stringtranslate.com

Водородная линия

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

Линия водорода , 21-сантиметровая линия или линия H I [a] — это спектральная линия , которая создается изменением энергетического состояния одиночных электрически нейтральных атомов водорода . Она создается переходом с переворотом спина , что означает, что направление спина электрона меняется на противоположное относительно спина протона. Это квантовое изменение состояния между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния водорода 1 s . 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 этим переходом, имеет энергию5,874 326 184 1116 (81) мкэВ [9,411 708 152 678 ( 13) × 10−25  Дж ]. Константа пропорциональности , h , известна как постоянная Планка .

Частота линии водорода лежит в диапазоне L , который расположен в нижнем конце микроволновой области электромагнитного спектра . Она часто наблюдается в радиоастрономии, поскольку эти радиоволны могут проникать через большие облака межзвездной космической пыли , которые непрозрачны для видимого света . Существование этой линии было предсказано голландским астрономом Х. ван де Хюльстом в 1944 году, а затем непосредственно наблюдалось Э. М. Перселлом и его студентом Х. Э. Юэном в 1951 году. Наблюдения линии водорода использовались для выявления спиральной формы Млечного Пути , для расчета массы и динамики отдельных галактик и для проверки изменений постоянной тонкой структуры с течением времени. Она имеет особое значение для космологии , поскольку ее можно использовать 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 уменьшению, когда антипараллельны. Тот факт, что разрешены только параллельные и антипараллельные состояния, является результатом квантово-механической дискретизации полного углового момента системы. Когда спины параллельны, магнитные дипольные моменты антипараллельны (потому что 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 будут выровнены так, что северный полюс одного будет ближе всего к южному полюсу другого. Эта логика здесь не работает, потому что волновые функции электрона и протона перекрываются; то есть электрон не смещен пространственно 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 более низкую энергию. [2]

В основном состоянии переход с переворотом спина между этими выровненными состояниями имеет разницу энергий5,874 33  мкэВ . Применительно к соотношению Планка это дает:

где λ — длина волны испускаемого 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 с чрезвычайно малой скоростью 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 наблюдать в лаборатории на Земле, но его можно искусственно вызвать с помощью стимулированного излучения с использованием водородного мазера . [6] Он 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 большая часть уширения обусловлена ​​доплеровскими сдвигами, вызванными объемным движением или ненулевой температурой излучающих областей. [7]

Открытие

Рупорная антенна, использованная Юэном и Перселлом для первого обнаружения излучения водородной линии в Млечном Пути

В 1930-х годах было замечено, что существует радио-"шипение", которое меняется в ежедневном цикле и, по-видимому, имеет внеземное происхождение. После первоначальных предположений, что это связано с Солнцем, было замечено, что радиоволны, по-видимому, распространяются из центра Галактики . Эти открытия были опубликованы в 1940 году и были отмечены Яном Оортом , который знал, что значительные успехи могут быть достигнуты в астрономии, если в радиочасти спектра есть линии излучения . Он сослался на это Хендрика ван де Хюльста , который в 1944 году предсказал, что нейтральный водород может производить излучение на частоте1 420 .4058 МГц из-за двух близко расположенных энергетических уровней в основном состоянии атома водорода . [8]

Линия 21 см (1420,4 МГц) была впервые обнаружена в 1951 году Эвеном 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, которые впервые выявили спиральную структуру Млечного Пути [ 11 ] [12]

Использует

В радиоастрономии

Спектральная линия 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 через облака межзвездной космической пыли , которые непрозрачны для видимого света . [14] Предполагая, что атомы водорода равномерно распределены по всей галактике, каждая линия зрения через галактику покажет линию водорода. Единственное различие между каждой из этих линий — это доплеровский сдвиг, который имеет каждая из этих линий. Следовательно, предполагая круговое движение , можно вычислить относительную скорость каждого рукава нашей галактики. Кривая вращения нашей галактики была рассчитана с использованиемЛиния водорода 21 см . Затем можно использовать график кривой вращения и скорости для определения расстояния до определенной точки внутри галактики. Однако ограничение этого метода заключается в том, что отклонения от кругового движения наблюдаются в различных масштабах. [15]

Наблюдения водородных линий использовались косвенно для расчета массы галактик, [16] для установления пределов любых изменений со временем постоянной тонкой структуры , [17] и для изучения динамики отдельных галактик. Напряженность магнитного поля межзвездного пространства может быть измерена путем наблюдения эффекта Зеемана на линии 21 см; задача, которая была впервые выполнена GL Verschuur в 1968 году . [18] Теоретически, может быть возможным поиск атомов антиводорода путем измерения поляризации линии 21 см во внешнем магнитном поле. [19]

Дейтерий имеет похожую сверхтонкую спектральную линию на 91,6 см (327 МГц), и относительная сила линии 21 см по отношению к линии 91,6 см может быть использована для измерения отношения дейтерия к водороду (D/H). Одна группа в 2007 году сообщила, что отношение D/H в галактическом антицентре составляет 21 ± 7 частей на миллион. [20]

В космологии

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 . Включая красное смещение , эта линия будет наблюдаться на частотах от 200 МГц до примерно 15 МГц на Земле. [21] У нее потенциально есть два приложения. Во-первых, путем картирования интенсивности смещенного в красную область 21-сантиметрового излучения она может, в принципе, предоставить очень точную картину спектра мощности материи в период после рекомбинации. [22] Во-вторых, она может предоставить картину того, как Вселенная была повторно ионизирована, [23] поскольку нейтральный водород, который был ионизирован излучением звезд или квазаров, будет выглядеть как дыры на фоне 21 см. [24] [7]

Однако наблюдения на 21 см очень сложно проводить. Наземные эксперименты по наблюдению слабого сигнала страдают от помех со стороны телевизионных передатчиков и ионосферы , [23] поэтому их следует проводить в очень уединенных местах, уделяя особое внимание устранению помех. Для компенсации этого были предложены космические эксперименты, даже на обратной стороне Луны (где они были бы защищены от помех со стороны земных радиосигналов). [25] Мало что известно о других фоновых эффектах, таких как синхротронное излучение и свободно-свободное излучение в галактике. [26] Несмотря на эти проблемы, наблюдения на 21 см, наряду с космическими наблюдениями гравитационных волн, как правило, рассматриваются как следующий большой рубеж в наблюдательной космологии после поляризации космического микроволнового фона . [27]

Актуальность для поиска нечеловеческой разумной жизни

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

На табличке Pioneer , прикрепленной к космическим аппаратам Pioneer 10 и Pioneer 11 , изображен сверхтонкий переход нейтрального водорода, а длина волны использована в качестве стандартной шкалы измерения. Например, рост женщины на изображении отображается как восемь раз по 21 см, или 168 см. Аналогичным образом частота спин-флип перехода водорода использовалась в качестве единицы времени на карте Земли, включенной в таблички Pioneer, а также зондов Voyager 1 и Voyager 2. На этой карте положение Солнца отображено относительно 14  пульсаров , период вращения которых около 1977 года указан как кратное частоте спин-флип перехода водорода. Создатели таблички предполагают, что развитая цивилизация затем сможет использовать местоположение этих пульсаров для определения местоположения Солнечной системы во время запуска космических аппаратов. [28] [29]

Линия водорода 21 см считается благоприятной частотой программой SETI в их поиске сигналов от потенциальных внеземных цивилизаций. В 1959 году итальянский физик Джузеппе Коккони и американский физик Филип Моррисон опубликовали «Поиск межзвездных коммуникаций», статью, предлагающую линию водорода 21 см и потенциал микроволн в поиске межзвездных коммуникаций. По словам Джорджа Басаллы, статья Коккони и Моррисона «предоставила разумную теоретическую основу» для тогда еще зарождающейся программы SETI. [30] Аналогичным образом, Петр Маковецкий предложил SETI использовать частоту, которая равна либо

0 π ×1 420 .405 751 77  МГц ≈4.462 336 27  ГГц

или

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

Поскольку π — иррациональное число , такая частота не могла бы быть получена естественным путем как гармоника , и ясно указывала бы на ее искусственное происхождение. Такой сигнал не был бы подавлен самой линией H I или любой 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 обязан из контекста сделать вывод, что имеется в виду «холодный нейтральный водород» на частоте 1420,4 МГц или 0,211 м.

Ссылки

  1. ^ Хеллвиг, Хельмут и др. (1970). "Измерение частоты невозмущенного сверхтонкого перехода водорода" (PDF) . IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement . IM-19 (4): 200. Bibcode :1970ITIM...19..200H. doi :10.1109/TIM.1970.4313902 . Получено 2023-04-30 .
  2. ^ Гриффитс, DJ (1982). «Сверхтонкое расщепление в основном состоянии водорода». American Journal of Physics . 50 (8): 698–703. Bibcode : 1982AmJPh..50..698G. doi : 10.1119/1.12733.
  3. ^ ab Mhaske, Ashish A.; et al. (август 2022 г.). «Конструкция радиотелескопа с рупорной антенной Бозе (BHARAT) для экспериментов с линией водорода 21 см для преподавания радиоастрономии». American Journal of Physics . 90 (12): 948–960. arXiv : 2208.06070 . doi :10.1119/5.0065381.
  4. ^ Wiese, WL; Fuhr, JR (2009-06-24). «Точные вероятности атомных переходов для водорода, гелия и лития». Journal of Physical and Chemical Reference Data . 38 (3): 565–720. Bibcode : 2009JPCRD..38..565W. doi : 10.1063/1.3077727. ISSN  0047-2689.
  5. ^ Nusser, Adi (май 2005 г.). «Температура спина нейтрального водорода во время космической предыонизации». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 359 (1): 183–190. arXiv : astro-ph/0409640 . Bibcode : 2005MNRAS.359..183N. doi : 10.1111/j.1365-2966.2005.08894.x . S2CID  11547883.
  6. ^ Ramsey, Norman F. (январь 1965). "The Atomic Hydrogen Maser" (PDF) . Metrologia . 1 (1): 7–15. Bibcode :1965Metro...1....7R. doi :10.1088/0026-1394/1/1/004. S2CID  250873158 . Получено 2023-04-27 .
  7. ^ ab Притчард, Джонатан Р.; Лёб, Абрахам (август 2012 г.). "21 см космология в 21 веке". Reports on Progress in Physics . 75 (8): 086901. arXiv : 1109.6012 . Bibcode : 2012RPPh...75h6901P. doi : 10.1088/0034-4885/75/8/086901. PMID  22828208. S2CID  41341641. 086901.
  8. ^ Перселл, Э. М. (1953). «Линейчатые спектры в радиоастрономии». Труды Американской академии искусств и наук . 82 (7): 347–349. doi :10.2307/20023736. JSTOR  20023736.
  9. ^ Юэн, HI; Перселл, EM (сентябрь 1951 г.). «Наблюдение линии в спектре галактического радиоизлучения: излучение галактического водорода на частоте 1420 МГц/сек». Nature . 168 (4270): 356. Bibcode :1951Natur.168..356E. doi :10.1038/168356a0. S2CID  27595927.
  10. ↑ Muller, CA; Oort, JH (сентябрь 1951 г.). «Линия межзвездного водорода на частоте 1420 МГц/сек и оценка галактического вращения». Nature . 168 (4270): 357–358. Bibcode :1951Natur.168..357M. doi :10.1038/168357a0. S2CID  32329393.
  11. ^ van de Hulst, HC; et al. (май 1954 г.). «Спиральная структура внешней части Галактической системы, полученная из излучения водорода на длине волны 21 см». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 12 : 117. Bibcode : 1954BAN....12..117V.
  12. ^ Вестерхаут, Г. (май 1957 г.). «Распределение атомарного водорода во внешних частях Галактической системы». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 13 : 201. Bibcode : 1957BAN....13..201W.
  13. ^ Боудич, Натаниэль (2002). "10. Радиоволны" (PDF) . Американский практический навигатор: воплощение навигации. Двухсотлетнее издание 2002 года . Национальное агентство по визуализации и картографии. стр. 158. Получено 28 апреля 2023 г. Небесные волны не используются в диапазоне УВЧ, поскольку ионосфера недостаточно плотная, чтобы отражать волны, которые проходят через нее в космос. ... Прием сигналов УВЧ практически свободен от замираний и помех от атмосферного шума.
  14. ^ Уинн-Уильямс, Гарет (1992). Полнота пространства. Cambridge University Press. стр. 36. ISBN 9780521426381.
  15. ^ Керр, Фрэнк Дж. (1969). «Крупномасштабное распределение водорода в Галактике». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 7 : 39. Bibcode : 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». Astronomical Journal . 74 : 859–876. Bibcode : 1969AJ.....74..859R. doi : 10.1086/110874 .
  17. ^ Дринквотер, М. Дж.; Уэбб, Дж. К.–; Барроу, Дж. Д.; Фламбаум, В. В. (апрель 1998 г.). «Новые пределы возможного изменения физических констант». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 295 (2): 457–462. arXiv : astro-ph/9711290 . Bibcode : 1998MNRAS.295..457D. doi : 10.1046/j.1365-8711.1998.2952457.x . S2CID  5938714.
  18. ^ Verschuur, GL (сентябрь 1968 г.). «Положительное определение межзвездного магнитного поля путем измерения зеемановского расщепления линии водорода 21 см». Physical Review Letters . 21 (11): 775–778. Bibcode :1968PhRvL..21..775V. doi :10.1103/PhysRevLett.21.775.
  19. ^ Соловьев, Дмитрий; Лабзовский, Леонтий (ноябрь 2014 г.). «Профиль линии поглощения 21 см как инструмент для поиска антиматерии во Вселенной». Progress of Theoretical and Experimental Physics . 2014 (11): 111E01. Bibcode :2014PTEP.2014k1E01S. doi : 10.1093/ptep/ptu142 . 111E016.
  20. ^ Роджерс, А.Е.Е.; Дюдевуар, КА; Баня, Т.М. (2007-03-09). «Наблюдения сверхтонкого перехода дейтерия на частоте 327 МГц». The Astronomical Journal . 133 (4): 1625–1632. Bibcode : 2007AJ....133.1625R. doi : 10.1086/511978. ISSN  1538-3881. S2CID  15541399.
  21. ^ Питерс, Венди М.; и др. (январь 2011 г.). «Линии радиорекомбинации на декаметровых волнах: перспективы будущего». Астрономия и астрофизика . 525 . arXiv : 1010.0292 . Bibcode :2011A&A...525A.128P. doi :10.1051/0004-6361/201014707. S2CID  53582482. A128.
  22. ^ Фиалков, А.; Лёб, А. (ноябрь 2013 г.). "Сигнал 21 см из космологической эпохи рекомбинации". Журнал космологии и астрочастичной физики . 2013 (11): 066. arXiv : 1311.4574 . Bibcode : 2013JCAP...11..066F. doi : 10.1088/1475-7516/2013/11/066. S2CID  250754168. 066.
  23. ^ ab Mellema, Garrelt; et al. (октябрь 2006 г.). «Моделирование космической реионизации в больших масштабах — II. Особенности излучения на длине волны 21 см и статистические сигналы». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 372 (2): 679–692. arXiv : astro-ph/0603518 . Bibcode : 2006MNRAS.372..679M. doi : 10.1111/j.1365-2966.2006.10919.x . S2CID  16389221.
  24. ^ Kohler, Katharina; et al. (ноябрь 2005 г.). «Смещенное в красную область излучение на длине волны 21 см в эпоху до реионизации. II. Области H II вокруг отдельных квазаров». The Astrophysical Journal . 633 (2): 552–559. arXiv : astro-ph/0501086 . Bibcode :2005ApJ...633..552K. doi :10.1086/444370. S2CID  15210736.
  25. ^ Бернс, Джек О. (январь 2021 г.). «Трансформационная наука с обратной стороны Луны: наблюдения за темными веками и экзопланетными системами на низких радиочастотах». Philosophical Transactions of the Royal Society A. 379 ( 2188). arXiv : 2003.06881 . Bibcode : 2021RSPTA.37990564B. doi : 10.1098/rsta.2019.0564. PMC 7739898. PMID 33222645.  20190564. 
  26. ^ Ван, Сяоминь и др. (октябрь 2006 г.). «21 см томография с передними планами». The Astrophysical Journal . 650 (2): 529–537. arXiv : astro-ph/0501081 . Bibcode : 2006ApJ...650..529W. doi : 10.1086/506597. S2CID  119595472.
  27. ^ Купманс, Леон VE; и др. (июнь 2021 г.). «Вглядываясь в темноту (возрастов) с помощью низкочастотных космических интерферометров». Experimental Astronomy . 51 (3): 1641–1676. arXiv : 1908.04296 . Bibcode :2021ExA....51.1641K. doi :10.1007/s10686-021-09743-7. PMC 8416573 . PMID  34511720. 
  28. ^ Розенталь, Джейк (20 января 2016 г.). «Пионерская табличка: наука как универсальный язык». Планетарное общество . Получено 26.04.2023 .
  29. ^ Капова, Клара Анна (18 октября 2021 г.). «Знакомство людей с инопланетянами: пионерские миссии зондов Pioneer и Voyager». Frontiers in Human Dynamics . 3. Frontiers Media SA doi : 10.3389/fhumd.2021.714616 .
  30. ^ Басалла, Джордж (2006). Цивилизованная жизнь во Вселенной. Oxford University Press . С. 133–135. ISBN 978-0-19-517181-5.
  31. ^ Маковецкий, П. "Смотри в корень" (на русском языке).

Дальнейшее чтение

Космология

Внешние ссылки