ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 131
Скачиваний: 0
поиски НЕЙТРАЛЬНОГО В О Д О Р О Д А |
173 |
пренебрежимо малую, часть. Пока еще не найдено спо соба обнаружить гелий, однако его присутствие в меж галактическом газе должно оказывать сильное влияние на скорость охлаждения последнего. С другой стороны, концентрация атомов водорода порядка Ю - 5 с м - 3 порож дает потенциально обнаружимые эффекты, и именно их мы и будем в основном рассматривать в дальнейшем .
Атомы |
нейтрального |
и |
ионизованного |
водорода |
имеют различные свойства, и целесообразно |
рассмотреть |
|||
эти два случая отдельно. В этой главе мы |
рассмотрим |
|||
нейтральный водород, а |
в |
следующей — ионизованный. |
||
Линия 21 |
см |
|
|
|
Межгалактический атомарный водород как излучал, так и поглощал бы в линии 21 см. В 1958 г. Филдс впер вые предпринял поиски поглощения. Он изучал спектр
радиоисточника Лебедь |
А — самого |
яркого внегалакти |
|||
ческого |
источника |
на |
небе — по |
соседству |
с линией |
21 см. |
Поскольку |
межгалактический водород |
поглощал |
бы только в очень узкой области длин волн, необходимо учитывать красное смещение, связанное с расширением Вселенной. Очевидно, водород вблизи нас будет погло щать на длине волны 21 см, однако поглощение водо родом около Лебедя А д о л ж н о наблюдаться на длине волны 21 (z + 1) см, где z — красное смещение Лебедя А'. На промежуточных частотах возникнет поглощение от во дорода, расположенного на луче зрения между нами и Лебедем А, и поэтому следует ожидать появления по лосы поглощения, которая тянется от 21 до 21(1 + г ) с м , - Отрицательный результат поиска такой полосы с опре деленной степенью точности д а л бы нам, конечно, верх
ний |
предел |
плотности |
межгалактического |
атомарного |
||
водорода. |
|
|
|
|
|
|
К |
идее о полосе поглощения мы вернемся в этой |
|||||
главе |
позднее |
в связи |
с другими |
процессами поглоще |
||
ния. |
Однако |
в |
одном |
отношении |
действие |
атомарного |
водорода в линии 21 см является более тонким, чем в
других |
примерах поглощения, которые встретятся н а м . |
|
Это вытекает из того факта, что разность энергий |
м е ж д у |
|
Двумя |
подуровнями сверхтонкой структуры, |
переход |
174ГЛАВА О
ме ж ду которыми ответствен за излучение в линии 21 см, очень мала (что и приводит к очень большой для атом ного излучения или поглощения длине волны) . Эта раз ность энергий составляет лишь 5-10— 6 эВ . Полезно выразить эту энергию через температуру при помощи со
отношения Е = ІіТ, где k—'Постоянная |
Больцмана . Тем |
|||
пература |
получается равной всего 0,06 К. |
Эффективная |
||
температура межгалактического поля |
излучения |
гораздо |
||
выше этого значения. Согласно последним |
измерениям |
|||
Хоуэлла |
и Шейкшафта, она составляет |
около ЗК |
(гл. 14). |
Таким образом, водород как бы погружен в горячую
ванну с очень высокой температурой, и тогда |
подавляю |
||||||||
щее большинство атомов |
водорода уж е больше не |
будет |
|||||||
находиться в нижнем из двух состояний |
(в основном со |
||||||||
стоянии) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
действительности |
в верхнем состоянии |
будет |
на |
|||||
ходиться |
почти |
столько |
ж е атомов, сколько |
и в |
ниж |
||||
н е м * ) , |
поэтому |
важную |
роль |
играет |
так называемый |
||||
процесс вынужденного излучения, что усложняет |
интер |
||||||||
претацию |
наблюдений. |
|
|
|
|
|
|
||
Вследствие |
этого глубина |
полосы |
поглощения |
не |
дает прямо концентрацию /гц атомарного водорода, как это было бы, если бы в основном состоянии находилось большинство атомов и вынужденное излучение было бы
несущественно. Вместо этого |
мы получаем величину |
пн/Т3, где Ts — так называемая |
«спиновая температура», |
которая является мерой относительного числа атомов в двух состояниях. Филду не удалось обнаружить полосу поглощения вплоть до
- ^ - < 4 - 1 0 - 7 ( с м 3 - К Г ' .
Более поздние наблюдения Филда снизили этот предел в 3 раза, а самые точные на сегодняшний день наблюде ния Пензиаса и Скотта дают
^ - < 2 , 3 - 1 0 - 8 ( с м 3 - К Г ' -
1 s
*) Для простоты мы пренебрегаем вырождением верхнего со стояния.
поиски НЕЙТРАЛЬНОГО |
ВОДОРОДА |
175 |
Д л я интерпретации этого результата |
нужно |
знать |
спиновую температуру Ts. Если бы она определялась
фоновым излучением, то Ts равнялось |
бы З К , |
и мы |
имели бы «н < 7-10~8 с м - 3 , что, очевидно, |
является |
важ |
ным результатом. Однако в Ts дает вклад ряд сложных процессов. Самый важный из них такой. Атом водорода, находясь на одном из уровней 21 см, поглощает излуче ние в линии L a (см. стр. 177). Затем атом сам излучает квант в линии La, но при этом он переходит на другой
уровень 21 см. Излучение |
в линии |
L a от галактик |
и ква |
заров привело бы, по-видимому, |
к значению Ts |
около |
|
4 К, что дает /гн < 9- Ю - 8 |
с м - 3 — почти такой ж е резуль |
тат, как и раньше. Правда, если межгалактический газ
частично ионизован, |
он должен излучать |
собственную |
|||||
линию |
La. При /г ~ |
Ю - 5 |
с м - 3 Ts |
может |
достигать |
80 К и |
|
тогда |
/ г и < 2 - Ю - 6 с м - 3 . |
Таким |
образом, |
в |
любом |
случае |
концентрация атомарного водорода, по-видимому, не сколько меньше критического значения Ю - 5 с м - 3 . Учи тывая неопределенность в значении постоянной Хаббла (а следовательно, и в значении критической плотности), которой обладают наблюдения, нет оснований совер
шенно |
отвергать модель |
Эйнштейна — де Ситтера на |
основе данных об атомарном водороде. |
||
К |
счастью, излучение |
на 21 см интерпретировать |
легче. Его интенсивность зависит от числа атомов в верхнем состоянии, которое обычно чувствительно к спи новой температуре. Однако в нашем случае спиновая температура столь высока, что, как мы видели, число возбужденных и невозбужденных атомов можно считать одинаковым. Следовательно, наблюдаемая интенсив ность излучения слабо зависит от спиновой температуры и дает нам непосредственно Пи (коль скоро спиновая
температура выше |
температуры фона |
на 21 см, которая |
||
равна |
З К ) . Из-за |
красного смещения |
излучение |
пере |
ходит |
в область волн длиннее 21 см, и поскольку |
здесь |
накладывается излучение многих других источников в непрерывном спектре, наблюдатели ищут ступеньку на длине волны 21 см, где начинается излучение м е ж г а л а к тического газа. Ступенька не обнаружена в пределах точности наблюдений, что, согласно оценке Пензиаса и Уилсона, приводит к пц < 3-10~6 с м - 3 , которая с учетом
176 ГЛАВА 9
неопределенности постоянной Хаббла едва ли позволяет исключить модель Эйнштейна — де Ситтера на основа нии данных об атомарном водороде.
П о г л о щ е н ие рентгеновских лучей
Как стало известно с 1962 г., на Землю падает при мерно изотропный поток рентгеновских лучей. Этот фон
был открыт Д ж а к к о н и , Гурски, |
Паолини |
и Росси |
в их |
||
первом ракетном эксперименте |
по |
поиску |
космического |
||
рентгеновского излучения, когда |
был открыт |
т а к ж е |
зна |
||
менитый дискретный рентгеновский |
источник |
Скорпион |
Х-1. Интенсивность фона измерена теперь на нескольких длинах волн; его спектр показан на рис. 22. Происхож дение фона в настоящий момент не известно, хотя обще принято, что большая его часть внегалактическая. П о з ж е мы коснемся некоторых из предложенных для его объяснения механизмов (стр. 237). Если самое длинно волновое рентгеновское излучение (самые низкие энер гии) приходит со всей Вселенной в целом, как это сле дует из некоторых механизмов, то возможность погло щения рентгеновских лучей межгалактическим газом становится важной.
Поглощение происходит, когда рентгеновский фотон ионизует атом водорода или гелия. Оторванный при ионизации электрон может затем снова рекомбинировать с протоном или а-частицей, образовав другой атом водо рода или гелия. Более вероятно, что при рекомбинации электрон попадет не на основной уровень, а на один из возбужденных; тогда атом перейдет в основное состоя ние, совершив много переходов между промежуточными уровнями, при каждом из которых будут излучаться фотоны меньших энергий, чем первоначальный рентге новский квант. Такой процесс представляет собой случай истинного поглощения, при котором уменьшается число фотонов первоначальной энергии. Напротив, «поглоще ние» в линии 21 см в действительности является рас
сеянием, |
поскольку |
к а ж д ы й фотон |
21 см, |
который |
по |
глотился |
атомом водорода, переизлучается |
затем на |
той |
||
ж е длине |
волны. Однако, как правило, |
переизлучение |
|||
происходит в другом |
направлении, |
и поэтому фотон |
из- - |
поиски Н Е Й Т Р А Л Ь Н О Г О В О Д О Р О Д А |
177 |
менит первоначальную траекторию. Таким образом, рас сеяние излучения в линии 21 см не существенно, если наблюдать диффузный фон, но для дискретного источ
ника, |
например Лебедь А, рассеяние за |
пределы диаг |
раммы |
направленности радиотелескопа |
даст тот ж е |
эффект, что и истинное поглощение, т. е. уменьшение интенсивности источника.
Фотон, который еще может ионизировать атом водо рода, находящийся в основном состоянии, имеет длину
волны А-о 912 А. |
Непрозрачность |
атомарного водорода |
для рентгеновских лучей с длиной волны X, меньшей Яо, |
||
пропорциональна |
(лДо) 3 . Отсюда |
ясно, что вероятность |
наблюдать поглощение будет наибольшей для самого длинноволнового рентгеновского излучения.
Спектр на рис. 22 не показывает заметных признаков поглощения вплоть до самых длинных волн, которые на блюдались (около 50 А) . Если это излучение приходит к нам от Вселенной в целом, то мы можем дать следую
щий |
верхний |
предел |
межгалактической |
концентрации |
||||||
атомов |
водорода |
и |
гелия: |
|
|
|
||||
|
|
я н < |
1 0 _ 7 |
с м " 3 , |
пНе |
< |
3 • 10 - 9 см"~ 3 |
|||
Приняв |
пне//гн ~ |
0,1 |
(гл. 13), |
мы |
можем |
сделать вывод, |
||||
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пн |
< |
3 • 10~8 см~3 - |
|
||
Это |
более низкое |
предельное |
значение, чем получаемое |
по эффектам на 21 см, однако оно зависит от произволь ного допущения, что рентгеновское излучение с длиной волны 50 А приходит от Вселенной в целом (см. стр. 187).
П о г л о щ е н ие в линии L a
Проведенное нами до сих пор рассмотрение показало, что наиболее мощным методом обнаружения поглоще ния межгалактического нейтрального водорода было бы наблюдение на такой длине волны К, которая является характерной для процесса поглощения в атоме водорода. Такое резонансное условие гарантировало бы, что по глощение максимально. Было бы т а к ж е благоприятно,