К.А. Постнов, А.В. Засов - Курс общей астрофизики, страница 14

Интерферируют пучки света, прошедшие черезпластины и испытавшие разное число отражений. С изменениемдлины волны перемещается положение интерференционных максимумов, соответствующих выбранной спектральной линии (меняется радиус колец равного наклона), поэтому по положению интерференционных полос или их “размытию” (из-за конечной спектральной ширины линии) можно измерить профиль линии и определить ее доплеровский сдвиг. Если сквозь такой интерферометрнаблюдается протяженный источник с линейчатым спектром, то,меняя с определенным шагом расстояние между пластинами и записывая форму и положение колец при каждом изменении, можно восстановить спектр (в узком выбранном интервале) с высокимпорядком интерференции и высоким спектральным разрешениемсразу для многих тысяч точек источника (так называемая двумерная спектроскопия).

Этот метод часто используется, например, дляизучения полей скоростей газовых облаков и целых галактик.Информация, получаемая по анализу спектров, очень многообразна. По виду спектра источника можно судить о механизме излучения (поглощения), а, следовательно, и о природе источника. Измеряя положение спектральных линий и их ширину, можно по эффекту Доплера оценить лучевую скорость источника (или той среды, которая ответственна за образование линий), скорости внутренних (тепловых или турбулентных движений) газа, скорости3.4.

О точности измерений световых потоков79вращения планет, звезд или галактик. Изучение профилей линийв некоторых случаях позволяет оценить плотность газа (в звездных атмосферах) и индукцию пронизывающего газ магнитного поля. По относительной интенсивности спектральных линий определяется химический состав источника, величина поглощения, испытываемого светом, плотность и температура газа. Информация, получаемая из спектра, позволяет также производить различные косвенные оценки (например, расстояние до галактик – через законХаббла, светимости звезд – по существующим эмпирическим зависимостям между светимостью и относительной интенсивностьюразличных линий), и даже измерять массу и возраст звезд (по положению на диаграмме Герцшпрунга–Рессела).

Поэтому спектральные наблюдения являются основными для астрофизических исследований.Глава 4.Межзвездная средаОсновные составляющие. Важнейшей составляющей частьюГалактики помимо звездных компонент является межзвездная среда (МЗС).

Межзвездный газ (в основном водород) в нашей Галактике составляют несколько процентов от массы видимого вещества, но его роль крайне велика. Доля газа в массе галактикеявляется ее важнейшей характеристикой и определяет активностьпроцесса звездообразования. В спиральных и неправильных галактиках в холодных массивных газо-пылевых комплексах создаются подходящие условия для развития гравитационной (джинсовской) неустойчивости и происходит рождение звезд. В процессетермоядерной эволюции звезды теряют массу в виде звездного ветра.

В конце эволюции звезд при образовании компактных остатков происходит сброс оболочки звезды (в виде планетарной туманности для звезд умеренных масс и при вспышке сверхновойдля звезд массивнее 10 масс Солнца). Таким образом, происходитпостоянный круговорот газ-звезды-газ, при котором полная массагаза постепенно уменьшается, т.к. часть барионов остается в видекомпактных остатков (белых карликов, нейтронных звезд, черныхдыр), а часть – выбрасывается из галактики в межгалактическоепространство. Кроме газа к компонентам межзвездной среды такжеотносят межзвездную пыль (около 1% от массы газа), межзвездныемагнитные поля и космические лучи.Перечислим основные наблюдательные проявления межзвездной среды:1) Наличие светящихся туманностей ионизованного водорода81(HII) вокруг горячих звезд и отражательных газо-пылевыхтуманностей.2) Ослабление света звезд (межзвездное поглощение) в непрерывном спектре и отдельных линиях, а также покраснениесвета (селективное поглощение пылью).3) Поляризация света на пылинках межзвездной среды, ориентированных вдоль крупномасштабного магнитного поля Галактики.4) Инфракрасное излучение межзвездной пыли.5) Мягкое рентгеновское излучение горячего газа, нагретого ударными волнами, возникающими при вспышках сверхновых ипри истечении мощного звездного ветра от ассоциаций молодых массивных ОВ-звезд (т.н.

корональный газ).6) Радиоизлучение нейтрального водорода (HI) на длине волны21 см и различных молекул в линиях см и мм диапазона.7) Излучение космических мазеров на молекулах H2 O, OH, метанола и др., возникающих преимущественно в холодныхплотных областях звездообразования.8) Синхротронное излучение релятивистских электронов в межзвездных магнитных полях.Межзвездная среда была открыта в 1904 г. Гартманом, которыйобнаружил неподвижные линии поглощения в спектрах двойныхзвезд, наблюдавшихся с целью проверки эффекта Доплера (знаяорбитальный период обращения, можно определить скорость движения компонент и т.о. предвычислить амплитуду смещения линий поглощения в спектрах движущихся звезд).

К 1938 г. былиотождествлены линии многих межзвездных молекул – CH, CH+ ,CN, C2 , NH. Естественно, присутствие этих молекул не отражает82Глава 4. Межзвездная средаистинного химического состава межзвездной среды – тяжелые элементы (Fe, Si, С и т.д.) входят в состав твердых межзвездных пылинок, а самые распространенные элементы – невозбужденный нейтральный и молекулярный водород и гелий – не наблюдаются воптическом диапазоне. В 1965 г. был открыт первый космическиймазер на молекуле OH (λ = 18 см). В 1973 г. с борта специализи° ) было открыторованного УФ-спутника “Коперник” (λ < 3000 Aбольшое количество линий всевозможных межзвездных молекул,° , наблюсреди которых особенно важной является линия H2 1108Aдаемая в поглощении.Пространственное распределение межзвездной среды характеризуется сложной структурой, состоящей из отдельных компактных образований, холодных и теплых облаков, окруженных болеегорячим газом.

Основные составляющие МЗС и их физическое состояние просуммированы в Таблице 1.Основная особенность МЗС – ее крайне низкая плотность. Типичные величины концентрации атомов 0.1–1000 в см3 , и при характерных скоростях около 10 км/с время столкновения междуотдельными частицами достигает десятков тысяч лет. Это времяна много порядков превышает характерные времена жизни атомов в возбужденных состояниях (на разрешенных уровнях – порядка 10−8 с). Следовательно, поглощенный атомом фотон успевает вновь излучиться при переходах атома вниз с возбужденного уровня, так что вероятность истинного поглощения неионизующих квантов атомами МЗС (когда энергия поглощенного фотона переходит в кинетическую энергию хаотического движения частиц) при каждом событии крайне мала.Линия поглощения становится различимой на фоне непрерывного спектра (континуума) обычно при оптических толщинах вцентре линии τλ0 0.1.

Сечение поглощения σ(λ) связано с оптической толщей соотношением τλ = σ(λ)n ds = σ(λ)N , где N =n ds – число атомов на луче зрения. Расчет показывает, что в оптическом диапазоне сечение поглощения в центре наиболее силь-83Таблица 4.1. Основные составляющие МЗСT, KФазаn, см−3МассаРазмер,Доля зани-облаков,пкмаемогообъема†MКорональный газ≈ 5 · 105∼ 0.003––∼ 0.3 :Зоны HII низкойплотности≈ 104∼ 0.3––∼ 0.1Межоблачнаясреда≈ 104∼ 0.1––∼ 0.4Теплые областиHI∼ 103∼1––∼ 0.01Облака HI≈ 80∼ 10∼ 100∼ 10∼ 0.01Молекулярныеоблака≈ 103∼ 10∼ 300∼1∼ 10−5Глобулы≈ 10∼ 104∼ 20∼ 0.3∼ 3 · 10−94области≈ 10∼ 30∼ 300∼ 10∼ 10−4Гигантские молекулярные облака∼ 20∼ 300∼ 3 · 105∼ 40∼ 3 · 10−4Мазерныеденсации≥ 100∼ 1010∼ 105∼ 10−5ЯркиеHII†кон-Вблизи плоскости Галактикиных линии σ(λ0 ) достигает 10−12 − 10−13 см2 , что намного большесечения фотопоглощения в непрерывном спектре.1По линиям поглощения МЗС, наблюдаемых в спектрах звезд,можно определять примеси с крайне малой концентрацией.

Например, считая, что свет прошел в МЗС расстояние 300 пк ∼ 1021 см(характерное расстояние до ярких звезд), находим, что по межзвездным линиям поглощения можно определять концентрацию1Сечение фотоионизации атома по порядку величины равно квадрату размера боровской орбиты, с которой возбуждается электрон, а сечение поглощения вцентре линии при связанно-связанных переходах порядка квадрата длины волныпоглощаемого кванта. Длина волны излучения при связанно-связанных переходах по порядку величины в 1/α ≈ 137 раз больше радиуса боровской орбиты (см.подробнее в Приложении).84Глава 4.

Межзвездная средапоглощающих атомов n ∼ 10−8 −10−10 см−3 , то есть 1 атом в объеме102 − 104 м3 !Отсутствие локального термодинамического равновесия. Прозрачность областей МЗС для излучения определят важнейшее физическое свойство межзвездной плазмы – отсутствие локальноготермодинамического равновесия (ЛТР). Напомним, что в условиях полного термодинамического равновесия все прямые и обратныепроцессы идут с одинаковыми скоростями (соблюдается т.н. принцип детального баланса) и существует только одно значение температуры, которое определяет физическое состояние среды.

В межзвездной среде концентрация атомов мала, оптические толщинымалы, и ЛТР не выполняется. Это приводит к двум важным следствиям:1) Температура излучения, пронизывающая МЗС (в основном,излучение от звезд), не соответствует температуре среды, причемэлектронная и ионная температуры плазмы могут сильно отличаться друг от друга в нестационарных процессах, поскольку обменэнергиями между этими частицами при их столкновениях происходит очень медленно.2) Распределение атомов и ионов по населенностям уровнейопределяется балансом процессов ионизации и рекомбинации, однако в отличие от ЛТР, не выполняется принцип детального баланса.

Например, в корональном приближении (предел низкой плотности частиц, название происходит от физического состояния плазмы в Солнечной короне) ионизациия атомов производится электронным ударом, а снятие возбуждения – спонтанными излучательными переходами. В зонах ионизованного водорода и в квазарах газ ионизован жестким УФ-излучением центрального источника и населенность уровней определяется процессами излучательной рекомбинации. В этих примерах прямые и обратные элементарные процессы имеют разную природу, поэтому условия далеки от равновесных.Однако даже в очень разреженной космической плазме, в отличие от нейтрального газа, максвелловское распределение элек-Особенности космической плазмы85тронов по скоростям, соответствующим температуре среды, устанавливается за время много меньшее характерного времени междустолкновениями электронов с ионами (столкновения обусловлены дальнодействием кулоновских сил, искривляющих траекториюдвижения частиц, пролетающих мимо друг друга2 ).