КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина VI

ФІЗИКА ЗІР І ТУМАННОСТЕЙ

Розділ 18

ФІЗИКА ТУМАННОСТЕЙ

18.3. Фізичні процеси в емісійних туманностях. Зони HII

У спектрах дифузних емісійних і планетарних туманностей на дуже слабкому неперервному фоні видно велику кількість емісійних ліній. Найяскравішими з них є дві зелені лінії λ = 4959 А і λ = 5007 А. Вони називаються небулярними, тобто такими, що належать до небули (від лат. nebula — туманність), і позначені відповідно N1 та N2. Положення цих ліній не відповідає жодній із спектральних ліній, які спостерігалися в земних лабораторіях. Тому спочатку припустили, що вони належать небулію — газу, який є лише в туманностях. Природу небулярних ліній з'ясували у 1927 р. Виявилося, що лінії N1 і N2 належать двічі іонізованому атому кисню OIII. Вони можуть виникати лише в умовах винятково високого розрідження речовини, створити яке в земних лабораторіях не можна навіть у сучасних вакуумних приладах. Називаються такі лінії забороненими, тому що забов'язані вони своїм існуванням особливим переходам атомів (іонів) з одного енергетичного стану у другий, які заборонені квантовим правилом відбору переходів. Але така заборона не є абсолютною, тому імовірність переходу хоч і мала, але все ж таки не нульова. У збудженому стані, якщо перехід заборонений, атом (іон) може перебувати досить довгий час — від 10-5 с до декількох діб, це — метастабільний стан. Якщо перехід дозволений, атом (іон) залишається у збудженому стані лише 10-8—10-7 с.

Туманність світиться у заборонених лініях завдяки збудженню іонів кисню, азоту, сірки (та інших) до метастабільного стану електронними ударами. При зіткненні окремого іона з вільним електроном останній передає іону частину своєї енергії (наприклад, для іона OIII енергія збудження одного з метастабільних станів становить 2,5 еВ). Через деякий час (для іона OIII він становить 40 с) іон повертається у початковий енергетичний стан, внаслідок чого випромінюється квант світла відповідної енергії. Тому що процес радіативного переходу між згаданими енергетичними рівнями є заборонений, кванти, які виникають у таких процесах, практично не поглинаються речовиною туманності і вільно виходять за її межі. Внаслідок багатьох таких само переходів формується заборонена емісійна лінія в спектрі.

Світіння дифузних туманностей збуджує зоря раннього спектрального класу, що знаходиться поруч і є потужним джерелом неперервного УФ-випромінювання. У планетарних туманностей також енергетичним джерелом є ядро (білий карлик).

Неперервне УФ-випромінювання з довжиною хвилі λ < 912 А, тобто у лайманівському континуумі Lс, здатне іонізувати атоми водню, які перебувають в основному енергетичному стані. Наприклад, зоря Спіка (α Діви) при ефективній температурі Теф = 20 000 К і радіусі R = 10R0 щосекунди випромінює близько 1046 квантів лайманівського континууму, завдяки чому може іонізувати весь водень навколо себе на відстанях у десятки парсеків. Такі зони іонізованого водню навколо зір спектральних класів O — B отримали назву зони HII або зони Стремгрена.

При поглинанні енергія Lc-кванта витрачається на іонізацію атома водню і на надання кінетичної енергії відірваному від атома водню електрону. Згодом ця кінетична енергія перерозподіляється між іншими електронами при зіткненнях, внаслідок чого газ у туманностях нагрівається.

Світіння туманностей у дозволених лініях виникає внаслідок рекомбінацій атомів та їх подальших переходів з вищого енергетичного рівня на

нижчий з випромінюванням квантів, що відповідають цим переходам. Електрони, захоплені ядром атома водню, можуть переходити з вищих рівнів на другий рівень, випромінюючи при цьому кванти світла ліній серії Бальмера; якщо ж переходи відбуваються на перший рівень, то у спектрі формуються лінії серії Лаймана (див. підрозділ 8.6).

Завдяки цьому можна помітити світіння протяжних HII зон як у нашій, так і в інших галактиках. Ці зони мають надвисокі світності і їх можна використовувати для визначення відстаней до інших галактик.

Таким чином, завдяки поглинанням Тс-квантів водень іонізується, і туманність нагрівається, а за рахунок випромінювання в заборонених лініях вона охолоджується. Обидва ці процеси встановлюють і підтримують в туманності певну теплову рівновагу, визначаючи температуру речовини. Вивчення інтенсивностей заборонених ліній дає змогу виявити концентрацію частинок газу в туманності та її температуру. Так обчислено, що кінетична температура газу в зонах HII і в планетарних туманностях дорівнює 7000— 14 000 К, тоді як у неіонізованому міжзоряному середовищі вона суттєво нижча (10—100 К).

Спостереження в радіодіапазоні показали, що деякі газові туманності, зокрема і туманність Оріона, випромінюють дуже вузькі і надзвичайно інтенсивні лінії на частоті близько 1665 МГц (довжина хвилі λ = 18 см) при ширині лінії 0,5 кГц. Якщо таку ширину пояснювати тепловим рухом випромінюючих частинок (ефект Доплера), то кінетична температура речовини мала б бути близькою до 3 К. Якщо ж температуру оцінити за величиною енергії, яка випромінюється в цій радіолінії, одержують неймовірно високе значення 1015 К. Спочатку вважали, що згадана лінія належить невідомій, але досить розповсюдженій у космосі речовині, яку назвали «мі- стеріум». Згодом з'ясували, що джерелом цих радіоліній є космічні мазери (відкриті у 1965 р.) — потужні генератори космічних радіохвиль. Принцип дії мазерного механізму в молекулах аналогічний принципам дії таких штучних джерел випромінювання, як лазери. Мазерна лінія 1665 МГц належить молекулі гідроксилу ОН. Ще потужнішу мазерну лінію водяної пари H2O зареєстровано у 1969 р. на довжині хвилі 1,35 см. Згодом було встановлено, що існують такі джерела мазерного випромінювання, які працюють на молекулах SiO, CH3OH, та ін. Існування ліній радіовипромінювання молекул ОН, СН та інших передбачив у 1949 р. Й. С. Шкловський.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.