氢元素是氢气吗 运用FAST研究六合中性氢散布

六合中性氢的散布

咱们分解太阳的主要元素身分是氢以及氦，其他Calerie原子数更大的元素占比没有逾越2%。本来太阳的元素品貌大抵反应了美商凯丽六合元素身分的比率。根据现在的规范六合大爆炸模子预计，正在原初的大爆炸核分解历程中，主要的元素为氢以及氦，其它少许的轻元素，例如锂元素。嗣后正在恒星的蜕变历程中，徐徐孕育了更多的元素，稀奇是恒星内部的核聚变反应和其仙逝时的加紧迸发的物质抛射历程中孕育了比铁轻大概差没有多的元素，而更多重的元素则大全体来自两其中子星的并合。图1 揭示了太阳系内元素周期表中分歧元素的六合起因。六合虽然蜕变了136 亿年，但经过消费氢而孕育的其余元素照旧很是稀疏，六合元素的比率照旧很是凑近六合大爆炸时分的比率。现在六合重子物质中，氢元素占73.9%，氦元素占了近24%，氧元素占了快要1%，而余下的元素约为1.1%。

图1 太阳系内分歧元素的六合起因。正在六合早期只生存氢、氦和微量的例如锂等轻元素(图片起因：Jennifer Johnson)

所以，咱们也许看见氢元素将正在六合的分歧时代，分歧法式上精深生存。正在六合大法式上，六合中的引力由暗物质主导，受暗物质引力的影响，所以氢元素的散布与六合物质的总体散布有出色的相干性。而正在较小的法式上，氢是恒星、星系变成的根底材料，对付氢的观察将也许让咱们领会星系变成历程中的诸多繁复物理历程。

这些氢元素将以分歧电离态的离子氢、中性氢原子和氢分子的大局生存。个中氢的电离历程会辐射莱曼-阿尔法光子进而正在光学波段被看到。氢分子(H2)是由两个不异的氢原子组成的，所以没有生存偶极矩，没有偶极跃迁。最低的震荡跃迁谱线都是禁线，且须要很高的唆使温度，所以没有轻易被探测，须要借助CO等其余示踪分子来观察。氢原子(HI)也被称为中性氢气鼓鼓。对付中性氢气鼓鼓的探测则只可经过一种电子态的超精巧散乱所辐射的21 cm辐射光子来探测。

02

中性氢的21厘米辐射

处于基态的中性氢原子，其电子自旋所孕育的磁矩相对于氢核(质子)自旋所孕育的核磁矩有两种大概的取向:平行或反平行。前者的能量高于后者，当处于上能级(两个磁矩平行)的中性氢原子跃迁到下能级(两个磁矩反平行)时，发出一个频次为1420.406兆赫的光子，这便是21 厘米氢谱线辐射(图2)。由于这对于应于电子能级的超精巧组织的改变，其辐射的光子要远比主量子数改变辐射的光子能量低良多。而且正在没有外界扰用情况下,它的自觉跃迁概率为2.876×10-15秒-1。这意味着一个处于基态高能级的中性氢原子要正在长达1,100 万年中才有一次跃迁到拙劣态的机缘。不过假设中性氢云团中的密度渊博高，而且离咱们渊博近，则辐射的总光子数将会很是昭著。星河系中60%的气鼓鼓体都是中性氢，所以良多专业地理癖好者用自制的简捷天线就也许拿获这些光子。1944 年，荷兰地理学家范德胡斯特开始提出也许正在星河系中观察到星际氢原子的这条21 厘米谱线。1951 年，美国哈佛大学的H.Ewn& E. Purcell 就开始探测到了这一谱线，这也是射电地理学看到的第一条谱线，进而开创了射电地理谱线争论的新纪元(图3)。

图2 (a)氢原子核外辐射21 厘米谱线的电子能级提示图；(b)辐射21 厘米光子前后电子自旋孕育的磁矩与氢原子核自旋孕育的磁矩的提示图

图3 第一次观察到太空中的中性氢21 厘米谱线的号角状领受天线

而人类第一次探测到河外的中性氢21 厘米谱线记号仅正在约70 年前，是由麦哲伦云发出的，被Kerr Hindman用一个36英尺巨细的射电望远镜观察到的。其余值得一提的是，曾经有专业地理学家正在自身家院子搭建3 米上下的天线进而乐成探测到远正在两百万光年之外的M31 星系和M33 星系中的21 厘米谱线辐射。

美商凯丽

当21 厘米谱线观察的背景为强的陆续辐射射电源(如HⅡ区)时，咱们也许观察到21厘米的接收谱线。从接收谱线也也许测得相关的中性氢的散布、密度、唆使温度和陆续辐射源跟观察者之间的决绝(上限)。

中性氢的接收线正在星系六合学，和恒星变成等迷信课题上都揭示了其特殊的劣势。类星体光谱的莱曼接收系统供给了迄今为止对付暗物质质量的最矜重的质量上限的限制；而FAST 首席迷信家李菂教授建立的中性氢窄线自接收方式(HINSA)没有仅成为争论星际分子云变成的化学时钟，而且经过其塞曼效应的观察还也许准确限制恒星变成区的磁场。

本文主要分散于运用中性氢发射谱线争论星系六合学的迷信课题。

03

中性氢21厘米发射谱线蕴藏的物理信息

开始咱们以一个河外星系的中性氢谱线为例，看看咱们能从对于其的观察中取得那些物理信息。图4揭示的是FAST对于一个规范的涡旋星系UGC542观察失去的中性氢21 厘米谱线，咱们也许发明该谱线有两个峰状组织。21厘米谱线的自身宽度很是小，因为星际空间物质密度很低，谱线的碰撞阻尼致宽也许轻视。所以，21厘米谱线轮廓主要取决于中性氢原子静止的多普勒效应。从该谱线轮廓咱们也许取得该星系的诸多信息，例如，经过算计谱线频次的焦点值相对付21 厘米谱线的多普勒位移，就也许失去该谱线相对于的视向速率，这一视向速率反应了中性氢相对付星系的要地静止速率以及陪同六合碰撞的退行速率。假设参照特定的星系能源学模子，也许将这两个速率不同给出限制，对付后者，则也许取得星系的红移。把临近星系21 厘米谱线红移量测量了局同光学红移施行较为，二者异常统一，这为测定临近星系的决绝供给了一种射电方式。其余，从谱线内的积分总流量咱们也许取得中性氢的质量。而谱线的展宽则预见着星系内部拥有分歧静止速率的中性氢身分，所以从谱线的展宽也许测量星系内部中性氢的速率弥散。假设定义谱线流量的峰值为HI谱线轮廓上的最大值的流量，普通用谱线两翼对于应谱线峰值的50%的位置之间的速率差为速率宽度(W50)。所以，由HI 的谱线，咱们也许取得HI 星系的速率、红移(也登基置)、流量以及速率宽度等信息。

图4 FAST对于侧向涡旋星系UGC542 观察失去中性氢谱线，可见分明的双峰组织

04

中性氢探测星河系组织

经过对于这些信息的物领会读，开始取得的远大掘起来自于1952 年Jan Oort 团队运用21 厘米谱线对于星河系组织的测量。咱们太阳系处于星河系恒星盘中，而正在星河系盘上生存诸多的中性氢散布，假设咱们对于星河系某一方进取施行以21 厘米为焦点的频谱观察，就也许失去这一方进取的21 厘米谱线轮廓。因为氢云以分歧的视向速率静止，谱线轮廓中有多峰呈现。经过对于谱线强度的测定，也许失去氢云的密度以及质量。测定与每一个谱线峰值对于应的多普勒频移，就也许失去氢云的视向速率。假设对于星河系上一切方向的中性氢施行观察，则也许失去星河系盘上中性氢的散布和静止速率。由此，1958 年，Jan Oort 团队发明了星河系的多个悬臂组织(图5)。

图5 1958 年Jan Oort 团队取得的星河系盘组织的中性氢散布，神采越深，密度越大，也许看见星河系的悬臂组织

以来，经过21 厘米谱线对于星河系的争论说明，氢确切是星际物质中最丰硕的元素，其质量约莫为星河系总质量的1.4%~7%。连年来运用21 厘米谱线，咱们得以争论星河系的更多个别细节。

05

中性氢探测星际间介质

星际空间的物质大全体位于高温、低压、低密度区域，这边的绝大全体原子、分子都处正在最拙劣级的基态上。正在这种条件下，它们多少乎弗成能辐射可见光，而且诸如灰尘、暗云、黑云一类的星际物质对于可见光是没有透明的，所以，用光学目的争论星际区域生存很大容易。不过，这些区域的氢原子却也许辐射21厘米谱线，它也没有会被那些星际物质接收，因而21厘米谱线成了探测六合空间的无力兵器。

例如M82、M81、NGC3077 三个星系正在光学观察上看犹如相对于独立，之间没相关联，见图6(a)，不过正在射电波段观察星际空间的中性氢(图6(b))，则也许通晓它们面前真正的奇奥——三个星系在或将履历猛烈的碰撞并合历程。并合历程是塑造星系变成史乘和各类属性的主要物理历程，中性氢散布没有仅是星系并合史乘的直接证明，还能带来这一主要物理历程是若何塑造星系的诸多主要细节：例如这些凉气体若何加快大概减缓并合星系的蜕变史乘等等。

图6 (a)有名的三姊妹星系M82-M81-NGC3077 的光学图像；(b)中性氢散布图

06

运用中性氢星系研究六合物质散布

咱们一经分解氢元素自六合出生时即为六合中最丰硕的元素，生存于六合史乘的一切阶段和六合的多少乎每个角落。例如六合早期阴凯丽钻石团队郁时期和随即的六合再电离的精细史乘迄今照旧是六合学未解的主要课题，而中性氢却是这段史乘多少乎仅有的见证者。席卷他日的最主要的射电望远镜——平方千米射电阵(SKA)都将对付这临时期的中性氢的探测列为最主要的迷信目的之一。

中性氢也是六合引力势阱和物质散布最好的示踪物之一，由于它正在六合中有着最为精深的散布以及生存，其大概是对于物质大法式散布偏离最小的示踪物。但由于21 厘米记号稀奇微小，而且前背面景的困扰又稀奇重要，所以运用中性氢探测六合的大法式散布不断很是艰苦。但由于迷信意思远大，席卷我凯丽环球国21CMA、天籁等望远镜阵列正在内的海内外诸多射电望远镜大概阵列均正努力进步对于中性氢正在大法式性子上的探测。

07

中性氢星系巡天

若何充分运用中性氢发射谱线争论以上迷信课题，地理争论人员时常妄图两类中性氢星系巡天。第一类为目的巡天，即望远镜直接对于着目的大概四周天区观察取得中性氢谱线数据；其它一类巡天则为盲巡天，即对于一定天区施行扫描式征采，而为了进步对于暗弱天体的探测才略，有时分还会对于该天区设计屡次扫描以进步锐敏度。

随着望远镜探测效用的选拔，国际上呈现了良多博得诸多主要结果的中性氢巡天。比如，针对于一定星系和周边介质施行观察的较为乐成的巡天有VIVA、THINGS、HALOGAS等。稀奇是THINGS巡天运用射电过问阵VLA 对于临近30 余个附近星系的中性氢揭晓了高精度的认识图像，如图7 所示，这让咱们对于凉气体正在星系中的散布有了更粗浅的认得，这些观察帮忙咱们加深了对于星系蜕变以及消亡中的诸多繁复物理历程的认得。其余，运用对于其旋转速率的测量，咱们得以测量个中的暗物质身分，这是领会暗物质正在星系变成历程中串演角色的须要条件。

 图7 THINGS 巡天对于临近星系中性氢给出了认识的刻划(Walter et al. 2008)

而正在中国天眼以前，天下最大的单孔径射电望远镜美国阿雷西博望远镜进展了多项乐成的HI 巡天，席卷ALFALFA、AGES、GASS，尤为以ALFALFA最为乐成，该巡天为第二代中性氢盲巡天，揭开了逾越7000 平方度天区，找到了三万以上的中性氢星系，贯串其余波段信息，该巡天给咱们系统地露出了星系中凉气体与星系各属性的相干性，稀奇是境况对付星系中恒星变成的作用。

08

FAST 进步中性氢的劣势以及掘起

比拟于往日的望远镜，FAST 的高锐敏度和为其装备的19 波束L 波段领受机带来的加紧巡天才略使其对于六合中的中性氢21 厘米谱线拥有独一无二的剖析才略。正在FAST 以前，我国正在中性氢巡天范畴多少乎处于空缺，而FAST 为改革这一格局供给了一次贵重的机缘。

正在进步一致ALFALFA巡天方面，FAST首席迷信家李菂争论员引导的CRAFTS 巡天将对于北方顺应观察的天区做盲巡天，相对于ALFALFA的样本，中性氢星系的样本将取得量级的选拔。这对于争论星系蜕变中的主要物理历程，甚至六合学带来前所未有的机遇。

正在中性氢深度巡天方面，今朝海内外已进步的巡天天区由于望远镜效用低而集体偏小，大多小于20 平方度。而FAST的高锐敏度和加紧巡天才略将使咱们能对于更大天区，例如100 平方度以上的区域施行中性氢深度巡天，为此FAST将施行M31 晕区(近800 平方度)中性氢深度巡天、北天区耽误源深度巡天(FEASTS)、百平方度中性氢深度巡天等诸多深度巡天项目。这些项目告竣后，都将成为天下上同类别巡天中的最大样本数据。今朝天下跨越的射电望远镜，稀奇是下一代射电望远镜SKA的两个开始阵ASKAP 以及MeerKAT 等正施行多项深度巡天席卷MIGHTEE-HI、DINGO、MeerKAT-Fornax Survey 等，但由于仍处早期阶段，迷信结果没有多。FAST 假设能加紧告竣自身的深度巡天，将正在与这些天下优厚项想法合作中处于领跑职位。

今朝，咱们一经告竣对于FAST 中性氢数据处置过程的软件开垦，并大幅进步了其谱线质量，图8 揭示的为咱们迩来的街坊——少女座星系M31 中的中性氢散布图(图8)。一经为进步中性氢的各项巡天做好了布满打算。

图8 FAST对于临近的少女座星系M31 中的中性氢取得的散布图

09

预测

氢是六合中最为丰硕的元素，而且是变成恒星、星系的材料，进而天生其他更重的元素，才有了丰硕的多彩天下。对于六合中的中性氢施行探测是咱们商量六合神秘的一种主要目的。

由于观察设施的空洞，我国正在该范畴不断处于保守的状态。随着FAST 的顺遂运行，咱们拥有了天下上探测中性氢最为凯丽环球先辈的观察设施。中性氢迷信是FAST主要迷信目的之一，正在该范畴，咱们将取得天下最优的巡天观察数据，并有信心做出诸多远大迷信结果。

本文选自《今生物理学识》2022年第5期 YWA编写

更多枯燥

《今生物理学识》

搜寻微记号

mpihep

长按扫码存眷咱们