RadioAstro Stara Zagora


        

 

НАЧАЛО

RSI  RadioSky Imaging

ВИДЕО

ГАЛЕРИЯ

АРХИВ

ПУБЛИКАЦИИ

КОНТАКТ


Бележити личности

Радиотелескопи

Новини

 

     

Защо в радиоастрономията се наблюдава честотата 1420 MHz?

Какво представлява "Водородната линия"?

 

През 30-те години на миналия век е забелязано, че съществува радио "шум", който варира в ежедневен цикъл на Земята и изглежда, че е с извънземен произход. След първоначалните предположения, че това се дължи на Слънцето, се установява, че радиовълните идват от центъра на нашата галактиката .

 

 

През 1944г., Хендрик Ван де Хюлст (Hendrik C. van de Hulst) докато е студент в университета Утрехт, Холандия, прогнозира съществуването на водородни емисионни линии с дължина на вълната 21,2 cm въз основа на физиката на водородния атом, той предсказва, че неутралният водород може да произведе радиация с честота 1420,4058 MHz поради двете близки енергийни нива в основното състояние на водородния атом.

След като тази линия е била открита, Ван де Хюлст участва с Ян Оорт (Jan H. Oort) и Мюлер (C.A. Muller) в използването и в радиоастрономията.

21 см линия (1420,4 MHz) за първи път е открита през 1951г. от Х.Ъ.Еуен (Harold Irving Ewen)  и Е.М.Пърсел (Edward Mills Purcell) от Харвардския университет и публикувана след като данните им са потвърдени от холандските астрономи Мюлер и Оорт  и от У.Н. Кристиансен (Wilbur Norman Christiansen) и  Хайндман (J.V. Hindman) в Австралия. След 1952г. са направени първите карти на неутралния водород в Галактиката, които за първи път разкриват спиралната структура на Млечния път.

 

Карта на Млечния път, базирана на 21-см дължината на вълната

 

Физика на водородния атом.

Атомният водород образува около 75% от масата на елементите във Вселената. Некомпактните звезди са съставени главно от водород в плазмено състояние. На Земята несвързани водородни атоми се срещат изключително рядко, като почти всичкият водород е под формата на химични съединения или на двуатомен водороден газ (H2).

Водородната линия се отнася за спектрална линия на електромагнитното излъчване, която се създава чрез промяна на енергийното състояние на неутрални водородни атоми. Това електромагнитно излъчване е с точната честота  1 420 405 751.7667 0,0009Hz, което е еквивалентно на дължината на вълната във вакуум от 21,1061140542cm. Тази дължина на вълната попада в микровълновия диапазон на електромагнитния спектър и се наблюдава често в радиоастрономията, тъй като тези радиовълни могат да проникнат през големите облаци междузвезден космически прах, които са непрозрачни за видимата светлина .  

Електронът в неутралния атомен водороден атом (т.е. единични водороден атом, за разлика от молекулярния водород - Н2) може да претърпи преход на въртене, при който спиновото свойство на неговите електрони да е противоположно на протона в атома, привеждайки атома в по-ниско енергийно състояние и излъчващ фотон. Обратното също е възможно с абсорбцията на 21 см фотон. Това означава, че спинът на електрона може да се промени, за да бъде същият като протона и да доведе атома до по-високо енергийно състояние.

Преходът е се получава много рядко, за един водороден атом, който се среща веднъж на всеки 11 милиона години, но за огромните количества водород, които съществуват в галактиките и междузвездните облаци, има достатъчно преходи за излъчване на постоянен сигнал.

Спонтанно възникване на прехода е малко вероятно да се види в лаборатория на Земята, но може да бъде изкуствено предизвикана с помощта на водороден мазер . Обикновено се наблюдава в астрономически условия като водородни облаци в галактиктиките.

Това откритие довело до пробив в изучаването на Космоса от радиоастрономията. При 21 см радиацията от атомен водород прониква много по-далеч от видимата светлина, като действа като маркер за най-разпространеното вещество във Вселената (макар и само в неговата атомна форма), което позволява картографирането на големи скалирани структури във видимия спектър от прах и газ.

 

Къде се използва водородната линия?

В радиоастрономията

Електромагнитното излъчване на  21cm е в радиочестотния спектър (в L - поддиапазон на УКВ диапазон). Електромагнитната енергия в този диапазон може лесно да премине през земната атмосфера и да бъде наблюдавана от Земята с малко смущения.

Ако приемем, че водородните атоми са равномерно разпределени в галактиката, всяка линия на видимост през галактиката ще разкрие водородна линия. Единствената разлика между всяка от тези линии е доплеровото изместване, което всяка от тези линии има. Следователно, може да се изчисли относителната скорост на всяки обект на нашата галактика . Кривата на въртене на нашата галактика е изчислена с помощта на 21 см водородна линия. Тогава е възможно да се използва графиката на кривата на въртене и скоростта, за да се определи разстоянието до определена точка в галактиката.

Наблюденията на водородната линия също са използвани индиректно за изчисляване на масата на галактиките, за ограничаване на промените във времето на универсалната гравитационна константа и за изучаване на динамиката на отделните галактики.

В космологията

Водородната линията е от голям интерес за космологията на Големия взрив, защото това е единственият известен към момента начин да се изследват "тъмните векове" от рекомбинация до рейонизация . Включително червеното изместване на тази линия.

Има две приложения.

Първо, чрез картографиране на интензитета на червеното изместване на 21cm лъчение, то може по принцип да осигури много прецизна картина на спектъра и материята в периода след рекомбинацията.

Второ, тя може да предостави картина за това как Вселената е била реионизирана, като неутрален водород, който е йонизиран от радиацията от звезди или квазари, което ще се появи като дупки в 21 cm фон.

Въпреки това, наблюденията на 21 cm са много трудни за извършване от Земята. Наземните експерименти за наблюдение на слабия сигнал се смущават от телевизионни предаватели и йоносферата, Наблюденията трябва да бъдат осъществявани от много изолирани места, където да се елиминират смущенията.

Има идеи наблюденията да се извършват, на обратната страна на Луната (където биха били защитени от смущенията от наземни радиосигнали). Малко се знае и за други ефекти, като синхротронната емисия и свободната емисия на Галактиката. Въпреки проблемите при наблюденията на 21cm, заедно с космическите наблюдения на гравитационните вълни, се разглеждат като следващия голям пробив в наблюденията на космологията, след космическия микровълнова фон.

 

Търсене на интелигентен извънземен живот SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence)

Златни плочи, прикрепени към космическите апарати Pioneer 10 (1972г.) и Pioneer 11 (1973г.)

           Посланията на двете плочи е индентично в космическите кораби "Пионер-10" и "Пионер-11". Златните плочки са с размер 152х229 мм, на които е показана информация за строежа на Слънчевата система, за положението й в нашата Галактиката спрямо няколко пулсара и за вида на разумните същества, които населяват третата планета хората. Авторът на посланието е астрономът и астрофизик Карл Сейгън (Carl Sagan), а изображенията са направени от съпругата му Линда Сейгън (Linda Sagan).

 

 

Златни плочи, прикрепени към космическите апарати Вояджър-1 (1977г.) и Вояджър-2 (1977г.)

 

На плочите е изобразен свръхфиния преход на атомен водород и използват дължината на вълната като стандартна скала за измерване на фигурите на плочите. Например височината на жената в изображението се показва като осем пъти 21см или 168см. По подобен начин е използвана и за включените в плочите на сондите  Пионер (Pioneer) 10 и 11, както и сондите Вояджър (Voyager) 1 и 2. На тази плочи позицията на Слънцето е изобразена по отношение на 14 пулсара, чийто период на въртене около 1977г. е даден като кратно на честотата на прехода на атомния водород. Създателите на плочите твърдят, че една напреднала цивилизация ще може да използва местата на тези пулсари, за да локализира Слънчевата система по време на пускането на космическия кораб.

1420MHz се смята за благоприятна честота от програмата SETI за търсене на сигнали от потенциални извънземни цивилизации. През 1959 г. италианският физик Джузепе Кокони (Giuseppe Cocconi) и американският физик Филип Морисън (Philip Morrison) публикуват "Търсене на междузвездни комуникации" ("Searching for Interstellar Communications") , документ, предлагащ 21cm водородна линия и потенциала на микровълните при търсенето на междузвездни комуникации. Според Джордж Басала (George Basalla) трудът на Кокони и Морисън "предостави разумна теоретична основа" за тогавашната програма SETI.

По същия начин Пьотр Маковецки (Pyotr Makovetsky) предложи SETI да използва честота, която е равна на

 π 1420.40575177 MHz = 4.46233627 GHz

или

2π 1420.40575177 MHz = 8.92467255 GHz

Тъй като π е ирационално число, такива честоти не биха могли да бъдат произведени по естествен начин като хармонични и би означавало нейния изкуствен произход. Такъв сигнал не би бил смущаван от водородната линия или от някой от нейните хармоници.

 

 

Източници на информация:

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Hendrik_C._van_de_Hulst

https://en.wikipedia.org/wiki/Jan_Oort

http://volim63gtenet.mydomain.com/webservice3/old-mike/Mike/n3eaq_files/1420.htm

http://volim63gtenet.mydomain.com/webservice3/old-mike/Mike/n3eaq_files/1420_theo.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/h21.html

https://ethw.org/w/images/b/be/Parkes_and_21cm_History.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_line

https://slideplayer.com/slide/8433742/

https://bg.wikipedia.org/Пионер 10

https://bg.wikipedia.org/златна плоча на Вояджър

 

 

автор Д.ЖЕКОВ 2019 г.

НАЗАД

 

     

 

 

 

 

 

 

 RadioAstro Stara Zagora Bulgaria