Файл: Шама Д.В. Современная космология.pdf

шение является мерой числа молекул в основном состоя­ нии по сравнению с числом молекул в первом возбуж­ денном состоянии. Отношение числа молекул в этих состояниях можно охарактеризовать температурой воз­ буждения, т. е. такой температурой, при которой моле­ кулы, находясь в нагретой среде, где имеется равнове­ сие, обладали бы такой ж е степенью возбуждения, кото­ рая получается из наблюдений. Обычно считается, что в межзвездном пространстве молекулы не находятся в тепловом равновесии со средой, а возбуждаются столк­ новениями с другими частицами или излучением, имею­ щим нетепловой спектр. Именно это и имел в виду Герцберг, когда писал, что температура возбуждения 2,3 К имеет только иллюстративное значение.

Тем не менее уже в 1941 г. было ясно, что степень возбуждения, соответствующая температуре 2,3 К, когда в верхнем вращательном состоянии находится около чет­ верти молекул, является слишком высокой, чтобы ее можно было объяснить возбуждением молекул при столкновениях с атомами водорода или с фотонами све­ та звезд. Эта аномалия оставалась в числе нерешенных проблем, хотя ее и не рекламировали широко, в течение 25 лет. Затем в 1966 г., после того как были сделаны первые измерения фонового радиоизлучения в микро­ волновом диапазоне и выдвинуто предположение, что оно имеет планковский спектр на всех длинах волн, не­

вый вращательный уровень, равна 2,6 мм, поэтому CN действует как термометр для поля излучения с такой длиной волны, удачно заполняя пробел в спектре в об­ ласти длин волн, которые не могут наблюдаться с по­ верхности Земли.

230 ГЛАВА 1-1

может находиться в среде, пронизанной ультрафиолето­ вым излучением звезд, спектры которых используются для изучения линий этой молекулы. В этом случае среда содержала бы, кроме атомов водорода, т а к ж е заметное число свободных протонов и электронов, что было бы очень существенно, так как протоны и электроны более эффективно возбуждают молекулы CN. Д е л о в том, что молекула CN имеет постоянный электрический дипольный момент, поэтому она сильнее взаимодействует с за­ ряженными частицами, такими, как протон и электрон, чем с незаряженным атомом водорода. Оказывается, что концентрация 1 протон/см3 была бы достаточна для объ­ яснения наблюдаемой степени возбуждения. Такая кон­ центрация в окрестностях звезды ÇOph была бы вполне приемлемой.

К счастью, есть хороший способ различить эти два возбуждающих механизма. Степень столкновительного возбуждения зависит от концентрации свободных прото­ нов и поэтому следует ожидать, что она существенно различна в разных областях Галактики. Напротив, воз­ буждение чернотельным излучением должно быть всюду одинаковым. В а ж н о поэтому определить степень возбуж­ дения CN в спектрах как можно большего числа звезд, расположенных в различных областях Галактики. Ре­ зультаты осуществления такой программы следующие.

да ÇOph. Клаузер разработал аппаратуру для циф­ рового суммирования слабых спектров по большому числу пластинок, сфотографированных на обсерватории

можно, что в каждом случае ощутимый вклад в возбуж­ дение вносят протоны и электроны, однако единообразие

Очень интересна т а к ж е возможность наблюдения по­ глощения молекулами CN, находящимися на втором вращательном уровне. Такие молекулы д о л ж н ы действо­

толота, Таддиуса и Клаузера позволили им оценить только верхний предел температуры излучения с длиной

Значения этих верхних пределов заставляют думать, что тот фон повышенной интенсивности в миллиметро­ вом диапазоне, который упоминался в этом разделе, не распространяется на всю Галактику, если только он не ограничен относительно узкими интервалами длин волн, которые не перекрывают относительно узкие области, включающие линии поглощения молекул. Другие наблю ­ дательные доводы против существования интенсивного потока'миллиметровых фотонов мы приведем в следую­ щей главе.

З а к л ю ч е н ие

Чернотельному излучению, если оно существует, при­ дается настолько большое значение, что необходимо рас­

из полученных свидетельств существования реликтового фона не избежало критики, но нужно согласиться, что взятые все вместе, они очень впечатляют. В этой книге при дальнейшем изложении мы будем принимать, что поле чернотельного излучения существует, одновременно признавая, что было бы весьма желательно иметь более определенное тому доказательство. Р е ш а ю щ и м и могут, вероятно, стать наблюдения в диапазоне миллиметровых

миллиметрового излучения, о которых раньше не подо­ зревали. Кроме того, чернотельное излучение могло сильно взаимодействовать с повторно нагретым межга­ лактическим газом (стр. 185), что должно сильно иска­ зить его спектр и вызвать значительную поляризацию. В ближайшем будущем мы можем ожидать многочис­ ленных исследований, направленных на решение этой проблемы.

Г Л А В А 15

А С Т Р О Ф И З И Ч Е С К И Е П Р О Я В Л Е Н И Я К О С М И Ч Е С К О Г О М И К Р О В О Л Н О В О Г О И З Л У Ч Е Н И Я

Введение

С точки зрения земной лаборатории З К — очень низ­ кая температура. Чтобы измерить ее, при наблюдениях микроволнового излучения приходится пользоваться для калибровки эталоном, погруженным в жидкий гелий. Однако с астрофизической точки зрения З К — это очень высокая температура. Универсальное поле чернотель­ ного излучения такой температуры всюду вносит в плот­ ность энергии вклад в Г эВ/см 3 . Как мы видели в гл. 2, как раз такую плотность имеют в нашей Галактике раз ­ личные виды энергии, возбуждающие межзвездную среду: свет звезд, космические лучи, магнитные поля и турбулентные газовые облака . Итак, д а ж е в Галактике космологическое фоновое излучение является во многих

В межгалактическом пространстве плотность энергии последних падает от 100 до 1000 раз, тогда как у чернотельной компоненты она продолжает оставаться 1 эВ/см 3 . Таким образом, вклад этой компоненты в плот­ ность энергии в межгалактическом пространстве должен

ного влияния поля микроволнового излучения на астро­ физические процессы, особенно если они происходят с участием частиц или излучений высоких энергий, ко­ торые могут взаимодействовать с микроволновыми