Формирование спектральных линий высоковозбужденных атомов в рекомбинирующей космической плазме Гуляев, Сергей Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Спектральные линии, образующиеся при радиационных переходах с участием высоковозбужденных (ридбергов-ских) состояний атомов, играют в астрофизике особую роль. К таким линиям относятся рекомбинационные радиолинии — спектральные линии радиодиалазона, а также высокие члены спектральных серий ультрафиолетового (серия Лаймана), оптического (серия Бальмера) и ИК диапазонов. Формируемые космической плазмой, эти линии несут информацию о физических условиях в небесных телах — планетарных и диффузных туманностях, звездных атмосферах, межзвездной среде и галактиках. В настоящее время исследование спектров высоковозбужденных атомов стало одним из основных методов изучения свойств космической плазмы.

Диссертация посвящена разработке теории формирования спектральных линий высоковозбужденных атомов в низкотемпературной космической плазме и применению полученных теоретических результатов для интерпретации астрономических (радиоастрономических) наблюдений с целью более глубокого понимания физического, динамического и эволюционного статуса этих небесных объектов.

Высоковозбужденные (ридберговские) атомы привлекают внимание исследователей своей простотой: внешний электрон находится на орбите, весьма удаленной от атомного остатка, и слабо взаимодействует с другими атомными электронами. Высоковозбужденные состояния любого атома во многих отношениях подобны состояниям простейшего атома — атома водорода с очень большим главным квантовым числом. Это обстоятельство облегчает понимание физических процессов формирования спектральных линий высоковозбужденных атомов в плазме и дает возможность более полного и детального их изучения.

Изучение спектров высоковозбужденных атомов берет начало от

пионерских работ Иоганна Бальмера (1885 год, [1]) и Иоганнеса Рид-берга (1890 год, [2]), в честь которого и были названы эти атомы и их состояния (ридберговские атомы, ридберговские состояния). С тех далеких времен работа по изучению высоковозбужденных состояний атомов фактически не прекращалась. Наряду с классическими экспериментами Штарка (1913 - 1915 годы, [3]) и основополагающими теоретическими работами Шредингера (1926 - 1927 годы, [4]), ставшими фундаментом квантовой механики атома водорода, можно назвать ряд исследований, посвященных специально проблеме высоковозбужденных состояний атомов — это теоретические работы Ферми (1924 г. [5]; 1934 г. [6]), Ланчоса (1930 г., [7]), Мензела с соавторами (1938 г., [8]), Унзольда (1948 г., [9]), экспериментальные работы группы Сегре, выполненные в 1930-е годы, в которых изучалось поведение высоковозбужденных состояний Na в электрическом и магнитном полях (см., например, [10]), и другие.

И в то же время, исследования высоковозбужденных состояний атомов с полным правом можно назвать новым направлением в атомной физике и астрофизике, возникшим лишь три десятилетия тому назад. Толчком к развитию исследований послужило предсказание Кардашевым в 1959 году [11] и последующее открытие группами Сороченко в Пущино [12] и Дравских в Пулково [13] в 1964 году радиорекомбинационных линий в спектрах галактических областей НИ.

Первоначально усилия исследователей радиорекомбинационных линий концентрировались на наблюдениях классических ярких НП-областей (Orion, Omega и т. д.). Однако, с развитием техники эксперимента — повышением чувствительности радиотелескопов и приемников, появлением многоканальных спектрометров в диапазоне длин волн от мииллиметров до декаметров — стало возможным исследование радиорекомбинационных линий по отношению к зна-

чительно более широкому кругу астрофизических явлений, куда в настоящее время входит изучение планетарных туманностей, остатков вспышек сверхновых, ядер некоторых радиогалактик, распределения ионизованного газа в плоскости Галактики и др. (см. материалы конференций [14, 15]). При этом радиорекомбинадионные линии используются как инструмент для исследования структуры и физических условий в этих объектах. Кроме того, радиорекомбинацион-ные линии можно использовать для измерения магнитных полей [16], определения распространенности химических элементов в галактических и внегалактических туманностях [17, 18, 19], для изучения строения и кинематики Галактики [20, 21]. Новый этап в исследовании космоса с помощью радиорекомбинационных линий связан с наблюдениями углеродных линий декаметрового диапазона в направлении остатка вспышки сверхновой — радиоисточника Cas А [22].

По мере накопления наблюдательного материала возникали проблемы и противоречия, которые стимулировали развитие теории формирования спектральных линий высоковозбужденных атомов в космической плазме.

1. Уже с первых наблюдений радиорекомбинационных линий исследователи встретились с трудностями интерпретации результатов. Принятые линии с чисто доплеровскими профилями никак не укладывались в рамки существовавшей теории уширения спектральных линий давлением [23], построенной на основе наблюдений линий серии Бальмера. Отсутствие штарковского уширения наблюдаемых радиорекомбинационных линий требовало допустить неправдоподобно низкую плотность в туманностях, что противоречило прямым измерениям плотности оптическими методами [24].

Последовательное применение известного критерия перехода от ударного приближения к квазистатическому ([25], с. 289) показывает, что при значениях электронной плотности N_e = 10³ — 10⁴ см^-3

начиная уже с номеров п > 140 — 100, соответственно, ионы должны вести себя квазистатически и создавать такое дополнительное упш-рение радиорекомбинадионных линий, которое не могло бы остаться незамеченным, особенно в тонких экспериментах по измерению радиорекомбинадионных линий высших порядков.

Отсутствие квазистатического уширения радиорекомбинадионных линий высших порядков по наблюдениям разных групп [26, 27, 28], а также расхождение теории квазистатического уширения с экспериментами в лабораторной плазме [29] указывает на еще одну проблему, которая требует своего разрешения. По-видимому, необходимо пересмотреть или уточнить критерий перехода от ударного приближения к квазистатическому и, возможно, сделать более строгим мало обоснованный вывод Грима [30] о том, что при формировании радиорекомбинадионных линий в плазме туманностей играет роль только ударное уширение. Это требует нового тщательного рассмотрения теории квазистатического уширения.

Решение проблемы уширения могло бы также состоять в подборе модели туманности с подходящим распределением плотности. Попытки построения таких моделей предпринимались неоднократно. Так, в работах [31] и [32] были построены и рассчитаны многокомпонентные модели Туманности Ориона. К сожалению, до настоящего времени не удалось построить модель туманности, которая удовлетворяла бы одновременно всем наблюдательным данным.

Подобная проблема сохраняется при интерпретации радиореком-бинационных линий углерода в направлении Cas А. Здесь обычно рассматриваются две альтернативные модели: модель холодного газа, в которой водород находится в молекулярной фазе, и модель теплого газа, в которой водород находится в атомарном состоянии и виден в поглощении на волне Л21 см. Требования к модели можно сформулировать в виде трех основных позиций: (1) совпадение

наблюдаемых и расчетных (модельных) ширин линий как функции главного квантового числа, (2) совпадение наблюдаемых и расчетных интенсивностей линий как функции главного квантового числа, и (3) смоделированный объект должен находиться в балансе с окружающей межзвездной средой. К сожалению, обе модели не вполне удовлетворяют всем этим требованиям.

2. Известные физические проблемы принципиального характера приобрели новое звучание в связи с интерпретацией наблюдений ра-диорекомбинационных линий. Одна из них — проблема "последнего" максимально возможного связанного состояния в ридберговском атоме. Этот вопрос имеет прямое отношение к проблеме расходимости статистической суммы по связанным состояниям и, как показано в диссертации, к проблеме населенностей высоковозбужденных состояний атомов.

Особое значение этого вопроса для исследователей радиорекомби-национных линий связано с тем, что вследствие мазерного эффекта [33] интенсивность радиорекомбинационных линий оказывается в высшей степени чувствительной к отклонениям населенности высоковозбужденных состояний от равновесной. Важно последовательно рассмотреть роль эффектов неидеальности по взаимодействию высоковозбужденного атома с его окружением в низкотемпературной космической плазме и установить действительное поведение населенностей высоковозбужденных состояний. Решение этой задачи осложняется из-за существенно неравновесного (NLTE) характера заселения атомных уровней в туманностях и межзвездной среде, где ионизующим агентом является излучение горячей звезды или внешнее нетепловое излучение или космические лучи. До последнего времени эта задача применительно к проблеме формирования спектров высоковозбужденных атомов в космической плазме не ставилась и не решалась.

3. Взаимодействие атома с внутриплазменным окружением приводит к исчезновению части высоковозбужденных состояний и эффективному снижению потенциала ионизации атома. Влияние припоро-говых эффектов на оптические свойства плазмы, особенно вблизи пределов спектральных серий, необходимо учитывать при расчете звездных спектров. Важность учета этих эффектов для астрофизики видна из следующих примеров.

Спектроскопические методы, используемые для определений спектральных классов и классов светимости (T_ef/ и Igg) горячих звезд, основаны на измерении деталей звездного спектра, формируемых при свободно-свободных и свободно-связанных переходах в атоме водорода. Замечено, что если определять физические параметры звездных атмосфер разными методами, например, по величине бальмеров-ского скачка или по ширине линий серии Бальмера, результаты получаются с большим разбросом. Это не позволяет точно зафиксировать положение горячих звезд на диаграмме Герщнпрунга-Рессела, а в случае звездных скоплений приводит к неопределенности положения точки поворота на диаграмме и, в конечном счете, к известным трудностям определения их возрастов. Представляется весьма вероятным, что указанная неоднозначность связана с тем, что при расчете формы бальмеровского скачка не учитываются эффекты неидеальности.

Среди недостаточно изученных вопросов кинетики неравновесной низкотемпературной плазмы областей НИ — вопрос об эффективности механизма лаймановской накачки в туманности [34, 35]. Эффективность этого механизма заселения высоковозбужденных уровней, альтернативного рекомбинационному заселению, зависит от распределения энергии в спектре возбуждающей звезды в области лайм-ановского скачка. Учет роли эффектов неидеалъности при расчете этой области спектра звезды может оказаться критичным для реше-

ния проблемы лаймановской накачки в туманности.

Заметим, что до сих пор попытки учесть влияние эффектов неидеальности при расчете звездных спектров делались лишь для случаев очень плотных атмосфер белых карликов [36] и нейтронных звезд [37].

4. На сегодняшний день уже в течении 30 лет остается необъяс-ненным аномальный бальмеровский декремент в спектре Туманности Ориона — результат, полученный Калером, Аллером и Боуэном [38]. Бальмеровские линии, от Нр до #35, наблюдавшиеся в спектре Туманности Ориона, имеют аномальный (с точки зрения "стандартной" рекомбинационной теории) градиент интенсивности. Обычно этот результат интерпретируется в терминах перенаселейности высоковозбужденных уровней атома водорода в плазме туманности. Для объяснения возможной перенаселенности привлекается упомянутый выше механизм лаймановской накачки [35]. Однако, специально проведенные наблюдения радиорекомбинационных линий [39, 40] не подтверждают сколько-нибудь заметного влияния этого механизма на заселение (а тем более перенаселенность) высоковозбужденных уровней.

Разрешение этого потиворечия между теорией населенности высоковозбужденных уровней и наблюдениями не только сняло бы одну из самых старых проблем астроспектроскошш, но и позволило бы перейти к построению обобщенной экспериментальной кривой населенности атомных уровней в плазме туманностей. До настоящего времени не делалось попыток связать населенности высоковозбужденных уровней, полученные по наблюдениям радиорекомбинационных линий, с населенностями, выведенными из измерений оптического спектра туманности. Решение этой важной для астрофизики и атомной физики задачи позволило бы восстановить полную картину неравновесного заселения квантовых уровней атома водорода в плаз-

ме туманностей, причем в предельно широком диапазоне главных квантовых чисел: от п = 2 до п = 220.

Мы обозначили лишь некоторые из теоретических и экспериментальных проблем формирования спектров высоковозбужденных атомов в космической плазме. Как видно из этого краткого обзора, существует ряд проблем общего физического характера, для успешного решения которых необходим единый подход ко всему комплексу вопросов, связанных с взаимодействием ридберговского атома с внутриплазменным окружением. Это взаимодействие проявляется в эффектах расщепления и уширешія атомных уровней, в изменении структуры высоковозбужденных уровней (припороговых эффектах), влияет на населенность атомных состояний, а в конечном счете, на вид спектров космических источников.

Наряду с этим, существуют и специфические астрофизические проблемы, вытекающие из особых условий космической плазмы. Специфика формирования линий, возникающих при переходах между ридберговскими состояниями атомов в условиях космической плазмы, в том, что (1) линии как правило образованы колоссальным числом штарковских компонент, нужна классификация этих компонент (по поляризации, интенсивности и т. д.); (2) не ясна или противоречива роль квазистатического уширения; (3) велика роль эффектов неидеальности по взаимодействию "атом - заряд"; (4) линии формируются в условиях сильного отклонения от термодинамического равновесия, на частотах радиодиапазона при hi/ -С кТ возникает частичный мазерный эффект (в духе Гольдберга); (5) линии формируются в сложных модельных ситуациях (неоднородности, градиенты плотности и температуры, крупномасштабное расширение и т. д.).

В связи с этим становятся особенно актуальными и важными для астрофизики и радиоастрономии комплексные исследования высоковозбужденных (ридберговских) состояний атомов в реальных усло-

виях космической среды и, прежде всего, неравновесной кинетики заселения и уширения этих состояний.

Цель работы — разработать обобщенную теорию заселения и уширения высоковозбужденных (ридберговских) состояний атомов в рекомбинирующеп плазме с учетом эффектов неидеальности по взаимодействию атома с плазменным окружением и на основе этой теории построить адекватные модели галактических туманностей, звездных атмосфер п других астрофизических объектов.

Конкретизируя цель исследования, перечислим основные задачи, которые ставил перед собою автор при работе над диссертацией.

В области теории: Исследовать влияние внутриплазменных электрических полей на структуру и населенности высоковозбужденных уровней. Построить аналитическое продолжение теории квазистатического уширения в область высоковозбужденных уровней и исследовать критерий квазистатичности в области больших п. Создать теоретическую основу для последовательного включения эффектов неидеальности в кинетические расчеты.

В области интерпретации: (1). Изучить конкретные приложения новых теоретических результатов для разнообразных условий галактических туманностей и межзвездных облаков, и предложить новые решения ряда астрофизических проблем — проблемы аномальной ширины радиорекомбинационных линий в областях НИ, проблемы аномального бальмеровского декремента в спектре Туманности Ориона и других. (2). Исследовать влияние припороговых эффектов на оптические свойства плазмы атмосфер горячих звезд. Доказать, что эти эффекты необходимо учитывать при интерпретации звездных спектров, особенно вблизи пределов спектральных серий Лаймана и Бальмера.

В области наблюдений: (1). Поставить наблюдательную задачу

и получить спектральный материал с предельными чувствительностью и спектральным разрешением, необходимыми для решения проблемы аномального бальмеровского декремента в спектре Туманности Ориона. (2). Поставить наблюдательную задачу и провести спектрофотометрические наблюдения горячих звезд в области бальмеровского скачка с целью калибровки и обоснования нового метода спектральной классификации горячих звезд.

Новизна. В диссертации получен ряд новых важных научных результатов:

1. В работе впервые учтены эффекты нецдеальности плазмы при расчете населенностей высоковозбужденных (ридберговских) состояний атомов. Для широкого диапазона физических условий (Т_е — 10¹ — 10⁴К, N_e = Ю^-1 — 10⁶ см^-3) с учетом эффектов неидеальности и внешнего галактического фона рассчитаны населенности и коэффициенты неравновесности этих состояний.

2. Впервые расчитаны точные квазистатические профили спектральных линий ридберговских атомов. Обнаружено, что в ряде важных случаев точные профили заметно отличаются от используемых обычно (приближенных). Уточнен критерий квазистатичности и определены области действия механизмов уширения для всевозможных переходов в Н-подобных атомах и ионах. В результате автором решена одна из основных проблем, возникших на раннем этапе исследования радиорекомбинационных линий: почему реально наблюдаемые ширины линий намного меньше, чем соответствующие теоретические.

3. Создан первый каталог радиорекомбинационных линий. Впервые собран и проанализирован материал по радиорекомбишшонным линиям в спектрах туманностей, межзвездной среды , внегалактических источников. На основе анализа данных каталога предложен новый метод изучения крупномасштабной динамики газовых туман-

ностей по радиолиниям. Метод, в отличие от всех существующих, позволяет однозначно отличить расширение объекта от сжатия (коллапса). Предложена наблюдательная программа изучения динамики газа в центре Галактики по радиорекомбинационным линиям.

4. На основе разработанной автором теории развит новый универсальный метод спектральной классификации горячих звезд по исследованию профиля бальмеровского скачка в их спектрах. Метод обладает высокой внутренней точностью, он не чувствителен к межзвездному поглощению и аномалиям химического состава звезд. Проведены соответствующие наблюдения спектров звезд с целью проверки метода и сопоставления с известными.

5. На основании разработанной автором теории впервые с учетом эффектов неидеальностп плазмы рассчитано распределение энергии в спектрах горячих звезд в области предела серии Лаймана. Показано, что интенсивность излучения звезды в непрерывном спектре на частотах, соответствующих высоким членам серии Лаймана, во много раз меньше, чем ожидалось ранее. Это позволило объяснить данные наблюдений, свидетельствовавшие о малой эффективности широко обсуждавшегося механизма лаймановской накачки ридбер-говских состояний атомов туманности УФ квантами возбуждающей звезды.

6. На 6-метровом телескопе БТА впервые получен уникальный спектр Туманности Ориона, на котором видны спектральные линии серии Бальмера вплоть до Н39. На основании анализа этого спектра автором решена проблема аномального бальмеровского декремента в Туманности Ориона. При помощи синтеза радио- и оптических наблюдений впервые удалось восстановить полную картину неравновесного заселения квантовых уровней атома водорода в плазме туманности от самых низких до высоковозбужденных (п = 200) уровней.

Научная и практическая значимость. В диссертации разработана обобщенная теория заселения и уширения высоковозбужденных состояний атомов в рекомбшшрующей плазме с учетом эффектов неидеальности по взаимодействию атома с плазменным окружением, которая позволила автору в рамках единого подхода последовательно рассмотреть большую совокупность явлений, связанных с ридберговскими состояниями атомов в конкретных условиях космической плазмы: уширение радиорекомбинационных линий в галактических HII-областях; кинетику заселения высоковозбужденных уровней водородоподобных атомов в условиях межзвездной среды и туманностей; формирование скачков спектральных серий в спектрах звезд и туманностей; проблему определения из радионаблюдений крупномасштабной динамики космических радиоисточников и другие. Решение этих задач, имеющих большую научную и практическую значимость, позволяет с единых позиций подходить к анализу имеющегося наблюдательного материала по рекомбинаци-онным радио- и оптическим линиям и строить более реалистичные модели эмиссионных туманностей с учетом реального распределения температуры и плотности плазмы.

Полученные в диссертации результаты по штарковскому ушире-нию водородных и водородоподобных линий в плазме имеют значение для диагностики космической плазмы в широком диапазоне плотностей и температур. Эти результаты могут быть также использованы для диагностики лабораторной распадающейся плазмы с плотностью N_e = 10¹² — 10¹³ см^-3, где наблюдаются водородные и водородоподобные рекомбинационные линии с п = 10 —14, и лазерной плазмы, где наблюдаются водородоподобные линии многозарядных ионов углерода, азота, фтора и др. при концентрации электронов JV_e = 10¹⁸-10²²c_M-³.

Предложенный в диссертации метод исследования крупномас-

штабной динамики источников излучения радиолиний может быть использован для исследования динамики галактических туманностей, газовых облаков, центральной области Галактики и других радиоисточников. Метод имеет практическую ценность для физики газовых туманностей и теории звездообразования, так как на сегодняшний день это единственный спектроскопический метод, который позволяет однозначно отличать расширение источника от сжатия (коллапса).

Практическое значение для астрофизики и звездной астрономии имеет предоженный и разработанный в диссертации универсальный метод анализа и классификации спектров горячих звезд по виду профиля бальмеровского скачка в их спектрах. В отличии от существующих методов, он позволяет одновременно определять две важнейшие характеристики звездных атмосфер Т_е// и \gg. Метод обладает высокой внутренней точностью, он не чувствителен к межзвездному поглощению и аномалиям химического состава звезд. Последнее свойство делает данный метод особенно подходящим для определения характеристик магнитных и химически пекулярных звезд.

Апробация. Результаты диссертации в разное время докладывались на конференциях, совещаниях и семинарах рабочих групп "Физика межзвездной среды" и "Физика звездных атмосфер", членом которых является автор, на международных конференциях "Астрономические базы данных" (Тбилиси, 1984 г.), "Форма спектральных линий" (Торунь, 1988 г.), "Физика и свойства межзвездной среды" (Иена, 1988 г.), "Физика и состав межзвездной среды" (Торунь, 1990 г.), на совместном советско-германском совещании по межзвездной среде (Пушино, 1987 г.), на симпозиуме МАС "Радиорекомбина-ционные линии" (Пушино, 1990 г.), неоднократно докладывались на научных семинарах в ГАИШ, АКЦ и РАС ФЙАН им. П. Н. Лебедева, в ФТИ им. А. Ф. Иоффе, на кафедре космических исследований

в СПбГТУ, на семинаре кафедры астрофизики СПбГУ, а также на семинарах кафедры астрономии и геодезии и Коуровской астрономической обсерватории.

Внедрение. Результаты диссертации вошли в научный обиход: результаты по штарковскому упшрению использованы в обзоре В. С. Лисицы "Новое в эффектах Штарка и Зеемана для атома водорода" (УФН, 1987, 153, 379-420), результаты по моделированию туманностей и квазнклассическому рассмотрению радиорекомбина-ционных линий водорода в туманностях НИ использованы в монографии С. А. Каплана и С. Б. Пикельнера "Физика межзвездной среды", по проблеме учета неидеальных эффектов при расчете на-селенностей — в учебнике Н. Г. Бочкарева "Межзвездная среда". Результаты диссертации используются при чтении курса теоретической астрофизики для студентов астрономических специальностей в Московском гос. университете им. М. В. Ломоносова и в Уральском гос. университете им. А. М. Горького.

На защиту выносятся:

1. Теория заселения высоковозбужденных состояний атомов в низкотемпературной космической плазме с учетом эффектов неидеальности по взаимодействию атома с плазменным окружением; основанный на этой теории расчет населенностей и коэффициентов неравновесности высоковозбужденных состояний для условий туманностей и межзвездной среды.

2. Результаты точных расчетов квазистатических профилей и полуширин спектральных линий НпАп ридберговских атомов; основанный на этих результатах уточненный критерий квазистатичности, объясняющий наблюдаемое ("аномально слабое") уширение радиорекомбинационных линий в спектрах галактических туманностей.

3. Метод изучения крупномасштабной динамики газовых туманностей по радиолиниям, который, в отличие других спектроскопических методов, позволяет однозначно отличить расширение объекта от сжатия (коллапса). Метод разработан на основе анализа данных "Каталога радиорекомбинационных линий".

4. Универсальный метод спектральной классификации горячих звезд по виду профиля бальмеровского скачка в их спектрах, который, в отличие от других методов, позволяет одновременно определять T_ejf и lg<7, не чувствителен к межзвездному поглощению и аномалиям химического состава звезд.

5. Вывод о неэффективности механизма прямого заселения рид-берговских состояний атомов туманности лаймановскими квантами возбуждающей звезды ("лаймановской накачки"), основанный на оригинальных расчетах распределения энергии в спектрах горячих звезд в области предела серии Лаймана, выполненных с учетом эффектов неидеальности плазмы.

6. Решение проблемы аномального бальмеровского декремента в спектре Туманности Ориона, основанное на анализе полученного на 6-метровом телескопе уникального спектра Туманности Ориона, на котором видны спектральные линии серии Бальмера вплоть до Нзэ-

7. Восстановленная при помощи синтеза радио- и оптических наблюдений полная картина неравновесного заселения квантовых уровней атома водорода в плазме Туманности Ориона от самых низких до высоковозбужденных (га = 200) уровней.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Последний параграф каждой главы содержит основные результаты и выводы, относящиеся к данной главе. Общий объем диссертации —248 страниц, в том числе 64 рисунка и 10 таблиц; библиография содержит 242 наименования.