Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

случае, каждый спин протона и электрона может рассматриваться как ориентированный вверх или вниз, так что легко представить себе группу атомов водорода, где и протон, и электрон имеют свои спины в одном и том же направлении (параллельно) или где спины ориентированы в противоположных направлениях (антипараллельно). Оказывается, что квантовое состояние, в котором спины параллельны, отличается немного бо́льшим количеством энергии, чем состояние, в котором они антипараллельны. Квантовая система ленива: ей нравится находиться в состоянии с наименьшей возможной энергией, – поэтому существует механизм, с помощью которого эти атомы с параллельными спинами могут «перевернуть» электрон так, чтобы его спин указывал в направлении, противоположном вращению протона. Это называется сверхтонким расщеплением, потому что разница в энергии между параллельным и антипараллельным состояниями ничтожна по сравнению с общей энергией основного состояния атома водорода.

Энергия, которую система теряет в этом переходе, должна куда-то уходить, поэтому при каждом перевороте спина высвобождается фотон с очень специфической энергией, равняющейся точной разнице в энергии между параллельным и антипараллельным состояниями, которая соответствует электромагнитному излучению – фотону – с длиной волны точно 21 см. Как следствие, нейтральный атомарный водород также может поглощать излучение с длиной волны 21 см, где энергия поглощается атомом и «сохраняется» при выравнивании спинов электрона и протона.

Также сверхтонкое расщепление зовут «запрещенным» переходом, потому что для любого одного атома вероятность того, что оно произойдет при нормальных условиях, крайне мала. На самом деле она настолько мала, что если бы вы наблюдали за одним атомом водорода, выровненным в параллельном состоянии, и ждали, пока он совершит сверхтонкий переход, то это заняло бы у вас в среднем 10 млн лет. А если бы вы наблюдали за 10 млн атомов, то смогли бы увидеть в среднем только один перешедший фотон в год. Это все еще не очень хороший показатель. Однако в астрофизических сценариях мы можем использовать атомный «краудсорсинг»: в астрофизическом облаке газа так много нейтральных атомов водорода, что оно дает действительно яркое радиоизлучение, ведь в любой момент времени огромное количество фотонов с длиной волны в 21 см испускается при помощи сверхтонкого перехода. Я нахожу это вероятностное квантово-механическое высвобождение фотона из одного атома удивительным: оно невозможно на Земле, но стоит поместить его на сцену астрофизического театра – как перед нами разворачивается одно из самых важных наблюдений нашей и других галактик. Радиотелескопы с детекторами, которые можно настроить для обнаружения частоты 1,4 ГГц, могут находить атомный водород в нашей и других близлежащих галактиках.

Опять же, как и при измерениях окиси углерода, обнаружение атомарного водорода на расстояниях, намного удаленных от Местной группы, затруднено. Как и все электромагнитное излучение, испускаемое источником, движущимся относительно нас, линия в 21 см подвержена красному смещению, которое растягивает длину волны на бо́льшую длину и эквивалентно снижает частоту. Частота 1,4 ГГц уже достаточно низка. Сделайте ее еще ниже – и она перейдет в ту часть радиочастотного диапазона, которую довольно сложно обнаружить. К тому же, уходя ниже 1 ГГц, мы попадаем в радиодиапазоны, используемые для телевидения и радио, а также для связи.

Эта искусственная радиочастотная интерференция затмевает космические сигналы, делая астрономические наблюдения практически невозможными на частотах, которые совпадают с этими диапазонами. Радиотелескопы, которые работают на частотах, близких к тем, что используются для связи, должны быть размещены в местах, удаленных от наземных радиоисточников (например, в отдаленной части Западной Австралии), что позволит минимизировать искусственную радиочастотную интерференцию. Ионосфера Земли также влияет на прохождение радиочастот ниже 1 ГГц – аналогично тому, как оптический свет изгибается и преломляется стаканом воды, – и скорректировать это влияние сложно. Существует множество других технических причин, делающих низкочастотную радиоастрономию столь непростой задачей, но сегодня многие из этих проблем решаются созданием больших антенных решеток в сочетании с мощнейшими компьютерами, способными справиться с безумно сложным уровнем обработки сигналов, что необходимо для дистилляции астрономических сигналов в радиочасти спектра.

Одной из таких антенных систем является LOFAR (от англ. LOw Frequency ARray – Низкочастотная [антенная] решетка) – радиоинтерферометр, который разрабатывается нидерландским институтом ASTRON (от нидерл. ASTRonomisch Onderzoek in Nederland – Астрономические исследования в Нидерландах) и будет использоваться радиообсерваторией ASTRON. Этот проект предполагает создание интерферометрической решетки из радиотелескопов, распределенной по Европе. LOFAR – комплекс, состоящий из тысяч достаточно недорошлстоящих антенн, расположенных в100-километровом регионе Нидерландов, а также на станциях в разных частях Европы, удаленных от Нидерландов на расстояние до 1500 км: в Швеции, Германии, Великобритании и Франции. Этот комплекс предназначен для обнаружения радиочастот от 10 до 250 МГц и подходит для исследования того, чему дали имя «низкочастотная Вселенная». Что отличает LOFAR от традиционных телескопов? Его антенны всенаправленны: они могут регистрировать все небо одновременно. Затем, чтобы наблюдать определенную точку на небе, собираются сигналы от всех антенн и передаются суперкомпьютеру для определения апертуры. Несмотря на то, что для приема сигналов по-прежнему используются антенны, LOFAR, по сути, – цифровой телескоп, создание которого стало возможно только благодаря современным вычислениям, мощность и изощренность (и доступность) которых со временем будут только расти.

Изображение нейтрального атомарного газообразного водорода (HI) на карте галактики NGC 628 получено в ходе серии наблюдений проекта «Обзор ближайшей галактики» (англ. The HI Nearby Galaxy Survey, THINGS). Этот газ испускает радиоволны на специфической частоте 1,4 ГГц: настроив на нее радиотелескопы, можно составить карту «обитания» нейтрального атомарного газа в галактиках. Этот снимок объединяет ультрафиолетовое и инфракрасное излучение (розовое и фиолетовое соответственно) с радиоизображением, фиксирующим газовые области HI (синее). Наблюдения атомарного газа расширяют спиральную структуру далеко за пределы звездного диска, поэтому они могут использоваться для исследования окраин богатых газом галактик и поиска материала, который может стать топливом для звездообразования, при условии, что он способен коллапсировать в плотные облака, которые подойдут для образования молекулярного водорода (то есть два атома водорода должны быть связаны друг с другом) и последующего формирования звезды

Это изображение спиральной галактики M83 объединяет в себе наблюдения УФ-излучения молодых массивных звезд (сине-розовая спираль), выполненные орбитальным телескопом GALEX, и радионаблюдения излучения нейтрального газообразного водорода (красные области). Обратите внимание, что нейтральный водород простирается далеко за пределы главной звездной структуры и частично прослеживается скоплениями голубых звезд – сигнатурами звездообразования в расширившихся газовых рукавах диска.Нейтральный атомарный водород является строительным материалом галактик и может быть использован для отслеживания внешней галактической среды, где мало звезд

Как и ALMA, LOFAR – фантастически мощный инновационный телескоп, который поможет совершить революцию в астрономии XXI века. Одна из его задач – обнаружение 21-сантиметровой линии нейтрального атомарного водорода в области той