复合线、禁线以及临界密度
复合线、禁线以及临界密度
复合线、禁线以及临界密度
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>复合线、禁线以及临界密度</strong><br />
星际介质物理<br />
2009年4月13日
电离H区及其发射线<br />
• 星际介质中的电离H区,主要有年轻大质量<br />
恒星周围的HII区以及行星状星云<br />
• 光学和红外发射线是主要的cooling机制,<br />
发射线分为复合线和禁线([OIII]和[OII])<br />
• 在密度高的时候,复合线的贡献大,而在<br />
密度低的时候,禁线的贡献大
电离复合平衡以及Strömgren球<br />
• 电离复合平衡:<br />
• 其中x是电离度,在HII区接近于1,n H是氢<br />
元素(原子+离子)的体密度,b 1是每个中性H<br />
原子的电离几率,a是复合几率<br />
• 除去复合到基态的其它所有态的几率:<br />
• Strömgren球的半径大小:<br />
• S(0)是中心星发出的>13.6ev的紫外光子数
The Orion Nebula M42
大质量恒星形成区Eta Carinae
大质量恒星形成区Keyhole
大质量恒星形成区Trifid Nebula<br />
F502N([OIII]<br />
)<br />
F656N(Hα)<br />
F673N ([S<br />
II])
大质量恒星形成区IC 2994
小麦云中的大质量恒星形成区NGC 602
行星状星云 NGC 2818
行星状星云 NGC 2440
行星状星云 Mz3
行星状星云 NGC 6369
cooling机制<br />
• 线发射(复合线以及禁线,在HII区里很重要)<br />
• 连续发射:韧致辐射(这个对cooling不重要)、<br />
复合<br />
• 和尘埃的碰撞转移能量到尘埃上,然后尘<br />
埃辐射带着能量<br />
•HII气体云的膨胀
电子的韧致辐射(free-free)<br />
•HII区里有大量的自由电子<br />
• 自由电子之间的碰撞会产生韧致辐射<br />
• 韧致辐射光厚<br />
• 随着波长的减小,光厚增加<br />
• 在1GHz附近,一般会发生光厚大于1的情<br />
况,在接近光薄后,基本上是一个平谱
近邻星暴星系M82的射电谱谱分布<br />
free-free<br />
Condon 1992<br />
ARA&A
韧致辐射的用途<br />
• 比较有效的探测韧致辐射的频率为几GHz<br />
到几十GHz<br />
• 这个频率消光很小,通过这个波段的射电<br />
连续谱的高空间分辨率观测,能很好的判<br />
断HII区的大小以及形态,这对于极早期的<br />
年轻大质量恒星周围的HII区(UC or HC HII)<br />
会十分有效<br />
• 结合射电复合线,可以计算HII区的电子温<br />
度
观测:射电干涉仪<br />
• 目前世界上几个大的射电干涉仪都能很好<br />
的观测C band和X band射电连续谱<br />
• 根据空间分辨率的需要,可以选择不同的<br />
望远镜排布方式,得到合适的空间分辨率<br />
和灵敏度<br />
• 目前有VLA、WSRT、ATCA可以进行这类<br />
观测<br />
• 这几个望远镜的视场都差不多大(约10角分)
HII区的射电连续谱辐射<br />
Walsh et al. 1998
HII区的射电连续谱辐射(续)<br />
Walsh et al. 1998
复合线的产生<br />
• 复合过程中,会产生级联跃迁<br />
• 这些跃迁的几率很大,在小n的情况下,自<br />
发跃迁几率很大(~104s-1 ),碰撞激发的几率<br />
比这个远小,可以忽略,这些能级之间的<br />
分布是远离热平衡(玻尔兹曼分布)状态的<br />
•n大的时候,An+1,n=5.3x109x n-5 s-1 • 比如:n=100时(频率为6.48GHz),几率为<br />
0.53s-1
分布对LTE的偏离<br />
(Sejnowski, T. J., & Hjellming, R. M. 1969, ApJ, 156, 915)
复合线的强度<br />
• 复合到较低能级的原子,由于自发跃迁几<br />
率很大(远大于碰撞跃迁的几率),会产生级<br />
联跃迁,一直到基态<br />
• 在电子温度一定的时候,复合线的强度只<br />
和电子密度和离子密度有关,正比于电子<br />
密度和离子密度的乘积<br />
• 在电离度和元素丰度比一定的时候,正比<br />
于电子密度的平方
射电复合线<br />
• 复合过程中,会有部分电子和质子复合到<br />
高的 n能级,<br />
• 在n大的时候,基本上是满足热平衡的,在<br />
不同能级的分布,由saha方程决定,依赖<br />
于电子的温度<br />
• 从n+1到n的跃迁几率是最大的,也称为α<br />
线,比如H110α就是从n=110到n=109的<br />
跃迁
• 吸收系数:<br />
• 频率:<br />
• 简并因子 g n=2n 2<br />
射电复合线的强度<br />
• 而自发跃迁系数为<br />
• 由saha方程,处于n能级的粒子数为:<br />
• 这样简化后可以得到线心处的吸收系数:<br />
• 和n无关!
射电复合线的强度(续)<br />
• 线心光学厚度:<br />
• 其中EM为:<br />
• 线心亮温度:<br />
• 复合线和相同频率的free-free辐射的强度比为:
禁线<br />
• 禁线,顾名思义,是跃迁几率很小的能级跃迁产<br />
生的发射线,这种能级跃迁,一般是不符合选择<br />
定则的,在地球上的实验室中,一般也很难测到<br />
• 在电离气体里,禁线是很重要的cooling机制<br />
• 常见的光学禁线有[O III] 、[O II]、[N II]、[S II]、<br />
[S III]、[Ar III]以及[Ne III]<br />
• 在红外波段,也有几条重要的禁线[O III]、[Ne II]、<br />
[S III]等的精细结构线<br />
• [C II] 158微米线主要是来自PDR和HI气体,HII区<br />
里面没有那么重要
Orion的光学光谱
禁线的产生及用途<br />
• 由于自发跃迁几率很小,禁线一般很难产生<br />
• 在星际介质中,由于空间尺度足够大,同时,密<br />
度又很稀薄,所以,禁线的强度会比较大,而且<br />
会在cooling中起到很重要的作用<br />
• 通过禁线的观测,我们可以测量HII区的温度以及<br />
密度等物理量<br />
• 和Hα这些复合线的激发机制不同,禁线不是通<br />
过复合激发的,比如 [O III]线中的处于高激发态<br />
的电子,不是由于O +++ 俘获一个电子来的,而是<br />
O ++ 离子中的一个电子,被碰撞到高能态
碰撞激发<br />
• 禁线一般都是通过和电子碰撞,激发到高<br />
能级,然后通过自发跃迁辐射到低能级<br />
• 考虑简单的双能级系统<br />
•LTE时满足:<br />
• 而Rlu=IvBlu,Rul=Aul+IvBul • 所以在non-LTE下:<br />
• 其中TK为碰撞粒子的热运动温度
碰撞激发和临界密度<br />
•<br />
• 考虑没有入射光,而且光薄情形,这时的<br />
辐射强度<br />
• 而此时<br />
• 所以<br />
• 其中N为这种发射粒子的柱密度
碰撞激发和临界密度(续)<br />
• 在一定的温度下,碰撞系数C ul正比于主要<br />
的碰撞粒子的体密度n(对于分子气体而言,<br />
就是H 2的体密度),A ul=C ul时的体密度,定<br />
义为临界密度n crit,它依赖于温度<br />
• 现在回头来看<br />
• 可以写成<br />
• 随着n的增加,流量在增加<br />
• 柱密度一定时,对于nncrit,变成常数
临界密度的物理意义<br />
• 前面都是在简单的双能级系统中推导的关系式,在多能级<br />
系统中,关系要复杂一些,但是概念性的东西是一致的<br />
• 在低于临界密度的时候,粒子的布居是远离热平衡的,由<br />
上下能级布居定义出来的温度远小于碰撞粒子(电子、原<br />
子或者分子)的运动学温度<br />
• 密度远大于临界密度时,上下能级的布居接近于热平衡<br />
• 在电离H气体中,由于复合线的贡献是和体密度的平方成<br />
正比的,而禁线在远大于临界密度时是和体密度成正比,<br />
在远低于临界密度时,和体密度的平方成正比<br />
• 所以,相对于复合线来讲,禁线在低体密度的时候,贡献<br />
会大,而在高密度的时候,则是复合线(或者其它临界密<br />
度高的线)占主导地位
分子谱线中的临界密度<br />
• 在分子云中,分子是通过和H 2 分子碰撞,到达高<br />
能级,然后通过自发跃迁从高能级到低能级<br />
• 分子云中除了H 2 和He以外丰度最大的分子CO的<br />
临界密度很低,很容易各个能级之间达到热化<br />
• 其它一些分子,比如HCN、CS、HNC等,由于<br />
偶极距大,导致自发跃迁几率大,临界密度也大。<br />
在热化的时候,虽然这些分子的丰度低,但是由<br />
于其自发跃迁几率大,导致其有很强的辐射,而<br />
在体密度低的时候,其偏离热平衡,上能级的粒<br />
子数少,高的自发跃迁几率不起作用,辐射的流<br />
量只和碰撞系数和柱密度有关
Change language