Введение в радиоспектроскопию с 26м Хартебистхукским телескопом

Атомы, молекулы и спектроскопия

В пространстве между звездами находятся облака газа, из которых звезды, и образованны. Облака состоят в основном из простейшего атома, водорода.

Более массивные атомы, такие как углерод, кислород и азот создаются в звездах от ядерного синтеза. Эти атомы возвращаются в пространство в ветрах, выделяемых звездами и, когда звезды взрываются. Атомы можно химически комбинировать для образования множества видов молекул, таких как вода (H₂O), монооксид углерода (СО) и аммиак (NH₃).

Несколько типов атомов и молекул производят эмиссионные линии на определенных частотах в диапазоне сантиметровых длин, которые наблюдаемы с радиотелескопа Хартебистхук.

Далее мы опишем:

—где и как некоторые из этих линий происходят,

-покажем несколько примеров, замеченных с помощью спектроскопии в Хартебистхуке, и

— объясним, почему линии выглядят так;

Молекулярные облака

дроксил (ОН) является одним из самых простых молекул и широко встречается в молекулярных облаках в межзвездном пространстве. Он производит четыре линии излучения на частотах 1612, 1665, 1667 и 1720 МГц в 18 см диапазоне длины волн. Наблюдения этих линий предоставляют информацию о физических условиях в этих облаках и регионах возбуждения молекул.

Формальдегид (НСНО) также распространен в молекулярных облаках. И, как правило, рассматривается в качестве линии поглощения в 4829 МГц в диапазоне 6 см длины волн. Он находится в более плотных частях молекулярных облаков.
Мазеры в областях звездообразования

Плотные ядра молекулярных облаков могут рухнуть под собственным весом, для того чтобы формировать новые звезды. Если новоиспеченная звезда весит более чем в восемь раз больше массы Солнца, она производит достаточно излучения для возбуждения очень сильного вынужденного излучения в радиодиапазоне, известного как мазер, от таких молекул, как гидроксил в окружающих облаках.

В дополнение к интенсивным мазерам из четырех наземных региональных границ в 18 см длин волны, гидроксильные мазеры, как известно, происходят в линиях из возбужденных состояний. К ним относятся три линии на 4660 , 4750 и 4765 МГц в 6 см диапазона длины волн и четыре линии в 6016 , 6030 , 6035 и 6049 МГц в 5 см диапазоне длины волн. Эти переходы все могут быть наблюдаемы с Хартебистхука.

В 1987 году были также обнаружены сильные мазеры, генерируемые метаноловыми (CH3OH , самый простой спирт) молекулами в областях звездообразования, на частоте 12178 МГц в 2,5 см диапазоне длины волн.

Уже сильнейшие мазеры метанола были обнаружены в 1992 году. Это происходит в 6668 МГц в 4,5 см диапазоне длины волн. Несколько сотен были обнаружены с тех пор, многие из них с помощью телескопа Хартебистхук.

Линии рекомбинации из ионизованного водорода

Ультрафиолетовое излучение от этих массивных звезд разделяет атомы нейтрального газа водорода (HI) в окружающем облаке на составляющие их протоны и электроны, создавая постоянно растущее ионизированные облака водорода или области HII. Несколько тысяч из этих объектов, как известно, в нашей галактике, изучены, из них, в том числе, Орион и Туманность Розетка. Ионизированный водород — жаркий, с температурой 5000-10000 К.

Области HII производят серии линий излучения от протонов и электронов, они рекомбинируются в атомы водорода в возбужденных состояниях. Эти линии рекомбинации водорода, как правило, широкие и слабые, из-за высокой температуры газа. Они проходят на регулярной основе в течение всего радиочастотного спектра.

Мазеры развивающихся звезд

Большую часть своей жизни, звезды не производят обнаруживаемые линии радиоизлучения. Тем не менее, в старости они становятся неустойчивыми, набухают и пульсируют медленно. В первый раз это происходит, как у неправильной переменной звезды-сверхгиганта. Позже они развиваются в асимптотическую гигантскую ветвь звезды, которая имеет регулярные пульсации. Они названы Мирас (чудесные), после Мира (Омикрон Кита), первой звезды, в которой был замечены большие изменения яркости, вызванные пульсаций. Эти звезды сильно увеличены и относительно прохладны. Они ярко-красные, а не ярко-белые, как Солнце, и кажутся оранжевыми или красными для глаз.

В заключительных этапах их жизни звезды изгнаны из своих внешних слоев, которые образуют планетарные туманности. Они называются так потому, что оболочка горячего газа вокруг звезды может выглядеть как планета с помощью оптического телескопа. Остатки центральной звезды коллапсируют и становятся белыми карликами. Незадолго до этого происходят, пульсации, по типу Мира, останавливаются, и необычные гидроксильные профили мазера видны из быстро развивающейся оболочки газа и пыли, которые отделяются от звезды.

Оригинал статьи — http://www.hartrao.ac.za/spectra/SP_Intro.html