Взаимодействие молекулярных облаков в Галактике с реликтовым излучением
Мы видели, что все вещество во Вселенной погружено в реликтовое излучение. При этом реликтовое излучение практически не взаимодействует с веществом, что и обусловливает большую степень однородности и изотропии реликтового излучения. Однако существуют такие формы вещества, которые могут сильно взаимодействовать с реликтовым излучением. Это в первую очередь относится к молекулам, находящимся внутри облаков межзвездного газа. Взаимодействие таких молекул с реликтовым излучением осуществляется за счет возбуждений и рекомбинаций вращательных энергетических уровней молекул. На рис. 13 представлены схематически основной (нижний) с индексом (0), первый (1) и второй (2) энергетические уровни молекул. Под действием излучения молекула переходит с основного энергетического уровня на первый, второй и т. д. Конечно, идет и обратный процесс — самопроизвольный (спонтанный) или под действием излучения (индуцированный) переход с верхних энергетических уровней на нижние. Возбуждение молекул с одного уровня на другой и обратный, индуцированный, процессы требуют наличия излучения с определенной длиной волны. В частности, для молекулы циана CN, о которой мы будем говорить дальше, переход с основного вращательного уровня на первый осуществляется под действием излучения с длиной волны 2,6 мм.
Образование линий поглощения в спектрах звезд
Таким образом, если молекулярное облако погружено в излучение, имеющее соответствующие длины волн, а между молекулами и этим излучением установилось равновесие, то распределение молекул по энергиям в облаке должно иметь вполне конкретный характер: на каждом уровне должно находиться определенное число молекул. Кроме взаимодействия с излучением, молекулы могут возбуждаться и рекомбинировать при столкновении с электронами, ионами и атомами. Под действием этих процессов может также устанавливаться определенное распределение молекул по энергетическим уровням. В общем случае распределение молекул по энергиям осуществляется как под действием излучения, так и под действием столкновений. Если бы удалось точно установить, сколько молекул находится на каждом уровне, можно было бы с уверенностью сказать, каков механизм возбуждения молекул и какова его эффективность.
Оказывается, если между какой-нибудь звездой и наблюдателем находится облако газа, содержащее молекулы (рис. 13), то эти молекулы будут поглощать свет звезды. Причем молекулы, находящиеся на более низком энергетическом уровне, будут поглощать кванты с более короткой длиной волны (более энергичные кванты), чем молекулы, находящиеся на более высоком энергетическом уровне. Поэтому при прохождении непрерывного излучения звезды через молекулярное облако в ее спектре будут наблюдаться линии поглощения, обусловленные поглощением молекул, находящихся на соответствующих энергетических уровнях. Это и показано в правой части рис. 13. Волнистая линия представляет оптическое излучение звезды; точки на каждом уровне определяют число молекул, находящихся на этих уровнях, Очевидно, что это число молекул характеризуется глубиной линии поглощения.
В 1941 г. канадский астроном Мак Келлер наблюдал распределение интенсивности в оптическом спектре звезды зита Змееносца, излучение которой проходит через облако, содержащее молекулы циана, и обнаружил соответствующие линии поглощения. По этим линиям он оценил число молекул, находящихся на каждом энергетическом уровне. Анализ показал, что молекулы распределены по вращательным уровням, таким образом, как если бы молекулы находились в равновесии с полем излучения с температурой, равной 2,3°К.
Результат, полученный Мак Келлером, в то время казался очень странным, так как не были известны источники излучения с такой температурой в диапазоне 2,6 мм. В тот период ничего не было известно об излучении космических источников в неоптических диапазонах. Тем более ничего не было известно о реликтовом излучении. Этот странный результат заставил рассмотреть процессы возбуждения молекул циана за счет столкновений с протонами и электронами внутри облака, но при такой интерпретации возникли трудности. Поэтому вплоть до открытия реликтового излучения полученный результат оставался загадкой. После открытия реликтового излучения результат наблюдений канадского астронома стал понятен.
Так как источником возбуждения молекул циана в облаках межзвездного газа является реликтовое излучение, то механизм возбуждения должен быть универсальным для облаков, находящихся в других частях Галактики. Физические условия: плотность газа, его температура и ионизация — внутри каждого облака различны, поэтому при возбуждении молекул циана при столкновениях с частицами газового облака должно устанавливаться определенное распределение молекул по энергиям, различное в отдельных облаках. Многочисленные спектральные наблюдения звезд, проведенные астрономами в последнее время, подтвердили универсальность механизма излучения и дали значение температуры реликтового излучения 2,7°К в диапазоне длин волн 2,6 мм. Таким образом, облака межзвездного газа, содержащие молекулы циана, явились своего рода термометрами, позволившими измерить температуру реликтового излучения в различных частях Галактики. В дальнейшем, измеряя температуру реликтового излучения с использованием таких молекул, как СН, CN и др., удалось оценить интенсивность реликтового излучения в диапазонах длин волн, близких к максимуму интенсивности, и на более коротких длинах волн до того, как были проведены прямые измерения с ракет.
Следующий интересный феномен связан с наблюдением поглощения реликтового излучения молекулами формальдегида (Н2СО). В этой молекуле переход с двух соседних вращательных уровней, обозначаемых 111 и 110, соответственно связан с излучением и поглощением излучения с длиной волны 6 см. При наблюдениях определенных облаков межзвездного газа (например, туманности Ориона) видны сильные линии поглощения на фоне непрерывного распределения реликтового излучения. Это указывает на то, что молекулы имеют температуру ниже температуры реликтового излучения. Температура молекул формальдегида в этих облаках соответствует примерно 1,8°К. На первый взгляд этот результат кажется очень странным, так как переходы с соседних уровней в молекулах под действием излучения очень эффективны. Поэтому следовало бы ожидать, что при наличии такого резервуара тепла, как реликтовое излучение, должно быстро наступить равновесие между реликтовым излучением и молекулами. При этом равновесии число переходов молекул с одного уровня на другой равняется числу обратных переходов и никаких линий поглощения и излучения не должно было бы наблюдаться. Отсюда следует, что внутри облака действует процесс, интенсивно забирающий тепло от молекул формальдегида, тем самым охлаждая молекулы до температур ниже температуры реликтового излучения.
Эти охлажденные молекулы забирают тепло от реликтового излучения за счет поглощения излучения с длиной волны 6 см. Процессом, который эффективно забирает тепло от молекулы формальдегида, является процесс столкновения молекул с нейтральными атомами других элементов. Таким образом, наблюдение поглощения реликтового излучения молекулами формальдегида позволило глубже понять физические процессы, происходящие в межзвездных облаках.