中性氫 (天文學專有名詞)

中性氫是天文學專有名詞。氫是宇宙中最豐富的元素,是形成恒星和星系的重要原材料。星系中的氫元素除了形成恒星,還有一部分會剩下來,以中性氫原子形式存在,我們稱之為中性氫。中性氫能輻射出21釐米氫譜線,它能穿越宇宙塵埃、暗雲等星際物質,因此能用於研究星際中性氫原子分佈、銀河系和河外星系結構,幫助人們解開宇宙大爆炸之謎。2020年“中國天眼”FAST第一次明確探測到銀河系外星系(河外星系)的中性氫發射線,該研究成果論文已被國際天文學權威期刊《天文學和天體物理學通信》接收。

中文名
中性氫
英文名
neutral hydrogen

1簡介

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中性氫是天文學專有名詞。氫是宇宙中最豐富的元素,是形成恒星和星系的重要原材料。氫聚變産生的能量點亮了恒星,讓太陽發出了光和熱,溫暖了地球,讓萬物得以生長。星系中的氫元素除了形成恒星,還有一部分會剩下來,以中性氫原子形式存在,我們稱之為中性氫。

2觀測原理

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星系中的中性氫氣體雖然總品質通常比恒星的總品質少,但分佈卻非常廣泛。觀測中,旋渦星系的恒星盤尺度通常只有中性氫分佈尺度的三分之一。也就是説,在星系週邊,已經看不到星光的地方,還有大量中性氫氣體(圖1)。

圖1:旋渦星系M51,中性氫成圖(深藍色)疊加在光學圖像(顏色偏白的部分是M51的光學圖像,圖中的白點是前景恒星)上  來源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO圖1:旋渦星系M51,中性氫成圖(深藍色)疊加在光學圖像(顏色偏白的部分是M51的光學圖像,圖中的白點是前景恒星)上( 來源:NRAO/AUI and Juan M. Uson, NRAO)。

中性氫原子在沒有吸收光子的情況之下,自身也會産生輻射。這是因為處於基態的中性氫原子的電子自旋和核自旋相互作用,會從電子自旋從與核自旋平行的高能態躍遷到與核自旋反平行的低能態,發出波長為21釐米、頻率為1420.4057517667 MHz的射電譜線,這就是中性氫21釐米譜線(圖2)。

中性氫21釐米譜線的原理(來源:Wikipedia)圖2:中性氫21釐米譜線的原理(來源:Wikipedia)。

儘管這個躍遷概率很低,然而因為在宇宙中存在的氫原子個數異常眾多,所以能夠一直探測到來自於宇宙氫原子的這種特徵輻射。正是利用這條譜線,天文學家從而可以推斷宇宙中中性氫原子的分佈。由於這條譜線的頻段是射電天文的重要頻段,這個頻段受到保護,其他業務不得佔用。

當中性氫原子與我們保持相對靜止時,中性氫21釐米譜線的頻率為靜止頻率1420.4057517667 MHz。當中性氫原子朝向我們和遠離我們運動時,21釐米譜線的頻率會發生多普勒移動,朝向我們時頻率升高,遠離我們時頻率降低。所以通過測量21釐米譜線的頻率我們就可以知道遠處中性氫氣體的運動速度。我們正是通過這個原理測量了銀河系及河外星系中的中性氫的運動狀態。

前面説過,中性氫在星系中的分佈比恒星廣泛,這也使得通過中性氫的觀測可以看到光學觀測看不到的資訊。一些相距比較近的不同星系從通常的光學觀測看起來沒有什麼異常,而中性氫觀測卻可以發現星系間的中性氫氣體發生相互作用(圖3)。

圖3:中性氫觀測可以看到光學觀測尚難發現的星系間的相互作用(來源:SKA)。圖3:中性氫觀測可以看到光學觀測尚難發現的星系間的相互作用(來源:SKA)。

通過中性氫觀測,天文學家也測定了一些星系的旋轉速度。結果發現很多星系都轉得太快了(圖4)!不是説轉得太快有問題,而是説轉得那麼快,星系中的中性氫氣體還沒有散開。大家可能對沒有擋泥板的自行車經過水坑時有所體會,在車速不快的時候沒有什麼問題,但是在車速快時,會甩一背脊泥。中性氫氣體也類似,在星系轉得快的時候,如果沒有足夠的引力,理論上這些氣體應該被甩出星系,可是觀測卻不是這樣的。因此天文學家猜想星系中存在一些看不見的物質,提供了額外的引力,從而保證了星系中的中性氫氣體不散開。這些看不見的物質就是“暗物質”。

圖4:星系的週邊旋轉速度比預計的要快很多。天文學家因此猜測存在暗物質(來源:Queen's University)。圖4:星系的週邊旋轉速度比預計的要快很多。天文學家因此猜測存在暗物質(來源:Queen's University)。

為了觀測中性氫,天文學家需要借助射電望遠鏡。射電望遠鏡原理和電視天線類似,一般通過反射面將信號匯聚起來,由接收機接收、放大,進行後續處理。

3研究意義

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中性氫與大眾耳熟能詳的一個詞——“宇宙大爆炸”有關。

目前多數研究者認為,宇宙起源於137.4億年前的一次大shu爆炸。但是,由於此前科學家很難將觀測延伸到如此久遠之前,關於大爆炸的細節,尤其是爆炸之初最為重要的60秒裏發生的劇變,至今尚無明確答案。

幸運的是,宇宙中還有一位與大爆炸幾乎同齡的“老人家”——中性氫。

中性氫能輻射出21釐米氫譜線,它能穿越宇宙塵埃、暗雲等星際物質,因此能用於研究星際中性氫原子分佈、銀河系和河外星系結構,幫助人們解開宇宙大爆炸之謎。

4觀測情況

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世界上已經建成了很多射電望遠鏡,其中比較著名的有美國的阿雷西博(Arecibo)望遠鏡、綠岸望遠鏡(GBT)、德國的艾菲爾斯伯格(Effelsberg)望遠鏡、澳大利亞的帕克斯(Parkes)望遠鏡。這些望遠鏡都進行過中性氫觀測。

Arecibo望遠鏡的ALFALFA中性氫巡天找到了數萬個中性氫星系,GALFA巡天對銀河系中的中性氫進行了成圖。GBT由於幾乎沒有駐波的影響,對中性氫柱密度測量有很高的精度。GBT對星系間的中性氫進行了一些成圖。Effelsberg和Parkes望遠鏡共同完成了目前最精細的全天中性氫成圖。

我國已經建成的FAST望遠鏡未來最重要的科學目標之一就是進行中性氫觀測,包括搜尋河外中性氫星系和銀河系內的中性氫成圖。相比之前的中性氫觀測,FAST可以找到更多的中性氫星系,使我們了解品質更小的中性氫星系的性質。FAST也能測定更多、更好的近鄰星系旋轉曲線,對暗物質模型給出更好的限制。FAST也能對可見天區內的河內中性氫進行更精細的成圖,發現星際介質中的更多細節。

據2020年7月報道,中科院南美天文中心程誠等科研人員利用“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)的19波束接收機,對一批低紅移恒星形成星系樣本中的4個星系進行先導觀測,首次探測到3個星系的中性氫發射線。

FAST觀測的四個星系的假彩色光學圖像。中國科學院國家天文臺供圖FAST觀測的四個星系的假彩色光學圖像(中國科學院國家天文臺供圖)。

這是“中國天眼”FAST第一次明確探測到銀河系外星系(河外星系)的中性氫發射線,該研究成果論文已被國際天文學權威期刊《天文學和天體物理學通信》接收。

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中性氫 圖冊
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  • 更新時間:2021-01-07
  • 創建者:水晶百合
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