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

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)

«Сверхсветовые» скорости Довольно часто наблюдаются «сверхсветовые» скорости разлета джетов активных галактик и квазаров, а также и некоторых галактических источников (в картинной плоскости).

Плотность потока от движущегося источника Излучение, испущенное движущимся источником за время dt rad, будет проходить через поверхность S в течение интервала Таким образом, наблюдаемая 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 свободно- свободными, в отличие от свободно-связанных (рекомбинационных) переходов. Тормозной механизм излучения является основным для областей ионизованного водорода (H II).

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. 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 Механизм излучения заряженной частицы в магнитном поле называют в общем случае магнитотормозным Излучение нерелятивистской частицы (E > mc 2 /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 >> mc 2 /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

Из потенциалов Лиенара-Вихерта следует, что мгновенная диаграмма направленности релятивистского электрона имеет ширину: Излучение имеет вид периодической последовательности коротких импульсов.

На луче зрения, перпендикулярном к вектору H: Под произвольным углом (θ >> mc 2 /E ) При выводе выражения для Δt учитывалось, что

Спектр синхротронного излучения состоит из гармоник частоты Ω H /sin 2 α. Максимум приходится на частоту При θ >> mc 2 /E спектр квазинепрерывный, т.к.

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

Потери энергии при синхротронном излучении

Синхротронное излучение ансамбля частиц I. Моноэнергетический спектр Спектр мощности – такой же, как для одиночного электрона. Излучение линейно поляризовано. Степень поляризации

II. Степенной энергетический спектр Используя выражение для спектральной плотности мощности и произведя замену переменных, получим для излучательной способности: Степень линейной поляризации определяется индексом спектра и не зависит от частоты:

Самопоглощение синхротронного излучения При степенном распределении по энергиям Для оптически толстого источника

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 R B электрон излучает, как если бы он вращался по орбите с радиусом R B. Роль гирочастоты играет величина Излучение кривизны имеет место в магнитосферах пульсаров, для которых характерны значения параметров ν c ~ 1 ГГц, γ L ~ 10 3.

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.

Эффективное сечение рассеяния Эффективное сечение томсоновского рассеяния на свободном электроне. При вся энергия электрона преобразуется в излучение рассеяния

Потери энергии за счет обратного комптон-эффекта: Этот механизм ограничивает, в частности, плотность энергии излучения в синхротронных источниках. Оценки показывают, что яркостная температура некогерентного синхротронного источника не может превышать ~ 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.

DM – «мера дисперсии»

Эффект Фарадея При квазипродольном распространении, когда волна движется почти вдоль магнитного поля, показатель преломления для обыкновенной и необыкновенной волн равен: Обе волны имеют поляризацию, близкую к круговой. На пути dl разность фаз между волнами равна

Эллипс поляризации повернется на угол: (ν – в Гц, N – в см -3, H – в Гс, l – в см)

(l – в пк, λ – в м) «Мера вращения»

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 (E m ) на нижний (E n ) сопровождается излучением фотона с энергией hν = E m - E n. Различают спонтанные и вынужденные радиационные переходы. Их вероятности даются коэффициентами Эйнштейна.

Коэффициенты вероятности Эйнштейна Вероятности радиационных переходов сверху вниз снизу вверх A mn – коэффициент Эйнштейна для спонтанного перехода, B mn – коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода Иногда используется другое определение коэффициента B (через плотность энергии излучения) Средняя интенсивность излучения

Соотношения между коэффициентами Эйнштейна В состоянии термодинамического равновесия из условий баланса получим:

Коэффициент поглощения в линии

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 Вероятность радиационного перехода m n Вероятность столкновительного перехода m n Средняя интенсивность поля излучения может зависеть от населенностей. В этом случае необходимо решать уравнение баланса совместно с уравнением переноса излучения. Задача становится нелокальной. Из условия детального баланса

«Критическая плотность» Критической плотностью (концентрацией) для данного перехода обычно называется концентрация газа, при которой скорость радиационной деактивации равна скорости столкновительной. Величина критической плотности часто используется для грубой оценки нижнего предела концентрации газа в источнике.

Профиль линии: доплеровское уширение (профиль Гаусса) Наиболее вероятная турбулентная скорость Кинетическая температура Масса атома или молекулы

Профиль линии: столкновительное уширение (профиль Лоренца) 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.

Emits photon with a wavelength of 21 cm (frequency of 1.42 GHz) Spectral Line emission: hyperfine transition of neutral Hydrogen Transition probability=3x s -1 = once in 11 Myr

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 3.08x10 18 cm/pc x 1cm 2 ~ 1x10 20 atoms (100 billion billion) Why can we see 21cm line of neutral Hydrogen? 1cm 300 pc 15,000 pc

Профиль линии 21 см в направлении галактической долготы l = 110°.

Spectral Line Observations also provide velocity information This tail is moving away from us This tail is moving towards us N-body simulation of NGC 4676 The Mice Hibbard & Barnes, in preparation Spatial and Velocity information help motivate physical models

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: Атомная постоянная Ридберга 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. Постоянная Ридберга для бесконечной массы Масса электрона Масса атома Эффективный заряд ядра (заряд иона)

Spectral Line emission: molecular rotational and vibrational modes Commonly observed molecules in space: Carbon Monoxide (CO) Water (H 2 O), OH, HCN, HCO +, CS Ammonia (NH 3 ), Formaldehyde (H 2 CO) Less common molecules: Sugar, Alcohol, Antifreeze (Ethylene Glycol), … malondialdyde

Межзвездные молекулы

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 = E el + E vib + E rot Возможны колебательно-вращательные переходы (без изменения электронного состояния) и чисто вращательные переходы, когда меняется только E rot, а E el и E vib 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: Момент инерции Правила отбора Частоты переходов Вращательное квантовое число

Вращательные спектры Молекулы типа симметричного волчка J, K – вращательные квантовые числа, которые принимают значения: J = 0, 1, 2,…; K = 0, ±1, ±2,…, ±J. Вращательные уровни обозначаются так: J K. Правила отбора для разрешенных переходов: ΔK = 0, ΔJ = 0, ±1. Для вытянутого симметричного волчка E rot растет с ростом K, для сплюснутого – уменьшается. Уровни имеют вырождение по K, т.к. E rot одинакова для уровней с K, равными по модулю. Квантовое число проекции углового момента на ось симметрии

Структура энергетических уровней метил ацетилена (CH 3 CCH).

Вращательные спектры Молекулы типа асимметричного волчка Большинство многоатомных молекул имеет асимметрию моментов инерции (включая такие распространенные молекулы, как вода H 2 O и формальдегид H 2 CO). Асимметричный волчок характеризуется тремя вращательными постоянными: Вводится параметр асимметрии молекулы 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. I a < I b < I c

Расщепление вращательных уровней для молекул типа асимметричного волчка в зависимости от параметра асимметрии k. Обозначения уровней: где K – и K + – значения K для вытянутого и сплюснутого волчков соответственно.

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 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(H 2 O) 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 Мазерный эффект может иметь место при «инверсии населенностей», когда температура возбуждения T ex 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). Maser: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Признаки мазерного излучения Высокие яркостные температуры. Узкие линии. Малые размеры источников. Переменность. Поляризация излучения.

Степень инверсии населенностей Уравнения, описывающие перенос мазерного излучения: Коэффициент вероятности акта накачки Коэффициент усиления мазера, когда малы вероятности столкновительных и вынужденных переходов Имеются два предельных решения: ненасыщенный мазер и насыщенный мазер.

Ненасыщенный мазер (скорость накачки велика и превышает скорость вынужденных переходов) 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) Интенсивность растет линейно в зависимости от расстояния. В космических источниках чаще реализуется случай насыщенного мазера Телесный угол, в котором распространяется мазерное излучение

Накачка мазеров Схемы трехуровневого и четырехуровневого мазеров. Механизмы накачки делятся на радиативные (возбуждение излучением) и столкновительные (возбуждение столкновениями с частицами окружающего газа).

Основные виды космических мазеров Известны источники мазерного радиоизлучения (в линиях молекул OH, H 2 O, CH 3 OH, SiO и H 2 CO) в областях звездообразования, в окрестностях молодых звездных объектов и в газопылевых оболочках звезд поздних спектральных классов – красных гигантов и сверхгигантов (в линиях OH, H 2 O, SiO и HCN). Особенно сильные мазеры OH, H 2 O и H 2 CO («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

При 2πa

Величина и частотная зависимость коэффициента поглощения В оценках величины коэффициента поглощения пыли имеется значительный разброс. Можно принять κ m (1мм) ~ 1 см 2 /г. Зависимость от длины волны на мм/субмм волнах – степенная:

Polarization of dust emission and magnetic fields in star forming regions Brenda C. Matthews, Jason D. Fiege, & Gerald H. Moriarty-Schieven SCUBA observations of NGC 2024 at 850 m modeled with a bent filament model