Радіолінії ОН у спектрі комети Когоутека
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Вже кілька років на великому радіотелескопі, встановленому у Франції, у містечку Нансе, успішно працює приймач, призначений для спостережень у сантиметровому діапазоні довжин хвиль. З цим приймачем французьким радіоастрономам вдалося відкрити у радіоспектрі комети Когоутека лінії, що належать радикалу ОН.
Найцікавішим у цьому відкритті виявилося те, що радіолінії ОН спостерігалися в поглинанні, хоча за кометою в цей час не було жодних відомих космічних радіоджерел. Речовина комети могла поглинати лише універсальне космічне радіовипромінювання — реліктове тло. Температура реліктового фону дуже низька – всього 2, 7° вище абсолютного нуля. Поглинати таке холодне випромінювання здатні тільки аномально збуджені молекули. Суть цієї аномалії, яку називають антиінверсією заселеності, полягає в наступному.
Двом енергетичним рівням молекули, переходи між якими дають радіолінію, можна приписати певну температуру збудження. Вона характеризується відношенням числа молекул, що знаходяться на верхньому та нижньому рівнях. Чим менше відносне число молекул на верхньому рівні, тим нижча температура збудження. У звичайному газі заселеність енергетичних рівнів молекулами визначається головним чином зіткненнями молекул одна з одною, і температура збудження виявляється рівною кінетичній температурі газу (остання визначається швидкістю поступальних рухів молекул).
Але в атмосферах комет, де щільність газу в сотні мільярдів разів менша за щільність земної атмосфери, зіткнення молекул відбуваються дуже рідко (приблизно раз на добу) і заселеності рівнів починають контролюватись не зіткненнями, а поглинанням та випромінюванням електромагнітних хвиль. Тут вже очікується будь-яке відхилення температури збудження від кінетичної температури газу. Зокрема, який-небудь перехід може виявитися «холоднішим» від навколишнього газу. Це і називається антиінверсією заселеності.
Таку назву, на жаль, не можна визнати вдалою. Ще менш вдалий іноді вживаний термін антимазерний ефект. Ці терміни увійшли в ужиток після відкриття природних космічних мазерів, дія яких заснована на інверсії заселеності рівнів – явищі, певною мірою протилежному антиінверсії.
Для того щоб молекули комети поглинали реліктове тло, температура збудження відповідного радіопереходу повинна бути нижчою за температуру реліктового фону, тобто нижче 2,7°, інакше власне випромінювання молекул буде яскравіше реліктового фону і замість лінії поглинання ми побачимо лінію випромінювання. Кінетична температура кометної атмосфери, яка визначається з різних спостережень і теоретичних міркувань, явно вище 2,7°, і, ймовірно, не нижче 100°. Отже, в атмосфері комети температура збудження радіопереходів молекул ОН набагато менша за кінетичну температуру, тобто має місце антиінверсія заселеності енергетичних рівнів ОН.
Конкретні механізми, що призводять до антиінверсії енергетичних рівнів ОН у кометах, зараз посилено вивчаються, і це, безумовно, допоможе нам краще зрозуміти природу кометних атмосфер.
Автор: В. С. Стрельницький, кандидат фізико-математичних наук.