Ориентация спинов (в космической среде)

Рис. 1. Возможные значения проекции M спина частицы в магнитном поле (квантование проекции спина). Ось квантования - направление магнитного поля.

О. с. J определяется его проекцией M на направление магн. поля. Согласно законам квантовой механики, проекция M может принимать только дискретные значения (рис. 1), равные J, J - 1, J - 2, ..., -J + 1, -J (значения М в этом ряду отличаются на единицу; за единицу принята величина - Планка постоянная). Различают два типа О. с. частиц - выстраивание и поляризацию. В случае выстраивания спины частиц ориентированы так, что направления и - по и против выделенной оси - эквивалентны, тогда как в случае поляризации эти направления неэквивалентны, то есть спины направлены преимущественно в одну сторону.

В разреженной среде, находящейся в тепловом (термодинамическом) равновесии, при отсутствии внеш. полей все направления равноправны (среда изотропна). Спины частиц в такой среде расположены хаотически, так что в среднем ориентация у них отсутствует. Однако О. с. возможна, если частица обладает магн. моментом и имеется достаточно сильное внешнее магн. поле H, такое, что энергия взаимодействия его с моментом частицы больше или сравнима с энергией теплового движения частицы. Спины частиц в этом случае могут быть ориентированы по полю H (или против поля). Такая ориентация наз. статической. В действительности энергетич. условие, необходимое для статич. О. с., в известных космич. объектах не выполняется. Напр., в межзвёздной среде при Н ~ 10^-6 Э и Т ~ 100 К энергия магн. взаимодействия эрг, а энергия теплового движения kT ~ 10^-14 эрг. Даже в магнитных звёздах при Н ~ 10³ Э и T ~ 10⁴ К энергия эрг, a kT ~ 10^-12 эрг. Поэтому статич. О. с. частиц, связанная с наличием сильных внеш. полей, в космич. условиях не имеет места.

При отсутствии теплового равновесия возможен принципиально иной тип ориентации, т.е. динамическая ориентация, при к-рой спины частиц среды ориентируются в результате их взаимодействия с проходящим через среду направленным потоком излучения или потоком быстрых частиц. Так, оптич. излучение и радиоизлучение звёзд и туманностей, а также направленные корпускулярные потоки, проходя через межзвёздную среду, и взаимодействуя с ней, не только меняют распределение частиц по импульсам, но и ориентируют спины зтих частиц.

Динамич. ориентация спинов неразрывно связана с такими явлениями, как давление излучения и солнечный ветер, т.к. при столкновении с фотоном или частицей солнечного ветра атому (или др. частице) одновременно передаются и импульс, и момент импульса. Второй процесс даже более эффективен в том смысле, что налетающий поток сначала ориентирует частицы среды, а уж затем увлекает их в направлении своего распространения.

Анализ физ. условий в различных космич. объектах показывает, что при динамич. ориентации спины оказываются выстроенными, а не поляризованными, и осн. механизмом такого выстраивания явл. резонансное рассеяние направленного неполяризованного излучения (излучения в спектральных линиях). При резонансном рассеянии атомы и молекулы очень эффективно взаимодействуют с фотонами, велико т.н. эффективное сечение рассеяния.

Механизм оптич. резонансной ориентации наглядно раскрывается на примере двухуровневого атома со спином J = 1 в осн. состоянии и со спином J' = О в возбуждённом состоянии (рис. 2).

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая механизм оптической ориентации спинов. Здесь J = 1 и J' = 0 - спин частицы соответственно в основном и возбуждённом состоянии, M - проекция спина на направление пучка падающих фотонов.

Если свет неполяризован, то в световом пучке содержится одинаковое количество фотонов правой и левой поляризации. Они характеризуются двумя значениями проекции спина фотона на направление луча (спиральностыо): = 1 и = -1 [вследствие поперечности эл.-магн. волн спин фотонов () всегда ориентирован по или против направления распространения волн и фотоны с проекцией = 0 отсутствуют]. В соответствии с законом сохранения проекции момента импульса при поглощении резонансного фотона с 1 атом может перейти в возбуждённое состояние лишь из подсостояний 1, тогда как возбуждение атома на этот уровень из подсостояния М = 0 запрещено. Поэтому атомы, попавшие в подсостояние М = 0, в дальнейшем уже не могут выйти из него, если не произойдёт столкновения атомов. С другой стороны, при переходах из возбуждённого состояния атомы могут оказаться в любом из подсостояний М, причём с равной вероятностью, т.к. у возбуждённого атома J' = 0, а все св-ва физ. системы со спином, равным нулю, не зависят от её ориентации в пространстве. Возбуждённый атом может излучить фотоны с проекциями момента импульса на направление ориентирующего пучка света как 1, так и =0. Т.о., в результате каждого акта рассеяния (перехода атома в возбуждённое состояние и возвращения на осн. энергетич. уровень) будет возрастать число атомов с М = 0. При длительном воздействии пучка резонансных фотонов практически все атомы, независимо от начальной ориентации, должны перейти в подсостояние М = 0, и среда станет прозрачной для ориентирующего излучения. Конечно, полное просветление среды возможно лишь в отсутствие столкновений атомов друг с другом. В таких разреженных и оптически тонких системах, как межзвёздная и межпланетная среда, кометы, туманности, верхние слои атмосферы звёзд и планет, все условия, необходимые для выстраивания спинов, постоянно поддерживаются самой природой. Плотность частиц в этих космич. объектах мала, соударения атомов и молекул редки, а среду постоянно пронизывают интенсивные потоки излучения, имеющие определённое пространственное направление. Ориентация спинов частиц отсутствует лишь в нижних, плотных слоях атмосфер звёзд и планет, где состояние частиц определяется их столкновениями с соседними частицами газа, находящегося в локальном термодинамич. равновесии.

Оптич. св-ва (преломление и поглощение) среды, содержащей частицы с выстроенными спинами, существенно зависят от поляризации пронизывающего среду пучка света или частиц и направления наблюдения. Первоначально неполяризованное излучение, проходя через "выстроенную" среду, линейно поляризуется вследствие того, что прозрачность среды для излучения, поляризованного параллельно и перпендикулярно магн. полю, неодинакова. Это явление необходимо принимать во внимание при анализе спектров различных космич. объектов. Так, выстраивание приведёт к поляризации проходящего света и к аномальному отношению интенсивностей поглощения в мультиплете (т.е. в совокупности спектральных линий, образующихся при переходах между двумя энергетич. уровнями, расщеплёнными на подуровни). Этот эффект может наблюдаться для линии поглощения, образующихся в разреженных оболочках звёзд, где имеется интенсивный направленный поток излучения. Учёт выстраивания спинов может дать качественно новую информацию относительно анизотропии физ. условий в исследуемых объектах, а именно: о направлении магн. ноля и угловом распределении потока излучения. Напр., по измеренному отношению интенсивностей линий дублета натрия и в спектре комет и степени поляризации линии D₂ можно определить направление магн. поля в голове кометы.

(Д.А. Варшалович)