Кроме радиоизлучения в непрерывном спектре, у зон HII наблюдаются спектральные линии, возникающие при переходах между высоковозбужденными атомарными уровнями с большими значениями главного квантового числа n.

Формула Ридберга для частот переходов между уровнями с главным квантовым числом n и n + Dn в водородоподобном атоме:

Здесь Z – заряд ядра, R – постоянная Ридберга, для данной массы атома M:

R¥ – постоянная Ридберга для атома с бесконечно большой массой ядра. Для переходов между близко расположенными высоковозбужденными уровнями, когда n >> Dn,

Обозначения для переходов между высоковозбужденными уровнями следующие: Hn(Dn), первая буква – символ элемента, к которому относится атом (в данном случае водород), n – главное квантовое число нижнего уровня перехода, для обозначения величины Dn используют по аналогии с оптическими переходами греческие буквы a для Dn = 1, b для Dn = 2, g для Dn = 3 и т.д. В этих обозначениях линия La – H1a, Ha – H2a, Hg – H2g, Brackettg – H4g

Непрерывный спектр однородной изотермической области ионизованного водорода имеет вид, представленный на рис. 2.2. На низких частотах, где оптическая толща зоны HII велика, спектр следует закону Рэлея–Джинса; на высоких частотах, где зона HII прозрачна, спектр плоский (см. главу 2)

Аналоги линии 21 см имеются у некоторых атомов, ядра которых обладают ненулевым спиновым моментом. Кроме водорода, таким свойством обладают атомы изотопов водорода 2H – дейтерий (D) и 3H – тритий (T). Линии сверхтонкой структуры в основном состоянии некоторых распространенных изотопов приведены в таблице 4 (I – спин ядра, Fl и Fu – квантовые числа соответственно нижнего и верхнего подуровней перехода). За исключением линии 1420.4 МГц основного изотопа водорода, ни одна из перечисленных линий не была достоверно обнаружена в астрофизических источниках

Средняя температура облаков нейтрального водорода Ts ~ 125 K. Однако исследования линий поглощения HI конца 1960–начала 1970-х гг. привели к пересмотру Ts нейтрального водорода и вообще пересмотру взглядов на структуру межзвездной среды. Выше упоминалось о наблюдениях линий 21 см в близких направлениях: на фоне источников радиоконтинуума в поглощении и рядом, на чистом небе , в излучении. Пусть Tb – яркостная температура на частоте линии в направлении на фоновой радиоисточник, Tb¢ – яркостная температура на частоте линии в точке неба рядом с фоновым источником, T0 – температура в континууме источника на частоте рядом с линией

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