Связь Воутхейсена – Поля

Взаимодействие Ваутхейсена-Филда , или эффект Ваутхейсена-Филда , представляет собой механизм, который связывает температуру возбуждения , также называемую температурой спина, нейтрального водорода с лайман-альфа -излучением. Эта связь играет роль в возникновении разницы в температуре нейтрального водорода и космического микроволнового фона в конце Темных веков и начале эпохи реионизации . Он назван в честь Зигфрида Адольфа Ваутхейсена и Джорджа Б. Филда .

Фон

Период после рекомбинации и до образования звезд и галактик известен как «темные века». В это время большая часть материи во Вселенной представляет собой нейтральный водород. Этот водород еще предстоит наблюдать, но проводятся эксперименты по обнаружению линии водорода, образовавшейся в эту эпоху. Линия водорода образуется, когда электрон в нейтральном атоме водорода возбуждается состояния или снимается с возбуждения , до триплетного спинового когда спины электрона и протона переходят в синглетное состояние. Разница в энергии между этими двумя сверхтонкими состояниями равна $5.9\times 10^{-6}$ электронвольты , с длиной волны 21 сантиметр. В моменты, когда нейтральный водород находится в термодинамическом равновесии с фотонами космического микроволнового фона (CMB), говорят, что нейтральный водород и CMB «связаны», и линия водорода не наблюдается. Линию водорода можно наблюдать только тогда, когда две температуры различаются, т. е. разделены. ^{[ 1 ]}

Соединительный механизм

Связь Ваутхейсена-Филда - это механизм, который связывает спиновую температуру нейтрального водорода с Лайман-альфа-излучением, которое отделяет нейтральный водород от реликтового излучения. Энергия перехода Лайман-альфа составляет 10,2 эВ — эта энергия примерно в два миллиона раз превышает энергию линии водорода и создается астрофизическими источниками, такими как звезды и квазары . Нейтральный водород поглощает фотоны Лайман-альфа, а затем повторно излучает фотоны Лайман-альфа и может перейти в любое из двух спиновых состояний. Этот процесс вызывает перераспределение электронов между сверхтонкими состояниями, отделяя нейтральный водород от фотонов реликтового излучения. ^{[ 2 ]}

Связь фотонов Лайман-альфа со сверхтонкими состояниями зависит не от интенсивности излучения Лайман-альфа, а от формы спектра в окрестности перехода Лайман-альфа. То, что этот механизм может влиять на заселение сверхтонких состояний в нейтральном водороде, было впервые предложено в 1952 году С.А. Ваутхейсеном, а затем развито Джорджем Б. Филдом в 1959 году. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Влияние фотонов Лайман-альфа на сверхтонкие уровни зависит от относительных интенсивностей красного и синего крыльев линии Лайман-альфа, что отражает очень небольшую разницу в энергии сверхтонких состояний относительно перехода Лайман-альфа. При космологическом красном смещении $z\sim 6$ Ожидается, что взаимодействие Ваутхейзена-Филда повысит спиновую температуру нейтрального водорода выше температуры реликтового излучения и приведет к излучению в линии водорода. ^{[ 5 ]}

Наблюдательные перспективы

Сигнал водородной линии, создаваемый связью Ваутхейсена-Филда, еще не наблюдался. Существует множество экспериментов и радиообсерваторий, целью которых является обнаружение нейтральной линии водорода в Темные века и эпоху реионизации, время, когда ожидается, что связь Ваутхейзена-Поля будет важной. К ним относятся гигантский метровволновой радиотелескоп , прецизионная решетка для исследования эпохи реионизации , широкоугольная решетка Мерчисона , эксперимент с большой апертурой для обнаружения темных веков и. ^{[ 6 ]} Предлагаемые обсерватории, целью которых является обнаружение доказательств связи Ваутхейсена-Филда, включают в себя Square Kilometer Array и Dark Ages Radio Explorer (DARE) .

См. также

Развязка (космология)

Примечания

^ Стиавелли (2009), с. 121.
^ Перейти обратно: ^а ^б Ваутхейсен (1952).
^ Филд (1959a).
^ Филд (1959b).
^ Мадау и др. (1997), стр. 432–435.
^ Бэк и др. (2010), с. 523.

Ссылки

Бэк, С.; Семелин, Б.; Ди Маттео, П.; Реваз, Ю.; Комбс, Ф. (2010). «Реионизация источниками УФ или рентгеновского излучения». Астрономия и астрофизика . 523 : А4. arXiv : 1003.0834 . Бибкод : 2010A&A...523A...4B . дои : 10.1051/0004-6361/201014347 . S2CID 118601309 .
Филд, Великобритания (1959). «Спиновая температура межгалактического нейтрального водорода». Астрофизический журнал . 129 : 536. Бибкод : 1959ApJ...129..536F . дои : 10.1086/146653 .
Филд, Великобритания (1959). «Временная релаксация профиля резонансной линии» . Астрофизический журнал . 129 : 551. Бибкод : 1959ApJ...129..551F . дои : 10.1086/146654 .
Хиггинс, Дж.; Мейксин, А. (2009). «Эффект Ваутхейзена-Поля в комковатой межгалактической среде». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 393 (3): 949. arXiv : 0811.1184 . Бибкод : 2009MNRAS.393..949H . дои : 10.1111/j.1365-2966.2008.14199.x . S2CID 16657336 . {{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка )
Леб, А.; Баркана, Р. (2001). «Теионизация Вселенной первыми звездами и квазарами». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 39 : 19–66. arXiv : astro-ph/0010467 . Бибкод : 2001ARA&A..39...19L . дои : 10.1146/annurev.astro.39.1.19 . S2CID 119533439 .
Мадау, П.; Мейксин А.; Рис, MJ (1997). «21-сантиметровая томография межгалактической среды при высоком красном смещении». Астрофизический журнал . 475 (2): 429. arXiv : astro-ph/9608010 . Бибкод : 1997ApJ...475..429M . дои : 10.1086/303549 . S2CID 118239661 .
Стиавелли, Массимо (2009). От первого света до реионизации: конец Темных веков . Вайли-ВЧ . Бибкод : 2009fflr.book.....S . ISBN 978-3-527-40705-7 .
Ваутхейсен, SA (1952). «О механизме возбуждения 21-см (радиочастотной) межзвездной эмиссионной линии водорода». Астрономический журнал . 57 : 31. Бибкод : 1952AJ.....57R..31W . дои : 10.1086/106661 .

[1] Стиавелли (2009), с. 121.

[Wouthuysen1952-2] Перейти обратно: ^а ^б Ваутхейсен (1952).

[Field1959a-3] Филд (1959a).

[Field1959b-4] Филд (1959b).

[5] Мадау и др. (1997), стр. 432–435.

[6] Бэк и др. (2010), с. 523.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]