Transcript Ëåêöèÿ9
Генерация и распространение электромагнитных волн в космосе Общая классификация механизмов излучения • Излучение с непрерывным спектром (континуум) и излучение в спектральных линиях • Тепловое и нетепловое излучение • Когерентные и некогерентные механизмы излучения Излучение с непрерывным спектром и спектральные линии • Излучение с непрерывным спектром занимает широкий интервал частот и его интенсивность имеет плавную зависимость от частоты. Оно генерируется заряженными частицами и пылинками. • Для излучения в спектральных линиях (монохроматического) Δν/ν << 1 (типичные значения Δν/ν ~ 10-5). Линии возникают при переходах между энергетическими уровнями атомов и молекул. Сравнительно узкополосное излучение может генерироваться и заряженными частицами (например, циклотронное излучение электронов). Тепловое и нетепловое излучение • Излучение заряженных частиц называется тепловым, если частицы имеют равновесное (максвелловское в нерелятивистском случае) распределение по скоростям. В противном случае излучение будет нетепловым. Это деление не зависит от конкретного механизма излучения. Яркостная температура теплового излучения не может быть выше кинетической. • Излучение в спектральных линиях атомов и молекул обычно называется тепловым, если нет инверсии населенностей (хотя распределение населенностей по уровням может быть и неравновесным). Когерентные и некогерентные механизмы излучения • Механизм излучения называется когерентным, если спектральная мощность излучения источника превышает суммарную мощность собственного (спонтанного) излучения отдельных частиц в источнике. • Некогерентный механизм может обеспечить высокие яркостные температуры только за счет высоких энергий излучающих частиц. • Когерентные механизмы разделяются на антенные и мазерные. В антенном механизме когерентность обеспечивается за счет предварительной фазировки (группировки) частиц. Мазерный механизм действует без предварительной фазировки. Фазировка достигается автоматически. Сужение диаграммы направленности Для изотропного источника ширина диаграммы направленности в системе A определяется фактором (1 – β cosθ) ev e A , R c R Rv / c R Rv / c R t t c c При 1 1 20.5 2 1 2 «Сверхсветовые» скорости Довольно часто наблюдаются «сверхсветовые» скорости разлета джетов активных галактик и квазаров, а также и некоторых галактических источников (в картинной плоскости). AB vt AC vt cos t (v / c)t cos vobs BC v sin t t 1 (v / c) cos vexp 2v sin 2c 2 2 1 (v / c) cos sin Плотность потока от движущегося источника Излучение, испущенное движущимся источником за время dtrad, будет проходить через поверхность S в течение интервала 1 dr dt dtrad dtrad (1 cos )dtrad c dtrad P d d dtrad F dS d dt Таким образом, наблюдаемая F P r 2 1 cos плотность потока возрастает, если источник приближается (в момент излучения) и убывает, если он удаляется. Собственное излучение астрофизической плазмы • Тормозное излучение • Черенковское излучение • Магнитотормозное излучение – Циклотронное излучение – Синхротронное излучение – Магнитодрейфовое (изгибное) излучение Тормозное излучение • Излучение заряженных частиц при ускорении «Тормозное» или «свободно-свободное» излучение плазмы Тормозное излучение • Тормозным называют излучение, возникающее при пролете одной заряженной частицы мимо другой (столкновении), если налетающая частица после соударения остается свободной. Поэтому эти переходы называются свободносвободными, в отличие от свободно-связанных (рекомбинационных) переходов. • Тормозной механизм излучения является основным для областей ионизованного водорода (H II). EM 2 3/ 2 B, EM N 2 dl (мера эмиссии) T 8.2 10 T 2 1.35 2.1 e GHz EM pc/cm6 , T 0.3 T 1.35 e 1/ 2 EM pc/cm6 Тормозной механизм излучения в астрофизике • Тормозной механизм является основным механизмом генерации радиоизлучения областей ионизованного водорода (H II). Им также объясняется радиоизлучение спокойного Солнца и др. Рентгеновское излучение горячего газа также часто обусловлено тормозным механизмом. Черенковское излучение Черенковское излучение возникает при равномерном движении заряда в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость волн. 2 kv 2 1 mv mv 2 2 mv mv1 k mv 2 2 vph v cos Черенковское излучение возможно только в среде и только для волн с показателем преломления n > 1. В изотропной плазме это условие выполняется только для плазменных волн (которые в дальнейшем могут трансформироваться в электромагнитные). Магнитотормозное излучение В магнитном поле электрон движется по винтовой линии с осью вдоль поля. Частота вращения равна mc 2 eH H H , H mc E Механизм излучения заряженной частицы в магнитном поле называют в общем случае магнитотормозным Излучение нерелятивистской частицы (E << mc2), обычно называют циклотронным, для релятивистских частиц – синхротронным (точнее, если питчугол θ >> mc2/E, излучение частиц с меньшими питч-углами называется релятивистским дипольным. Частотный спектр циклотронного излучения электрона в пустоте Роль циклотронного излучения в астрофизике • Циклотронным механизмом объясняется, в частности, радиоизлучение локальных источников на Солнце. Возможно, что оно вносит существенный вклад в излучение магнитных звезд и вспыхивающих звезд. • Некоторые особенности оптических спектров магнитных белых карликов, спектров рентгеновских пульсаров и пр. также могут объясняться циклотронным механизмом. Расположение гирорезонансных слоев в активной области на Солнце Циклотронная линия в спектре рентгеновского пульсара Her X-1. Синхротронное излучение • Синхротронное излучение возникает при винтовом движении релятивистских частиц с питч-углом θ >> mc2/E. • Синхротронное излучение широко распространено в астрофизике и играет важную, часто доминирующую роль в самых разных объектах (везде, где есть магнитные поля и релятивистские частицы). Synchrotron Radiation • Polarization properties of light provides information on magnetic field geometry ev e A , R c R Rv / c R Rv / c R t t c c Из потенциалов Лиенара-Вихерта следует, что мгновенная диаграмма направленности релятивистского электрона имеет ширину: 2 mc 2 2 2 1 2 1 2 E Излучение имеет вид периодической последовательности коротких импульсов. На луче зрения, перпендикулярном к вектору H: 2 2 H H 1 2 t ~ При выводе выражения для Δt учитывалось, что Под произвольным углом (θ >> mc2/E ) 1 H 2 1 mc H E 2 dt (1 cos )dtrad 2 1 cos sin 2 H 2 mc 1 t ~ H sin E 2 2 2 Спектр синхротронного излучения состоит из гармоник частоты ΩH/sin2α. Максимум приходится на частоту max 1 E ~ H sin 2 t mc 2 При θ >> mc2/E спектр квазинепрерывный, т.к. max / H / sin 2 1 3 E c H sin 2 4 mc 2 Поляризация синхротронного излучения В общем случае синхротронное излучение эллиптически поляризовано, большая ось эллипса поляризации перпендикулярна проекции магнитного поля. В направлении V поляризация линейная. На краях диаграммы направленности поляризация приближается к круговой, но интенсивность излучения резко падает. Влияние среды на характер синхротронного излучения В среде с n < 1, но при 1 - n << 1 характер синхротронного излучения существенно изменяется. ev e A , 2 c R nRv / c t R n n R Rv / c t R n c c 2 R nRv / c R(1 n cos ) R 1 n n 2 ~ 1 n mc При 1 n E 2 2 2 ~ 1 n Ширина диаграммы направленности увеличивается, происходит резкое уменьшение мощности излучения (эффект Разина-Цытовича). Потери энергии при синхротронном излучении dE P( )dv 2.368 103 H 2 E 2 [эрг/с] dt 0 E0 E (t ) 1 t / t0.5 t0.5 4.223 102 8.352 109 2 [с] [лет мкГс Гэв] 2 2 H E0 H E0 Синхротронное излучение ансамбля частиц P( , E ) N ( E )dE I. Моноэнергетический спектр Спектр мощности – такой же, как для одиночного электрона. Излучение линейно поляризовано. Степень поляризации 1/2 p 2 c 3 при c при c II. Степенной энергетический спектр N ( E) KE Используя выражение для спектральной плотности мощности и произведя замену переменных, получим для излучательной способности: en = Kn , -a a= g -1 2 Степень линейной поляризации определяется индексом спектра и не зависит от частоты: p 1 7 3 Самопоглощение синхротронного излучения d N (E) E P( , E ) dE 2 2 8 0 dE E c 2 2 При степенном распределении по энергиям Для оптически толстого источника 5/ 2 I ( 4)/ 2 Интерпретация синхротронных спектров • Низкочастотный «завал» в спектре может объясняться следующими причинами: – тормозное поглощение – эффект Разина-Цытовича – синхротронное самопоглощение • Высокочастотный «завал» может быть связан с эффектами эволюции степенного спектра излучающих частиц. Магнитодрейфовое (изгибное) излучение Это излучение аналогично синхротронному. При движении вдоль искривленной силовой линии с радиусом кривизны RB электрон излучает, как если бы он вращался по орбите с радиусом RB. Роль гирочастоты играет величина c RB Излучение кривизны имеет место в магнитосферах пульсаров, для которых характерны значения параметров νc ~ 1 ГГц, γL ~ 103. Плазменный механизм генерации радиоизлучения • Под плазменным механизмом в теории генерации космического радиоизлучения понимается возбуждение плазменных волн с их последующей трансформацией в электромагнитное излучение. • Обращение к плазменным механизмам обычно имеет смысл в тех случаях, когда плазменная частота приходится на радиодиапазон, а плазменные волны возбуждаются легче, чем электромагнитные. Рассеяние на свободных частицах. Обратный эффект Комптона • Обратным комптон-эффектом называется процесс рассеяния «мягких» фотонов на энергичных (релятивистских) электронах (E >> hω), в отличие от обычного эффекта Комптона, соответствующего столкновениям «жестких» фотонов с электронами малой энергии. • Обратный комптон-эффект играет важную роль в генерации космического радиоизлучения, конкурируя в определенных условиях с синхротронным механизмом. Потери энергии за счет обратного комптон-эффекта: 4 dE E T curad 2 dt C 3 mc 2 (dE / dt ) S H 2 / 8 (dE / dt )C urad Этот механизм ограничивает, в частности, плотность энергии излучения в синхротронных источниках. Оценки показывают, что яркостная температура некогерентного синхротронного источника не может превышать ~ 1012 K. Роль обратного комптоновского рассеяния в астрофизике • Возможно, что значительная и даже основная часть распределенного рентгеновского и гамма-излучения создается за счет рассеяния равновесного реликтового излучения на релятивистских электронах в нашей Галактике и в межгалактическом пространстве. • Обратное комптоновское рассеяние реликтовых фотонов на горячем газе в скоплениях галактик приводит к эффекту Сюняева-Зельдовича. • Комптоновское рассеяние плазменных волн может обеспечить их конверсию в электромагнитное излучение. Комбинационное рассеяние волн • Эффекты комбинационного рассеяния («распады и слияния волн») заключаются в появлении связи между амплитудами волн за счет нелинейного взаимодействия между ними. • Наиболее существенным обычно оказывается процесс трехволнового взаимодействия. • В космической плазме особенно важен процесс слияния двух плазменных волн в электромагнитную. Эффекты распространения волн в плазме • Эффект группового запаздывания сигналов • Перенос поляризации излучения (эффекты Фарадея и Коттона-Мутона) Эффект группового запаздывания сигналов • При распространении в плазме импульсов с широким частотным спектром, вследствие дисперсии групповой скорости, моменты прихода наблюдаемых сигналов на разных частотах будут различны. 1 1 dl t gr v c gr 2 L vgr c c 1 2 2 1 2 dl t gr 2 L 2c dtobs 1 3 L2 dl c d L2 N DM N dl DM – «мера дисперсии» e2 1 1 tobs 2 2 N dl 2 mc 1 2 1 3 1 1.35 10 2 2 N dl [с] 1 2 Эффект Фарадея При квазипродольном распространении, когда волна движется почти вдоль магнитного поля, показатель преломления для обыкновенной и необыкновенной волн равен: 1/ 2 n 1 ( cos ) H 2 L Обе волны имеют поляризацию, близкую к круговой. На пути dl разность фаз между волнами равна L (n n )dl c 1 0 2 Эллипс поляризации повернется на угол: (n1 n2 )dl 2 2c 0 L L 2c 0 L 2 H cos dl L e3 NH cos dl 2 2 2 2 m c 0 2.36 104 2 L NH cos dl 0 (ν – в Гц, N – в см-3, H – в Гс, l – в см) «Мера вращения» L RM 8.1 10 5 NH cos dl 0 2 RM (l – в пк, λ – в м) [рад] [рад/м ] 2 Излучение в спектральных линиях Общие вопросы Переходы между компонентами тонкой и сверхтонкой структуры атомов Рекомбинационные линии Молекулярные линии Космические мазеры Основы Энергия квантовой системы принимает дискретные значения, соответствующие определенным состояниям (энергетические уровни). Радиационный переход с верхнего уровня (Em) на нижний (En) сопровождается излучением фотона с энергией hν = Em - En. Различают спонтанные и вынужденные радиационные переходы. Их вероятности даются коэффициентами Эйнштейна. Коэффициенты вероятности Эйнштейна Вероятности радиационных переходов сверху вниз Pmn Amn Bmn I снизу вверх Иногда используется другое определение коэффициента B (через плотность энергии излучения) Средняя интенсивность излучения Pnm Bnm I Amn – коэффициент Эйнштейна для спонтанного перехода, Bmn – коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода Pmn = Amn + BmnUn 4p Un = In c c Bmn = Bmn 4p Соотношения между коэффициентами Эйнштейна В состоянии термодинамического равновесия из условий баланса получим: nm Pmn nn Pnm 2h h B (T ) 2 exp 1 c kT 3 nm g m Em En exp nn g n kT gm Em En exp Amn Bmn B Bnm B gn kT При T nm Bmn nn Bnm , g m Bmn g n Bnm nm nn gm gn 2h 3 Amn 2 Bmn c 1 Коэффициент поглощения в линии h nn Bnm nm Bmn mn ( ) 4 mn ( ) d 1 0 g m nn n A 1 mn ( ) 2 m mn 8 g n nm c2 h mn n A exp 1 mn ( ) 2 m mn 8 kT c2 (при ЛТР) Населенность уровней Распределение населенностей по уровням атомов и молекул в астрофизических условиях часто является неравновесным. Населенности уровней определяются в основном полем излучения и столкновениями частиц (атомов и молекул). В некоторых случаях важны также процессы ионизации и рекомбинации. Уравнение баланса населенностей n 1 n 1 nm Pmn nn Pnm n m 1 m n Вероятность радиационного перехода m → n Вероятность столкновительного перехода m→n Pmn Rmn Cmn Rmn Amn Bmn I Bmn I Em En Em En Из условия детального баланса Em En g mCmn g nCnm exp kT Средняя интенсивность поля излучения <Iν> может зависеть от населенностей. В этом случае необходимо решать уравнение баланса совместно с уравнением переноса излучения. Задача становится нелокальной. «Критическая плотность» Критической плотностью (концентрацией) для данного перехода обычно называется концентрация газа, при которой скорость радиационной деактивации равна скорости столкновительной. Amn Bmn I Cmn h Amn 1 exp kTR Cmn mn v n Amn nc mn v 1 Cmn h 1 exp kTR 1 Величина критической плотности часто используется для грубой оценки нижнего предела концентрации газа в источнике. Профиль линии: доплеровское уширение (профиль Гаусса) 2 mn 1 mn ( ) exp 2 2 2 2 2 2 mn 2kTkin 2 2 Vt c m 0.5 2 2 ln 2 1 2 mn ( mn ) 2 0.5 Кинетическая температура Наиболее вероятная турбулентная скорость Масса атома или молекулы ln 2 Профиль линии: столкновительное уширение (профиль Лоренца) 0.5 / 2 mn ( ) 2 2 mn 0.5 / 2 1 2 mn ( mn ) 0.5 Комбинированное доплеровское и лоренцевское уширение – профиль Фойгта Переходы между компонентами тонкой и сверхтонкой структуры атомов Исторически первой предсказанной и обнаруженной радиолинией было излучение нейтрального межзвездного водорода при переходе между подуровнями сверхтонкой структуры на частоте 1420 МГц. Эта линия является чрезвычайно важным средством исследования межзвездной среды, поскольку водород – ее основной компонент. Данный переход является магнитодипольным, так что его вероятность сравнительно низка. Spectral Line emission: hyperfine transition of neutral Hydrogen Emits photon with a wavelength of 21 cm (frequency of 1.42 GHz) Transition probability=3x10-15 s-1 = once in 11 Myr Why can we see 21cm line of neutral Hydrogen? 15,000 pc 1cm 300 pc • Number of hydrogen atoms in column 1cm across and 300 pc thick: Number = density times volume = 0.1 atoms/cm-3 x 300 pc x 3.08x1018 cm/pc x 1cm2 ~ 1x1020 atoms (100 billion billion) Профиль линии 21 см в направлении галактической долготы l = 110°. Переходы между компонентами тонкой структуры Тонкая структура атомных спектров обусловлена спин-орбитальным взаимодействием. Некоторые важные переходы приведены в таблице. Указаны длины волн, критические плотности и энергии возбуждения переходов. Линия нейтрального углерода на частоте 492 ГГц в туманности Ориона. Рекомбинационные линии В процессе рекомбинации возможен захват электрона на высоковозбужденные уровни атома. При последующих каскадных переходах испускаются кванты, частота которых попадает в радиодиапазон. Возникают рекомбинационные радиолинии. Такие линии от областей ионизованного водорода, гелия и углерода наблюдаются в широком диапазоне частот и служат важным средством диагностики физических условий. Частоты переходов для водородоподобных атомов: mn 1 1 2 mn cRA Z 2 2 2cRA Z 3 n m n 2 1 me me RA R 1 R 1 MA MA 2 2 me e4 R ch3 Эффективный заряд ядра (заряд иона) Атомная постоянная Ридберга Масса электрона Масса атома Постоянная Ридберга для бесконечной массы Приняты следующие обозначения рекомбинационных линий: наименование элемента, номер уровня, на который происходит переход (n), порядок перехода (m-n), обозначаемый греческой буквой. Например, H114β – переход с уровня 116 на уровень 114 водорода. Spectral Line emission: molecular rotational and vibrational modes • Commonly observed molecules in space: Carbon Monoxide (CO) Water (H2O), OH, HCN, HCO+, CS Ammonia (NH3), Formaldehyde (H2CO) • Less common molecules: Sugar, Alcohol, Antifreeze (Ethylene Glycol), … malondialdyde Межзвездные молекулы 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 HC 9 N C 6H6 HC 11 N (number of atoms) H2 NS HD HCl OH NaCl SO KCl NO AlCl SiO AlF SiS PN SiN NH SO + HF CH + CH CC CN CO CSi CS CP CO + SH H 2O H 3 H2S N2H+ SO 2 HNO SiH 2 ? H2D+ NH 2 HCN HNC C 2H C2S SiC 2 ring HCO HCO + HOC + ? OCS HCS + CO 2 C 2O MgNC MgCN CCC CH 2 NaCN N 2O SiCN + NH 3 H 3 O+ SiH 4 Possible detections (?) NH 2 CH 2 COOH (glycine) C 60+ (ionized fullerene) H 2 CO HNCO H 2 CS HNCS C 3N C 3 H lin C 3 H ring C 3O C3S HOCO + HCCH HCNH + HCCN H 2 CN CH 2 D + CH 3 SiCCC HNCS HC 3 N C4H H 2 CNH H2C2 O NH 2 CN HCOOH CH 4 H 2 C 3 ring H 2 C 3 lin CH 2 CN C 4 Si HCCNC HNCCC CCCCC H 2 COH + CH 3 OH CH 3 CN CH 3 NC CH 3 SH NH 2 CHO H 2 CCH2 C 5H C 5N HC 2 CHO H 2 C 4 lin HC 3 NH + HC 5 N CH 3 CCH CH 3 NH 2 CH 3 CHO H 2 CCHCN C 6H C 2 H 4 Ocyc C 2 H 3 O2 ? C7 -? HCOOCH3 CH 3 COOH CH 3 C 3 N C 7H CH 3 COOH H2C6 HC 6 H lin HC 7 N (CH3 ) 2 O CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 2 CN CH 3 C 4 H C8H CH 3 C 5 N (CH3 ) 2 CO Evidence (by low res. IR) for: - PAHs (Polycyclic aromatic hydrocarbons) - Dust: Silicate CORE + MANTLE (CO, CH 4 , H2 O) CO CH 4 H2O Спектры молекул Колебательно-вращательные спектры Λ–удвоение Инверсионные спектры Колебательно-вращательные спектры молекул Энергию молекулы E можно представить в виде суммы энергии электронов, колебательной энергии и вращательной энергии: E = Eel + Evib + Erot Возможны колебательно-вращательные переходы (без изменения электронного состояния) и чисто вращательные переходы, когда меняется только Erot, а Eel и Evib остаются без изменения. Переходы между электронными состояниями лежат в видимой и УФ-области спектра, между колебательными – в ближней ИК-области, между вращательными – в дальней ИК-области, в субмиллиметровом диапазоне и в радиодиапазоне. Вращательные спектры Для жестких двухатомных и линейных многоатомных молекул: Erot h 2 8 I r122 m1m2 I m1 m2 2 J J 1 hBJ ( J 1) J 1 J 1 J EJ 1 EJ 2 B( J 1) h Вращательное квантовое число Момент инерции Правила отбора Частоты переходов Вращательные спектры Молекулы типа симметричного волчка Erot hBJ ( J 1) h( A B ) K 2 A h 8 I 2 , B h 8 2 I Квантовое число проекции углового момента на ось симметрии J, K – вращательные квантовые числа, которые принимают значения: J = 0, 1, 2,…; K = 0, ±1, ±2,…, ±J. Вращательные уровни обозначаются так: JK. Правила отбора для разрешенных переходов: ΔK = 0, ΔJ = 0, ±1. Для вытянутого симметричного волчка Erot растет с ростом K, для сплюснутого – уменьшается. Уровни имеют вырождение по K, т.к. Erot одинакова для уровней с K, равными по модулю. Структура энергетических уровней метил ацетилена (CH3CCH). Вращательные спектры Молекулы типа асимметричного волчка Большинство многоатомных молекул имеет асимметрию моментов инерции (включая такие распространенные молекулы, как вода H2O и формальдегид H2CO). Асимметричный волчок характеризуется тремя вращательными постоянными: A h 8 I a 2 , B h 8 Ib 2 , C h 8 I c 2 Ia < Ib < Ic 2B A C Вводится параметр асимметрии молекулы AC У сплюснутого симметричного волчка κ = 1, у вытянутого κ = –1, у асимметричного –1 < κ < 1. Уровни энергии асимметричной молекулы расщепляются, характер и величина расщепления зависят от κ. Что дают наблюдения молекулярных линий? Сведения об общих характеристиках межзвездного газа в нашей и других галактиках. Оценки основных физических параметров облаков (температуры, плотности, массы, дисперсии скоростей и пр.) Данные о пространственной структуре и кинематике источников. Данные о химическом составе. Распределение молекулярного газа в Галактике: обзоры в линии СО Astrochemistry and chemical evolution in star forming regions Summary of the JCMT 335-365 GHz line survey of three massive star-forming regions in the W 3 molecular cloud. Large physical and chemical differences are found between the three regions, which are attributed to different evolutionary stages. A possible evolutionary scenario is illustrated by the cartoons: W 3 IRS5 is the youngest object, W 3(H2O) is in the “hot core” phase, and W 3 IRS4 is the oldest object with a well-developed H II region (based on Helmich & van Dishoeck 1997). Космические мазеры Maser: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Мазерный эффект может иметь место при «инверсии населенностей», когда температура возбуждения Tex некоторого перехода становится отрицательной. Это соответствует избытку населенности верхнего уровня u относительно нижнего уровня l по сравнению с формулой Больцмана. Инверсия может создаваться при помощи некоторого механизма накачки (излучением или столкновениями с частицами окружающего газа). Признаки мазерного излучения Высокие яркостные температуры. Узкие линии. Малые размеры источников. Переменность. Поляризация излучения. n nu gl nl gu Степень инверсии 0 населенностей nl nl gu Уравнения, описывающие перенос мазерного излучения: Коэффициент усиления мазера, dI I когда малы вероятности столкновительных и dx c bI вынужденных переходов 2C 2B c 1 b P P 4 Коэффициент вероятности акта накачки Anu h 4 Имеются два предельных решения: ненасыщенный мазер и насыщенный мазер. Ненасыщенный мазер (скорость накачки велика и превышает скорость вынужденных переходов) x I ( x) I 0 exp c 2 Aul n 8 Нарастание интенсивности с расстоянием происходит экспоненциально. Насыщенный мазер (скорость вынужденных переходов превосходит частоту актов накачки, то есть практически вся мощность накачки используется для мазерного усиления) I ( x) I 0 cP 2 B x Телесный угол, в котором распространяется мазерное излучение Интенсивность растет линейно в зависимости от расстояния. В космических источниках чаще реализуется случай насыщенного мазера Накачка мазеров Механизмы накачки делятся на радиативные (возбуждение излучением) и столкновительные (возбуждение столкновениями с частицами окружающего газа). Схемы трехуровневого и четырехуровневого мазеров. Основные виды космических мазеров Известны источники мазерного радиоизлучения (в линиях молекул OH, H2O, CH3OH, SiO и H2CO) в областях звездообразования, в окрестностях молодых звездных объектов и в газопылевых оболочках звезд поздних спектральных классов – красных гигантов и сверхгигантов (в линиях OH, H2O, SiO и HCN). Особенно сильные мазеры OH, H2O и H2CO («мегамазеры») обнаружены в некоторых активных галактиках. Излучение пыли • Анализ взаимодействия электромагнитного излучения с пылинками основан на теории рассеяния света малыми частицами. Поскольку в радиодиапазоне длина волны >> размера частиц (~ 0.1 мкм), ниже мы рассмотрим только этот предел. Полное ослабление = поглощение + рассеяние На волнах λ > 10 мкм сечение рассеяния << сечения поглощения. abs a2Qabs При 2πa << λ для сферических частиц Qabs 24 a 2 2 2 3Qabs abs mg m mg 4a 3Qabs Плотность вещества m пылинки 4a Коэффициент поглощения на единицу массы Qabs const a Оптическая толща: d ng abs dl m D 0 D ng mg dl 0 Т.о. оптическая толща определяется полной массой пыли в столбе единичного сечения на луче зрения. Величина и частотная зависимость коэффициента поглощения В оценках величины коэффициента поглощения пыли имеется значительный разброс. Можно принять κm(1мм) ~ 1 см2/г. Зависимость от длины волны на мм/субмм волнах – степенная: m 1 2 Polarization of dust emission and magnetic fields in star forming regions SCUBA observations of NGC 2024 at 850 m modeled with a “bent filament” model Brenda C. Matthews, Jason D. Fiege, & Gerald H. Moriarty-Schieven