stringtranslate.com

Водородная линия

Атом водорода с выровненными спинами протона и электрона (вверху) претерпевает переворот спина электрона, что приводит к испусканию фотона с длиной волны 21 см (внизу).

Линия водорода , линия 21 сантиметр или линия HI [a] — это спектральная линия , которая создается изменением энергетического состояния одиночных , электрически нейтральных атомов водорода . Он возникает в результате спин -флип-перехода, что означает, что направление спина электрона меняется на противоположное относительно спина протона. Это изменение квантового состояния между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния водорода . Электромагнитное излучение , создающее эту линию, имеет частоту1 420 ,405 751 768 (2)  МГц (1,42 ГГц), [1] что эквивалентно длине волны21,106 114 054 160 (30) см в вакууме . Согласно соотношению Планка–Эйнштейна E = hν фотон, испускаемый при этом переходе, имеет энергию5,874 326 184 1116 (81) мкэВ [9,411708152678 ( 13 ) × 10-25 Дж  ] . _ Константа пропорциональности h известна как постоянная Планка .

Частота линии водорода лежит в L-диапазоне , расположенном в нижнем конце микроволновой области электромагнитного спектра . Его часто наблюдают в радиоастрономии , поскольку эти радиоволны могут проникать через большие облака межзвездной космической пыли , непрозрачные для видимого света . Существование этой линии было предсказано голландским астрономом Х. ван де Хюлстом в 1944 году, а затем непосредственно наблюдалось Э. М. Перселлом и его учеником Х. Э. Юэном в 1951 году. Наблюдения за линией водорода были использованы для выявления спиральной формы Млечного Пути . рассчитать массу и динамику отдельных галактик, а также проверить изменения постоянной тонкой структуры с течением времени. Это имеет особое значение для космологии , поскольку может быть использовано для изучения ранней Вселенной. Благодаря своим фундаментальным свойствам эта линия представляет интерес для поиска внеземного разума . Эта линия является теоретической основой водородного мазера .

Причина

Атом нейтрального водорода состоит из электрона , связанного с протоном . Самое низкое стационарное энергетическое состояние связанного электрона называется его основным состоянием . И электрон, и протон имеют собственные магнитные дипольные моменты , приписываемые их спину , взаимодействие которых приводит к небольшому увеличению энергии, когда спины параллельны, и к уменьшению, когда антипараллельны. Тот факт, что допускаются только параллельные и антипараллельные состояния, является результатом квантовомеханической дискретизации полного углового момента системы. Когда спины параллельны, магнитные дипольные моменты антипараллельны (поскольку электрон и протон имеют противоположный заряд), поэтому можно было бы ожидать, что эта конфигурация на самом деле будет иметь более низкую энергию , так же как два магнита выстроятся так, что северный полюс одного из них будет ближе всего к южный полюс другого. Эта логика здесь не работает, потому что волновые функции электрона и протона перекрываются; то есть электрон не смещен в пространстве от протона, а охватывает его. Поэтому магнитные дипольные моменты лучше всего рассматривать как крошечные токовые петли. Поскольку параллельные токи притягиваются, параллельные магнитные дипольные моменты (т.е. антипараллельные спины) имеют меньшую энергию. [2]

В основном состоянии спин-флип переход между этими выровненными состояниями имеет разность энергий5,874 33  мкэВ . Применительно к соотношению Планка это дает:

где λ — длина волны излучаемого фотона, ν — его частота , E — энергия фотона, h — постоянная Планка , а c — скорость света . В лабораторных условиях параметры водородной линии были более точно измерены как:

λ =21.106 114 054 160 (30) см
ν =1 420 405 751 .768(2) Гц

в вакууме. [3]

Этот переход строго запрещен при чрезвычайно малой скорости перехода2,9 × 10 -15  с -1 , [4] и среднее время жизни возбужденного состояния около 11 миллионов лет. [3] Столкновения нейтральных атомов водорода с электронами или другими атомами могут способствовать излучению фотонов длиной 21 см. [5] Спонтанное возникновение перехода вряд ли можно будет увидеть в лаборатории на Земле, но его можно искусственно вызвать посредством вынужденного излучения с помощью водородного мазера . [6] Это обычно наблюдается в астрономических условиях, таких как водородные облака в нашей галактике и других. Из-за принципа неопределенности его длительное время жизни придает спектральной линии чрезвычайно малую естественную ширину , поэтому наибольшее уширение происходит из-за доплеровских сдвигов , вызванных объемным движением или ненулевой температурой излучающих областей. [7]

Открытие

Рупорная антенна , использованная Юэном и Перселлом для первого обнаружения излучения линий водорода из Млечного Пути.

В 1930-х годах было замечено, что по радио раздавалось «шипение», которое менялось в зависимости от ежедневного цикла и, по-видимому, имело внеземное происхождение. После первоначальных предположений, что это произошло из-за Солнца, было замечено, что радиоволны, похоже, распространяются из центра Галактики . Эти открытия были опубликованы в 1940 году и отмечены Яном Оортом , который знал, что в астрономии можно было бы добиться значительных успехов, если бы в радиочасти спектра существовали эмиссионные линии . Он сообщил об этом Хендрику ван де Хюлсту , который в 1944 году предсказал, что нейтральный водород может производить излучение на частоте1 420 ,4058 МГц обусловлена ​​двумя близко расположенными энергетическими уровнями в основном состоянии атома водорода . [8]

Линия 21 см (1420,4 МГц) была впервые обнаружена в 1951 году Юэном и Перселлом в Гарвардском университете [9] и опубликована после того, как их данные были подтверждены голландскими астрономами Мюллером и Оортом [10] и Кристиансеном и Хиндманом в Австралии. После 1952 года были составлены первые карты нейтрального водорода в Галактике и впервые раскрыта спиральная структура Млечного Пути . [11] [12]

Использование

В радиоастрономии

Спектральная линия длиной 21 см появляется в радиоспектре ( точнее , в L-диапазоне УВЧ- диапазона микроволнового окна ). Электромагнитная энергия в этом диапазоне может легко проходить через атмосферу Земли и наблюдаться с Земли с небольшими помехами. [13] Линия водорода может легко проникать сквозь облака межзвездной космической пыли , непрозрачные для видимого света . [14] Если предположить, что атомы водорода равномерно распределены по всей галактике, то на каждом луче зрения через галактику будет видна линия водорода. Единственная разница между каждой из этих линий — это доплеровский сдвиг, который имеет каждая из этих линий. Следовательно, предположив круговое движение , можно вычислить относительную скорость каждого рукава нашей галактики. Кривая вращения нашей галактики была рассчитана с помощьюВодородная линия длиной 21 см . Затем можно использовать график кривой вращения и скорости для определения расстояния до определенной точки внутри галактики. Однако ограничением этого метода является то, что отклонения от кругового движения наблюдаются в различных масштабах. [15]

Наблюдения за линиями водорода косвенно использовались для расчета массы галактик [ 16] для установления ограничений на любые изменения во времени постоянной тонкой структуры [17] и для изучения динамики отдельных галактик. Напряженность магнитного поля межзвездного пространства можно измерить, наблюдая эффект Зеемана на линии 21 см; Эта задача была впервые решена Г.Л. Вершууром в 1968 г. [18] Теоретически поиск атомов антиводорода возможен путем измерения поляризации линии 21 см во внешнем магнитном поле. [19]

Дейтерий имеет аналогичную сверхтонкую спектральную линию на частоте 91,6 см (327 МГц), и относительную силу линии 21 см по сравнению с линией 91,6 см можно использовать для измерения отношения дейтерия к водороду (D/H). Одна группа в 2007 году сообщила, что соотношение D/H в галактическом антицентре составляет 21 ± 7 частей на миллион. [20]

В космологии

Эта линия представляет большой интерес в космологии Большого взрыва , поскольку это единственный известный способ исследовать космологические « темные века » от рекомбинации (когда впервые образовались стабильные атомы водорода) до реионизации . С учетом красного смещения эта линия будет наблюдаться на Земле на частотах от 200 МГц до примерно 15 МГц. [21] Потенциально у него есть два применения. Во-первых, картируя интенсивность красного смещенного 21-сантиметрового излучения, можно, в принципе, дать очень точную картину спектра мощности материи в период после рекомбинации. [22] Во-вторых, это может дать представление о том, как Вселенная была повторно ионизирована, [23] поскольку нейтральный водород, который был ионизирован излучением звезд или квазаров, будет выглядеть как дыры на фоне высотой 21 см. [24] [7]

Однако наблюдения на высоте 21 см провести очень сложно. Наземные эксперименты по наблюдению слабого сигнала страдают от помех со стороны телевизионных передатчиков и ионосферы , [ 23] поэтому их необходимо проводить в очень укромных местах, соблюдая осторожность, чтобы устранить помехи. Чтобы компенсировать это, были предложены космические эксперименты, даже на обратной стороне Луны (где они будут защищены от помех наземных радиосигналов). [25] Мало что известно о других эффектах переднего плана, таких как синхротронное излучение и свободное-свободное излучение галактики. [26] Несмотря на эти проблемы, наблюдения на расстоянии 21 см, наряду с космическими наблюдениями за гравитационными волнами, обычно рассматриваются как следующий великий рубеж в наблюдательной космологии после поляризации космического микроволнового фона . [27]

Актуальность для поиска нечеловеческой разумной жизни

Сверхтонкий переход водорода, изображенный на космических кораблях «Пионер» и «Вояджер».

Табличка «Пионер» , прикрепленная к космическим кораблям «Пионер-10» и «Пионер-11» , изображает сверхтонкий переход нейтрального водорода, а длина волны используется в качестве стандартной шкалы измерения. Например, рост женщины на изображении отображается как восемь раз по 21 см, или 168 см. Точно так же частота водородного спин-флип-перехода использовалась для единицы времени на карте Земли, включенной в мемориальные доски «Пионер», а также на зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» . На этой карте показано положение Солнца относительно 14  пульсаров , период вращения которых примерно в 1977 году кратен частоте водородного спин-флип-перехода. Создатели мемориальной доски предполагают, что тогда развитая цивилизация сможет использовать расположение этих пульсаров для определения местоположения Солнечной системы во время запуска космического корабля. [28] [29]

Линия водорода длиной 21 см рассматривается программой SETI в качестве благоприятной частоты для поиска сигналов от потенциальных внеземных цивилизаций. В 1959 году итальянский физик Джузеппе Коккони и американский физик Филип Моррисон опубликовали статью «В поисках межзвездных коммуникаций», в которой предлагались линия водорода длиной 21 см и потенциал микроволн в поисках межзвездных коммуникаций. По словам Джорджа Басаллы, статья Коккони и Моррисона «обеспечила разумную теоретическую основу» для зарождавшейся тогда программы SETI. [30] Точно так же Петр Маковецкий предложил SETI использовать частоту, равную либо

0 π ×1 420 ,405 751 77  МГц ≈4,462 336 27  ГГц

или

2 π ×1 420 ,405 751 77  МГц ≈8,924 672 55  ГГц

Поскольку π — иррациональное число , такая частота не может быть создана естественным путем как гармоника и явно указывает на ее искусственное происхождение. Такой сигнал не будет подавляться самой линией H I или какой-либо из ее гармоник. [31]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ «I» в H I — римская цифра , поэтому произносится как «H one». Ее также называют линией «нейтрального водорода», и слушатель должен из контекста сделать вывод, что имеется в виду «холодный нейтральный водород» на частоте 1420,4 МГц или 0,211 м.

Рекомендации

  1. ^ Хельвиг, Гельмут; и другие. (1970). «Измерение частоты невозмущенного сверхтонкого перехода водорода» (PDF) . Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям . ИМ-19 (4): 200. Бибкод : 1970ITIM...19..200H. дои : 10.1109/TIM.1970.4313902 . Проверено 30 апреля 2023 г.
  2. ^ Гриффитс, ди-джей (1982). «Сверхтонкое расщепление в основном состоянии водорода». Американский журнал физики . 50 (8): 698–703. Бибкод : 1982AmJPh..50..698G. дои : 10.1119/1.12733.
  3. ^ Аб Мхаске, Ашиш А.; и другие. (август 2022 г.). «Конструкция радиотелескопа с бозе-рупорной антенной (BHARAT) для экспериментов с водородной линией длиной 21 см для преподавания радиоастрономии». arXiv : 2208.06070 [astro-ph.IM].
  4. ^ Визе, WL; Фур, младший (24 июня 2009 г.). «Точные вероятности атомного перехода для водорода, гелия и лития». Журнал физических и химических справочных данных . 38 (3): 565–720. Бибкод : 2009JPCRD..38..565W. дои : 10.1063/1.3077727. ISSN  0047-2689.
  5. ^ Нуссер, Ади (май 2005 г.). «Температура вращения нейтрального водорода во время космической предреионизации». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 359 (1): 183–190. arXiv : astro-ph/0409640 . Бибкод : 2005MNRAS.359..183N. дои : 10.1111/j.1365-2966.2005.08894.x. S2CID  11547883.
  6. ^ Рэмси, Норман Ф. (январь 1965 г.). «Мазер на атомарном водороде» (PDF) . Метрология . 1 (1): 7–15. Бибкод : 1965Метро...1....7R. дои : 10.1088/0026-1394/1/1/004. S2CID  250873158 . Проверено 27 апреля 2023 г.
  7. ^ аб Притчард, Джонатан Р.; Леб, Авраам (август 2012 г.). «Космология 21 см в XXI веке». Отчеты о прогрессе в физике . 75 (8): 086901. arXiv : 1109.6012 . Бибкод : 2012РПФ...75х6901П. дои : 10.1088/0034-4885/75/8/086901. PMID  22828208. S2CID  41341641. 086901.
  8. ^ Перселл, EM (1953). «Линейные спектры в радиоастрономии». Труды Американской академии искусств и наук . 82 (7): 347–349. дои : 10.2307/20023736. JSTOR  20023736.
  9. ^ Юэн, Гавайи; Перселл, Э.М. (сентябрь 1951 г.). «Наблюдение линии в галактическом радиоспектре: излучение галактического водорода со скоростью 1420 Мгц/сек». Природа . 168 (4270): 356. Бибкод : 1951Natur.168..356E. дои : 10.1038/168356a0. S2CID  27595927.
  10. ^ Мюллер, Калифорния; Оорт, Дж. Х. (сентябрь 1951 г.). «Межзвездная линия водорода со скоростью 1420 Мгц/сек и оценка вращения галактики». Природа . 168 (4270): 357–358. Бибкод : 1951Natur.168..357M. дои : 10.1038/168357a0. S2CID  32329393.
  11. ^ ван де Хюлст, ХК; и другие. (май 1954 г.). «Спиральная структура внешней части Галактической системы, возникшая в результате излучения водорода на длине волны 21 см». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 12 : 117. Бибкод :1954БАН....12..117В.
  12. ^ Вестерхаут, Г. (май 1957 г.). «Распределение атомарного водорода во внешних частях Галактической системы». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 13 : 201. Бибкод : 1957BAN....13..201W.
  13. ^ Боудич, Натаниэль (2002). «10. Радиоволны» (PDF) . Американский практический навигатор: воплощение навигации. Выпуск к двухсотлетию 2002 года . Национальное агентство изображений и картографии. п. 158 . Проверено 28 апреля 2023 г. Небесные волны не используются в диапазоне УВЧ, поскольку ионосфера недостаточно плотна, чтобы отражать волны, проходящие через нее, в космос. ... Прием сигналов УВЧ практически не подвержен замираниям и помехам от атмосферных шумов.
  14. ^ Винн-Уильямс, Гарет (1992). Полнота космоса. Издательство Кембриджского университета. п. 36. ISBN 9780521426381.
  15. ^ Керр, Фрэнк Дж. (1969). «Крупномасштабное распределение водорода в галактике». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 7 : 39. Бибкод :1969ARA&A...7...39K. doi : 10.1146/annurev.aa.07.090169.000351.
  16. ^ Робертс, Мортон С. (сентябрь 1969 г.). «Интегральные свойства спиральных и неправильных галактик». Астрономический журнал . 74 : 859–876. Бибкод : 1969AJ.....74..859R. дои : 10.1086/110874 .
  17. ^ Дринкуотер, MJ; Уэбб, Дж. К.–; Барроу, доктор медицинских наук; Фламбаум, В.В. (апрель 1998 г.). «Новые пределы возможного изменения физических констант». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 295 (2): 457–462. arXiv : astro-ph/9711290 . Бибкод : 1998MNRAS.295..457D. дои : 10.1046/j.1365-8711.1998.2952457.x. S2CID  5938714.
  18. ^ Вершуур, GL (сентябрь 1968 г.). «Положительное определение межзвездного магнитного поля путем измерения зеемановского расщепления линии водорода длиной 21 см». Письма о физических отзывах . 21 (11): 775–778. Бибкод : 1968PhRvL..21..775V. doi : 10.1103/PhysRevLett.21.775.
  19. ^ Соловьев, Дмитрий; Лабзовский, Леонтий (ноябрь 2014 г.). «Профиль линии поглощения 21 см как инструмент поиска антивещества во Вселенной». Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2014 (11): 111E01. Бибкод : 2014PTEP.2014k1E01S. дои : 10.1093/ptep/ptu142 . 111Е016.
  20. ^ Роджерс, AEE; Дюдевуар, Калифорния; Баня, ТМ (9 марта 2007 г.). «Наблюдения сверхтонкого перехода дейтерия на частоте 327 МГц». Астрономический журнал . 133 (4): 1625–1632. дои : 10.1086/511978. ISSN  1538-3881. S2CID  15541399.
  21. ^ Питерс, Венди М.; и другие. (январь 2011 г.). «Линии радиорекомбинации на декаметровых волнах: перспективы на будущее». Астрономия и астрофизика . 525 . arXiv : 1010.0292 . Бибкод : 2011A&A...525A.128P. дои : 10.1051/0004-6361/201014707. S2CID  53582482. А128.
  22. ^ Фиалков, А.; Леб, А. (ноябрь 2013 г.). «Сигнал 21 см из космологической эпохи рекомбинации». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2013 (11): 066. arXiv : 1311.4574 . Бибкод : 2013JCAP...11..066F. дои : 10.1088/1475-7516/2013/11/066. S2CID  250754168.066.
  23. ^ аб Меллема, Гаррелт; и другие. (октябрь 2006 г.). «Моделирование космической реионизации в больших масштабах - II. Особенности эмиссии 21 см и статистические сигналы». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 372 (2): 679–692. arXiv : astro-ph/0603518 . Бибкод : 2006MNRAS.372..679M. дои : 10.1111/j.1365-2966.2006.10919.x. S2CID  16389221.
  24. ^ Колер, Катарина; и другие. (ноябрь 2005 г.). «Смещенное в красное излучение на 21 см в эпоху до реионизации. II. Области H II вокруг отдельных квазаров». Астрофизический журнал . 633 (2): 552–559. arXiv : astro-ph/0501086 . Бибкод : 2005ApJ...633..552K. дои : 10.1086/444370. S2CID  15210736.
  25. ↑ Бернс, Джек О. (январь 2021 г.). «Преобразовательная наука с обратной стороны Луны: наблюдения за темными веками и экзопланетными системами на низких радиочастотах». Философские труды Королевского общества А. 379 (2188). arXiv : 2003.06881 . Бибкод : 2021RSPTA.37990564B. дои : 10.1098/rsta.2019.0564. ПМЦ 7739898 . ПМИД  33222645. 20190564. 
  26. ^ Ван, Сяоминь; и другие. (октябрь 2006 г.). «Томография 21 см на переднем плане». Астрофизический журнал . 650 (2): 529–537. arXiv : astro-ph/0501081 . Бибкод : 2006ApJ...650..529W. дои : 10.1086/506597. S2CID  119595472.
  27. ^ Купманс, Леон В.Е.; и другие. (июнь 2021 г.). «Вглядываясь в темноту (веки) с помощью низкочастотных космических интерферометров». Экспериментальная астрономия . 51 (3): 1641–1676. Бибкод : 2021ExA....51.1641K. дои : 10.1007/s10686-021-09743-7. ПМЦ 8416573 . ПМИД  34511720. 
  28. ↑ Розенталь, Джейк (20 января 2016 г.). «Пионерская табличка: наука как универсальный язык». Планетарное общество . Проверено 26 апреля 2023 г.
  29. ↑ Капова, Клара Анна (18 октября 2021 г.). «Знакомство людей с инопланетянами: новаторские миссии зондов «Пионер» и «Вояджер». Границы в человеческой динамике . Фронтирс Медиа С.А. 3 . дои : 10.3389/fhumd.2021.714616 .
  30. ^ Басалла, Джордж (2006). Цивилизованная жизнь во Вселенной. Издательство Оксфордского университета . стр. 133–135. ISBN 978-0-19-517181-5.
  31. ^ Маковецкий, П. "Смотри в корень" (на русском языке).

дальнейшее чтение

Космология

Внешние ссылки