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:

Фотосфера

News image

Видимая поверхность Солнца. Достигая толщины около 0,001 RD (200-300 км), пл...

Нептун. Общие сведения

News image

Нептун - восьмая по счету планета Солнечной системы. Средняя удаленность Не...

Строение Солнца

News image

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

Меркурий

News image

Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Среднее расстояние от Ме...

В космосе...

Мой взгляд на космические журналы. Космонавт У Цзе о «Н

News image

Уже достаточно давно у меня сформировалось определенное отношение к космическим журналам. В 1997 г. я приехал учиться в российский Центр по...

Новая гипотеза образования воды на Луне

News image

Американский ученый предложил новую гипотезу образования воды на Луне, которая предполагает, что в недрах спутника содержатся значительные запасы воды. Сразу тр...

Марсоход Спирит застрял окончательно

News image

Американское космическое агентство (NASA) решило отказаться от дальнейших попыток вызволить марсоход Спирит (Spirit), застрявший в песке Красной планеты в ...

Следы недавних вулканических извержений на Меркурии

News image

Астрономы обнаружили очередные доказательства недавнего вулканического прошлого Меркурия. Свои результаты они представили на съезде Американского геологического общества в Портленде, а кр...

Авторизация



Новости космонавтики:

Купить игровую мышь: рекомендации экспер

News image

Регулярная работа за ноутбуком имеет кучу своих плюсов. Однако существуют и недостатки, так как, например, транспортировка его держа в руках – далеко не всегда хорошая ...

Шпунт л 5 (технические характеристики, Г

News image

Фактически за все время своего существования человек что-то строил. С каждым днем разрабатываются новые технологии строительства зданий и конструкций самых различных масштабов.  Работа экспертов на ...

Выбрать и купить шарико винтовую пару ил

News image

Практически каждый директор предприятия обязательно должен иметь на вооружении мелкий или крупный набор деталей для производственных машин. Это могут быть как детали или механизмы для ...

Как выполняется демонтаж металлоконструк

News image

Демонтаж металлоконструкций – так называется процесс по резке, разборке либо распилу металла на части, в будущем его используют повторно, либо отправляют в специальный пункт приема ...