Водородная линия - Hydrogen line

Для линий водорода в целом см. Спектральная серия водорода.

21-сантиметровая линия водорода

В водородная линия, 21-сантиметровая линия или же H I линия[1] это электромагнитное излучение спектральная линия который создается изменением энергетического состояния нейтрального атомы водорода. Это электромагнитное излучение имеет точную частоту 1,420,405,751.7667±0.0009 Гц,[2][3] что эквивалентно длина волны вакуума из 21.1061140542 см в свободное место. Эта длина волны находится в пределах микроволновая печь регион электромагнитный спектр, и это часто наблюдается в радиоастрономия потому что те радиоволны может проникать в большие облака межзвездного космическая пыль которые непрозрачный к видимый свет. Эта линия также является теоретической основой водородный мазер.

Микроволны водородной линии возникают из-за атомного перехода электрона между двумя сверхтонкие уровни водорода 1 s основное состояние которые имеют разность энергий ≈ 5.87433 μэВ [9,411 708 x 10−25 J].[4] Это называется спин-флип переход. Частота, ν, из кванты которые испускаются этим переходом между двумя различными уровнями энергии, задаются Соотношение Планка – Эйнштейна E = hν. В соответствии с этим соотношением энергия фотона из 1,420,405,751,7667 Гц фотон составляет ≈ 5,87433 мкэВ [9,411 708 x 10−25 J]. В константа пропорциональности, час, известен как Постоянная Планка.

Причина

Дальнейшая информация: Сверхтонкая структура

Основное состояние нейтрального водорода состоит из электрон привязан к протон. И у электрона, и у протона есть собственные магнитные дипольные моменты, приписываемые их вращение, взаимодействие которого 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 действительно будет иметь более низкая энергия точно 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 энергий 5.87433 мкэВ что при применении в уравнении Планка дает:

куда час постоянная Планка и c это скорость света.

Этот переход очень запрещенный с чрезвычайно малой скоростью перехода 2.9×10−15 s−1, и среднее время жизни возбужденного состояния около 10 миллионов лет. Самопроизвольное возникновение перехода маловероятно увидеть в лаборатории на Земле, но его можно вызвать искусственно с помощью водородный мазер. Это обычно наблюдается в астрономических условиях, таких как водородные облака в нашей галактике и других. Благодаря долгому сроку службы леска имеет чрезвычайно маленькую естественную ширину, поэтому наибольшее уширение происходит из-за Доплеровские сдвиги вызванные объемным движением или ненулевой температурой излучающих областей.

Открытие

В 1930-х годах было замечено, что было радио «шипение», которое варьировалось в зависимости от суточного цикла и, по-видимому, было внеземным по происхождению. После первоначальных предположений, что это произошло из-за Солнца, было замечено, что радиоволны, казалось, распространяются от центр Галактики. Эти открытия были опубликованы в 1940 г. и были отмечены Ян Оорт кто знал, что в астрономии можно было бы добиться значительных успехов, если бы эмиссионные линии в радиочасти спектра. Он сослался на это Хендрик ван де Хюльст который в 1944 году предсказал, что нейтральный водород может производить излучение в частота из 1420.4058 МГц из-за двух близко расположенных уровней энергии в основное состояние из атом водорода.

Линия 21 см (1420,4 МГц) была впервые обнаружена в 1951 г. Юэн и Перселл в Гарвардский университет,[6] и опубликованы после того, как их данные были подтверждены голландскими астрономами Мюллером и Оорт,[7] и Кристиансеном и Хиндманом в Австралии. После 1952 г. были составлены первые карты нейтрального водорода в Галактике, на которых впервые была обнаружена спиральная структура Млечный Путь.

Использует

В радиоастрономии

Спектральная линия 21 см появляется внутри радиоспектр (в L группа из Диапазон УВЧ из микроволновое окно если 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. В кривая вращения нашей галактики был рассчитан с использованием 21 см водородная линия. 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, чтобы ограничить любые изменения во времени вселенной. гравитационная постоянная и изучить динамику отдельных галактик.

В космологии

Линия представляет большой интерес в Большой взрыв космологии, потому что это единственный известный способ исследовать "темные века" с рекомбинация к реионизация. В том числе красное смещение, эта линия будет наблюдаться на частотах от 200 МГц до примерно 9 МГц на Земле. У него потенциально есть два приложения. Во-первых, отображение интенсивности 21-сантиметрового излучения с красным смещением, он, в принципе, может дать очень точное изображение спектр мощности вещества в период после рекомбинации. Во-вторых, он может дать представление о том, 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 затруднены помехами от телевизионных передатчиков и ионосфера, поэтому они должны быть сделаны в очень уединенных местах с осторожностью, чтобы исключить помехи. Чтобы компенсировать это, были предложены космические эксперименты, даже на обратной стороне Луны (где они были бы защищены от помех от наземных радиосигналов). Мало что известно о других эффектах, таких как синхротронное излучение и свободный – свободный выброс по 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 после космический микроволновый фон поляризация.

Актуальность для поиска не относящейся к человеку разумной жизни

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

В Пионерская доска, прикрепленный к Пионер 10 и Пионер 11 космический корабль, изображает сверхтонкий переход нейтрального водорода и использовал длину волны в качестве стандартной шкалы измерения. Например, рост женщины на изображении отображается как восемь раз по 21 см, или 168 см. Точно так же частота перехода водорода с переворотом спина использовалась для единицы времени на карте Земли, включенной на табличках Pioneer, а также Вояджер 1 и Вояджер 2 зонды. На этой карте положение Солнца показано относительно 14 пульсары 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 для определения местоположения Солнечная система во время запуска космического корабля.

Линия водорода 21 см считается благоприятной частотой SETI программы в поисках сигналов от потенциальных внеземных цивилизаций. В 1959 г. итальянский физик Джузеппе Коккони и американский физик Филип Моррисон опубликовал "Searching for Interstellar Communications", статью, в которой предлагал линию водорода 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] По аналогии, Петр Маковецкий предлагаемый SETI использовать частоту, которая равна либо

0π × 1420.40575177 МГц = 4.46233627 ГГц

или же

2π × 1420.40575177 МГц = 8.92467255 ГГц

С π является иррациональный номер, такая частота не могла быть произведена естественным путем в качестве гармонический, и явно означало бы его 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 в 13 ГГц группа (13,37–13,39 ГГц), полученный из H * pi * 3, но может быть полезным поиск других неиспользуемых диапазонов в переходных областях, которые обычно не используются, с PCB также включает встроенные опорные часы, полученные от Droitwich или MSF.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Я» - это римская цифра, поэтому произносится как "H one".
  2. ^ Хельмут Хельвиг; и другие. (1970). «Измерение частоты невозмущенного сверхтонкого перехода водорода» (PDF). Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям. ИМ-19 (4).
  3. ^ Дюпаи, Арно; Бесвик, Альберто; Лепетит, Бруно; Риццо, Карло (август 2003 г.). «Радиус протона Земаха по измерениям сверхтонкого расщепления водорода и мюонного водорода» (PDF). Физический обзор A. 68 (5): 052503. arXiv:Quant-ph / 0308136. Bibcode:2003PhRvA..68e2503D. Дои:10.1103 / PhysRevA.68.052503. S2CID  3957861.
  4. ^ «Линия водорода 21 см». Гиперфизика. Государственный университет Джорджии. 2004-10-30. Получено 2008-09-20.
  5. ^ Гриффитс, Д. Дж. (1982). «Сверхтонкое расщепление в основном состоянии водорода». Американский журнал физики. 50 (8): 698–703. Bibcode:1982AmJPh..50..698G. Дои:10.1119/1.12733.
  6. ^ Ewen, H.I .; Перселл, Э. (Сентябрь 1951 г.). «Наблюдение линии в галактическом радиоспектре». Природа. 168 (4270): 356. Bibcode:1951Натура.168..356E. Дои:10.1038 / 168356a0. S2CID  27595927.
  7. ^ Muller, C.A .; Оорт, Дж. Х. (сентябрь 1951 г.). «Межзвездная линия водорода на скорости 1420 Мс / сек и оценка вращения Галактики». Природа. 168 (4270): 357–358. Bibcode:1951Натура.168..357М. Дои:10.1038 / 168357a0. S2CID  32329393.
  8. ^ Басалла, Джордж (2006). Цивилизованная жизнь во Вселенной. Oxford University Press. стр.133–135. ISBN  978-0-19-517181-5.
  9. ^ Маковецкий, П. "Смотри в корень" (на русском).

Космология

внешняя ссылка