Л4 Лекция 4. Межзвездная среда. Наблюдательные проявления. Физические условия.

Л4 Основные компоненты Газ –Горячая плазма (корональный газ) Т~10 6 K, n~0.003 см -3 –Ионизованный водород (зоны НII), T~10 4 K, n~ см -3 –Атомарный водород (облака HI, 21 см), T~100 K, n~10 см -3 –Молекулярные облака, T~10-30 K, n~300 см -3 –Мазерные конденсации T

Л4 Центр Галактики в видимом диапазоне скрыт слоем поглощающей материи (пыль)

Л4

Л4 Межзвездная среда проявляется по покраснению света звезд (пыль) и линиям поглощения в спектрах звезд (пыль, газ)

Л4 Межзвездное покраснение света связано с рассеянием и поглощением на пылинках

Л4 Рэлеевское рассеяние света на молекулах атмосферы ~1/λ 4 объясняет голубой свет неба и красные закаты

Л4 Эффекты прохождения излучения через запыленную среду

Л4 Кривые поглощения света МЗС В среднем в нашей Галактике Кривые поглощения разные для разных направлений и в разных галактиках!

Л4

Л4 Пылевые оболочки, подсвечиваемые молодыми звездами

Л4 Сложная структура местной МЗС

Л4

Л4

Л4

Л4

Л4 Cen A

Л4 Млечный Путь в разных диапазонах

Л4 Центр Галактики в рентгеновских лучах (диффузное излучение и точечные источники) Черная дыра в центре Галактики (иллюстрация) М~3x10 6 M

Л4 Спиралевидные облака над центром Галактики отражают вращение газа в магнитном поле (ИК изображение Космический телескоп Спитцер)

Л4 Магнитные поля Синхротронное излучение релятивистских электронов Поляризация света при рассеянии на упорядоченных пылинках Фарадеевское вращение плоскости поляризации в магнитном поле

Л4 Синхротронное излучение ускорение

Л4 СИ линейно поляризовано Плоскость поляризации перпендикулярна проекции вектора магнитной индукции В на картинную плоскость

Л4 Магнитные поля галактик наблюдаются по синхротронному радио излучению

Л4

Л4 Фарадеевское вращение Мера вращения Угол поворота плоскости поляризации RM ~ n e B L

Л4 Основные особенности Отсутствие ЛТР из-за крайне низкой плотности (только Максвелловское распределение по скоростям частиц) Возможность наблюдать запрещенные линии Вмороженность магнитного поля

Л4 Вмороженность магнитного поля Вмороженность поля из-за больших размеров областей!

Л4 Запрещенные линии При переходах с метастабильных уровней (запрем э.дип., м.дип. и т.д. переходов правилами отбора) Характерное время жизни от с до 10 5 с и более (в зависимости от силы запрета) При высоких концентрациях частиц возбуждение снимается столкновениями (удары 2 рода) Видны в разреженных средах при отсутствии ЛТР В МЗС: [OIII] (4959, 5006A), [OII] 3727A. [SII], [NII]... В солнечной короне: [FeXIV] A...

Л4

Л4 Особенно много в УФ и Х-диапазоне

Л4 Запрещенные линии в далеком ИК [CII], [OI] 63 мкм являются индикаторами звездообразования в запыленных областях

Л4 Атомарный водород (HI). Радиолиния 21 см Ван ден Хюлст (1944), Шкловский (1949). Открыта в А 10 =2.9 х с (t~11 млн лет!)

Л4

Л4 По измерениям HI 21 см строят кривые вращения нашей и других галактик

Л4 Радиоизлучение 21 см (зеленый цвет на картинке) – отличный индикатор спиральной структуры

Л4 Нагрев и охлаждение МЗС Прозрачна для фотонов фотоны переносят энергию нет ЛТР! Охлаждение Λ (n, T) эрг/(см 3 с) Объемный нагрев Г(n,T) эрг/(см 3 с) Сохранение энергии dQ/dt=dE/dt+PdV/dt=Г-Λ В равновесии d/dt=0 Г(n,T)=Λ(n,T) T(n)

Л4 Нагрев УФ излучение звезд (фотоионизация) (важна роль тяжелых элементов с низким потенциалом ионизации !) Ударные волны Жесткое излучение и космические лучи Нагрев жестким ЭМ излучением (через прямой Комптон-эффект) Г(n,T)=nG(T)

Л4 Охлаждение Излучение в бинарных процессах Λ(n,T)=n 2 λ(T), λ(T) – функция охлаждения Свободно-свободное (тормозное) излучение λ(T) ~ 1.4x T 1/2 Рекомбинация (радиоактивная + диэлектронная (преобладает при Т>10 5 K)) Двухфотонное излучение 2S 1/2 1S 1/2 (Н- подобные атомы) Излучение в линиях (осн. механизм при Т

Л4 Эффект Комптона

Л4 Обратный Комптон-эффект Обратный Комптон-эффект (важен при наличии быстрых электронов) Доминирует вблизи в горячей плазме вблизи источников мощного Х- излучения

Л4 Функция охлаждения тепловой плазмы (столкновительное возбуждение и ионизация) ~T 1/2

Л4 Роль ионов тяжелых элементов

Л4 Время охлаждения тепловой плазмы При T>10 6 K

Л4 Зоны HII Самый распространенный вид эмиссионных туманностей вокруг горячих звезд Ионизация водорода УФ- квантами λ

Л4 Гигантская зона HII «Тарантул» в БМО

Л4

Л4

Л4

Л4 HII в других галактиках

Л4 Космические лучи эВ, от Солнца (

Л4

Л4

Л4

Л4 Ускорение КЛ – ударными волнами (статистический механизм Ферми) Подтверждается наблюдениями Остатков сверхновых в ТэВ диапазоне

Л4 Взаимодействие КЛ с веществом Сильное взаимодействие: с отдельными нуклонами ядер ( вторичные нуклоны, пионы), пока E>1 ГэВ/ч. (порог рождения пионов) Распады - основной вклад в гамма-излучение Галактики >100 МэВ Отслеживает распределение молекулярного газа

Л4 Взаимодействие КЛ с излучением Обратное Компт. рассеяние на фотонах реликтового фона (Т~3 K) c U CMB ~0.45 эВ/см 3 Фоторождение пионов γ+p π+p протонами с Γ=(E/m p c 2 )> (т.е. E p > эВ) Завал Грейзена-Зацепина-Кузьмина

Л4

Л4 Проблема UHECR – если есть за GZK, то откуда? Близкие активные ядра галактик как возможные ускорители протонов