Что такое водородная линия?

Водородная линия обычно относится к радиочастотным излучениям холодного газообразного водорода в межзвездном пространстве. В нашей галактике и в других галактиках плавает огромное количество водорода. Часть этого газа нагревается соседними звездами, заставляя его излучать электромагнитное излучение в видимом спектре - другими словами, светом. Большая часть этого, однако, далека от любого источника тепла, но тем не менее его можно обнаружить благодаря тому, что он излучает электромагнитное излучение на длине волны 8,3 дюйма (21,1 сантиметра) в пределах радиодиапазона спектра. Это известно как линия 21 сантиметр, или линия водорода, и ее существование было предсказано голландским астрономом Хендриком ван де Хюлстом в 1944 году.

Согласно квантовой теории, электроны в атоме могут иметь только определенные фиксированные энергетические уровни, между которыми ничего нет. Самый низкий энергетический уровень известен как «основное состояние». Электроны могут поглощать энергию, заставляя их «прыгать» на более высокий энергетический уровень, но рано или поздно они упадут на более низкий уровень и, в конечном итоге, в основное состояние. со временем, взятым обратно пропорционально количеству избыточной энергии. Когда электрон падает на уровень, дополнительная энергия выделяется в виде электромагнитного излучения с частотой, которая соответствует разности энергий между двумя уровнями.

Частота электромагнитного излучения пропорциональна его энергии: чем больше энергия, тем выше частота. Это соотношение описывается уравнением Планка: E = hf, где E - энергия, f - частота, а h - постоянная Планка, значение которой составляет примерно 6,626 * 10 ^-34 джоул-секунд. Длина волны может быть рассчитана как просто скорость света, деленная на частоту. Таким образом, когда электрон падает с более высокого на более низкий энергетический уровень, будет излучаться электромагнитное излучение с определенной фиксированной частотой и длиной волны, связанной с разницей в энергии. Это излучение проявляется в виде узких линий на спектре излучения.

Каждый элемент имеет характерный уникальный спектр излучения, состоящий из серии линий на определенных длинах волн. Спектральный ряд водорода содержит ряд спектральных линий, четыре из которых находятся в видимой части спектра. Одна из них, красная линия, известная как H-альфа, широко используется в астрономии для обнаружения ионизированного водорода в туманностях. Эти эмиссионные линии для водорода можно рассматривать как водородные линии, но термин более обычно относится к радиоизлучению, производимому холодным водородным газом на длине волны 21 сантиметра. Это связано с другим физическим процессом. Однако применяются те же правила в отношении энергии, частоты и длины волны.

Электроны и протоны имеют квантовое свойство, известное как «спин», которое может иметь два возможных направления. Поскольку атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, он может иметь два спина в одном направлении или в разных направлениях. В первом случае атом имеет немного больше энергии и в конечном итоге переходит в состояние с более низкой энергией, когда электрон переключает свой спин. Избыточная энергия излучается в виде электромагнитного излучения, и поскольку разность энергий невелика, излучение имеет большую длину волны и низкую частоту: 21 сантиметр и 1420,4 МГц соответственно. Небольшая разность энергий также означает, что любой данный атом водорода в состоянии с одним и тем же вращением в среднем займет очень много времени - несколько миллионов лет - для перехода в состояние с противоположным вращением; однако в галактике так много холодного водорода, что в любое время достаточно атомов водорода будет излучать радиоволны длиной 21 сантиметр, чтобы их можно было обнаружить.

21 сантиметровая линия была обнаружена в 1951 году Гарольдом Эвеном и Эдвардом Перселлом. Это оказалось крайне важным в радиоастрономии. Большая часть нашей галактики скрыта от глаз большими облаками пыли, которые не пропускают свет звезд. Радиоволны, однако, не закрыты пылевыми облаками, и, поскольку в галактике имеется большое количество холодного водорода, можно наблюдать и наносить на карту галактику с использованием радиоизлучений на линии водорода. Радиоастрономия, используя водородную линию, позволила нам определить размер, форму и структуру нашей галактики.

Водородная линия также имеет большое значение для поиска внеземного интеллекта (SETI). Считается весьма вероятным, что технологически развитая цивилизация может использовать эту частоту, чтобы пытаться общаться с другими цивилизациями. Частота была использована не только для прослушивания входящих сообщений, но и для их отправки. Космические корабли Pioneer 10 и 11, которым суждено бесконечно дрейфовать через межзвездное пространство, содержат таблички, изображающие линию водорода, ее длину волны, ее частоту и физику, стоящую за ней. Это единица измерения, которую, как полагают инопланетяне, могут понять.