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