Фотоны бывают любой длины волны, какую только можно себе представить. Но один конкретный квантовый переход дает свет ровно на 21 см, и это волшебно.
Ключевые выводы
- В наблюдаемой Вселенной насчитывается около 10^80 атомов, и большинство из них представляют собой простой водород: каждый состоит всего из одного протона и одного электрона.
- Каждый раз, когда образуется атом водорода, существует вероятность 50/50, что спины протона и электрона будут выровнены, что является немного более высоким энергетическим состоянием, чем если бы они не были выровнены.
- Квантовый переход из выровненного состояния в антивыровненное состояние является одним из самых экстремальных переходов из всех, и он производит свет с длиной волны ровно 21 см: возможно, самая важная длина во Вселенной..
В нашей Вселенной квантовые переходы являются определяющим правилом каждого ядерного, атомного и молекулярного явления. В отличие от планет в нашей Солнечной системе, которые могли бы устойчиво вращаться вокруг Солнца на любом расстоянии, если бы обладали нужной скоростью, протоны, нейтроны и электроны, из которых состоит вся известная нам обычная материя, могут связываться вместе только в определенном наборе конфигурации. Эти возможности, хотя и многочисленны, имеют конечное число, поскольку квантовые правила, управляющие электромагнетизмом и ядерными силами, ограничивают то, как атомные ядра и электроны, вращающиеся вокруг них, могут упорядочиваться.
Во всей Вселенной самым распространенным атомом является водород, содержащий всего один протон и один электрон. Где бы ни образовывались новые звезды, атомы водорода ионизируются и снова становятся нейтральными, если эти свободные электроны могут вернуться к свободному протону. Хотя электроны, как правило, скатываются с разрешенных энергетических уровней в основное состояние, это обычно производит только определенный набор инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света. Но что более важно, в водороде происходит особый переход, который производит свет размером с вашу ладонь: длина волны 21 сантиметр (около 8¼ дюймов). Это волшебная длина, и однажды она может раскрыть самые мрачные тайны, скрывающиеся в глубинах Вселенной.
Подсвеченное космическим микроволновым фоном облако нейтрального газа может отпечатывать сигнал на этом излучении с определенной длиной волны и красным смещением. Если мы сможем измерить этот свет с достаточно высокой чувствительностью, мы действительно сможем надеяться когда-нибудь составить карту местоположения и плотности газовых облаков во Вселенной благодаря 21-сантиметровой астрономии.
Когда дело доходит до света во Вселенной, длина волны - это единственное свойство, на которое вы можете рассчитывать, чтобы понять, как был создан этот свет. Несмотря на то, что свет приходит к нам в виде фотонов - отдельных квантов, которые в совокупности составляют явление, известное нам как свет, - существует два совершенно разных класса квантовых процессов, создающих окружающий нас свет: непрерывные и дискретные.
Непрерывный процесс - это что-то вроде света, излучаемого фотосферой Солнца. Это темный объект, нагретый до определенной температуры, и он излучает свет всех различных непрерывных длин волн в соответствии с этой температурой: то, что физики называют излучением абсолютно черного тела.
Дискретный процесс, однако, не излучает свет с непрерывным набором длин волн, а только с очень определенными длинами волн. Хорошим примером этого является свет, поглощаемый нейтральными атомами, присутствующими в крайних внешних слоях Солнца. Когда излучение абсолютно черного тела попадает на эти нейтральные атомы, некоторые из этих фотонов будут иметь именно ту длину волны, которая будет поглощена электронами внутри нейтральных атомов, с которыми они сталкиваются. Когда мы разбиваем солнечный свет на отдельные длины волн, различные линии поглощения на фоне непрерывного излучения абсолютно черного тела раскрывают нам оба этих процесса.
Это спектральное изображение Солнца с высоким разрешением показывает фоновый континуум света во всем видимом спектре, наложенный на линии поглощения различных элементов, существующих в самых внешних слоях фотосферы Солнца.. Каждая линия поглощения соответствует определенному элементу и определенному электронному переходу, причем самые широкие и глубокие черты соответствуют наиболее распространенным элементам на Солнце: водороду и гелию.
Каждый отдельный атом имеет свои свойства, в первую очередь определяемые его ядром, состоящим из протонов (определяющих его заряд) и нейтронов (которые в сочетании с протонами определяют его массу). Атомы также имеют электроны, которые вращаются вокруг ядра и занимают определенный набор энергетических уровней. По отдельности каждый атом будет существовать в основном состоянии: когда электроны падают каскадом вниз, пока не займут самые низкие допустимые энергетические уровни, ограниченные только квантовыми правилами, определяющими различные свойства, которыми электроны могут и не могут обладать.
Электроны могут занимать основное состояние - орбиталь 1s - атома до тех пор, пока оно не заполнится, что может удерживать два электрона. Следующий энергетический уровень состоит из сферических (2s) и перпендикулярных (2p) орбиталей, которые могут удерживать два и шесть электронов соответственно, всего восемь. Третий энергетический уровень может содержать 18 электронов: 3s (с двумя), 3p (с шестью) и 3d (с десятью), и схема продолжается вверх. Как правило, «восходящие» переходы основаны на поглощении фотона с определенной длиной волны, тогда как «нисходящие» переходы приводят к излучению фотонов с точно такими же длинами волн.
Электронные переходы в атоме водорода, наряду с длинами волн образующихся фотонов, демонстрируют эффект энергии связи и отношения между электроном и протоном в квантовой физике. Самый сильный переход водорода - это Лайман-альфа (от n=2 до n=1), но его второй по силе видимый переход: Бальмер-альфа (от n=3 до n=2).
Это основная структура атома, которую иногда называют «грубой структурой». Например, когда вы переходите с третьего энергетического уровня на второй энергетический уровень в атоме водорода, вы производите фотон красного цвета с длиной волны ровно 656,3 нанометра: как раз в диапазоне видимого света человеческого глаза.
Но есть очень, очень небольшие различия между точной, точной длиной волны фотона, который излучается, если вы переходите от:
- третий энергетический уровень вниз либо до 2s, либо до 2p-орбитали,
- энергетический уровень, на котором спиновый угловой момент и орбитальный угловой момент выровнены с уровнем, на котором они антинаправлены,
- или тот, в котором ядерный спин и спин электрона выровнены, а не анти-выровнены.
Существуют правила относительно того, что разрешено, а что запрещено в квантовой механике, например, тот факт, что вы можете перевести электрон с d-орбитали либо на s-орбиталь, либо на p-орбиталь, и с s-орбитали на p-орбиталь, но не с s-орбитали на другую s-орбиталь.
Небольшие различия в энергии между различными типами орбиталей в пределах одного и того же энергетического уровня известны как тонкая структура атома, возникающая из-за взаимодействия между спином каждой частицы внутри атома и орбитальным угловым моментом. электронов вокруг ядра. Это вызывает сдвиг длины волны менее 0.1%: небольшой, но измеримый и значительный.
Атомный переход с орбиты 6S в атом цезия-133, Delta_f1, - это переход, определяющий метр, секунду и скорость света. Небольшие изменения в наблюдаемой частоте этого света будут происходить в зависимости от движения и свойств пространственной кривизны между любыми двумя точками. Спин-орбитальные взаимодействия, а также различные квантовые законы и приложение внешнего магнитного поля могут вызвать дополнительное расщепление в узких промежутках на этих энергетических уровнях: примеры тонкой и сверхтонкой структуры.
Но в квантовой механике иногда могут происходить даже «запрещенные» переходы из-за явления квантового туннелирования. Конечно, вы не сможете напрямую перейти с s-орбитали на другую s-орбиталь, но если вы можете:
- переход с s-орбитали на p-орбиталь и обратно на s-орбиталь,
- переход с s-орбитали на d-орбиталь и обратно на s-орбиталь,
- или, в более общем смысле, переход из s-орбитали в любое другое допустимое состояние, а затем обратно в s-орбиталь,
тогда этот переход может произойти. Единственная странность квантового туннелирования заключается в том, что вам не обязательно иметь «настоящий» переход с достаточной энергией, чтобы он произошел в промежуточном состоянии; это может произойти виртуально, так что вы видите только конечное состояние, возникающее из начального состояния: то, что было бы запрещено без применения квантового туннелирования.
Это позволяет нам перейти от простой «тонкой структуры» к сверхтонкой структуре, где спин атомного ядра и одного из вращающихся вокруг него электронов начинаются в «выровненном» состоянии, где спины оба находятся в одном и том же направлении, даже если электрон находится в основном (1s) состоянии с самой низкой энергией, в антивыровненном состоянии, где спины меняются местами.
Всякий раз, когда образуется атом водорода, электрон внутри него будет спонтанно девозбуждаться, пока не окажется в самом низком (1s) состоянии атома. С вероятностью 50/50 того, что эти спины электрона и протона выровнены, половина этих атомов сможет квантово туннелировать в антивыровненное состояние, испуская при этом излучение на 21 сантиметр (1420 МГц).
Самый известный из этих переходов происходит в простейшем типе атома: водороде. Имея всего один протон и один электрон, каждый раз, когда вы формируете нейтральный атом водорода и электрон каскадно переходит в основное (самое низкое энергетическое) состояние, существует 50-процентная вероятность того, что спины центрального протона и электрона выровняются. с 50% шансом, что спины будут против выравнивания.
Если спины выровнены, это действительно состояние с самой низкой энергией; некуда идти через переход, который вообще приведет к излучению энергии. Но если спины выровнены, становится возможным квантовое туннелирование в антивыровненное состояние: хотя процесс прямого перехода запрещен, туннелирование позволяет пройти прямо из начальной точки в конечную, испуская при этом фотон..
Этот переход из-за его «запретной» природы происходит чрезвычайно долго: примерно 10 миллионов лет для среднего атома. Однако у этого длительного времени жизни слегка возбужденного, выровненного случая атома водорода есть и обратная сторона: испускаемый фотон с длиной волны 21 сантиметр и частотой 1420 мегагерц по своей природе чрезвычайно узок. Фактически, это самая узкая и самая точная линия перехода, известная во всей атомной и ядерной физике!
Эта карта Млечного Пути, выделенная красным, показывает нейтральный водород в 21-сантиметровом выбросе. Эта карта не однородна, а скорее отслеживает недавнюю ионизацию и образование атомов, поскольку период полураспада атомов, выровненных по спину, до переворота составляет всего около 10 миллионов лет: долгое время в лаборатории, но короткое время по сравнению с ~ 13+ миллиардов лет истории нашей галактики.
Если бы вы вернулись к ранним стадиям горячего Большого Взрыва, до того, как сформировались какие-либо звезды, вы бы обнаружили, что колоссальные 92% атомов во Вселенной были именно этот вид водорода: с одним протоном и одним электроном в них. Как только нейтральные атомы стабильно формируются - всего через несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва - эти нейтральные атомы водорода формируются с вероятностью 50/50 иметь выровненные спины против выровненных. Те, что сформировали противников, останутся таковыми; те, которые формируются с выровненными спинами, претерпят этот переход с переворотом спина, излучая излучение с длиной волны 21 сантиметр.
Хотя это еще никогда не было сделано, это дает нам чрезвычайно провокационный способ измерения ранней Вселенной: найдя облако богатого водородом газа, даже такое, которое никогда не формировало звезды, мы могли бы искать это сигнал с переворотом спина, учитывающий расширение Вселенной и соответствующее красное смещение света, позволяет измерять атомы во Вселенной с самых ранних времен. Единственное «расширение» линии, которое мы ожидаем увидеть, будет происходить из-за тепловых и кинетических эффектов: из-за ненулевой температуры и гравитационно-индуцированного движения атомов, которые излучают эти 21-сантиметровые сигналы.
Если бы частицы, излучающие излучение, полностью покоились и находились при температуре, неотличимой от абсолютного нуля, ширина любых линий излучения определялась бы исключительно скоростью перехода. Линия водорода длиной 21 см невероятно узкая по своей природе, но кинетическое движение вещества в галактиках, а также тепловая энергия, поскольку газ находится при положительной, отличной от нуля температуре, вносят свой вклад в наблюдаемую ширину этих линий.
В дополнение к этим первоначальным сигналам 21-сантиметровое излучение возникает как следствие всякий раз, когда образуются новые звезды. Каждый раз, когда происходит звездообразование, более массивные новорожденные звезды производят большое количество ультрафиолетового излучения: излучения, энергии которого достаточно, чтобы ионизировать атомы водорода. Внезапно пространство, которое когда-то было заполнено нейтральными атомами водорода, теперь заполнено свободными протонами и свободными электронами.
Но эти электроны в конечном итоге снова будут захвачены этими протонами, и когда ультрафиолетового излучения больше не будет достаточно для их ионизации снова и снова, электроны снова опустятся на землю. основное состояние, где они будут иметь шанс 50/50 быть выровненными или анти-выровненными со спином атомного ядра.
Опять же, то же самое излучение с длиной волны 21 сантиметр возникает, и каждый раз, когда мы измеряем длину волны 21 сантиметр, локализованную в определенной области пространства, даже если оно смещается в красную сторону из-за расширения Вселенная, то, что мы видим, является свидетельством недавнего звездообразования. Где бы ни происходило звездообразование, водород ионизируется, и всякий раз, когда эти атомы становятся нейтральными и снова девозбуждаются, это излучение определенной длины волны сохраняется в течение десятков миллионов лет.
Когда образуется атом водорода, вероятность того, что спины электрона и протона будут выровнены и антивыровнены, равна. Если они не выровнены, дальнейших переходов не произойдет, но если они выровнены, они могут квантово туннелировать в это более низкое энергетическое состояние, испуская фотон с очень определенной длиной волны в очень конкретных и довольно длительных временных масштабах. Как только этот фотон смещается в красную сторону на достаточно значительную величину, он больше не может поглощаться и подвергаться реакции, обратной показанной здесь.
Если бы у нас была возможность точно картировать это 21-сантиметровое излучение во всех направлениях и на всех красных смещениях (т. е. расстояниях) в пространстве, мы могли бы буквально раскрыть историю звездообразования во всей Вселенной, как а также девозбуждение атомов водорода, впервые образовавшихся после горячего Большого взрыва. Имея достаточно деликатные наблюдения, мы могли бы ответить на такие вопросы, как:
- Существуют ли звезды в темных пустотах в космосе ниже порога того, что мы можем наблюдать, ожидая, когда их обнаружат их девозбуждающие атомы водорода?
- В галактиках, где не наблюдается нового звездообразования, действительно ли звездообразование закончилось, или есть небольшие уровни рождения новых звезд, которые только и ждут, чтобы их обнаружили по этой контрольной сигнатуре атомов водорода?
- Есть ли какие-либо события, которые нагревают и приводят к ионизации водорода до образования первых звезд, и существуют ли всплески звездообразования, которые не могут наблюдать даже наши самые мощные инфракрасные обсерватории? напрямую?
Измеряя свет именно с необходимой длиной волны - 21,106114053 сантиметра, а также любые эффекты удлинения, возникающие в результате космического расширения Вселенной, - мы могли бы найти ответы на все эти и другие вопросы. Фактически, это одна из основных научных целей LOFAR: низкочастотный массив, и он представляет собой веский научный аргумент в пользу размещения увеличенной версии этого массива на радиоэкранированной обратной стороне Луны.
Сооружение либо очень большой радиотарелки, возможно, в лунном кратере, либо, в качестве альтернативы, массива радиотелескопов на обратной стороне Луны могло бы обеспечить беспрецедентные радионаблюдения за Вселенной, в том числе во всей - важный диапазон 21 сантиметр, как вблизи, так и через космическое время.
Конечно, есть еще одна возможность, которая уводит нас далеко за пределы астрономии, когда дело доходит до использования этой важной длины: создание и измерение достаточного количества атомов водорода, выровненных по спину, в лаборатории, чтобы обнаружить этот переход с переворотом спина. напрямую, контролируемым образом. Переход занимает в среднем около 10 миллионов лет, чтобы «перевернуться», а это значит, что нам потребуется около квадриллиона (1015) подготовленных атомов, оставшихся неподвижными и охлажденным до криогенных температур, измерить не только эмиссионную линию, но и ее ширину. Если есть явления, вызывающие внутреннее уширение линий, такие как первичный сигнал гравитационной волны, такой эксперимент, что весьма примечательно, сможет раскрыть его существование и величину.
Во всей Вселенной существует всего несколько известных квантовых переходов с точностью, присущей сверхтонкому переходу водорода с переворотом спина, что приводит к излучению излучения с длиной волны 21 сантиметр. Если мы хотим идентифицировать продолжающееся и недавнее звездообразование во Вселенной, первые атомные сигналы еще до образования первых звезд или реликтовую силу еще не обнаруженных гравитационных волн, оставшихся от космической инфляции, становится ясно, что 21-сантиметровый Переход - это самый важный зонд, который у нас есть во всем космосе. Во многих смыслах это «волшебная длина» для раскрытия величайших секретов природы.