Если атом водорода ионизован, то он и вовсе не способен поглощать излучение. Дело в том, что ионизованный атом водорода — это всего-навсего один протон. Один-единственный орбитальный электрон он потерял при ионизации. Поэтому он уже не способен возбуждаться, — нет электрона, который мог бы поглотить энергию.
Что же касается возбужденных атомов нейтрального водорода в межзвездном пространстве, то их чрезвычайно мало. В атмосферах звезд именно возбужденные атомы водорода создают линии поглощения водорода. Для того чтобы атом водорода перешел в еще более высокое возбужденное состояние, он, уже находясь в возбужденном состоянии, должен поглотить квант не очень большой энергии. Частота этого кванта должна соответствовать видимой области спектра. Именно здесь и образуются линии поглощения.
Поскольку в атмосферах звезд очень большая плотность излучения, там много возбужденных атомов. Поэтому в атмосферах звезд водород дает четко наблюдаемые линии. В межзвездном газе же водород оказался весьма трудноуловимым. Собственно, «уловили» водород не по его линиям поглощения, а по светлым (эмиссионным — излучательным) линиям. Суть таких измерений состоит в следующем. Если на определенном участке неба, куда наведен спектрограф, нет звезд, то в его поле зрения попадает только толща межзвездного вещества. Это вещество содержит как ионы водорода, так и свободные электроны. Они при столкновениях объединяются и образуют нейтральные атомы водорода. Но в каждом таком акте объединения должна быть сброшена лишняя энергия. Она и сбрасывается в виде излучения определенной частоты. Собственно излученный при этом квант должен иметь такую же частоту, какую поглотил атом при ионизации. Вновь объединенный атом водорода может находиться некоторое время в возбужденном состоянии. В основное, невозбужденное состояние он может переходить не сразу, а поэтапно. Другими словами, от избыточной энергии он избавляется не в результате излучения одного кванта, а путем поэтапного излучения нескольких квантов, но меньшей частоты. Среди этих квантов могут быть и очень низкочастотные, которые находятся в видимой части спектра. Именно эти кванты видимого света и выдают присутствие нейтрального водорода в межзвездном газе. Путем измерения этих излучательных (эмиссионных) линий удалось узнать очень многое о межзвездном водороде.
Так было установлено, что нейтральный водород является самым распространенным газом в пространстве между звездами. Число атомов нейтрального водорода примерно в тысячу раз превосходит число атомов всех остальных элементов, взятых вместе.
В самом плотном месте Галактики на каждый атом водорода приходится 2–3 кубических сантиметра. По космическим понятиям это большая плотность. Плотность всего газового вещества около плоскости Галактики составляет 5–8 10–25 г/см3. Это в основном водород, так как масса газа других элементов очень мала. Чтобы проиллюстрировать эту малость, приводят такой факт. Один обыкновенный выдох, который совершает человек, способен создать в кубе с ребром в 400 километров такую же плотность газа, что и плотность межзвездного газа.
Сам межзвездный газ распределен по всей Галактике очень неравномерно. В определенных местах он образует облака, в которых его плотность в десятки раз превышает среднюю плотность межзвездного газа. Естественно, есть и места, где межзвездный газ чрезмерно разрежен. По мере удаления от плоскости симметрии плотность звезд быстро падает. Так же быстро падает плотность межзвездного газа. Общая масса межзвездного газа в Галактике составляет примерно один-два процента от общей массы всех звезд.
Мы уже говорили о том, что часть атомов водорода ионизуется излучением. Самое интенсивное излучение создают звезды — горячие гиганты. Поэтому вокруг них водород ионизован. Ионизацию производит ультрафиолетовое излучение. У разных звезд горячих гигантов разная светимость и разная температура. Чем они больше, тем большую область вокруг звезды ионизует ее излучение. Ученые рассчитали, что при плотностях межзвездного водорода 2–0,5 атома на 1 см3 около звезды спектрального класса О, весь водород ионизован внутри сферы с радиусом 30 — 100 пс. Например, около В1 радиус зоны ионизации звезды составляет 10–30 пс, а около звезды В2 он составляет 4 — 12 пс. По мере перехода к звездам более поздних спектральных классов радиус зоны ионизации очень быстро уменьшается. Так, для звезд класса АО радиус ионизации составляет только малую долю парсека. За пределами зон ионизации практически весь водород находится в нейтральном состоянии.
Подведем итог. Весь водород в межзвездном пространстве нашей Галактики находится в двух состояниях: нейтральном и ионизованном. Зоны нейтрального водорода специалисты обозначают НI, а зоны ионизованного водорода — НII. Границы между зонами нейтрального и ионизованного водорода всегда очень резкие. Практически нет постепенного перехода от ионизованного водорода к нейтральному. Зоны ионизованного водорода могут сливаться друг с другом. Это имеет место тогда, когда звезды — горячие гиганты располагаются сравнительно близко друг к другу.
Когда ионизованный водород превращается в нейтральный водород, излучаются эмиссионные линии водорода. Они образуются при переходах атома водорода после соединения иона со свободным электроном из высоких возбужденных состояний в более низкие. Из всех наблюдаемых линий наиболее интенсивной оказывается линия Н.
Ее длина волны равна 6563 А (ангстрем). Эта линия излучения возникает при переходе атома водорода из второго возбужденного состояния в первое возбужденное состояние. Эта эмиссионная линия расположена в красной части спектра. Поэтому, чтобы обнаружить в межзвездном газе ионизованный водород, участки неба фотографируют с помощью фильтров, которые пропускают только излучение в узкой части спектра около области 6563 А. Здесь находится линия На. Такой прием позволяет выделить излучение в линии На, поскольку относительная яркость зоны НII в сравнении с другими объектами значительно повышается.
Области нейтрального водорода в нашей Галактике занимают примерно в десять раз большее пространство, чем области ионизованного водорода.
Измерения излучения нейтрального водорода в межзвездной среде позволили установить, что атомы водорода излучают и в диапазоне радиоволн (длина волны 21 сантиметр). Это низкочастотное излучение генерируется потому, что невозбужденный нейтральный водород может находиться в двух энергетически близких состояниях. Состояния эти отличаются друг от друга совпадением или несовпадением ориентации магнитных полей протона и электрона. Когда магнитные моменты этих частиц направлены в противоположные стороны, энергетический уровень атома водорода более высокий. Когда они направлены в одну сторону, энергетический уровень атома водорода более низкий. При этом переходы с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождаются излучением квантов с длиной волны, равной 21 сантиметру. Это и понятно, поскольку лишняя энергия должна быть сброшена. Это происходит то с одним атомом, то с другим. Хотя излучает радиоволны этой длины волны далеко не каждый атом водорода, тем не менее, это радиоизлучение удается регистрировать. Ясно, что его интенсивность тем больше, чем больше атомов водорода попадают в сектор наблюдения, чем больше их находится на луче зрения. Наиболее благоприятные условия реализуются в том случае, когда наблюдения ведутся в направлениях, близких к галактическому экватору. В этом случае радиоизлучение межзвездного водорода регистрируется даже при использовании радиотелескопа умеренных размеров.
Измерение нейтрального водорода в межзвездном пространстве нашей Галактики позволило установить движения вещества Галактики, в частности ее вращение. При этом используется общеизвестный эффект (эффект Доплера), заключающийся в том, что частота излучения движущегося тела изменяется в зависимости от того, удаляется ли оно от наблюдателя или же приближается к нему. Измеряя смещение частоты излучающего тела, можно не только сказать, удаляется ли оно или приближается, но и определить скорость этого смещения излучающего тела по лучу зрения. Такими измерениями можно определить не всю скорость излучающего тела, а только его радиальную составляющую. Движение излучающего тела поперек луча зрения измерением эффекта Доплера определить нельзя.
