vrmax.