Радиолинии ОН в спектре кометы Когоутека

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Уже несколько лет на большом радиотелескопе, установленном во Франции, в местечке Нансе, успешно работает приемник, который предназначен для наблюдений в сантиметровом диапазоне длин волн. С этим приемником французским радиоастрономам удалось открыть в радиоспектре кометы Когоутека линии, принадлежащие радикалу ОН.

Самым любопытным в этом открытии оказалось то, что радиолинии ОН наблюдались в поглощении, хотя за кометой в это время не было никаких известных космических радиоисточников. Вещество кометы могло поглощать лишь универсальное космическое радиоизлучение — реликтовый фон. Температура реликтового фона очень низка — всего 2, 7° выше абсолютного нуля. Поглощать такое «холодное» излучение способны только аномально возбужденные молекулы. Суть этой аномалии, которую называют антиинверсией населенностей, заключается в следующем.

Двум энергетическим уровням молекулы, переходы между которыми дают радиолинию, можно приписать определенную температуру возбуждения. Она характеризуется отношением числа молекул, находящихся на верхнем и нижнем уровнях. Чем меньше относительное число молекул на верхнем уровне, тем ниже температура возбуждения. В обычном газе заселенность энергетических уровней молекулами обусловливается главным образом столкновениями молекул друг с другом, и температура возбуждения оказывается равной кинетической температуре газа (последняя определяется скоростью поступательных движений молекул).

Но в атмосферах комет, где плотность газа в сотни миллиардов раз меньше плотности земной атмосферы, столкновения молекул происходят очень редко (примерно раз в сутки) и заселенности уровней начинают контролироваться не столкновениями, а поглощением и излучением электромагнитных волн. Здесь уже можно ожидать любых отклонений температуры возбуждения от кинетической температуры газа. В частности, какой-нибудь переход может оказаться «холоднее» окружающего газа. Это явление и называется антиинверсией населенностей.

Такое название, к сожалению, нельзя признать удачным. Еще менее удачен иногда употребляемый термин «антимазерный эффект». Эти термины вошли в обиход после открытия естественных космических мазеров, действие которых основано на инверсии населенностей уровней — явлении, в какой-то мере противоположном антиинверсии.

Для того чтобы молекулы кометы поглощали реликтовый фон, температура возбуждения соответствующего радиоперехода должна быть ниже температуры реликтового фона, то есть ниже 2,7°, иначе собственно излучение молекул будет ярче реликтового фона и вместо линии поглощения мы увидим линию излучения. Кинетическая температура кометной атмосферы, определяемая из различных наблюдений и теоретических соображений, заведомо выше 2,7°, и, вероятно, не ниже 100°. Следовательно, в атмосфере кометы температура возбуждения радиопереходов молекул ОН гораздо меньше кинетической температуры, то есть имеет место антиинверсия населенностей энергетических уровней ОН.

Конкретные механизмы, приводящие к антиинверсии энергетических уровней ОН в кометах, сейчас усиленно изучаются, и это, безусловно, поможет нам лучше понять природу кометных атмосфер.

Автор: В. С. Стрельницский, кандидат физико-математических наук.