Мыслящая Вселенная

Рис. 2. Млечный Путь (вид нашей Галактики сверху)

лучить квант той же частоты, а значит, и энергии, которую он поглотил.

В межзвездном газе атомы находятся в возбужденном состоянии очень недолго, всего лишь ничтожную долю секунды. Поэтому большинство атомов межзвездного газа находится в основном в нейтральном, невозбужденном состоянии.

Для того чтобы атом нейтрального водорода перешел в возбужденное состояние, он должен поглотить весьма приличную порцию энергии. Это значит, что излучение, которое должен поглотить атом водорода, должно иметь высокую частоту (чем больше частота кванта, тем больше его энергия). Только в этом случае атом водорода образует линию поглощения. Но эта линия лежит в далекой ультрафиолетовой части спектра. При обычных наблюдениях эта линия в спектрах звезд не получается. По сути, далекое ультрафиолетовое излучение полностью поглощается атмосферой Земли. Для того чтобы замерить эти линии поглощения, надо подняться над атмосферой. Поднять приборы можно с помощью спутников и высотных ракет. Собственно, это и сделали исследователи.

Если атом водорода ионизован, то он и вовсе не способен поглощать излучение. Дело в том, что ионизованный атом водорода — это всего-навсего один протон. Один-единственный орбитальный электрон он потерял при ионизации. Поэтому он уже не способен возбуждаться, — нет электрона, который мог бы поглотить энергию.

Что же касается возбужденных атомов нейтрального водорода в межзвездном пространстве, то их чрезвычайно мало. В атмосферах звезд именно возбужденные атомы водорода создают линии поглощения водорода. Для того чтобы атом водорода перешел в еще более высокое возбужденное состояние, он, уже находясь в возбужденном состоянии, должен поглотить квант не очень большой энергии. Частота этого кванта должна соответствовать видимой области спектра. Именно здесь и образуются линии поглощения.

Поскольку в атмосферах звезд очень большая плотность излучения, там много возбужденных атомов. Поэтому в атмосферах звезд водород дает четко наблюдаемые линии. В межзвездном газе же водород оказался весьма трудноуловимым. Собственно, «уловили» водород не по его линиям поглощения, а по светлым (эмиссионным — излучательным) линиям. Суть таких измерений состоит в следующем. Если на определенном участке неба, куда наведен спектрограф, нет звезд, то в его поле зрения попадает только толща межзвездного вещества. Это вещество содержит как ионы водорода, так и свободные электроны. Они при столкновениях объединяются и образуют нейтральные атомы водорода. Но в каждом таком акте объединения должна быть сброшена лишняя энергия. Она и сбрасывается в виде излучения определенной частоты. Собственно излученный при этом квант должен иметь такую же частоту, какую поглотил атом при ионизации. Вновь объединенный атом водорода может находиться некоторое время в возбужденном состоянии. В основное, невозбужденное состояние он может переходить не сразу, а поэтапно. Другими словами, от избыточной энергии он избавляется не в результате излучения одного кванта, а путем поэтапного излучения нескольких квантов, но меньшей частоты. Среди этих квантов могут быть и очень низкочастотные, которые находятся в видимой части спектра. Именно эти кванты видимого света и выдают присутствие нейтрального водорода в межзвездном газе. Путем измерения этих излучательных (эмиссионных) линий удалось узнать очень многое о межзвездном водороде.

Так было установлено, что нейтральный водород является самым распространенным газом в пространстве между звездами. Число атомов нейтрального водорода примерно в тысячу раз превосходит число атомов всех остальных элементов, взятых вместе.

В самом плотном месте Галактики на каждый атом водорода приходится 2–3 кубических сантиметра. По космическим понятиям это большая плотность. Плотность всего газового вещества около плоскости Галактики составляет 5–8 10–25 г/см3. Это в основном водород, так как масса газа других элементов очень мала. Чтобы проиллюстрировать эту малость, приводят такой факт. Один обыкновенный выдох, который совершает человек, способен создать в кубе с ребром в 400 километров такую же плотность газа, что и плотность межзвездного газа.

Сам межзвездный газ распределен по всей Галактике очень неравномерно. В определенных местах он образует облака, в которых его плотность в десятки раз превышает среднюю плотность межзвездного газа. Естественно, есть и места, где межзвездный газ чрезмерно разрежен. По мере удаления от плоскости симметрии плотность звезд быстро падает. Так же быстро падает плотность межзвездного газа. Общая масса межзвездного газа в Галактике составляет примерно один-два процента от общей массы всех звезд.

Мы уже говорили о том, что часть атомов водорода ионизуется излучением. Самое интенсивное излучение создают звезды — горячие гиганты. Поэтому вокруг них водород ионизован. Ионизацию производит ультрафиолетовое излучение. У разных звезд горячих гигантов разная светимость и разная температура. Чем они больше, тем большую область вокруг звезды ионизует ее излучение. Ученые рассчитали, что при плотностях межзвездного водорода 2–0,5 атома на 1 см3 около звезды спектрального класса О, весь водород ионизован внутри сферы с радиусом 30 — 100 пс. Например, около В1 радиус зоны ионизации звезды составляет 10–30 пс, а около звезды В2 он составляет 4 — 12 пс. По мере перехода к звездам более поздних спектральных классов радиус зоны ионизации очень быстро уменьшается. Так, для звезд класса АО радиус ионизации составляет только малую долю парсека. За пределами зон ионизации практически весь водород находится в нейтральном состоянии.

Подведем итог. Весь водород в межзвездном пространстве нашей Галактики находится в двух состояниях: нейтральном и ионизованном. Зоны нейтрального водорода специалисты обозначают НI, а зоны ионизованного водорода — НII. Границы между зонами нейтрального и ионизованного водорода всегда очень резкие. Практически нет постепенного перехода от ионизованного водорода к нейтральному. Зоны ионизованного водорода могут сливаться друг с другом. Это имеет место тогда, когда звезды — горячие гиганты располагаются сравнительно близко друг к другу.

Когда ионизованный водород превращается в нейтральный водород, излучаются эмиссионные линии водорода. Они образуются при переходах атома водорода после соединения иона со свободным электроном из высоких возбужденных состояний в более низкие. Из всех наблюдаемых линий наиболее интенсивной оказывается линия Н.

Ее длина волны равна 6563 А (ангстрем). Эта линия излучения возникает при переходе атома водорода из второго возбужденного состояния в первое возбужденное состояние. Эта эмиссионная линия расположена в красной части спектра. Поэтому, чтобы обнаружить в межзвездном газе ионизованный водород, участки неба фотографируют с помощью фильтров, которые пропускают только излучение в узкой части спектра около области 6563 А. Здесь находится линия На. Такой прием позволяет выделить излучение в линии На, поскольку относительная яркость зоны НII в сравнении с другими объектами значительно повышается.

Области нейтрального водорода в нашей Галактике занимают примерно в десять раз большее пространство, чем области ионизованного водорода.

Измерения излучения нейтрального водорода в межзвездной среде позволили установить, что атомы водорода излучают и в диапазоне радиоволн (длина волны 21 сантиметр). Это низкочастотное излучение генерируется потому, что невозбужденный нейтральный водород может находиться в двух энергетически близких состояниях. Состояния эти отличаются друг от друга совпадением или несовпадением ориентации магнитных полей протона и электрона. Когда магнитные моменты этих частиц направлены в противоположные стороны, энергетический уровень атома водорода более высокий. Когда они направлены в одну сторону, энергетический уровень атома водорода более низкий. При этом переходы с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождаются излучением квантов с длиной волны, равной 21 сантиметру. Это и понятно, поскольку лишняя энергия должна быть сброшена. Это происходит то с одним атомом, то с другим. Хотя излучает радиоволны этой длины волны далеко не каждый атом водорода, тем не менее, это радиоизлучение удается регистрировать. Ясно, что его интенсивность тем больше, чем больше атомов водорода попадают в сектор наблюдения, чем больше их находится на луче зрения. Наиболее благоприятные условия реализуются в том случае, когда наблюдения ведутся в направлениях, близких к галактическому экватору. В этом случае радиоизлучение межзвездного водорода регистрируется даже при использовании радиотелескопа умеренных размеров.

Измерение нейтрального водорода в межзвездном пространстве нашей Галактики позволило установить движения вещества Галактики, в частности ее вращение. При этом используется общеизвестный эффект (эффект Доплера), заключающийся в том, что частота излучения движущегося тела изменяется в зависимости от того, удаляется ли оно от наблюдателя или же приближается к нему. Измеряя смещение частоты излучающего тела, можно не только сказать, удаляется ли оно или приближается, но и определить скорость этого смещения излучающего тела по лучу зрения. Такими измерениями можно определить не всю скорость излучающего тела, а только его радиальную составляющую. Движение излучающего тела поперек луча зрения измерением эффекта Доплера определить нельзя.

Если вести наблюдения за нейтральным водородом в разных местах Галактики, то есть если регистрировать радиоизлучение нейтрального водорода на длине волны 21 сантиметр, то можно определить его радиальные скорости. Поскольку длина волны меняется (она или больше, или меньше 21 сантиметра), то по форме этого изменения судят о радиальной скорости. Если измерения проведены для разных участков Галактики, то можно нарисовать пространственную картину движения нейтрального водорода в Галактике. Если провести комплексный анализ всех профилей эмиссионной линии 21 сантиметр (для различных направлений), то можно определить закон вращения всей массы нейтрального водорода Галактики. Рассуждая дальше, можно предположить, что нейтральный водород в Галактике вращается так же или почти так же, как вращается сама Галактика. А это уже очень важная информация. Специалисты считают, что такой метод позволяет вывести закон вращения нашей звездной системы. Другими словами, этот метод позволяет определить, как изменяется угловая скорость вращения звездной системы (Галактики) по мере удаления от ее центра к ее окраинным областям.

В результате измерений по описанному методу было установлено, что угловая скорость вращения Галактики уменьшается по мере удаления от ее центра. Это уменьшение сначала очень быстрое. Затем оно существенно замедляется. Так, на расстоянии 8 кпс от центра угловая скорость вещества Галактики равна 0",0061 в год. Это значит, что полный оборот вокруг оси симметрии Галактика совершает за 212 миллионов лет. Наше Солнце находится на удалении 10 кпс от центра Галактики. На этом расстоянии угловая скорость вращения вещества Галактики составляет 0",0047 в год. Это значит, что период обращения вещества Галактики на этом удалении от ее центра равен 275 миллионам лет. Но нам (землянам) именно этот период наиболее интересен, поскольку наша планета находится именно на таком расстоянии от центра Галактики. Поэтому-то период, равный 275 миллионам лет, и был назван галактическим годом. На самом деле, на каждом удалении от центра Галактики галактический год разный. Чем дальше от центра Галактики, тем он длиннее.