Межзвездный нейтральный водород

5.2. Межзвездный нейтральный водород

Атомарный водород в межзвездной среде наблюдается благодаря излучению и поглощению в линии 21 см. Эта линия образуется при переходе между подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода 1²S. Состояние расщеплено на два подуровня, описываемые квантовым, числом F = S ± I, S – спин электрона, I – спин протона; F = 0 – спины антипараллельны (нижний подуровень), F = 1 – спины параллельны. Переход F = 1 ® 0 – магнитодипольный: электрический момент атома при переходе не изменяется, изменяется лишь магнитный момент. Поэтому вероятность перехода мала. Лишь высокое обилие нейтрального атомарного водорода позволяет относительно легко наблюдать линию l = 21 см в межзвездной среде.

Распределение атомов по подуровням F = 0, 1 можно представить формулой Больцмана

,                         (5.3)

где n₁, n₀ – плотности атомов на подуровнях F = 1, 0; g₁, g₀ – статистические веса уровней, g_F = 2F + 1; точное значение частоты перехода n₁₀ = 1420405752 Гц. Величина T_s называется спиновой температурой, т.к. характеризует распределение атомов по спиновым состояниям. В случае излучения в линии l = 21 см в формулу для яркостной температуры (1.3) входит в качестве физической температуры облака именно спиновая температура.

Для частоты n₁₀ всегда выполняется условие hn₁₀ << k_BT_s, даже при T_s = 1 K. Поэтому с хорошей степенью точности можно принять: n₁ @ 3n₀, n_H @ 4n₀, n₀ @ ¼n_H.

Связь спиновой температуры с интересующей нас кинетической температурой газа можно найти из уравнения баланса

,                  (5.4)

для переходов вниз и вверх между подуровнями F = 1, 0, где n_H – полная плотность атомов водорода (см^–3); A₁₀ = 2.85×10¹⁵ с^–1 – вероятность спонтанного перехода F=1®0; коэффициенты Эйнштейна связаны между собой следующими соотношениями:

Рекомендуемые материалы

;             (5.5)

q₀₁ и q₁₀ – вероятности столкновительного возбуждения и столкновительной деактивации:

 см³с^–1.,     .                       (5.6)

Атомы водорода, сталкиваясь с частицами окружающего газа или поглощая квант с частотой n₁₀, возбуждаются на подуровень F = 1, а затем могут совершить переход (излучательный или столкновительный) на подуровень F = 0. Если плотность газа достаточно велика и столкновения происходят часто, распределение атомов по подуровням F = 1 и F = 0 определяется столкновительными процессами, и T_s ® T_кин – кинетической температуре газа. Если же столкновения редки, то T_s определяется излучательными переходами, т.е. плотностью излучения на частоте перехода 21 см r(n₁₀). Условие равенства T_s = T_кин:

                                 (5.7)

При значениях T_кин ~ 100 K и n_H > 0.1 см^–3, типичных для нейтральной межзвездной среды, это условие выполняется.

Решение уравнения переноса излучения в линии 21 см:

T_b(n) = T_s [1 – e^–t(n)].                          (5.8)

В случае малой оптической толщи во всей линии [t(n) << 1] T_b(n) = T_s t(n), и излучающий слой газа прозрачен для собственного излучения. Поэтому можно определить полное число атомов N_H на луче зрения в столбце сечением 1 см² ("столбцовую плотность" – column density). Для этого запишем выражение для коэффициента поглощения в линии в расчете на один атом водорода:

.                            (5.9)

Коэффициент поглощения в центре линии

.                                   (5.10)

Перепишем выражение для k_n в виде:

. (5.11)

Здесь M – масса атома, Dn_D – доплеровская полуширина линии,  – средняя тепловая скорость атомов. Размерность коэффициента поглощения в расчете на один атом [k₀] = см², т.е. k₀ имеет смысл сечения поглощения.

Оптическая толща на единичный интервал частот

.                          (5.12)

Подставляя численные значения параметров и учитывая, что n_H @ 4n₀, получим для столбцовой плотности в случае малой оптической глубины:

.   (5.13)

Значение последнего интеграла получается непосредственно из наблюдаемого профиля линии путем численного интегрирования по частоте.

Форма профиля линии дается функцией

,                            (5.14)

,                                                      (5.15)

,                             (5.16)

s – доплеровская полуширина по уровню e^–1. Таким образом, в масштабе оптических глубин линия всегда гауссова, а в масштабе яркостных температур профиль гауссов лишь в оптически тонком случае, когда T_b(n) = T_s t(n). Если условие t(n) << 1 не выполняется для всего профиля линии, то t(n) может быть велика в центре и мала в крыльях. Тогда профиль имеет негауссову форму: плоская вершина и гауссовы крылья. В большинстве случаев наблюдается гауссова форма профиля.

Для чисто доплеровского теплового уширения . В условиях галактического диска (при T ~ 100 K, n_H ~ 0.5 см^–3) оптическая толща в линии l = 21 см t > 1 при длине пути L > 800 пк. Но это так лишь в том случае, когда все атомы имеют одинаковую систематическую скорость относительно наблюдателя. На самом деле дифференциальное вращение Галактики "растаскивает" профиль линии по частоте и просветляет среду в линии l = 21 см. Лишь в направлениях на центр и антицентр, где систематические скорости газа (при чисто круговом галактическом вращении) направлены поперек луча зрения, может реализоваться случай t > 1.

Линии поглощения l = 21 см. Пусть облако нейтрального водорода наблюдается в направлении на источник непрерывного спектра, который имеет на частоте линии яркостную температуру T₀. Тогда, согласно решению уравнения переноса (1.9), яркостная температура излучения на частоте линии

T_b(n) = T₀ exp[–t(n)] + T_s {1 – exp[–t(n)]}.            (5.17)

Разность яркостных температур в линии и в соседнем участке непрерывного спектра фонового радиоисточника

DT_b(n) = (T_s – T₀){1 – exp[–t(n)]}.               (5.18)

Множитель в фигурных скобках всегда заключен в пределах:

0 < 1 – exp[–t(n)] < 1.                                                          (5.19)

Таким образом, знак "добавки" DT_b(n), создаваемой к непрерывному спектру наличием линии, определяется знаком разности (T_s – T₀). При T_s > T₀ (водород в облаке "горячее" фона) получим линию излучения на фоне континуума; при T_s < T₀ (водород "холоднее" фона) – линию поглощения. Особенно удобно наблюдать в поглощении холодные облака (собственное излучение которых мало из-за низкой величины T_s) на фоне ярких нетепловых фоновых радиоисточников, так как в этом случае образуется глубокая линия поглощения с большим перепадом температур DT_b.

Если угловой размер облака больше углового размера фонового радиоисточника, можно сравнить профили линии поглощения 21 см в направлении на фоновый источник и линии собственного излучения облака в смещенной точке, вне источника континуума. В принципе линия поглощения должна быть зеркальным отражением линии излучения. На практике это никогда не наблюдается.

Обзоры в линии 21 см. Первый обзор в линии 21 см был выполнен в 1954–1957 гг. в Лейденской обсерватории (Нидерланды). Затем в 1960-е гг. последовали обзоры Мэриленд–Грин Бэнк (США) и, для южного неба, Паркс (Австралия).

Распределение по небу столбцовой плотности нейтрального водорода.  Видна резкая концентрация газа к галактической плоскости.

При обработке профилей линии, измеренных в разных направлениях на небе, необходимо в первую очередь установить на профилях шкалу лучевых скоростей. Из наблюдаемых лучевых скоростей, обусловленных эффектом Доплера , необходимо исключить следующие составляющие:

1) 1) движение Солнца к апексу (приведение к Местному Стандарту Покоя – Local Standard of Rest, LSR) – максимально 19.5 км/с;

2) 2) орбитальное движение Земли – до 30 км/с;

3) 3) суточное вращение Земли –до 0.465 км/с;

4) 4) движение вокруг барицентра Земля–Луна – до 0.029 км/с.

Профиль линии определяется следующими факторами:

а) тепловое движение атомов;

б) хаотические движения облаков как целого и газа внутри облаков;

в) дифференциальное вращение Галактики;

г) систематические отклонения от кругового движения.

В предположении о чисто круговых движениях газа в Галактике (модель галактического вращения Шмидта) связь между лучевой скоростью V_r и положением излучающего элемента газа дается формулами Оорта (см. рис. 5.4):

,               (5.20)

.                         (5.21)

Здесь R₀ – расстояние от центра Галактики до Солнца, R – расстояние от центра Галактики до элемента газа, r – расстояние от Солнца до элемента, l, b – галактические координаты элемента, w(R, z) – угловая скорость движения газа, функция, описывающая кривую вращения Галактики. Во второй формуле знак "плюс" берется для интервала долгот l = 270°–360° ® 0°–90°, знак "минус" – для l = 90°–270°. Положим l = const, z = 0 (т.е. b = 0). Тогда из формул Оорта можно получить

.                               (5.22)

– формулу, выражающую градиент лучевой скорости вдоль луча зрения.

Рис. 5.4. К выводу формул Оорта.

Формулы (5.20)–(5.22) связывают наблюдаемые параметры (галактические координаты, лучевая скорость) с расстоянием до объекта и с кривой вращения Галактики. Это позволяет по измеренной V_r оценить расстояние r от Солнца до объекта. Расстояние, найденное таким способом, называется кинематическим расстоянием. Для объектов, не имеющих оптических отождествлений, это в большинстве случаев единственный способ определения расстояния.

Применение формул (5.20)–(5.22) в принципе дает возможность найти распределение нейтрального водорода. Осложнение с двойственностью расстояний во внутренней области Галактики можно разрешить, наблюдая точки с некоторым смещением по b: более удаленные области имеют меньшую протяженность по широте.

Рис. 5.5. Профиль линии 21 см в направлении галактической долготы l = 110°.

Еще одна трудность: для определения расстояний необходимо знать кривую вращения w(R), которая заранее не известна. Преодолевается это для внутренней области Галактики так. Для любого направления l имеется так называемая тангенциальная точка, где луч зрения проходит по касательной к линии равных лучевых скоростей V_r. В тангенциальной точке наблюдается максимальное значение V_rmax, и бóльших значений V_r на той же l быть не должно. Скорость V_rmax должна быть скоростью обрыва профиля линии 21 см. Построив зависимость V_rmax(l), можно проследить кривую вращения w(R). На самом деле трудность устраняется лишь частично. Наблюдаемые профили обычно не показывают крутого спада к краю (V_rmax) из-за наличия у облаков водорода пекулярных скоростей (до 10 км/с), а также из-за некруговых составляющих скорости.

В пределах Dl = ±15° от направлений на центр (l = 0°) и антицентр (l = 180°) скорости чисто кругового движения направлены перпендикулярно лучу зрения, и теоретически весь газ должен иметь V_r = 0. По этой причине кинематический метод определения расстояний не работает в данном секторе Галактики. Все скорости, наблюдаемые в этих направлениях, относятся только к пекулярным движениям газа.

Связав лучевую скорость и расстояние до излучающего элемента газа, можно по отдельным пикам в профиле линии 21 см найти распределение n_H(r), в частности, по локальным максимумам n_H(r) выделить газовые рукава Галактики. Тем самым, можно найти распределение полной массы в Галактике (включая звезды) и распределение гравитационного потенциала (поскольку нейтральный водород – индикатор потенциала).

Рис. 5.6. Кривая вращения Галактики.

На рис. 5.6 представлена кривая вращения Галактики [линейная скорость орбитального движения V(R), V(R) = w(R)R], найденная по обзорам в линии 21 см. Для чисто кругового (кеплеровского) движения , где M(R) – полная масса вещества Галактики, заключенная внутри круга радиусом R. Следовательно, кривая вращения непосредственно описывает распределение массы в Галактике. Согласно последним данным обзоров в линии молекулы CO, функция V(R) остается неубывающей до расстояний R ~ 18 кпк, что может указывать на присутствие значительной скрытой массы в Галактике.

Рис. 5.7. Карта галактической плоскости [McGee R.X. et al., Austral. J. Phys., 1967, 20, 407]. Сплошные линии – кривые равных лучевых скоростей в Галактике (в модели круговых движений Шмидта). Точечные кривые – спиральные рукава, выделенные по наблюдениям в линии 21 см. Кружки – положения ярких источников мазерного излучения в линиях OH 18 см (§6.1). Квадраты и прямоугольники – области поглощения в линиях OH (§5.5).

Расстояние Солнца от центра Галактики R₀ в первых обзорах в линии 21 см было найдено равным 8.2 кпк. С тех пор величина R₀ неоднократно пересматривалась в пределах от 6 до 10 кпк. В последние годы с применением независимых методов определения расстояния по мазерным источникам линий OH и H₂O (см. §6.1) удалось уточнить величину R₀, и сейчас общепринятым значением является R₀ = 7.1 ± 1.5 кпк (т.е. достаточно близко к самым ранним определениям).

Полная масса нейтрального водорода в Галактике ~1.4×10⁹M¤, или ~2% от общей массы Галактики.

Ширина спиральных рукавов ~400 пк. Толщина водородного диска по половинной плотности меняется в пределах от 0.5 кпк во внутренней части Галактики до 2 кпк во внешней.

Отклонение от модели кругового вращения Шмидта в Галактике – скорее правило, чем исключение. Некруговые движения получают естественное объяснение в теории волновой структуры, которая трактует спиральные рукава как волны плотности в галактическом диске (модель Лина и Шу). Следствие этой модели – наличие потоков газа вдоль краев спиральных ветвей, что и наблюдается в виде размытия края профиля 21 см вблизи скорости в тангенциальной точке V_rmax.

Рис. 5.8. Распределение нейтрального водорода в плоскости Галактики по данным Лейденского обзора в линии 21 см.

Физические характеристики межзвездной среды, определяемые по излучению 21 см. Средняя температура облаков нейтрального водорода T_s ~ 125 K. Однако исследования линий поглощения HI конца 1960–начала 1970-х гг. привели к пересмотру T_s нейтрального водорода и вообще пересмотру взглядов на структуру межзвездной среды. Выше упоминалось о наблюдениях линий 21 см в близких направлениях: на фоне источников радиоконтинуума в поглощении и рядом, на "чистом небе", в излучении. Пусть T_b – яркостная температура на частоте линии в направлении на фоновой радиоисточник, T_b¢ – яркостная температура на частоте линии в точке неба рядом с фоновым источником, T₀ – температура в континууме источника на частоте рядом с линией. Тогда на фоне континуума источника наблюдается линия поглощения глубиной

DT = T_b – T₀= (T_s – T₀){1 – exp[–t(n)]}.(5.23)

В то же время в соседней точке неба, свободной от радиоконтинуума, наблюдается эмиссионная линия:

T_b¢ = T_s{1 – exp[–t(n)]},                   (5.24)

т.е. профили излучения и поглощения должны быть зеркально симметричны. Зачастую это не выполняться. Раньше объясняли этот факт тем, что излучение и поглощение происходят в разных облаках газа. Однако различие можно объяснить также вариациями T_s в межзвездной среде. На практике встречаются два варианта:

1) эмиссия рядом с источником слабая, но поглощение в направлении на источник сильное, t >> 1; как видно из формулы, в этом случае T_s = T_b ® T_s < 125 K (до 30 K);

2) слабое поглощение (t ~ 0.03), но эмиссия рядом с источником неожиданно сильная; при t << 1  K; таким образом были обнаружены области с T_s ³ 1000 K.

По современным представлениям, атомарный водород в Галактике существует в форме плотных (n_H ~ 1–4 см^–3) холодных (T ~ 80–150 K) облаков. В промежутках между облаками газ имеет T ~ 5000–6000 K и n_H ~ 0.1 см^–3, нагрев производится мягкими космическими лучами. При этом плотные и холодные облака по давлению находятся в равновесии с горячим межоблачным газом. Облака и межоблачная среда – два фазовых состояния нейтрального водорода. Возможен фазовый переход – испарение облаков, и наоборот – конденсация облаков из горячей межоблачной среды.

Проводились работы по поиску корреляции излучения 21 см с пылью и с излучением в линии молекулы CO. По-видимому, есть антикорреляция: в наиболее плотных облаках водород может быть в молекулярной форме.

Высокоскоростные облака HI. Имеют большие отрицательные V_r (до –200 км/с), наблюдаются на высоких галактических широтах. Вероятнее всего, облака находятся в гало Галактики. Возможная интерпретация: межгалактический водород, падающий на плоскость Галактики, или газ, выброшенный из ядра Галактики и теперь падающий на ее плоскость.

Другие атомарные линии сверхтонкой структуры. Аналоги линии 21 см имеются у некоторых атомов, ядра которых обладают ненулевым спиновым моментом. Кроме водорода, таким свойством обладают атомы изотопов водорода ²H – дейтерий (D) и ³H – тритий (T). Линии сверхтонкой структуры в основном состоянии некоторых распространенных изотопов приведены в таблице 4 (I – спин ядра, F_l и F_u – квантовые числа соответственно нижнего и верхнего подуровней перехода). За исключением линии 1420.4 МГц основного изотопа водорода, ни одна из перечисленных линий не была достоверно обнаружена в астрофизических источниках.

Таблица 4

Переходы сверхтонкой структуры некоторых изотопов