Главная - Радиоастрономия - Межзвездный нейтральный водород


Межзвездный нейтральный водород
Наука - Радиоастрономия

Атомарный водород в межзвездной среде наблюдается благодаря излучению и поглощению в линии 21 см. Эта линия образуется при переходе между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода 12S. Состояние расщеплено на два подуровня, описываемые квантовым, числом F = S ± I, S – спин электрона, I – спин протона; F = 0 – спины антипараллельны (нижний подуровень), F = 1 – спины параллельны. Переход F = 1 ® 0 – магнитодипольный: электрический момент атома при переходе не изменяется, изменяется лишь магнитный момент. Поэтому вероятность перехода мала. Лишь высокое обилие нейтрального атомарного водорода позволяет относительно легко наблюдать линию l = 21 см в межзвездной среде.

Распределение атомов по подуровням F = 0, 1 можно представить формулой Больцмана

где n1, n0 – плотности атомов на подуровнях F = 1, 0; g1, g0 – статистические веса уровней, gF = 2F + 1; точное значение частоты перехода n10 = 1420405752 Гц. Величина Ts называется спиновой температурой, т.к. характеризует распределение атомов по спиновым состояниям. В случае излучения в линии l = 21 см в формулу для яркостной температуры (1.3) входит в качестве физической температуры облака именно спиновая температура.

Для частоты n10 всегда выполняется условие hn10 << kBTs, даже при Ts = 1 K. Поэтому с хорошей степенью точности можно принять: n1 @ 3n0, nH @ 4n0, n0 @ ¼nH.

Связь спиновой температуры с интересующей нас кинетической температурой газа можно найти из уравнения баланса

для переходов вниз и вверх между подуровнями F = 1, 0, где nH – полная плотность атомов водорода (см–3); A10 = 2.85×1015 с–1 – вероятность спонтанного перехода F=1®0; коэффициенты Эйнштейна связаны между собой следующими соотношениями:

q01 и q10 – вероятности столкновительного возбуждения и столкновительной деактивации:

Атомы водорода, сталкиваясь с частицами окружающего газа или поглощая квант с частотой n10, возбуждаются на подуровень F = 1, а затем могут совершить переход (излучательный или столкновительный) на подуровень F = 0. Если плотность газа достаточно велика и столкновения происходят часто, распределение атомов по подуровням F = 1 и F = 0 определяется столкновительными процессами, и Ts ® Tкин – кинетической температуре газа. Если же столкновения редки, то Ts определяется излучательными переходами, т.е. плотностью излучения на частоте перехода 21 см r(n10). Условие равенства Ts = Tкин:

При значениях Tкин ~ 100 K и nH > 0.1 см–3, типичных для нейтральной межзвездной среды, это условие выполняется.

Решение уравнения переноса излучения в линии 21 см:

В случае малой оптической толщи во всей линии [t(n) << 1] Tb(n) = Ts t(n), и излучающий слой газа прозрачен для собственного излучения. Поэтому можно определить полное число атомов NH на луче зрения в столбце сечением 1 см2 ( столбцовую плотность – column density). Для этого запишем выражение для коэффициента поглощения в линии в расчете на один атом водорода:

Коэффициент поглощения в центре линии

Перепишем выражение для kn в виде:

Здесь M – масса атома, DnD – доплеровская полуширина линии,  – средняя тепловая скорость атомов. Размерность коэффициента поглощения в расчете на один атом [k0] = см2, т.е. k0 имеет смысл сечения поглощения.

Оптическая толща на единичный интервал частот

Подставляя численные значения параметров и учитывая, что nH @ 4n0, получим для столбцовой плотности в случае малой оптической глубины:

.         (5.13)

Значение последнего интеграла получается непосредственно из наблюдаемого профиля линии путем численного интегрирования по частоте.

Форма профиля линии дается функцией

s – доплеровская полуширина по уровню e–1. Таким образом, в масштабе оптических глубин линия всегда гауссова, а в масштабе яркостных температур профиль гауссов лишь в оптически тонком случае, когда Tb(n) = Ts t(n). Если условие t(n) << 1 не выполняется для всего профиля линии, то t(n) может быть велика в центре и мала в крыльях. Тогда профиль имеет негауссову форму: плоская вершина и гауссовы крылья. В большинстве случаев наблюдается гауссова форма профиля.

Для чисто доплеровского теплового уширения . В условиях галактического диска (при T ~ 100 K, nH ~ 0.5 см–3) оптическая толща в линии l = 21 см t > 1 при длине пути L > 800 пк. Но это так лишь в том случае, когда все атомы имеют одинаковую систематическую скорость относительно наблюдателя. На самом деле дифференциальное вращение Галактики растаскивает профиль линии по частоте и просветляет среду в линии l = 21 см. Лишь в направлениях на центр и антицентр, где систематические скорости газа (при чисто круговом галактическом вращении) направлены поперек луча зрения, может реализоваться случай t > 1.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Планеты соседи:

Хромосфера

News image

Обширная и очень яркая вспышка на Солнце, наблюдавшаяся 9 марта 19...

Меркурий. Строение планеты

News image

С помощью Маринера-10 у Меркурия была обнаружена атмосфера. Дл...

Строение Солнца

News image

ЯДРО - где температура в центре равна 27 м...

Солнечная атмосфера

News image

Вся солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как ...

В космосе...

NASA отложило на два года запуск нового марсохода

News image

Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA) приняло решение отложить до 2011 года запуск марсохода нового поколения Mars Science Laboratory, сообщается на оф...

Ремонт телескопа Хаббл намечен на 12 мая

News image

Назначено время старта ремонтной миссии к находящемуся в аварийном состоянии телескопу Хаббл . 12 мая с мыса Канаверал в шт...

Как бы далеко ни уходили от Земли

News image

12 апреля 1961 года в 9 часов 07 минут по московскому времени в Советском Союзе был дан старт космическому кораблю «В...

NASA провело испытания новых лунных роботов

News image

NASA провело испытания своих новых лунных роботов. Тесты проводились со второго по тринадцатое июня в Мозес-Лейк (Moses Lake) в штате Ва...

Авторизация



Новости космонавтики:

Узбекские песни

Узбекские песни

Скачать музыку

News image

Усиливает эффект лекарств Ученые установили что люди, которые страдают высоким артериальным давлением, должны слушать музыку, после того как принимают лекарства, это дает возможность усиливать воздействие препаратов. ...

Такси минивэны

News image

Минивэн это отличная вместительная машина, если сравнивать с легковым седаном либо универсалом. Благодаря крупным размерам, примерно 5-ть метро в длину, внутри кузова пассажиры могут разместиться с ко...

Скачать песню бесплатно

News image

Современная классическая музыка – наверное, такое сочетание слов для вас звучит странно. Но в любом случае не стоит её отрицать. У большинства людей появляется сочетание, ...