Многие свойства атомов можно изучать только при крайне низких плотностях, когда каждый атом «сам по себе» и не взаимодействует с соседями. В лаборатории предельно низкие плотности называют сверхвысоким вакуумом; сегодня это 10>9 частиц в кубическом сантиметре. Действительно, это очень разреженная среда – в десятки миллиардов раз разреженнее комнатного воздуха. Но меньше никак не получается. А насколько низкие плотности достижимы в «космической лаборатории»?
Во время солнечного затмения мы видим сияющую корону Солнца; ее плотность 10>8–10>9 см>−3. На Земле это сверхвысокий вакуум, а в космосе – весьма ощутимая среда. Удаляясь от Солнца, мы видим, как солнечная корона, превращаясь в поток солнечного ветра, становится все менее и менее плотной. У орбиты Земли ее плотность снижается до 10 см>−3. Примерно такую же плотность имеют облака межзвездного газа, а между этими облаками межзвездное пространство еще разреженнее – всего лишь 1 см>−3, а то и меньше. Это в миллиард раз меньше плотности самого высокого лабораторного вакуума. Атомы в таких условиях могут долго оставаться в одиночестве, не взаимодействуя с другими атомами. При этом проявляются их свойства, недоступные изучению в лаборатории, например, возбужденные состояния с большим временем жизни. Переходы из таких состояний в состояния с меньшей энергией «запрещены», т. е. происходят крайне редко, поэтому соответствующие линии в спектре излучения тоже называют запрещенными. В лаборатории такой возбужденный атом обязательно столкнется с соседом и передаст ему энергию без излучения. А в разреженном космосе атом долго может летать без столкновения, пока не излучит запрещенную линию. Поэтому именно в спектрах межзвездных облаков были обнаружены и изучены запрещенные переходы в атомах, что заметно продвинуло атомную физику и даже привело к некоторым забавным открытиям.
Например, в начале ХХ века в спектре солнечной короны были обнаружены яркие линии, никогда ранее не наблюдавшиеся в лабораторных спектрах. Их приписали новому, неизвестному ранее химическому элементу, назвав его, естественно, «коронием». Правда, в таблице Менделеева не удавалось найти для этого гипотетического элемента пустую клетку. Только в 1939–1941 годах было убедительно доказано, что загадочные линии «корония» принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция. Эти атомы были лишены почти всех своих электронов по причине очень высокой – несколько миллионов градусов! – температуры солнечной короны, о которой раньше никто не догадывался. Признаюсь, что еще и сегодня мы не до конца понимаем, почему корона Солнца такая горячая, но рады, что эта уникальная физическая «лаборатория» доступна для изучения.