Ëåêöèÿ9

Download Report

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
  20.5
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  vt
AC  vt 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 103 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 mn
 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
AC
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