Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для линий водорода в целом см. Спектральные серии водорода .

21-сантиметровая линия водорода

Линии водорода , 21-сантиметровой линии или линии H I [1] представляет собой электромагнитное излучение , спектральная линия , которая создается за счет изменения энергетического состояния нейтральных атомов водорода . Это электромагнитное излучение имеет точную частоту1,420,405,751.7667 ± 0,0009  Гц , [2] [3] , которое эквивалентно вакуумной длины волны из21.106 114 0542  см в свободном месте . Эта длина волны попадает в микроволновую область электромагнитного спектра , и ее часто наблюдают в радиоастрономии, поскольку эти радиоволны могут проникать через большие облака межзвездной космической пыли , непрозрачные для видимого света . Эта линия также является теоретической основой водородного мазера .

Микроволны водородной линии возникают в результате атомного перехода электрона между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния водорода 1 s, которые имеют разность энергий ≈5,874 33  μ эВ [9,411 708 х 10 -25 Дж] . [4] Это называется переходом с переворотом спина . Частота, ν , из - квантов , которые испускаются этого перехода между двумя различными уровнями энергии задается соотношением Планка-Эйнштейна Е = hν . В соответствии с этим соотношением энергия фотона 1 420 405 751,7667 Гц фотона составляет ≈ 5,87433 мкэВ [9,411 708 x 10 -25 Дж]. Константа пропорциональности , ч , известна как постоянная Планка .

Причина [ править ]

Дополнительная информация: сверхтонкая структура

Основное состояние нейтрального водорода состоит из электрона, связанного с протоном . 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 они 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 энергиюточно так же, как два магнита будут совмещены 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 в пространстве от протона, а охватывает его. Поэтому магнитные дипольные моменты лучше всего рассматривать как крошечные токовые петли. Когда параллельные токи притягиваются, параллельные магнитные дипольные моменты (т. Е. Антипараллельные спины) имеют меньшую энергию. [5] Переход имеет разность энергий5,874 33  мкэВ, что при применении в уравнении Планка дает:

где h - постоянная Планка, c - скорость света.

Этот переход категорически запрещен с чрезвычайно малой скоростью перехода2,9 · 10 −15  с −1 , а среднее время жизни возбужденного состояния составляет около 10 миллионов лет. Самопроизвольное возникновение перехода вряд ли можно наблюдать в лаборатории на Земле, но его можно искусственно вызвать с помощью водородного мазера . Это обычно наблюдается в астрономических условиях, таких как водородные облака в нашей галактике и другие. Из-за длительного срока службы линия имеет чрезвычайно малую естественную ширину , поэтому наибольшее уширение происходит из-за доплеровских сдвигов, вызванных объемным движением или ненулевой температурой излучающих областей.

Открытие [ править ]

В 1930-х годах было замечено, что было радио «шипение», которое варьировалось в зависимости от суточного цикла и, казалось, было внеземным по происхождению. После первоначальных предположений о том, что это произошло из-за Солнца, было обнаружено, что радиоволны, казалось, распространяются из центра Галактики . Эти открытия были опубликованы в 1940 году и были отмечены Яном Оортом, который знал, что в астрономии можно было бы добиться значительных успехов, если бы в радиочасти спектра существовали эмиссионные линии . Он назвал это Хендрик ван де Хульст , который в 1944 году предсказал , что нейтральный водород может производить излучение на частоте от1 420 0,4058 МГц из - за двух близко расположенных уровней энергии в основном состоянии в атоме водорода .

21 см линия (1420,4 МГц) была впервые обнаружена в 1951 г. Ewen и Перселлом в Гарвардском университете , [6] и опубликована после их данных были подтверждены голландскими астрономы Мюллер и Оортом, [7] и Christiansen и Хиндманом в Австралии. После 1952 г. были составлены первые карты нейтрального водорода в Галактике, на которых впервые была обнаружена спиральная структура Млечного Пути .

Использует [ редактировать ]

В радиоастрономии [ править ]

21 см спектральные линии появляется в пределах радиочастотного спектра (в L диапазоне от СВЧ - диапазона от СВЧ - окна , чтобы быть точным). Электромагнитная энергия в этом диапазоне может легко проходить через атмосферу Земли и наблюдаться с Земли с небольшими помехами.

Если предположить, что атомы водорода равномерно распределены по всей галактике, каждый луч зрения через галактику покажет линию водорода. Единственная разница между каждой из этих линий - это доплеровский сдвиг, который имеет каждая из этих линий. Следовательно, 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 в галактике.

Наблюдения за линиями водорода также косвенно использовались для расчета массы галактик, для ограничения любых изменений всемирной гравитационной постоянной во времени и для изучения динамики отдельных галактик.

В космологии [ править ]

Линия представляет большой интерес для космологии Большого взрыва, потому что это единственный известный способ исследовать «темные века» от рекомбинации до реионизации . Эта линия, включая красное смещение , будет наблюдаться на Земле на частотах от 200 МГц до примерно 9 МГц. У него потенциально есть два приложения. Во-первых, нанося на карту интенсивность 21-сантиметрового излучения с красным смещением, можно, в принципе, получить очень точную картину спектра мощности вещества в период после рекомбинации. Во-вторых, он может дать картину того, как Вселенная была реионизирована, поскольку нейтральный водород, ионизированный излучением звезд или квазаров, появится в виде дыр на фоне 21 см.

Однако наблюдения на 21 см сделать очень сложно. Наземные эксперименты по наблюдению слабого сигнала страдают от помех от телевизионных передатчиков и ионосферы , поэтому они должны проводиться в очень уединенных местах с осторожностью, чтобы устранить помехи. Чтобы компенсировать это, были предложены космические эксперименты, даже на обратной стороне Луны (где они будут защищены от помех от наземных радиосигналов). Мало что известно о других эффектах, таких как синхротронное излучение и свободно-свободное излучение в галактике. Несмотря на эти проблемы, наблюдения на расстоянии 21 см, наряду с наблюдениями за гравитационными волнами из космоса, обычно рассматриваются как следующий большой рубеж в наблюдательной космологии послеполяризация космического микроволнового фона .

Актуальность для поиска разумной жизни, не связанной с человеком [ править ]

Сверхтонкий переход водорода, изображенный на космических кораблях Pioneer и Voyager.

Пионер бляшки , прикрепленный к Pioneer 10 и Pioneer 11 космических аппаратов, изображает переход сверхтонкой нейтрального водорода и использовали длину волны в качестве стандартной шкалы измерения. Например, рост женщины на изображении отображается как восемь раз по 21 см, или 168 см. Аналогичным образом частота перехода водорода с переворотом спина использовалась в качестве единицы времени на карте Земли, нанесенной на таблички Pioneer, а также зонды Voyager 1 и Voyager 2 . На этой карте показано положение Солнца относительно 14 пульсаров.чей период вращения около 1977 г. дается кратным частоте перехода водорода с переворотом спина. Создатели мемориальной доски предполагают, что развитая цивилизация сможет использовать местоположение этих пульсаров, чтобы определить местонахождение Солнечной системы во время запуска космического корабля.

Линия водорода 21 см считается программой SETI благоприятной частотой для поиска сигналов от потенциальных внеземных цивилизаций. В 1959 году итальянский физик Джузеппе Коккони и американский физик Филип Моррисон опубликовали статью «Поиск 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 «предоставила разумную теоретическую основу» для зарождающейся программы SETI. [8] 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 же

2 π ×1 420. 405 751 77  МГц =8.924 672 55  ГГц

Поскольку π - иррациональное число , такая частота не могла быть естественным образом образована как гармоника и явно означала бы ее искусственное происхождение. Такой сигнал не будет подавлен самой линией H I или какой-либо из ее гармоник. [9]

Предлагаемая модификация упомянутой идеи заключается в поиске на неиспользуемых в настоящее время частотах Sky или других спутниковых LNB, поскольку возможно, что при достаточном количестве синхронизированных приемников можно будет использовать методы логического вывода AI. В этом случае целевая частота будет вДиапазон 13 ГГц (13,37–13,39 ГГц ), полученный из H * pi * 3, но может оказаться полезным поиск в других неиспользуемых диапазонах в пределах переходных областей, которые обычно не используются, с печатной платой, также включающей бортовые опорные часы, полученные от Droitwich или MSF. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Большой взрыв
  • Хронология Вселенной
  • Радиопроводник Темных веков
  • H-альфа , видимая красная спектральная линия с длиной волны 6562,8 ангстрем.
  • Атом водорода
  • Спектральная серия водорода
  • Отображение интенсивности
  • Энергия фотона
  • Радиоастрономия
  • Формула Ридберга
  • Серия Бальмера
  • Точка Шеллинга
  • Спектральная линия
  • Хронология Большого взрыва

Ссылки [ править ]

  1. ^ «I» - римская цифра , поэтому произносится как «H one».
  2. ↑ Хельмут Хеллвиг; и другие. (1970). «Измерение частоты невозмущенного сверхтонкого перехода водорода» (PDF) . IEEE Transactions по приборостроению и измерениям . ИМ-19 (4).
  3. ^ Dupays, Арно; Бесвик, Альберто; Лепетит, Бруно; Риццо, Карло (август 2003 г.). «Радиус протона Земаха из измерений сверхтонкого расщепления водорода и мюонного водорода» (PDF) . Физический Обзорный . 68 (5): 052503. Arxiv : колич-фот / 0308136 . Bibcode : 2003PhRvA..68e2503D . DOI : 10.1103 / PhysRevA.68.052503 . S2CID 3957861 .  
  4. ^ "21-сантиметровая линия водорода" . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . 2004-10-30 . Проверено 20 сентября 2008 .
  5. Перейти ↑ Griffiths, DJ (1982). «Сверхтонкое расщепление в основном состоянии водорода». Американский журнал физики . 50 (8): 698–703. Bibcode : 1982AmJPh..50..698G . DOI : 10.1119 / 1.12733 .
  6. ^ Юэн, привет; Перселл, EM (сентябрь 1951 г.). «Наблюдение линии в галактическом радиоспектре». Природа . 168 (4270): 356. Bibcode : 1951Natur.168..356E . DOI : 10.1038 / 168356a0 . S2CID 27595927 . 
  7. ^ Мюллер, Калифорния; Оорт, JH (сентябрь 1951 г.). «Межзвездная линия водорода на скорости 1420 мкс / сек и оценка вращения галактики». Природа . 168 (4270): 357–358. Bibcode : 1951Natur.168..357M . DOI : 10.1038 / 168357a0 . S2CID 32329393 . 
  8. ^ Басалла, Джордж (2006). Цивилизованная жизнь во Вселенной . Издательство Оксфордского университета . С.  133–135 . ISBN 978-0-19-517181-5.
  9. ^ Маковецкий П. Смотри в корень .

Космология [ править ]

  • Madau, P .; Мейксин, А .; Рис, MJ (1997). «21-сантиметровая томография межгалактической среды при высоком красном смещении». Astrophys. Дж . 475 (2): 429–444. arXiv : astro-ph / 9608010 . Bibcode : 1997ApJ ... 475..429M . DOI : 10.1086 / 303549 . S2CID  118239661 .
  • Ciardi, B .; Мадау, П. (2003). «Исследование за пределами эпохи реионизации водорода с помощью излучения 21 сантиметр». Astrophys. Дж . 596 (1): 1–8. arXiv : astro-ph / 0303249 . Полномочный код : 2003ApJ ... 596 .... 1C . DOI : 10.1086 / 377634 . S2CID  10258589 .
  • Zaldarriaga, M .; Furlanetto, S .; Эрнквист, Л. (2004). «Колебания в 21 сантиметр космического газа при больших красных смещениях». Astrophys. Дж . 608 (2): 622–635. arXiv : astro-ph / 0311514 . Bibcode : 2004ApJ ... 608..622Z . DOI : 10.1086 / 386327 . S2CID  119439713 .
  • Furlanetto, S .; Сокасян, А .; Эрнквист, Л. (2004). «Наблюдение за эпохой реионизации через излучение 21 сантиметр». Пн. Нет. R. Astron. Soc . 347 (1): 187–195. arXiv : astro-ph / 0305065 . Bibcode : 2004MNRAS.347..187F . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2004.07187.x . S2CID  6474189 .
  • Loeb, A .; Залдарриага, М. (2004). «Измерение мелкомасштабного спектра мощности флуктуаций космической плотности с помощью 21-сантиметровой томографии до эпохи структурообразования». Phys. Rev. Lett . 92 (21): 211301. arXiv : astro-ph / 0312134 . Bibcode : 2004PhRvL..92u1301L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.92.211301 . PMID  15245272 . S2CID  30510359 .
  • Сантос, MG; Cooray, A .; Нокс, Л. (2005). «Многочастотный анализ 21-сантиметровых колебаний эпохи реионизации». Astrophys. Дж . 625 (2): 575–587. arXiv : astro-ph / 0408515 . Bibcode : 2005ApJ ... 625..575S . DOI : 10.1086 / 429857 . S2CID  15464776 .
  • Barkana, R .; Лоеб, А. (2005). «Обнаружение самых ранних галактик с помощью двух новых источников 21-сантиметровых колебаний». Astrophys. Дж . 626 (1): 1–11. arXiv : astro-ph / 0410129 . Bibcode : 2005ApJ ... 626 .... 1B . DOI : 10.1086 / 429954 . S2CID  7343629 .
  • Ван, Цзинъин; Сюй, Хайгуан; Ань, Дао; Гу, Цзюньхуа; Го, Сюэин; Ли, Вейтиан; Ван, Ю; Лю, Чэнцзе; Мартино-Юйн, Оливье; У, Сян-Пин (14 января 2013 г.). «Изучение эпохи космической реионизации в частотном пространстве: улучшенный подход к удалению переднего плана в 21-сантиметровой томографии» . Астрофизический журнал . 763 (2): 90. arXiv : 1211.6450 . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 763/2/90 . ISSN  0004-637X .

Внешние ссылки [ править ]

  • История открытия Юэном и Перселлом линии 21 см
  • Оригинальная статья Юэна и Перселла в Nature
  • ПРОШЕДШИЙ эксперимент, arXiv : astro-ph / 0404083 .
  • ЛОФАР эксперимент
  • Эксперимент Mileura Widefield Array
  • Квадратный километр Массив эксперимент