中性氢 (天文学专有名词)

中性氢是天文学专有名词。氢是宇宙中最丰富的元素,是形成恒星和星系的重要原材料。星系中的氢元素除了形成恒星,还有一部分会剩下来,以中性氢原子形式存在,我们称之为中性氢。中性氢能辐射出21厘米氢谱线,它能穿越宇宙尘埃、暗云等星际物质,因此能用于研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构,帮助人们解开宇宙大爆炸之谜。2020年“中国天眼”FAST第一次明确探测到银河系外星系(河外星系)的中性氢发射线,该研究成果论文已被国际天文学权威期刊《天文学和天体物理学通信》接收。

中文名
中性氢
英文名
neutral hydrogen

1简介

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中性氢是天文学专有名词。氢是宇宙中最丰富的元素,是形成恒星和星系的重要原材料。氢聚变产生的能量点亮了恒星,让太阳发出了光和热,温暖了地球,让万物得以生长。星系中的氢元素除了形成恒星,还有一部分会剩下来,以中性氢原子形式存在,我们称之为中性氢。

2观测原理

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星系中的中性氢气体虽然总质量通常比恒星的总质量少,但分布却非常广泛。观测中,旋涡星系的恒星盘尺度通常只有中性氢分布尺度的三分之一。也就是说,在星系外围,已经看不到星光的地方,还有大量中性氢气体(图1)。

图1:旋涡星系M51,中性氢成图(深蓝色)叠加在光学图像(颜色偏白的部分是M51的光学图像,图中的白点是前景恒星)上  来源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO图1:旋涡星系M51,中性氢成图(深蓝色)叠加在光学图像(颜色偏白的部分是M51的光学图像,图中的白点是前景恒星)上( 来源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO)。

中性氢原子在没有吸收光子的情况之下,自身也会产生辐射。这是因为处于基态的中性氢原子的电子自旋和核自旋相互作用,会从电子自旋从与核自旋平行的高能态跃迁到与核自旋反平行的低能态,发出波长为21厘米、频率为1420.4057517667 MHz的射电谱线,这就是中性氢21厘米谱线(图2)。

中性氢21厘米谱线的原理(来源:Wikipedia)图2:中性氢21厘米谱线的原理(来源:Wikipedia)。

尽管这个跃迁概率很低,然而因为在宇宙中存在的氢原子个数异常众多,所以能够一直探测到来自于宇宙氢原子的这种特征辐射。正是利用这条谱线,天文学家从而可以推断宇宙中中性氢原子的分布。由于这条谱线的频段是射电天文的重要频段,这个频段受到保护,其他业务不得占用。

当中性氢原子与我们保持相对静止时,中性氢21厘米谱线的频率为静止频率1420.4057517667 MHz。当中性氢原子朝向我们和远离我们运动时,21厘米谱线的频率会发生多普勒移动,朝向我们时频率升高,远离我们时频率降低。所以通过测量21厘米谱线的频率我们就可以知道远处中性氢气体的运动速度。我们正是通过这个原理测量了银河系及河外星系中的中性氢的运动状态。

前面说过,中性氢在星系中的分布比恒星广泛,这也使得通过中性氢的观测可以看到光学观测看不到的信息。一些相距比较近的不同星系从通常的光学观测看起来没有什么异常,而中性氢观测却可以发现星系间的中性氢气体发生相互作用(图3)。

图3:中性氢观测可以看到光学观测尚难发现的星系间的相互作用(来源:SKA)。图3:中性氢观测可以看到光学观测尚难发现的星系间的相互作用(来源:SKA)。

通过中性氢观测,天文学家也测定了一些星系的旋转速度。结果发现很多星系都转得太快了(图4)!不是说转得太快有问题,而是说转得那么快,星系中的中性氢气体还没有散开。大家可能对没有挡泥板的自行车经过水坑时有所体会,在车速不快的时候没有什么问题,但是在车速快时,会甩一背脊泥。中性氢气体也类似,在星系转得快的时候,如果没有足够的引力,理论上这些气体应该被甩出星系,可是观测却不是这样的。因此天文学家猜想星系中存在一些看不见的物质,提供了额外的引力,从而保证了星系中的中性氢气体不散开。这些看不见的物质就是“暗物质”。

图4:星系的外围旋转速度比预计的要快很多。天文学家因此猜测存在暗物质(来源:Queen's University)。图4:星系的外围旋转速度比预计的要快很多。天文学家因此猜测存在暗物质(来源:Queen's University)。

为了观测中性氢,天文学家需要借助射电望远镜。射电望远镜原理和电视天线类似,一般通过反射面将信号汇聚起来,由接收机接收、放大,进行后续处理。

3研究意义

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中性氢与大众耳熟能详的一个词——“宇宙大爆炸”有关。

目前多数研究者认为,宇宙起源于137.4亿年前的一次大shu爆炸。但是,由于此前科学家很难将观测延伸到如此久远之前,关于大爆炸的细节,尤其是爆炸之初最为重要的60秒里发生的剧变,至今尚无明确答案。

幸运的是,宇宙中还有一位与大爆炸几乎同龄的“老人家”——中性氢。

中性氢能辐射出21厘米氢谱线,它能穿越宇宙尘埃、暗云等星际物质,因此能用于研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构,帮助人们解开宇宙大爆炸之谜。

4观测情况

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世界上已经建成了很多射电望远镜,其中比较著名的有美国的阿雷西博(Arecibo)望远镜、绿岸望远镜(GBT)、德国的艾菲尔斯伯格(Effelsberg)望远镜、澳大利亚的帕克斯(Parkes)望远镜。这些望远镜都进行过中性氢观测。

Arecibo望远镜的ALFALFA中性氢巡天找到了数万个中性氢星系,GALFA巡天对银河系中的中性氢进行了成图。GBT由于几乎没有驻波的影响,对中性氢柱密度测量有很高的精度。GBT对星系间的中性氢进行了一些成图。Effelsberg和Parkes望远镜共同完成了目前最精细的全天中性氢成图。

我国已经建成的FAST望远镜未来最重要的科学目标之一就是进行中性氢观测,包括搜寻河外中性氢星系和银河系内的中性氢成图。相比之前的中性氢观测,FAST可以找到更多的中性氢星系,使我们了解质量更小的中性氢星系的性质。FAST也能测定更多、更好的近邻星系旋转曲线,对暗物质模型给出更好的限制。FAST也能对可见天区内的河内中性氢进行更精细的成图,发现星际介质中的更多细节。

据2020年7月报道,中科院南美天文中心程诚等科研人员利用“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)的19波束接收机,对一批低红移恒星形成星系样本中的4个星系进行先导观测,首次探测到3个星系的中性氢发射线。

FAST观测的四个星系的假彩色光学图像。中国科学院国家天文台供图FAST观测的四个星系的假彩色光学图像(中国科学院国家天文台供图)。

这是“中国天眼”FAST第一次明确探测到银河系外星系(河外星系)的中性氢发射线,该研究成果论文已被国际天文学权威期刊《天文学和天体物理学通信》接收。

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中性氢 图册
  • 浏览次数: 365 次
  • 更新时间:2021-01-07
  • 创建者:水晶百合
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