Водородная линия

О линиях водорода в целом см. Спектральные серии водорода .

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

Водородная линия , линия 21 сантиметр или линия HI. Спектральная линия возникающая в результате изменения 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 квантового состояния между двумя сверхтонкими уровнями водорода основного состояния . изменение Электромагнитное излучение , создающее эту линию, имеет 420 , частоту 1 405 751 768 ( 2) МГц (1,42 ГГц), что эквивалентно волны длине 21,106 114 054 160 (30) см в вакууме . Согласно соотношению Планка–Эйнштейна E = hν , фотон испускаемый при этом переходе, имеет 5,874 [ 326 184 1116 ( 81) мкэВ энергию 9,411 708 152 678 ( 13) × 10 ⁻²⁵ Дж ]. Константа пропорциональности h . известна как Планка постоянная

Частота линии водорода лежит в L-диапазоне , который расположен 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

Дополнительная информация: Сверхтонкая структура.

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 выровняются так, что северный полюс одного из них находится 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.

В основном состоянии спин-флип переход между этими выровненными состояниями имеет разность энергий 5,874· 33 мкэВ . Применительно к соотношению Планка это дает:

$\lambda ={\frac {1}{\nu }}\cdot c={\frac {h}{E}}\cdot c\approx {\frac {\;4.135\,67\cdot 10^{-15}\ \mathrm {eV} \cdot {\text{s}}\;}{5.874\,33\cdot 10^{-6}\ \mathrm {eV} }}\,\cdot \,2.997\,92\cdot 10^{8}\ \mathrm {m} \cdot \mathrm {s} ^{-1}\approx 0.211\,06\ \mathrm {m} =21.106\ \mathrm {cm} \;$

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.

Этот переход строго запрещен с чрезвычайно малой скоростью перехода 2,9 × 10 ⁻¹⁵ с ⁻¹ , и среднее время жизни возбужденного состояния около 11 миллионов лет. Столкновения нейтральных атомов водорода с электронами или другими атомами могут способствовать излучению фотонов длиной 21 см. Спонтанное возникновение перехода вряд ли можно будет увидеть в лаборатории на Земле, но его можно вызвать искусственно посредством стимулированного излучения с помощью водородного мазера . Его обычно наблюдают 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.

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 существовали эмиссионные линии , который знал, что в астрономии можно было бы добиться значительных успехов, если бы в радиочасти спектра . Он сообщил об этом Хендрику ван де Хюлсту , который в 1944 году предсказал, что нейтральный водород может производить излучение на 1420,4058 частоте МГц основном благодаря двум близко расположенным энергетическим уровням в состоянии атома водорода .

Линия длиной 21 см (1420,4 МГц) была впервые обнаружена в 1951 году Юэном и Перселлом в Гарвардском университете . и опубликованы после того, как их данные были подтверждены голландскими астрономами Мюллером и Оортом. и Кристиансен и Хиндман в Австралии. После 1952 года были составлены первые карты нейтрального водорода в Галактике и впервые раскрыта спиральная структура Млечного Пути .

Использование

В радиоастрономии

Спектральная линия длиной 21 см появляется в радиоспектре ( точнее, в -диапазоне УВЧ -диапазона микроволнового окна L ). Электромагнитная энергия в этом диапазоне может легко проходить через атмосферу Земли и наблюдаться с Земли с небольшими помехами. Линия водорода может легко проникать сквозь облака межзвездной космической пыли , непрозрачные для видимого света . 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 рассчитана по линии водорода 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.

Наблюдения за линиями водорода косвенно использовались для расчета массы галактик. установить ограничения на любые изменения с течением времени константы тонкой структуры , и изучить динамику отдельных галактик. магнитного поля Напряженность межзвездного пространства можно измерить, наблюдая эффект Зеемана на линии 21 см; задача, которую впервые выполнил Г.Л. Вершуур в 1968 г. Теоретически можно искать атомы антиводорода , измеряя поляризацию линии 21 см во внешнем магнитном поле.

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.

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. Потенциально он имеет 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. Во-вторых, это может дать представление о том, как Вселенная была повторно ионизирована. поскольку нейтральный водород, ионизированный излучением звезд или квазаров, будет выглядеть как дыры на фоне высотой 21 см.

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

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.

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. 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.

См. также

• Серия Бальмера
• Хронология Вселенной
• Радиопроводник темных веков
• Спектральный ряд водорода
• H-альфа , видимая красная спектральная линия с длиной волны 656,28 нанометров.
• Формула Ридберга
• Хронология Большого взрыва

Дальнейшее чтение

Космология

• Мадау, П.; Мейксин А.; Рис, MJ (1997). «Томография межгалактической среды на расстоянии 21 см при большом красном смещении». Астрофизический журнал . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph/9608010 . Бибкод : 1997ApJ...475..429M . дои : 10.1086/303549 . S2CID   118239661 .

• Чарди, Б.; Мадау, П. (2003). «Зондирование за пределами эпохи реионизации водорода с помощью 21-сантиметрового излучения». Астрофизический журнал . 596 (1): 1–8. arXiv : astro-ph/0303249 . Бибкод : 2003ApJ...596....1C . дои : 10.1086/377634 . S2CID   10258589 .

• Салдарриага, М.; Фурланетто, С.; Хернквист, Л. (2004). «21-сантиметровые колебания космического газа при высоких красных смещениях». Астрофизический журнал . 608 (2): 622–635. arXiv : astro-ph/0311514 . Бибкод : 2004ApJ...608..622Z . дои : 10.1086/386327 . S2CID   119439713 .

• Фурланетто, С.; Сокасян А.; Хернквист, Л. (2004). «Наблюдение эпохи реионизации через 21-сантиметровое излучение» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 347 (1): 187–195. arXiv : astro-ph/0305065 . Бибкод : 2004MNRAS.347..187F . дои : 10.1111/j.1365-2966.2004.07187.x . S2CID   6474189 .

• Леб, А.; Салдарриага, М. (2004). «Измерение мелкомасштабного спектра мощности флуктуаций космической плотности с помощью томографии 21 см до эпохи структурообразования». Письма о физических отзывах . 92 (21): 211301. arXiv : astro-ph/0312134 . Бибкод : 2004PhRvL..92u1301L . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.211301 . ПМИД   15245272 . S2CID   30510359 .
• Сантос, Миннесота; Курей, А.; Нокс, Л. (2005). «Многочастотный анализ 21 см-колебаний эпохи реионизации». Астрофизический журнал . 625 (2): 575–587. arXiv : astro-ph/0408515 . Бибкод : 2005ApJ...625..575S . дои : 10.1086/429857 . S2CID   15464776 .
• Баркана, Р.; Леб, А. (2005). «Обнаружение самых ранних галактик с помощью двух новых источников колебаний диаметром 21 см». Астрофизический журнал . 626 (1): 1–11. arXiv : astro-ph/0410129 . Бибкод : 2005ApJ...626....1B . дои : 10.1086/429954 . S2CID   7343629 .
• Ван, Цзинъин; Сюй, Хайгуан; Ан, Тао; Гу, Цзюньхуа; Го, Сюэин; Ли, Вэйтянь; Ван, Ю; Лю, Чэнцзе; Мартино-Хюинь, Оливье; Ву, Сян-Пин (14 января 2013 г.). «Исследование эпохи космической реионизации в частотном пространстве: улучшенный подход к удалению переднего плана в томографии 21 см». Астрофизический журнал . 763 (2): 90. arXiv : 1211.6450 . Бибкод : 2013ApJ...763...90W . дои : 10.1088/0004-637X/763/2/90 . ISSN   0004-637X . S2CID   118712522 .

Внешние ссылки

• «История открытия Юэном и Перселлом линии длиной 21 см» . Национальная радиоастрономическая обсерватория (НРАО).
• Пен, Уэ-Ли; У, Сян-Пин; Петерсон, Джефф (5 апреля 2004 г.). «Прогноз эпохи реионизации, видимый с помощью структурного телескопа PrimevAl (PAST)». arXiv : astro-ph/0404083 . — Описание эксперимента PAST
• «Эксперимент ЛОФАР» (основной сайт).
• «Эксперимент Mileura Widefield Array» (основной сайт). Архивировано из оригинала 11 февраля 2005 г.
• «Эксперимент с массивом площадью квадратный километр» (основной сайт).