Astronet Астронет: К. А. Постнов/ГАИШ Лекции по Общей Астрофизике для Физиков
http://variable-stars.ru/db/msg/1170612/4lec/node4.html
Лекции по Общей Астрофизике для Физиков
<< 4.2 Радиолиния нейтрального водорода | Оглавление | 4.4 Ионизованный водород и >>

Разделы

4.3 Облака нейтрального водорода НI и тепловая неустойчивость межзвездной среды

Как показывают наблюдения, нейтральный водород не заполняет равномерно межзвездную среду, а находится преимущественно в виде двух фаз - в виде относительно плотных ( см) холодных ( K) облаков и разреженной межоблачной среды ( см,  K). Это следствие тепловой неустойчивости МЗС, вызванной немонотонной зависимостью давления от плотности вещества в условиях МЗС.

Рис. 4.3 К тепловой неустойчивости МЗС. Участок кривой с отрицательной производной соответствует неустойчивому состоянию.

Качественно эффект состоит в следующем. Вещество МЗС - идеальный разреженный газ с давлением . Температура среды находится из решения уравнений теплового и ионизационного баланса (см. ниже) и является функцией плотности. В результате получается, что зависимость в условиях МЗС немонотонна, наряду с участками роста давления от плотности есть участок, где давление падает с увеличением плотности. Таким образом существует область давлений, в которой одному значению давления соответствует три решения системы уравнений теплового, ионизационного и гидростатического равновесий с разными и . Решение 2 на среднем участке (где давление падает с ростом плотности) неустойчиво относительно малых возмущений и флюктуация с плотностью ниже равновесной будет иметь большее давление, чем равновесное значение, и значит будет расширяться до тех пор, пока не достигнет равновесного значения (решение 1). Обратно, флюктуация с плотностью больше равновесной имеет меньшее давление, чем равновесное, и будет сжиматься пока не достигнет равновесного давления при большей плотности (решение 3). 4.6

Для расчета температуры газа МЗС следует рассчитать нагрев и охлаждение газа (уравнение теплового баланса).

4.3.1 Объемный нагрев и охлаждение МЗС

Прозрачность МЗС для электромагнитного излучения и быстрых заряженных частиц (космических лучей) определяет специфику нагрева и охлаждения газа. Энергия, рожденная в какой-либоточке пространства, уносится электромагнитными квантами на большие расстояния, поэтому МЗС охлаждается из всего объема. Для характеристики охлаждения использут объемный коэффициент охлаждения [эрг/смс]. Теплопроводность не способна передать тепло от удаленных друг от друга источников энергии, поэтому нагрев также определяется процессами, прогревающими среду в больших участках. Для характеристики нагрева используют коэффициент объемного нагрева [эрг/смс]. В тепловом равновесии . Основные механизмы нагрева газа

  1. Ультрафиолетовое излучение звезд (фотоионизация). Квант с энергией ионизует электрон с уровня , при этом кинетическая энергия образующегося свободного электрона ( - потенциал ионизации с уровня) при столкновениях переходит в энергию хаотических движений частиц, нагревая газ.

  2. Нагрев ударными волнами. Ударные волны возникают при различных процессах, происходящих со сверхзвуковыми скоростями (около 1 км/с в условиях МЗС) (например, при сбросе оболочек звезд во время вспышек сверхновых, при столкновениях облаков между собой и т.д.). За фронтом ударной волны кинетическая энергия направленного движения переходит в хаотическую энергию движения частиц, в расчете на одну частицу. При этом достигаются огромные температуры (до миллиардов К в остатках сверхновых), причем основная энергия приходится на движение тяжелых ионов (т.н. ионная темпераура). Температура легких электронов значительно ниже, но постепенно из-за кулоновских взаимодействий происходит выравнивание ионной и электронной температуры. 4.7

  3. Объемный нагрев газа проникающей радиацией и космическими лучами (особенно частицами из мягкого конца спектра космических лучей). Нагрев осуществляется при кулоновском взаимодействии заряженных частиц со средой и чрез вторичные свободные электроны, образующиеся при ионизации среды быстрыми частицами.

  4. Объемный нагрев газа жестким электромагнитным излучением (рентгеновскими и гамма-квантами). Осуществляется в основном вторичными электронами при фотоионизации и при Комптоновском рассеянии. Передача энергии электрону при рассеянии на угол


    с Томсоновским сечением  см. Тогда скорость объемного нагрева плазмы в поле электромагнитного излучения с плотностью энергии будет


Замечание: Процессы объемного нагрева среды пропорциональны плотности частиц и потоку ионизующего излучения, поэтому суммарную скорость объемного нагрева можно представить в виде . Функция [эрг/с] (называемая эффективностью нагрева) зависит только от температуры и химического состава и рассчитывается через элементарные процессы взаимодействия излучения и вещества.

Основные механизмы охлаждения Почти во всех случаях объемное охлаждение МЗС производится фотонами, для которых среда прозрачна. Теплопроводность неэффективна из-за малости градиентов температур в больших объемах (исключение - фронты ударных волн и границы фаз с резко различающимися температурами). Испускание квантов электромагнитного излучения связано с бинарными процессами взаимодействия частиц и всегда пропорционально квадрату концентрации. Охлаждение возникает, когда излучение рождается за счет тепловой энергии частиц и кванты света уходят из рассматриваемого объекта МЗС, унося энергию. Охлаждение происходит фотонами как спектральных линий (разрешенных или запрещенных), так и непрерывного спектра.

  1. Свободно-свободное (тормозное) излучение. Возникает при движении электрона в поле иона. Образуется непрерывный спектр. Для водородной плазмы объемный коэффициент охлаждения


    (температура выражена в Кельвинах). Полностью ионизованная среда с нормальным космическим содержанием элементов имеет .

  2. Рекомбинационное излучение. При радиационной рекомбинации уносится кинетическая энергия рекомбинирующего электрона , обычно составляющая малую долю энергии испускаемого фотона , а остальная часть энергии фотона выделяется за счет внутренней энергии образующегося иона и в охлаждении среды участия не принимает. Энергопотери на радиационную рекомбинацию сильноионизованной среды с  K . При диэлектронной рекомбинации4.8 уходит тепловая энергия порядка потенциала ионизации соответствующего иона.

  3. Другие процессы излучения в непрерывном спектре. а) Двухфотонное излучение. Возникает при радиационном распаде метастабильных уровней в водороде и водородоподобных ионах и 2 уровней в гелии и гелиеподобных ионах (распад других метастабильных уровней происходит преимущественно с испусканием одного фотона). Каждый из фотонов не имеет фиксированной энергии и (в случае водорода) образуется непрерывное излучение с длиной волны больше, чем у линии Лайман-альфа ( А). Такие кванты не способны возбуждать водород из основного состояния и свободно уходят из среды. Возбуждение метастабильных уровней происходит в основном за счет электронных ударов. Двухфотонные распады важны при формировании непрерывных спектров зон НII и играют особенно большую роль при охлаждении горячей космической плазмы с температурой  K (например, в молодых остатках сверхновых). б) Обратное комптоновское рассеяние. Если рассеяние фотона с энергией происходит на быстром электроне с энергией , важным становится отдача энергии и импульса от электрона фотону. Это легко понять, перейдя в систему отсчета релятивистского электрона - при больших Лоренц-факторах направление падающего фотона близко к направлению рассеянного фотона, поэтому делая Лоренц-преобразование энергии фотона в системе электрона имеем , далее пользуемся формулой эффекта Комптона в системе покоя электрона (штрихованной) (здесь - угол между направлением падающего и рассеянного фотона в системе покоя электрона) 4.9и наконец вновь делаем Лоренц-преобразование к лабораторной системе отсчета . Отсюда видно, что для релятивистских электронов энергия рассеянного фотона , и таким образом низкочастотные кванты превращаются в кванты жесткого излучения. Потеря энергии электрона с Лоренц-фактором из-за обратного Комптон-эффекта в поле ЭМ излучения с плотностью дается формулой
    (4.9)

    Например, в случае теплового распределения электронов с плотностью и температурой имеем и объемное охлаждение такой среды есть


    Выражение в скобках дает значение доли энергии, приобретаемой фотоном при каждом рассеянии при .

    Комптоновское охлаждение обычно доминирует в очень сильно ионизованной высокотемпературной плазме вблизи источников рентгеновского излучения. Этот механизм преобладал в ранней Вселенной на радиационно-доминированной фазе до момента рекомбинации.

    Заметим, что из-за обратного Комптоновского охлаждения нагреть тепловую нерелятивистскую плазму одним лишь излучением с характерной энергией нельзя до температур выше .

  4. Излучение в спектральных линиях. Охлаждение происходит при излучении квантов с уровней, заселенных при возбуждении электронным ударом. При рекомбинационном заселении уровней, как мы поясняли выше, тепловая энергия среды не уменьшается, т.к. уносится внутренняя энергия ионов. Спектральный диапазон, в котором происходит основное охлаждение в линиях, определяется температурой - чем энергичнее фотон, тем больше энергии он уносит, но тем больше должна быть температура газ чтобы возбудить соответствующий переход:

    Таблица. Основные линии охлаждения МЗС
    Температура , K Охлаждение в линиях
    Рентгеновские линии H- и He-подобных ионов
      тяжелых элементов
      Остатки сверхновых - O VII (21.6 A), O VIII (18.96 A)
      Межгалактический горячий газ - Si, Fe ( кэВ)
    Резонансные УФ-линии Не и тяжелых элементов до Fe
    Линии Н (в основном Ly)
    Запрещенные линии тяжелых элементов
    Далекие ИК-линии при переходах между уровнями тонкой
      структуры основных термов
    Возбуждение и высвечивание молекулярных уровней
      (в основном молекулы Н)
    Вращательные переходы молекул CO и воды НO

  5. Ионизация электронным ударом. Это специфический для разреженной среды безызлучательный процесс охлаждения. Тепловая энергия расходуется на отрыв электрона и запасается в виде внутренней (не тепловой) энергии среды. Затем высвечивается при рекомбинациях. В стационарном случае затраты энергии на ударную ионизацию равны внутренней энергии, высвечиваемой при рекомбинациях.

Замечание: Процессы объемного охлаждения среды пропорциональны квадрату плотности частиц, поэтому суммарную скорость объемного нагрева можно представить в виде . Функция [эрг/с] (называемая эффективностью охлаждения) зависит только от температуры и химического состава и рассчитывается через элементарные процессы взаимодействия излучения и вещества.

Таким образом, уравнение теплового баланса приобретает вид , откуда находится равновесная зависимоть , и, следовательно, уравнение состояния межзвездной среды , которое и объясняет наблюдаемую стратификацию областей НI на холодные облака и более теплую межоблачную среду.

Отметим в заключение этого раздела, что в большинстве перечисленных процессах нагрева и охлаждения требуется знать населенность уровней атомов и ионов МЗС, поэтому для нахождения равновесной температуры среды требуется совместно решать уравнения ионизационного баланса.


<< 4.2 Радиолиния нейтрального водорода | Оглавление | 4.4 Ионизованный водород и >>

Rambler's Top100 Яндекс цитирования