СЕЛФ

46

С.Б. Каравашкин и О.Н. Каравашкина

В любом случае, совокупный энергетический баланс в разреженном межзвёздном газе является следствием совокупности очень слабых процессов взаимодействия между частицами этой среды. В таких условиях достаточно небольшого внешнего возбуждения, чтобы выведенная из равновесия система начала излучать в радиодиапазоне 21 см. Вернее сказать, начала бы люминесцировать на этой длине волны, поскольку возбуждение колебаний в этом случае будет осуществляться по специфической для условий межзвёздного газа энергетической схеме спонтанной люминесценции, приведенной на рис. 11.

Рис. 11. Уровни спонтанной флюоресценции в сверхразреженном водороде (0,02 - 1 частица на 1 см²) при кинетической температуре около 5 К

Согласно этой схеме, возбуждающий свет с частотой , соответствующей оптическому диапазону волн, переводит единственный электрон атома водорода в некоторое неустойчивое возбуждённое состояние. Вследствие этого тот излучает ЭМ волну несколько меньшей частоты ₁  и возвращается на метастабильный уровень, нарушая при этом энергетический баланс между метастабильным и основным уровнями атомов водорода в межзвёздном газе. При этом, излучение данным атомом радиокванта может произойти с существенной задержкой по времени, поскольку в этом случае вступают в силу статистические законы взаимодействия ансамблей частиц в газе. Вследствие этого, указанный радиоквант излучится одним из соседних атомов, а данный атом временно перейдёт в возбуждённое состояние. В результате такого множественного процесса газ, поглотив один квант частоты , излучает два кванта ₁ и ₂₁ , нарушая известное правило сохранения квантового выхода. Важно, что первый из квантов "транслируется" с уменьшением частоты, практически без рассеяния и со слабой поляризацией, а второй излучается в виде люминесценции, поэтому этот квант приобретает значительную степень поляризации и рассеянность в полном соответствии со свойствами флуоресцентного излучения, но в радиодиапазоне длин волн. При этом условие энергетического баланса полностью сохраняется, поскольку

и межзвёздный газ сохраняет среднюю кинетическую температуру.

Учитывая, что

изменение частоты света в единичном акте взаимодействия тоже будет пренебрежимо мало, но при этом, в отличие от обычной люминесценции, "транслируемый" квант будет способен возбуждать колебания следующих атомов, постепенно с расстоянием уменьшая свою частоту и порождая излучение длиной волны 21 см. Вернее, сам межзвёздный газ постепенно преобразует ЭМ энергию оптического диапазона в частоту равновесных тепловых колебаний газа, усредняя концентрированные потоки энергии, проходящие через него.

Так в условиях низких температур и разреженного газа возникает особый вид спонтанной флуоресценции, порождающий смещение спектральных линий оптического диапазона в красную сторону спектра и рассеянное излучение в радиодиапазоне.

Для подтверждения рассеянного характера радиофлуоресценции, на рис. 12 мы приводим две изофоты радиоизлучения межзвездного газа нашей Галактики из работы [26, стр. 282, рис. 4 и рис. 5] при = 3,5 м  и  = 22 см .

Рис. 12а. Изофоты радиоизлучения галактики при  = 3,5 м ; одна единица соответствует 1000 К.

Рис. 12б. Изофоты радиоизлучения галактики при = 22 см; одна единица соответствует 3,25 К.

Несмотря на то, что приведенные диаграммы относятся к различным диапазонам радиоизлучения и длина волны = 3,5 м существенно больше длины волны, излучаемой метастабильным уровнем атома водорода, обе диаграммы имеют много общего. Во-первых, на обеих диаграммах наблюдается характерная кольцевая концентрация изофот вокруг источников оптического излучения с убыванием интенсивности от источников к периферии. При этом источники на диаграммах совмещаемы. Это свидетельствует о вторичном характере радиоизлучения, возбуждаемого горячими звёздами, концентрирующимися, как известно, в плоскости Галактики. Во вторых, на обеих диаграммах прослеживается концентрация изофот к плоскости Галактики, что также обусловлено концентрацией горячих звёзд в этой области. При этом на диаграммах прослеживаются только самые горячие из них, остальные более удалённые и менее горячие особых концентраций изофот не образуют, но создают общий фон высокой интенсивности радиоизлучения, что свидетельствует о высокой рассеянности излучения. В третьих, как было сказано выше, концентрация изофот вокруг местоположения звёзд имеет, в целом, кольцевую структуру, что свидетельствует об отсутствии существенной анизотропии в направлении излучения указанных длин волн. Всё вышеописанное даёт основание предполагать, что, несмотря на существенное отличие длины волны = 3,5 м от = 22 см, природа излучения радиоволн в обоих случаях общая.