4 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

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

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.