Теоретическое исследование радиорекомбинационных линий в условиях космической плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

г г

академия наук россии. астрокосмичес1шй цешр физического института п.н. лебедева

На правах рукописи

ровешкая нина изид0р0вна

• ■• УДК 524.5

теоретическое исследование радоорекокбинлционшх -линий в условиях космической пшш

01.04.03- "радиофизика"

' автореферат

диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата физико-математических наук

Москва-1992

Работа выполнена в Радиоастрономическом институте АН Украины, Харьков.

Научный руководитель:

- доктор физико-математических наук В.М. Конторович. Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук И.Л. Бейгман (ФИ АН России);

- доктор физико-математичес. их наук Н.Г. Бочкарев (ГАИШ МГУ).

Ведущая организация - Харьковский Государственный университет им. Горького.

Защита состоится "14" января 1993 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 002.39.01 Астрокосмичес-кого центра Физического института П.Н. Лебедева РАН по адресу: 117924, Москва, В 333, Ленинский проспект 53, (РАН).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

т (ран).

Автореферат разослан "15" декабря 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.-мат». наук

В.В. Вурдюжа

Настоадая работа посвящена теоретическомуу исследованию ряда особенностей радиорекомбинационных линий, форшфую1цихся при перехо- -дах между предельно высоковозбужденными состояниями атомов и ионов. Особенности рекомбкнационного излучения, вызванного каскадом радиационных переходов с ридберговских состояний, обусловлены высокой чувствительностью излучения к условиям возбуждения и релаксации состояний вблизи границы ионизации, причем эффекты взаимодействия с плазменными полями могут быть того ие порядка, что и эффекты взаимодействия с атомным остовом.

Наблюдения серий рекомбинационных линий атомов, ионов в спектре-космического радиоизлучения являются одним из самих информативных методов исследования плазменных эффектов, а также позволяют выяснить структуру и динамику широкого класса астрофизических объектов.

Актуальность теш. Экспериментальные и теоретические

аспекты.

Учитывая многочисленность экспериментальных работ по наблюдению ■ рекомбинационных спектров от миллиметровых до декаметровых длин волн.с все более высоким пространственным и спектральным разрешением, спектроскопия ридберговских состояний атомов и ионов и в дальнейшем мотет сыграть немаловажную роль в исследованиях как крупномасштабной структуру Вселенной, в томодслэ и ранней эпохи её эволюции, так и целого ряда "мелкомасштабных" объектов нашей Галактики с ярко выраженными динамическими процессами.

Сама по себе проблему ридберговских атомов в астрофизике не но* ва. Толчком к развитию радиоастрономических исследований послужило теоротичо чое предсказание и обнаружение радиолиний водорода при перехода мезду состояниями с П~ -ТОО [1-6] . В последствии было прове-

депо большое число измерений в стандартном частотном диапазоне от 0,1-100 ГГц и собрана значительная информация о физических условиях в протяженных и компактных зонах НИ [7J .

Особый интерес представляют экспериментальные исследования облаков в молекулярных комплексах в метровых и декаметровых линиях поглощения с П = 500 - 750 , открытых в 1979-1980 годах в РАС ЖАН (Пущине) и РИАН (Харьков), в направлении на радиоисточник Кассиопею А. Уникальность обнаруженных линий углерода заключается в возможностях диагностики облаков холодного, малоплотного газа в рукавах Галактики в сериях линий, близких к предельным ридберговским состоя- ■ ниям атомов f&-l3 .

В другом предельном случае больших плотностей частиц, соответ-

5 7 —3

ствующих компактным зонам НИ с концентрациями порядка 10 -10 см ,

в настоящее время активные исследования проблем звездообразования

ведутся в миллиметровом'диапазоне длин волн с угловым разрешением и

~1тЮ , причем удается наблюдать рекомбинационные спектры в отдельных оболочках массивных звезд, и в частности мазерный' эффект [I2J .

Наиболее полно итоги экспериментальных исследований за последние 25 лет отражены в сборнике коллоквиума MAC D3l . Обзор экспериментальных достижений спектроскопии ридберговских атомов будет не достаточным, если не упомянуть основные направления по изучению ридберговских атомов в лабораторной плазме [14] . Благодаря созданию мощных лазеров, перестраиваемых по частоте с высокой селективностью по энергиям и поляризации, в диапазоне II = 5-40, типичном для лабораторных условий, изучались энергетические интервалы тонкой и сверхтонкой структуры. Представляют интерес для понимания корреляционных свойств электронов наблюдения серий автоионизационных состояний. Усовершенствование методов получения и регистрации высоковозбужденных состояний позволило проводить измерения поляризуемостей, вре-

мен распада состояний , уширекшт и сдвига линий при рассеянии частиц, во внешних полях. Новые экспериментальные возможности стимулировали дальнейшие теоретические работы.

Интерес к теоретическим исследованиям физических процессов в плазме методами спектроскопии ридберговских атомов во многом обусловлен- тем, что'анализируются спектры излучения простейшей из квантовых систем П5-17] . В расчетах эффективно используется условие классического предела квантовой механики П >> I и статистически малый вклад проникающих орбит в спектр и динамику состояния при возбуядении атома в результате рекомбинации. В пределе состояний с /7 и большими угловыми моментами £ > движение в фазовом пространстве когерентного состояния свободного осциллятора подчиняется классическим уравнениям и определяется минимальным шелом параметров. Эволюция системы задается матричными элементами [18] , асимптотически точные выражения для которых в дипольном приближении приведены в работах [15-22/..

Среди процессов, определяющих время жизни высоковозбужденных 'состояний и уширение линий, наиболее вероятными оказываются столкновения с заряженными частицами. Теоретические исследования рассеяния электронов на ридберговских атомах развивались по двум направлениям: методами квантовой теории возмущений (борновское приближение) (23] и в классическом бинарном приближении [24] . Наиболее последовательное описание процесса рассеяния частиц, включающее оба предельных случая, сформулировано на основании квазиклассического представления о движении слабосвязанного электрона [24,25] , что позволило проанализировать и в ряде случаев аналитически вычислить сечения, скорости переходов л эффективные столкновительные ширины линий в диапазоне параметров ^ — «1 .

Излучение космических радиорекомбинационных линий обнарукимо в

. I I

тех случаях, когда оптическая толща для тормозного излучения мала. В услошшх оптически тонкой плазмц интенсивность линий определяется отклонением от равновесного распределения частиц по уровням. Систематическое изучение плазмы методом рекомбинационных линий стимулировало развитие численных методов решения систем балансных уравнений ' для ридберговских уровней с (I = 10-300 .результаты которых достаточно полно отражены в С27,28_1. В работах по аналитическому решению полубесконсчной системы кинетических уравнений для населенностей эффективно используется представление о функции распределения как непрерывной функции в зависимости от энергии состояния О при Ш —оо по аналогии с распределением в области положительное энергий электрона С29-341.

Для ридберговских состояний, населённости которых близки к термодинамическому равновесию с плазмой, возможно дополнительное усиление излучения в линиях по сравнению с тормозным излучением при сужении спектральной ширины линий. Особенности в спектрах излучения линий при существенной интерференции фаз начального и конечного состояний в общем виде предсказывались в [35,3(3 , И конкретно для рекомбинационных линий рассматривались в работе [37] . .

Основной целью настоящей работы является исследование особенностей уширения и интенсивности излучения предельно низкочастотных рекомбинационных линий атомов и ионов в условиях рекомбинируицей космической плазмы.

Научная- и практическая ценность работы-.

В рамках квазиклассического описания получены аналитические выражения для вероятностей переходов( сечений й скоростей переходов

2 &

при неупругом рассеянии случайных частиц в области энергий ±

для асимптотических состояний ридберговских атомов: П» I, -г I, € ¥

. << I, ~ I, Ь I. Приведены асимптотические точные роше-

£ 1

ния для энергий частиц '' ~рГ ^ ^ . Вычисленные эффективные

ширины линий позволяют интерпретировать наблюдаемое уширение декамет-ровых и метровых линий в областях холодной космической плазмы с Те 100 К.

В предположении о непрерывности функций распределения по энергиям ридберговеких состояний в условиях рекомбинирующей плазмы кинетические уравнения для населенностей атомов (ионов) приведены к интегральному на полуоси и решены методом, близким краевой задаче 1\1ль-берта-Привалова. Столкновительные, спонтанные и индуцированные фоновым излучением переходы включены в кинетическое описание.

Кинетические коэффициенты при неупругом рассеянии заряженных частиц на ридберговеких атомах и ионах вычисляются с квазиклассичес-

^ - т -1 о ' ~7"

кой точностью ~ — при П I в приближении

Найденные выражения для коэффициентов усиления и оптических толщин позволяют оценивать интенсивности как водородоподобных линий атомов, так и ракомбинационное излучение многозарядных ионов в условиях горячего газа с Т = 10^ - IО® К, например, в остатках сверхновых или галатического центра.

В связи с теоретическим рассмотрением задачи о низкочастотном рекомбинационном излучении из областей горячего газа остатков вспышек сверхновых и компактных зон НИ дополнительно исследован спектр излучения линий. В рамках релаксационной теории система уравнений ■ для автокорреляционной функции атомного осциллятора решена в асимптотическом случае Ь << Г\ •

В кинетическом описании спектра излучения с необходимостью учтены квазистатические поправки к энергии невозмущенного атома и возмущение начального и конечного состояний быстропеременными полями, возникающие при взаимодействии атомов с случайными частицами и низкочастотным излучением остатка Сверхновой (галактического фона).

Особо рассмотрен случай перекрывающихся рекомбинационных линий, получены формулы для сдвига и уширения линии при интерференции близких ридберговских состояний. Проведенный анализ может быть полезен при поиске линий ионов в плазме с Т К, //е >, I 2 =

В - 25 ( Л = 2000 - 5000) и Те Ю4 К, 2 = I - 3 ( П = 500 - -1200). -

Структура и содержание диссертации

Диссертация состоит ио введения, трех глав и заключения.

Первая глава посвящена задаче о неупругом рассеянии заряженных частиц на ридберговских атомах. Интерес к аналитическому определению штарковского уширения метровых и декаметровых линий возник в связи с интерпретацией наблюдений линий на ДКР-ЮОО (Пущино) и УТР-2 (Харьков).

V Для характерных параметров: « Г\ , Л = 6004-700,

1^1,6 ■ » ГД9 п ~ главное квантовое число,

Т0 - температура электронной составляющей плазмы, борновскоа приближение неприменимо. Движение сильновозбужденного (ридберговского) электрона в атоме описывается уравнением Гамильтона-Якоби , которое решается в рамках классической теории возмущений.

Аналитическими методами вычислены квазиклассические, возмущенные в результате рассеяния, волновые функции, столкновйтельныа вероятности переходов, кваэиклассические сечения неупругого рассеяния

сг

Со;с » скорости столкновительных переходов КУ'ос.гУ и эффек-И лп

тивные ширины линий Д "у^ в ударном приближении Прт дипольном

взаимодействш. Перечисленные величины определены как функции параметров плазмы и асимптотических состояний по угловым моментам ридберговских атомов: ф- ^ 1,-2!« I, ■£- ^ I, I, где гп

^ с- С <1 П

ий- магнитное и азимутальное квантовые числа. Наеденные асимптотически точные решения для интервала параметров I <с 1,6 ^

описывают квазиклассические сечения и скорости переходов гипергеометрическими функциями, которые с помощью равномерных асимптотических разложений приводятся к простым, степенным зависимостям, удобным для приложений.

Основной физический результат данной работы заключается в том, что основной переход £ п , определяющий скорость релаксации состояния и, соответственно, уширешя лиши зависит от соотношения энергий связанного электрона и свободного и в интервале асимптотически малых энергий %- <"< <"<• • /йУл-ь-^г"" • Результаты анали-

Ш Яу. п. > £

тического расчета сравниваются с имеющимися в литературе численными аппроксимациями.

Рассмотрена также задача о неупругих столкновительных протонов с водородоподобными ионами в ридберговских состояниях. Показано,

г

что в условиях горячей межзвездной среды с Т0~10 К этот механизм существенно зффзктивнее неупругого рассеяния электронов на сильновозбужденных ионах.

Во второй главе формулируются интегральные кинетические урав-

'нения для населенностей ридберговских атомов в зависимости от знер-

2

гии состояния £ = - 1/П , усреднённые по квантовым состояниям.

Переход к интегральному описанию .обусловлен предположением о непрерывности функции распределения в пределе п со , когда

Л г")

энергетический спектр состояний сгущается ~ —, а функции

П3

распределения дискретных состояний в условиях рекомбинирующей плазмы являются аналитическим продолжением распределения в область положительных значений энергии.

Интегральное уравнение на конечном промежутке преобразуется к интегральному уравнению на полуоси с экспоненциально убывающим разностным ядром в пределе £ —«--сю .

Дополнительно вычислены коэффициенты диффузии и потоки частиц

по спектру при взаимодействии с заряженными частицами плазмы и распределение по спектру, степенным излучением галактического фона.

Точность аналитически вычисленных кинетических коэффициентов, учитывающих вклад большого числа переходов: (А ,Т ,

задана условием квазиклассического приближения — при П » I. При расчете коэффициента диффузии, описывающего неунругие столкновения, использовались результаты второй главы.

В приближении диффузионного потока частиц для столкновительных и индуцированных излучением переходов и преобразовавшем кинетических руравненил к краевому условию задачи Гильберта-Привалова получены аналитические выражения для функций распределения и коэффициентов усиления рекомбинационных линий в зависимости от номера состояния и параметров среды.

> Приведены оценки коэффициентов усиления декаметровых рекомби-национных линий водорода и многозарядных ионов в горячей плазме. Обсуждаются различные асимптотически точные формулы и сравшвалтся с результатами других авторов.

В третьей главе рассмотрена задача о спектре излучения низкочастотных рекомбинационных линий в случае достаточно близких ридбер-говских состояний, ответственных за появление саттелитов при переходах между штарковскими (зеемановскими) компонентами и формирование единого, узкого контура при существенной интерференции фаз корреляционной функции.

Сформулирована система кинетических уравнений для матрицы плотности в рамках релаксационной теории. Таким образом, в динамическом описании учтены квазистатические поправки к собственным значениям свободного осциллятора. В качестве базисных функций выбраны волновые функции в представлении обобщенных квазиэнергетических состояний, учитывающие характерные частоты полной системы : атом +

8 ■

возмущающиеся частицы плазмы.

■ Приближение релаксационной теории допускает разделение переменных излучающих атомов и возмущающих частиц, в котором определение стационарных состояний в обобщенных квантовых числах упрощает процедуру усреднения интеграла столкновений по угловым моментам при изотропном по направлениям рассеянии частиц (электронов или фононов) на атомах.

В последующих расчетах определение кинетических коэффициентов интеграла столкновений и времени релаксации корреляционной функции обоих возмущенных состояний проведено в пределах ограничений квантовой теории возмущений, соответствующих малости величины сдвига линии или её ширины в сравнении с частотой перехода.

Из полученного решения для корреляционной функции следует, во-первых, известное спектральное распределение для рекомбинационных линий в случае независимого уширеши обо их уровней, во-вторых, выражение для скомпенсированного спектра излучения при интерференции близких, вырожденных ридберговских состояний многозарядных ионов.

Проведен аналитический расчет спектра излучения при переходе к квазистатическому режиму, позволяющий определить положение и спектр частот саттелитных линий.

На основании решения кинетических уравнений для корреляционной функ-ии исследуется дополнительно эффект интерференции близких квазикогерентных состояний, обусловленных'квазистатическим, ионным и случайным, магнитным полями в плазме. Приведены формулы для сдвига и ширины рекомбинационных линий в этом „лучае: представляющие интерес д>эт оценок возможностей обнаружения метровых, декаметровых линий зодорода и ионов тяжелых элементов в зонах НИ с плотностями частиц /У? ^ 10^ см-3 и магнитными полями порядка миллигаусс.

' В аналогичной постановке рассмотрена задача о сдвиге и уширении

рекомбинационных линий в поле мощного, распределенного по частоте, ' радиоисточника.

Основные результаты и выводы диссертационной работы приведены -в заключении.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по галактической и внегалактической радиоастрономии (Харьков,1983; Таллин ,1987; Ашхабад, 1991), Международных конференциях У£/1Л£(Хдрько 1989;)Гётеборг, 1991). Основные результаты опубликованы в работах £38-44].

. > л

ЛИТЕРАТУРА.

1. Кардашев Н.С. О возможности наблюдения разрешенных линий атомарного водорода в радио-диапазоне // Астроном.курн. -I9Ö9. - 36, № 5. - С. 838-844.

2. Дравских З.В., Дравских А.Ф. Попытка наблюдения радиолиний возбужденного водорода // Астроном, циркуляр. - 1964. - 282, № I, С. 2-4.

3. Сороченко P.J1., Бороэдич Э.В. Обнаружение в туманности ICC 6618 (Омега) радиоизлучения линии возбужденного водорода // Докл. АН СССР. - I960. - 163, 3. - С. 603-605.

4. Коноваленко A.A., Содин Л.Г. О линии поглощения 26.13 МГц

в направлении Кассиопеи А // Письма в Астрон.журн. - 1981. -

7, № 7. - С. 402-405.

5. Ершов A.A., Лехт Е.Е., Рудницкий Т.М., Сороченко Р.Л. Низкочастотные радиолинии возбужденного углерода в направлении радиоисточника Кассиопеи А // Письма в Астрон.журн. - 1982. -

8, № II. - С. 694-699.

6. Буреева Ji.Ai 0 квазйклассическом приближении для сил осцилляторов и эффективных сечений радиационных переходов // Астрон. яурн. - 1968. - 45, № 6. - С. I2I5-I22I.

7. Зельдович Я.Б. Рассеяние и излучение квантовой системой в с.льной электромагнитной волне // Успехи риз.наук. - 1973. -НО, № I. - С. I39-I5I.

8. Бейгман И.Л., Байнштейн Л.А., Собельман И.И. О квазикласси-■ческом приближении в теории неупругих столкновений высоко-возбужденннх атомов с заряженными частицами // Журн.эксперим. И теор. физики. - 57, № 5. - С. 1703-1709.'

9. Бейгман И.Л., Сганяев P.A. Кинетика рекомбинации высоковозбужденных атомов в планковском поле излучения. - М.; 1978. -21 с. - (Препринт / АН СССР, Физ. ин-т; 163).

10. Казанцев А. 11., Покровский В.л. Теория возмущений для высо-коьозбужденних состояний // йурн.эксперим. к теор. физики.-19<33. - ы, 6. - С. 1917-1935.

11. Смирнов Г.Т., Сороченко Р.Л., Панконин 3. Штарковское уии-рение реком^кнационннх линий в туманности Ориона. - I;.; 1932.' - 24с. - (Препринт / АН СССР, аиз. ин-т, 204).

12. Коноваяенко А.А. Наблюдения рекомбинационных линий углерода на декачетровых волнах в направлении источника Кассиопеи А// Письма в Астрон.журн. - 1934, - 10, > II. - С. Шб-863.

13. Ьршов л.А. и др. Низкочастотные радиолинии возбужденного углерода в направлении Кассиопеи А.- Наблюдения на частотах 42,56 и 84 КГц // Письма в Астрон.курн. - 1934. - ГО, ]£ II,-С. 833-о45.

14. Бейгман И. Л. Переходы мемду высоковозбужденными уровнями в борцовском приближении // Физика атомшх столкновений и спектроскопия плазмы // Труды ФИаН. - 1960. - И9, - С.130-142.

15. Еейгман И.Л. Переходы между высоковозбужденшми уровнями в квазиклассическом приближении // Там же, - 19а0. - 119. -С. 143-15;.

16. Бейгман И.Л. Кинетика ридберговских состояний в горячей плазме // Тр.: фиэ. ин-таАН СССР. - 1937. - 179. - С. 160182.

17. Алексеев й.А., Собельман И.И. О влиянии столкновений на вынужденное комбинационное рассеяние в газах // Жури.эксперим. и теор. физики - 1968. - 55, № 5. - С. 1874-1879.■

18. :шексеев В.А., Андреева Т.Л., Собельман И.И. -Метод квантового кинетического уравнения для атомоЗ и милекул и его приложения к вычислению оптических характеристик газов // Мурн. эксперим. и теор. физики. - 1972. -62, № 2. - С.614-о2о.

12 '

19. Зельдович Н.В. Квазиэнергия' квантовой системы, подвергающейся периодическому воздействию- // Яурн. эксперим. и теор. физики, 1966. - 51, № 5, - С, 1492-1494.

20. Ровенская Н.И. Формирование радиорекомбинационных линий атомов, при неупругом рассеянии заряженных частиц // XIX Всесоюзн.конф. по галактич. и внегалактич. радиоастрономии. Тез. докл. (Таллин, 12-14 октября 1987 г.). - Таллин, 1987.-С. 107-108.

21. Ровенская Н.И. Столкновителвное уширение радиорекомбинацион-ных линий в квазиклассической области, Харьков; 1987, -26с. (Препринт / АН УССР, Рад юастроном. мн-т; № 4).

22. Ровенская Н.И. Неупругое рассеяние электронов на сильновозбужденных атомах // Кинемат. физ»неб. тел. - 1987. - 3.-Вып. 6< - С. 68-76.

23. Ровенская Н.И. Интенсивность линий оптически тонкой рекомби-нирутощей плазмы // Докл. АН УССР, Сер.А. - 1991. - 5,

' С. "75-78.

24. Ровенская Н.И. Уширение рекомбинационных линий водородопо--добных ионов // XX Всесоюзн. конф. по галактич. и внегалактич. радиоастрономии. Тез.докл. (Ашхабад, 10-12 октября 1991 г.). Ашхабад, 1991. С. 129.

25. Минаева JI.A., Собельман И.И. Об уптрении спектральных линий высоковозбужденннх атомов водорода в плазме // I. Quantit. Spectroscopy and Radiative Traafer. - 1969,-8. P. 783-790.

26. Rovenskaya N.I. Low frequency recombination lines: theoretical description // XXII YSRAC. The Sci. reports / Kharkov, 4-8 September, 1989 /. Kharkov,1989, P, 20-21.

27. Rovenskaya ii,'l. Calculation of radiorecombination line inten— siti es of atoms and ion3 in conditions of interstellar medium/,-XXIV HERAO. The Sci. reports / Goteborg, 28;) ul- 3aug. 1991 /.

Goteborg,Sweden,1991,P.25. 28, Rovenatoya II.I. Populations of highly' excited atoms and iona in the optically thin plasma // Astrophys and Spaoe Sci, ~ 1992.- 188.- P.89- 107.