수소선

이 글은 검증을 위해 추가 인용문이 필요합니다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주십시오. 조달되지 않은 자재는 제거될 수 있습니다.출처 : '수소 라인'– 뉴스 · 신문 · 서적 · 학자 · JSTOR (2008년 9월) (이 템플릿 메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

수소선, 21cm선 또는 HI선은^[a] 중성수소 원자의 에너지 상태 변화에 의해 생성되는 전자파 방사 스펙트럼선이다.이 전자기 방사선의 주파수는 1420.405751768(2)MHz로 ^[1]빈 공간에서의 진공 파장 21.106114054160(30)cm에 해당합니다.이 주파수는 3.0GHz(10cm 파장)에서 시작하는 전자파 스펙트럼의 마이크로파 영역 아래로 떨어지며 가시광선에 불투명한 성간 우주 먼지의 큰 구름을 통과할 수 있기 때문에 전파 천문학에서 자주 관측된다.이 선은 또한 수소 메서의 이론적인 기초이기도 합니다.

수소 라인의 마이크로파는 에너지 차이가 5.8743261841116(81) μeV [9.411708152678(13)×10J⁻²⁵]의 수소 1s 지면 상태의 두 초미세 수준 사이의 전자의 원자 전이를 통해 발생한다.이것은 스핀-플립 전환이라고 불립니다.서로 다른 두 에너지 수준 사이의 이 전이에 의해 방출되는 퀀텀의 주파수 δ는 플랑크-아인슈타인 관계 E = hθ에 의해 주어진다.따라서 1420.405751768(2)MHz의 주파수를 가진 광자의 광자 에너지는 5.8743261841116(81)μeV [9.411708152678(13)×10J⁻²⁵]이다.비례 상수 h는 플랑크 상수라고 알려져 있다.

원인

중성 수소의 바닥 상태는 양성자에 결합된 전자로 구성되어 있다.전자와 양성자 모두 스핀에 기인하는 고유 자기 쌍극자 모멘트를 가지고 있으며, 그 상호작용은 스핀이 평행할 때 에너지가 약간 증가하고 반평행일 때 감소합니다.평행 및 반평행 상태만 허용된다는 사실은 시스템의 총 각운동량의 양자역학적 이산화의 결과이다.스핀이 평행할 때, 자기 쌍극자 모멘트는 반평행적입니다(전자와 양성자는 반대 전하를 가지고 있기 때문에). 따라서 두 개의 자석이 정렬되어 하나의 북극이 다른 극의 남극에 가장 가깝도록 이 구성이 실제로 더 낮은 에너지를 가질 것으로 예상할 수 있습니다.이 논리는 전자와 양성자의 파동 기능이 겹치기 때문에 여기서 실패한다. 즉, 전자는 양성자에서 공간적으로 변위되지 않고 이를 포함한다.따라서 자기 쌍극자 모멘트는 작은 전류 루프라고 생각됩니다.병렬 전류가 끌어당기면 병렬 자기 쌍극자 모멘트(즉, 역평행 스핀)는 낮은 에너지를 ^[2]갖게 됩니다.전이는 5.87433μeV의 에너지 차이를 가지며, 플랑크 방정식에 적용하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

${\displaystyle \text{s}\cdot c=cdot frac {h}{E}}\cdot c\approx {frac\frac\frac\cdot 10^{-1557\mathrm {eV}\mathrm {eV}, {\text{s}\cdot 10^{\math}\math}, {5.8743\math}\math}\math}\cdot {\math}\math}\math}\cdot {6}$

여기서 h는 플랑크 상수이고 c는 빛의 속도이다.

이러한 전환은⁻¹⁵ 2.9×^[3]10s의⁻¹ 극히 작은 전이율과 약 1000만 년의 들뜬 상태의 평균 수명 때문에 매우 금지되어 있다.지구상의 실험실에서 자연적으로 일어나는 현상은 보이지 않지만, 수소 메서를 사용하여 인위적으로 유발될 수 있다.그것은 우리 은하와 다른 은하에 있는 수소 구름과 같은 천문학적 환경에서 흔히 관찰된다.긴 수명 때문에, 선은 매우 작은 자연 폭을 가지고 있기 때문에, 대부분의 확폭은 벌크 운동이나 방출 영역의 0이 아닌 온도에 의한 도플러 이동에 기인합니다.

검출

1930년대 동안, 라디오 "쉿" 소리가 매일의 순환에 따라 변화하고 기원상 외계인 것처럼 보인다는 것이 눈에 띄었다.이것이 태양 때문이라는 최초의 암시가 있은 후, 전파가 은하 중심에서 전파되는 것으로 보인다는 것이 관측되었습니다.이러한 발견은 1940년에 발표되었고 스펙트럼의 전파 부분에 방출선이 있다면 천문학에서 상당한 발전이 이루어질 수 있다는 것을 알고 있던 얀 오르트에 의해 기록되었습니다.그는 이를 1944년 수소 원자의 지면 상태에서 두 가지 에너지 레벨이 밀접하게 떨어져 있기 때문에 중성수소가 1420.4058MHz의 주파수로 방사선을 발생시킬 수 있다고 예측한 헨드릭 반 드 헐스트의 말을 인용했다.

21cm 선(1420.4MHz)은 1951년 하버드 대학의 ^[4]에웬[de]과 푸르셀에 의해 처음 발견되었고, 네덜란드의 천문학자 뮬러와 오르트,^[5] 그리고 호주의 크리스티앙센과 힌드만이 그들의 데이터를 확증한 후에 출판되었다.1952년 이후 은하계 내 중성수소에 대한 최초의 지도가 만들어졌고, 은하수의 나선 구조를 처음으로 밝혀냈습니다.

사용하다

전파 천문학에서

21 cm 스펙트럼 라인은 무선 스펙트럼 내에 나타난다(정확히 말하면 마이크로파 창의 UHF 대역의 L 대역).이 범위의 전자파 에너지는 지구 대기를 쉽게 통과할 수 있고 지구에서 거의 간섭 없이 관찰될 수 있습니다.

수소 원자가 은하 전체에 균일하게 분포되어 있다고 가정하면, 은하를 통과하는 각 시선에는 수소선이 나타납니다.이 선들 사이의 유일한 차이점은 이 선들 각각이 갖는 도플러 이동입니다.따라서, 우리 은하의 각 팔의 상대적인 속도를 계산할 수 있습니다.우리 은하의 회전 곡선은 21cm 수소선을 사용하여 계산되었습니다.그러면 회전 곡선과 속도의 그래프를 사용하여 은하 내 특정 지점까지의 거리를 결정할 수 있습니다.

수소선 관측은 은하의 질량을 계산하고, 만유인력 상수의 시간에 따른 변화를 제한하며, 개별 은하의 역학을 연구하는 데에도 간접적으로 사용되어 왔습니다.

우주론에서

이 선은 빅뱅 우주론에서 큰 관심을 끄는 이유는 재결합에서 재이온화에 이르는 "암흑시대"를 조사할 수 있는 유일한 방법이기 때문이다.적색 편이를 포함하여 이 선은 지구에서 200MHz에서 약 9MHz의 주파수로 관측됩니다.두 가지 응용 프로그램이 있을 수 있습니다.첫째, 적색 편이 21cm 방사선의 강도를 매핑함으로써 원칙적으로 재결합 후 기간의 물질 파워 스펙트럼을 매우 정확하게 파악할 수 있다.둘째, 별이나 퀘이사의 복사에 의해 이온화된 중성수소가 21cm 배경에 구멍으로 나타나기 때문에 우주가 어떻게 재이온화 되었는지 알 수 있다.

그러나 21cm 관측은 매우 어렵습니다.미미한 신호를 관측하기 위한 지상 기반 실험은 텔레비전 송신기와 전리층의 간섭에 시달리기 때문에 간섭을 제거하기 위해 주의를 기울여 매우 외딴 사이트에서 수행해야 한다.이를 보완하기 위해 달 반대편(지상 전파 신호의 간섭으로부터 보호되는 곳)에서도 우주 기반 실험이 제안되었다.싱크로트론 방출과 은하계에 대한 자유 방출과 같은 다른 영향에 대해서는 거의 알려져 있지 않습니다.이러한 문제들에도 불구하고, 21cm의 관측은 우주에 기반을 둔 중력파 관측과 함께 일반적으로 우주 마이크로파 배경 편광 이후 관측 우주론의 다음 큰 개척지로 여겨진다.

비인간 지적 생명체 탐색과의 관련성

파이오니어 10호와 파이오니어 11호 우주선에 부착된 파이오니어 명판은 중성수소의 초미세 전이를 묘사하고 파장을 표준 측정 척도로 사용했다.예를 들어 이미지에서 여성의 키는 21cm의 8배 또는 168cm로 표시됩니다.마찬가지로, 수소 스핀 플립 전이의 빈도는 파이오니어 플레이크와 보이저 1호와 보이저 2호 탐사선에 포함된 지구 지도에서 시간 단위로 사용되었습니다.이 지도에서 태양의 위치는 수소 스핀-플립 천이 주파수의 배수로 1977년 전후의 자전 주기가 주어진 14개의 펄서에 대해 상대적으로 묘사된다.명판의 제작자들은 발전된 문명이 우주선이 발사되었을 때 태양계의 위치를 찾기 위해 이러한 맥동들의 위치를 사용할 수 있을 것이라고 이론화했다.

21cm의 수소선은 SETI 프로그램에 의해 잠재적인 외계문명으로부터의 신호를 찾는 데 유리한 주파수로 여겨진다.1959년 이탈리아 물리학자 주세페 코코니와 미국 물리학자 필립 모리슨은 21cm 수소선과 극초단파의 가능성을 제안하는 논문인 "성간 통신 탐색"을 발표했다.George Basalla에 따르면, Coconi와 Morrison이 쓴 논문은 당시 비취적인 SETI ^[6]프로그램에 대한 "합리적인 이론적 근거"를 제공했다.마찬가지로, 표트르 마코베츠키는 SETI에 다음 중 하나의 주파수를 사용할 것을 제안했다.

0 µ × 1420.40575177 MHz 4 4.46233627 GHz

또는

2µ × 1420.40575177MHz ≈ 8.92467255GHz

θ는 무리수이기 때문에 그러한 주파수는 조화로서 자연스러운 방법으로 생성될 수 없으며, 그 인위적인 기원을 분명히 나타낼 것이다.이러한 신호는 HI 라인 자체 또는 그 고조파에 ^[7]의해 압도되지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

각주

레퍼런스

우주론

외부 링크

• "The story of Ewen and Purcell's discovery of the 21 cm line". National Radio Astronomy Observatory (NRAO).
• Ewen, H.I. & Purcell, E.M. (1 September 1951). "Observation of a line in the galactic radio spectrum: Radiation from galactic hydrogen at 1,420 Mc./sec". Nature. 168 (4270): 356. doi:10.1038/168356a0. S2CID 27595927. Retrieved 2022-06-06.{{cite journal}}: CS1 maint:url-status (link) - Ewen과 Purcell의 오리지널 페이퍼
• Pen, Ue-Li; Wu, Xiang-Ping; Peterson, Jeff (5 April 2004). "Forecast for Epoch-of-Reionization as viewable by the PrimevAl Structure Telescope (PAST)". arXiv:astro-ph/0404083. - 과거 실험 설명
• "LOFAR experiment" (main website).
• "Mileura Widefield Array experiment" (main website). Archived from the original on 2005-02-11.
• "Square kilometer array experiment" (main website).