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.

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.

comments powered by HyperComments

• ← Космические лучи и реликтовое излучение
• Движение Земли и реликтовое излучение →