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 частоту 1 420 , 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, уделяя особое внимание устранению помех. 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 около 1977 года кратен частоте водородного спин-флип-перехода. Создатели мемориальной доски предполагают, что тогда развитая цивилизация сможет использовать местоположение 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 . 3 . Frontiers Media SA doi : 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