Neutral brint radioforbindelse

Neutral brintradiolinje , også 21 cm - linjen eller HI-linjen  er den forbudte linje (i betydningen den elektriske dipoltilnærmelse) af neutralt atomart brint . Den vigtigste radioforbindelse i radioastronomi , der giver information om fordelingen af ​​neutral brint og bevægelsen af ​​dens skyer. Det bruges også til at søge efter udenjordiske civilisationer.

Strålingsmekanisme

Den forbudte linje af neutralt brint skyldes vekselvirkningen mellem elektronens og protonens magnetiske momenter i brintatomet . Energien af ​​et brintatom med et parallelt arrangement af de magnetiske momenter af en elektron og en proton er noget større end med et antiparallelt, derfor med en spontan ændring i orienteringen af ​​elektronens magnetiske moment til det modsatte, atom udsender et kvantum af elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på 21,1 cm (frekvens 1420,40575 MHz ) [1] . Parallelt med strålingen fra radiolinjen sker den omvendte proces også - exciteringen af ​​brintatomer ved elektromagnetiske kvanter med højere energier, for eksempel optiske, eller ved kollisionshandlinger af atomer. Derfor etableres der i interstellært atomart brint en dynamisk ligevægt mellem radiokvanters strålingshandlinger og atomers excitation ved optiske kvanter og kollisioner.

En sådan spontan overgang - levetiden for en exciteret tilstand i hvert enkelt atom forekommer ekstremt sjældent - i gennemsnit en gang hvert 11. million år ( 1 km³ brint ved en tæthed på 1 atom/cm³ udsender kun 3 fotoner pr. sekund), og energien af hvert kvante er ekstremt lille på grund af lav frekvens ( h ν  ≈ 0,941171⋅10 −24  J , eller 5,87433 μ eV ), så intensiteten af ​​radioemission fra det interstellare medium pr. volumenenhed er ubetydelig [1] . For eksempel overstiger strålingseffekten af ​​alt neutralt brint i solsystemet inden for Plutos kredsløb ikke 100 watt . Men på en galaktisk skala bliver radioemissionseffekten af ​​neutral brint mærkbar (for eksempel er emissionseffekten af ​​alt neutralt brint i vores galakse titusinder gange større end Solens lysstyrke ), hvilket gør det muligt at detektere det ved galaktiske afstande [1] [2] .

Ansøgning

Radioastronomi

Den neutrale brintlinje er den vigtigste inden for radioastronomi . Mere end halvdelen af ​​massen af ​​interstellart stof er neutralt brint. Det kan kun undersøges ved stråling i 21 cm -linjen , da det ikke viser sig på anden måde. Derfor giver observationer af stråling med en bølgelængde på 21 cm meget værdifuld, ofte unik, information om fordelingen af ​​neutral brint i det ydre rum [1] .

Den grundlæggende mulighed for emission af en 21 cm radiolinje fra interstellar brint blev vist i 1945 af H. K. van de Hulst . I 1948 beregnede den sovjetiske astrofysiker I. S. Shklovsky den forventede intensitet af interstellar brintstråling og viste, at det var tilstrækkeligt til, at den kunne detekteres ved radioastronomimetoder. I 1951 blev den neutrale brintradiolinje eksperimentelt opdaget næsten samtidigt af G. Yuen og E. Purcell i USA og af K. Müller og J. Oort i Holland [1] [2] .

Vores galakse

Undersøgelsen af ​​strålingen af ​​neutral brint gjorde det muligt at opnå information om strukturen af ​​galaksen : det viste sig, at det meste af det neutrale brint er koncentreret i et meget tyndt (sammenlignet med diameteren) lag omkring 220  parsec tykt i flyet af galaksen. I fordelingen af ​​brint skelnes der tydeligt spiralarme , som kan spores til store afstande [1] [2] .

Ekstragalaktiske objekter

Der blev foretaget observationer af strålingen fra den 21 cm lange radiolinje, ikke kun fra vores egen, men også fra andre galakser, hvilket gjorde det muligt at fastslå forholdet mellem massen af ​​neutralt brint og den samlede masse af galaksen, afhængigt af dens type . Ved hjælp af sådanne data blev rotationskurver for galakser også opnået [1] .

Måling af Doppler-forskydningen gør det muligt at måle hastigheden af ​​neutrale brintskyer i forhold til Jorden, herunder rødforskydningen af ​​fjerne galakser. I dette tilfælde blev der fundet en god korrelation med rødforskydningen af ​​optiske linjer [1] .

Søg efter udenjordiske civilisationer

Bølgelængden på 21 cm , som den mest almindelige i universet, blev valgt som den fungerende for søgningen efter udenjordiske civilisationer under SETI -programmet .

Kvantefrekvensstandarder

Baseret på den neutrale brintradioforbindelse er der udviklet såkaldte aktive kvantefrekvensstandarder . For at skabe en tilstrækkelig intensitet af 21 cm -linjen under terrestriske forhold anvendes stimuleret emission af fotoner fra brintatomer i en brintgenerator. Linjebredden i den er kun 1 Hz , så kvantefrekvensstandarden, der fungerer på brintradiolinjen, har en høj nøjagtighed. Især inden for radioastronomi bruges denne standard, som den mest stabile, som en lokaloscillator i radiointerferometrisystemer med meget lange baser [1] .

Kilde

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hydrogen radioforbindelse . Encyclopedia of Physics and Engineering . Hentet 9. februar 2021. Arkiveret fra originalen 5. februar 2020.
  2. ↑ 1 2 3 Postnov K. A. Forelæsninger over almen astrofysik for fysikere. 4.2 Neutral brint radioforbindelse 21 cm . Astronet (2001). Hentet 13. februar 2021. Arkiveret fra originalen 1. oktober 2020.

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier