Радиолиния нейтрального водорода
В более удалённых от звёзд областях эмиссионной туманности атомы водорода уже не ионизованы. Поэтому эти области HI состоят из нейтральных атомов и ничем не выдают своего присутствия, хотя и составляют 90% всех межзвездных облаков.
Однако, как выяснилось полвека назад, холодный межзвёздный водород имеет замечательное свойство: он излучает радиоволны строго определённой длины — 21,105 см. В земной лаборатории это удивительное излучение наблюдать невозможно. Оно возникает только в условиях межзвёздного пространства.
В земных условиях можно установить, что электрон атома водорода в обычном состоянии движется по наиболее близкой к ядру орбите и одновременно «вращается» вокруг собственной оси. Атомное ядро также «вращается». Слово «вращение» здесь применяется не вполне законно. Точнее надо было бы сказать «спин» и говорить о параллельности и антипараллельности спинов ядра и электрона.
При этом существуют две возможные ориентации «оси вращения» электрона по отношению к ядру: параллельная и антипараллельная (рис. 1).
Рис. 1. Возникновение излучения межзвёздного водорода на волне 21 см
Вращение при параллельной ориентации соответствует несколько большей энергии системы. При переходе в противоположное состояние разница в энергиях выделяется в виде кванта излучения. Но вероятность таких переходов с уровня большей энергии на уровень меньшей энергии чрезвычайно мала.
Время пребывания электрона на более удалённой от ядра орбите модели Бора, которое предшествует эмиссии одного обычного кванта света, составляет около 10-8сек. Прежде чем электрон сменит ориентацию «оси вращения», проходит в среднем 10 млн. лет! Только благодаря необычайно сильному разрежению газа в облаках холодного водорода и их огромным размерам мы вообще можем обнаружить излучение на волне 21 см.
Наблюдая это радиоизлучение, мы определяем не только положение, распространение и плотность облаков, но и их движение. Другие методы наблюдения уже позволили установить, что Галактика вращается не как жёсткая система, скажем колесо, и скорость обращения v в ней падает с увеличением расстояния от центра Z.
Рис. 2 К определению расстояний до облаков межзвездного водорода
На рис. 2 схематически показаны два таких газовых облака W1 и W2, которые удалены от точки наблюдения В на различные расстояния. Так как облако W2 движется быстрее, чем W1, оно удаляется от точки В с большей скоростью.
Чтобы измерить эту скорость вдоль луча В W1 W2 , используют уже известный нам эффект Доплера.
Вследствие этого эффекта длина волны λ2 , воспринимаемая от W2, должна быть больше λ1 излучаемой W1, а эта в свою очередь больше истинной длины волны λ.
Разность частот составляет 4,74 кгц при радиальной скорости 1 км/сек. Так как соотношение между орбитальной скоростью и расстоянием до центра Галактики известно, то по измеренной разности частот можно рассчитать расстояние до газового облака.
Рис. 3. Профиль линии, образуемой тремя облаками межзвёздного водорода, лежащими одно позади другого
На рис. 3 показан типичный «профиль линии» (распределение интенсивности в полосе частот), который воспринимает направленная на небо и жёстко закреплённая антенна. Так как каждому максимуму значения соответствует определенная скорость, график указывает на существование трёх облаков межзвёздного водорода, расположенных на различных расстояниях. Таким способом можно выяснить пространственное распределение всего межзвездного вещества в системе Млечного Пути.
При этом речь идёт отнюдь не только о водороде.
Астрономы установили, что расположение облаков водорода тесно связано с группировками звезд в скопления.
Это можно сформулировать в виде правила: где много водорода, там и много звёзд. И где эти облака загораживают от наблюдателя звёзды, немедленно приходят на помощь радиоволны длины 21 см, которые позволяют косвенно судить о существовании объектов, неразличимых оптически.
Таким образом удалось настолько точно узнать пространственное распределение межзвёздного вещества в Галактике, что его стало возможным представить в виде карты. То, что раньше только подозревали, теперь надёжно доказано. Наша Галактика — это спиральная туманность, подобная крутящемуся фейерверочному колесу, при вращении которого образуются отдельные рукава.
