Linha de hidrogênio - Hydrogen line

Linha de hidrogênio de 21 centímetros

A linha de hidrogênio , linha de 21 centímetros ou linha H I é a linha espectral de radiação eletromagnética criada por uma mudança no estado de energia dos átomos de hidrogênio neutros . Esta radiação eletromagnética tem uma frequência precisa de1 420 405 751 .768 (2)  Hz , que é equivalente ao comprimento de onda de vácuo de21,106 114 054 160 (30) cm no espaço livre . Este comprimento de onda está dentro da região de microondas do espectro eletromagnético e é frequentemente observado na radioastronomia porque essas ondas de rádio podem penetrar nas grandes nuvens de poeira cósmica interestelar que são opacas à luz visível . Essa linha também é a base teórica da maser de hidrogênio .

As microondas da linha de hidrogénio provenientes de transição atómica de um electrão entre os dois níveis hiperfinas do hidrogénio 1 s estado fundamental que têm uma diferença de energia de5,874 326 184 1116 (81) μ eV [9,411 708 152 678 (13) × 10 −25  J ]. É chamada de transição spin-flip . A frequência, ν , dos quanta que são emitidos por esta transição entre dois níveis de energia diferentes é dada pela relação de Planck-Einstein E = . De acordo com essa relação, a energia do fóton de um fóton com uma frequência de1 420 405 751 0,768 (2)  Hz é5,874 326 184 1116 (81) μ eV [9,411 708 152 678 (13) × 10 −25  J ]. A constante de proporcionalidade , h , é conhecida como constante de Planck .

Causa

O estado fundamental do hidrogênio neutro consiste em um elétron ligado a um próton . Tanto o elétron quanto o próton têm momentos dipolares magnéticos intrínsecos atribuídos a seus spin , cuja interação resulta em um ligeiro aumento de energia quando os spins são paralelos e uma diminuição quando antiparalelos. O fato de apenas os estados paralelo e antiparalelo serem permitidos é resultado da discretização da mecânica quântica do momento angular total do sistema. Quando os spins são paralelos, os momentos dipolares magnéticos são antiparalelos (porque o elétron e o próton têm carga oposta), portanto, seria de se esperar que essa configuração tivesse energia inferior, assim como dois ímãs se alinham de modo que o pólo norte de um está mais próximo de o pólo sul do outro. Essa lógica falha aqui porque as funções de onda do elétron e do próton se sobrepõem; ou seja, o elétron não é espacialmente deslocado do próton, mas o circunda. Os momentos dipolares magnéticos são, portanto, melhor concebidos como minúsculos loops de corrente. À medida que as correntes paralelas se atraem, os momentos dipolares magnéticos paralelos (isto é, spins antiparalelos) têm energia mais baixa. A transição tem uma diferença de energia de5,874 33  μeV que, quando aplicado na equação de Planck dá:

onde h é a constante de Planck ec é a velocidade da luz.

Esta transição é altamente proibida com uma taxa de transição extremamente pequena de2,9 × 10 −15  s −1 , e uma vida média do estado excitado de cerca de 10 milhões de anos. É improvável que uma ocorrência espontânea da transição seja vista em um laboratório na Terra, mas pode ser induzida artificialmente usando um maser de hidrogênio . É comumente observado em configurações astronômicas, como nuvens de hidrogênio em nossa galáxia e outros. Devido à sua longa vida útil, a linha tem uma largura natural extremamente pequena , de modo que a maior parte do alargamento se deve a mudanças Doppler causadas por movimento em massa ou temperatura diferente de zero das regiões emissoras.

Descoberta

Durante a década de 1930, percebeu-se que havia um 'chiado' de rádio que variava em um ciclo diário e parecia ser de origem extraterrestre. Após sugestões iniciais de que isso era devido ao Sol, foi observado que as ondas de rádio pareciam se propagar do centro da Galáxia . Essas descobertas foram publicadas em 1940 e foram observadas por Jan Oort, que sabia que avanços significativos poderiam ser feitos na astronomia se houvesse linhas de emissão na parte de rádio do espectro. Ele se referiu a Hendrik van de Hulst que, em 1944, previu que o hidrogênio neutro poderia produzir radiação a uma frequência de1 420 ,4058 MHz devido a dois níveis de energia estreitamente espaçados no estado fundamental do átomo de hidrogénio .

A linha de 21 cm (1420,4 MHz) foi detectada pela primeira vez em 1951 por Ewen  [ de ] e Purcell na Universidade de Harvard , e publicada depois que seus dados foram corroborados pelos astrônomos holandeses Muller e Oort e por Christiansen e Hindman na Austrália. Depois de 1952, os primeiros mapas do hidrogênio neutro na Galáxia foram feitos e revelaram pela primeira vez a estrutura espiral da Via Láctea .

Usos

Em radioastronomia

Os aparece linhas espectrais 21 cm, dentro do espectro de rádio (na banda L da banda UHF da janela de microondas para ser exato). A energia eletromagnética nesta faixa pode facilmente passar pela atmosfera da Terra e ser observada da Terra com pouca interferência.

Supondo que os átomos de hidrogênio estejam uniformemente distribuídos por toda a galáxia, cada linha de visão através da galáxia revelará uma linha de hidrogênio. A única diferença entre cada uma dessas linhas é o deslocamento Doppler que cada uma dessas linhas tem. Portanto, pode-se calcular a velocidade relativa de cada braço de nossa galáxia. A curva de rotação da nossa galáxia foi calculada usando oLinha de hidrogênio de 21 cm . É então possível usar o gráfico da curva de rotação e da velocidade para determinar a distância até um determinado ponto dentro da galáxia.

As observações da linha de hidrogênio também foram usadas indiretamente para calcular a massa das galáxias, para colocar limites em quaisquer mudanças ao longo do tempo da constante gravitacional universal e para estudar a dinâmica de galáxias individuais.

Em cosmologia

A linha é de grande interesse na cosmologia do Big Bang porque é a única maneira conhecida de sondar a "idade das trevas" da recombinação à reionização . Incluindo o desvio para o vermelho , esta linha será observada em frequências de 200 MHz a cerca de 9 MHz na Terra. Tem potencialmente duas aplicações. Em primeiro lugar, ao mapear a intensidade da radiação com desvio para o vermelho de 21 centímetros, pode, em princípio, fornecer uma imagem muito precisa do espectro de energia da matéria no período após a recombinação. Em segundo lugar, pode fornecer uma imagem de como o universo foi reionizado, já que o hidrogênio neutro que foi ionizado pela radiação de estrelas ou quasares aparecerá como buracos no plano de fundo de 21 cm.

No entanto, observações de 21 cm são muito difíceis de fazer. Os experimentos baseados em terra para observar o sinal fraco são afetados pela interferência de transmissores de televisão e da ionosfera , portanto, devem ser feitos em locais muito isolados, com cuidado para eliminar a interferência. Experimentos baseados no espaço, mesmo no lado oposto da Lua (onde seriam protegidos da interferência de sinais de rádio terrestre), foram propostos para compensar isso. Pouco se sabe sobre outros efeitos, como emissão de síncrotron e emissão livre na galáxia. Apesar desses problemas, observações de 21 cm, juntamente com observações de ondas gravitacionais baseadas no espaço, são geralmente vistas como a próxima grande fronteira na cosmologia observacional, após a polarização cósmica de fundo em micro-ondas .

Relevância para a busca de vida inteligente não humana

A transição hiperfina do hidrogênio, conforme retratado nas espaçonaves Pioneer e Voyager.

A placa Pioneer , anexada às espaçonaves Pioneer 10 e Pioneer 11 , retrata a transição hiperfina do hidrogênio neutro e usou o comprimento de onda como uma escala padrão de medição. Por exemplo, a altura da mulher na imagem é exibida como oito vezes 21 cm, ou 168 cm. Da mesma forma, a frequência da transição spin-flip do hidrogênio foi usada para uma unidade de tempo em um mapa da Terra incluído nas placas da Pioneer e também nas sondas Voyager 1 e Voyager 2 . Neste mapa, a posição do Sol é retratada em relação a 14 pulsares cujo período de rotação por volta de 1977 é dado como um múltiplo da frequência da transição spin-flip do hidrogênio. Os criadores da placa teorizam que uma civilização avançada seria então capaz de usar as localizações desses pulsares para localizar o Sistema Solar no momento em que a espaçonave foi lançada.

A linha de hidrogênio de 21 cm é considerada uma frequência favorável pelo programa SETI em sua busca por sinais de potenciais civilizações extraterrestres. Em 1959, o físico italiano Giuseppe Cocconi e o físico americano Philip Morrison publicaram "Searching for Interstellar Communications", um artigo que propõe a linha de hidrogênio de 21 cm e o potencial das microondas na busca por comunicações interestelares. De acordo com George Basalla, o artigo de Cocconi e Morrison "forneceu uma base teórica razoável" para o então nascente programa SETI. Da mesma forma, Pyotr Makovetsky propôs SETI usar uma frequência que é igual a

0π ×1 420 0,405 751 77  MHz4,462 336 27  GHz

ou

2 π ×1 420 0,405 751 77  MHz8,924 672 55  GHz

Visto que π é um número irracional , tal frequência não poderia ser produzida de uma forma natural como um harmônico , e significaria claramente sua origem artificial. Tal sinal não seria dominado pela própria linha H I, ou por qualquer um de seus harmônicos.

Veja também

Referências

Cosmologia

links externos