Сфера Стрёмгрена

В теоретической астрофизике может существовать сфера ионизированного водорода вокруг молодой звезды спектральных классов O или B (H II) . Теория была разработана Бенгтом Стрёмгреном в 1937 году и позже названа сферой Стрёмгрена в его честь. является Туманность Розетка этого типа наиболее ярким примером эмиссионной туманности из областей H II .

Физика

Очень горячие звезды спектрального класса O или B излучают очень энергичное излучение, особенно ультрафиолетовое излучение , которое способно ионизировать нейтральный водород (HI) окружающей межзвездной среды , так что атомы водорода теряют свои одиночные электроны. Это состояние водорода называется H II. Через некоторое время свободные электроны рекомбинируют с ионами водорода. Энергия переизлучается не в виде одного фотона , а в виде серии фотонов меньшей энергии. Фотоны теряют энергию по мере удаления от поверхности звезды и недостаточно энергичны, чтобы снова способствовать ионизации. В противном случае вся межзвездная среда была бы ионизирована. Сфера Стрёмгрена — это теоретическая конструкция, описывающая ионизированные области.

Модель

В своей первой и простейшей форме, выведенной датским астрофизиком Бенгтом Стрёмгреном в 1939 году, модель исследует влияние электромагнитного излучения одиночной звезды (или плотного скопления подобных звезд) с заданной температурой поверхности и светимостью на окружающую межзвездную звезду. среда заданной плотности. Для упрощения расчетов межзвездная среда принята однородной и полностью состоящей из водорода.

Формула, выведенная Стрёмгреном, описывает связь между светимостью и температурой возбуждающей звезды, с одной стороны, и плотностью окружающего газообразного водорода — с другой. Используя его, размер идеализированной ионизированной области можно рассчитать как радиус Стрёмгрена . Модель Стрёмгрена также показывает, что на краю сферы Стрёмгрена существует очень резкое ограничение степени ионизации. Это вызвано тем, что область перехода между сильно ионизованным газом и нейтральным водородом очень узка по сравнению с общим размером сферы Стрёмгрена. ^{[ 1 ]}

Вышеупомянутые отношения заключаются в следующем:

Чем горячее и ярче возбуждающая звезда, тем больше сфера Стрёмгрена.
Чем плотнее окружающий водород, тем меньше сфера Стрёмгрена.

В модели Стрёмгрена сфера, которая теперь называется сферой Стрёмгрена, состоит почти исключительно из свободных протонов и электронов. Очень небольшое количество атомов водорода появляется при плотности, которая увеличивается почти экспоненциально по направлению к поверхности. За пределами сферы излучение частот атомов сильно охлаждает газ, так что он выглядит как тонкая область, в которой излучение, испускаемое звездой, сильно поглощается атомами, теряющими свою энергию за счет излучения во всех направлениях. Таким образом, система Стрёмгрена выглядит как яркая звезда, окруженная менее излучающим и трудным для наблюдения земным шаром.

Стрёмгрен не знал теории оптической когерентности Эйнштейна. Плотность возбужденного водорода мала, но пути могут быть длинными, так что гипотеза о сверхизлучении и других эффектах, наблюдаемых с помощью лазеров, должна быть проверена. Предполагаемая сверхизлучающая оболочка Стрёмгрена излучает пространственно-когерентные и некогерентные во времени лучи в направлении, для которого путь в возбужденном водороде максимален, то есть по касательной к сфере.

В объяснениях Стрёмгрена оболочка поглощает только резонансные линии водорода, поэтому доступная энергия невелика. Если предположить, что звезда является сверхновой, то яркость излучаемого ею света соответствует (по закону Планка) температуре в несколько сотен Кельвинов, так что несколько частот могут объединиться, чтобы создать резонансные частоты атомов водорода. Таким образом, почти весь свет, излучаемый звездой, поглощается, а почти вся энергия, излучаемая звездой, усиливает касательные сверхизлучающие лучи.

Туманность Ожерелье представляет собой сферу Стрёмгрена. На нем изображен пунктирный кружок, дающий его название.

В остатке сверхновой 1987А оболочка Стрёмгрена задушена в песочных часах, чьи конечности подобны трем жемчужным ожерельям.

И исходная модель Стрёмгрена, и модель, модифицированная Маккалоу, не учитывают эффекты пыли, комковатости, детального переноса излучения или динамические эффекты. ^{[ 2 ]}

История

В 1938 американские астрономы Отто Струве и Крис Т. Элви опубликовали свои наблюдения эмиссионных туманностей в созвездиях Лебедя и Цефея, большая часть которых не сосредоточена в сторону отдельных ярких звезд (в отличие от планетарных туманностей). Они предположили, что необходимым источником энергии является УФ-излучение О- и B-звезд. ^{[ 3 ]}

В 1939 году Бенгт Стрёмгрен занялся проблемой ионизации и возбуждения межзвездного водорода. ^{[ 1 ]} Это статья, отождествляемая с концепцией сферы Стрёмгрена. Однако он опирается на его более ранние аналогичные работы, опубликованные в 1937 году. ^{[ 4 ]}

В 2000 году Питер Р. Маккалоу опубликовал модифицированную модель, допускающую наличие вакуумированной сферической полости либо с центром на звезде, либо со смещением звезды относительно вакуумированной полости. Такие полости могут быть созданы звездными ветрами и сверхновыми . Полученные изображения больше напоминают многие реальные области H II, чем исходную модель. ^{[ 2 ]}

Математическая основа

Предположим, что область имеет точно сферическую форму, полностью ( x=1) и состоит только из водорода , так что численная плотность протонов электронов равна плотности ионизована ( $n_{e}=n_{p}$ ). Тогда радиус Стрёмгрена будет областью, где скорость рекомбинации равна скорости ионизации. Рассмотрим скорость рекомбинации $N_{R}$ всех энергетических уровней, что

N_{R}=\sum _{n=2}^{\infty }N_{n},

$N_{n}$ – скорость рекомбинации n-го энергетического уровня. Причина, по которой мы исключили n=1, заключается в том, что если электрон рекомбинирует непосредственно на основной уровень, атом водорода выпустит еще один фотон, способный ионизироваться вверх с основного уровня. Это важно, поскольку электрический дипольный механизм всегда вызывает ионизацию с основного уровня, поэтому мы исключаем n = 1, чтобы добавить эффекты ионизирующего поля. Теперь скорость рекомбинации определенного энергетического уровня $N_{n}$ есть (с $n_{e}=n_{p}$ ):

N_{n}=n_{e}n_{p}\beta _{n}(T_{e})=n_{e}^{2}\beta _{n}(T_{e}),

где $\beta _{n}(T_{e})$ – коэффициент рекомбинации n- го уровня энергии в унитарном объеме при температуре $T_{e}$ , что представляет собой температуру электронов в кельвинах и обычно совпадает с температурой сферы. Итак, просуммировав, мы приходим к

N_{R}=n_{e}^{2}\beta _{2}(T_{e}),

где $\beta _{2}(T_{e})$ представляет собой полную скорость рекомбинации и имеет приблизительное значение

\beta _{2}(T_{e})\approx 2\times 10^{-16}T_{e}^{-3/4}\ \mathrm {[m^{3}s^{-1}]} .

С использованием $n$ как число нуклонов (в данном случае протонов), можно ввести степень ионизации $0\leq x\leq 1$ так $n_{e}=xn$ , а численная плотность нейтрального водорода равна $n_{h}=(1-x)n$ . С поперечным сечением $\alpha _{0}$ (который имеет единицы площади) и количество ионизирующих фотонов на площадь в секунду. $J$ , скорость ионизации $N_{I}$ является

N_{I}=\alpha _{0}n_{h}J.

Для простоты мы будем рассматривать только геометрические эффекты на $J$ по мере удаления от источника ионизации (источника потока $S_{*}$ ), поэтому мы имеем закон обратных квадратов :

\alpha _{0}n_{h}J(r)={\frac {3S_{*}}{4\pi r^{3}}}.

Теперь мы можем вычислить радиус Стромгрена. $R_{S}$ из баланса между рекомбинацией и ионизацией

{\frac {4\pi }{3}}(nx)^{2}\beta _{2}R_{S}^{3}=S_{*}

и, наконец, помня, что область считается полностью ионизованной ( x = 1):

R_{S}=\left({\frac {3}{4\pi }}{\frac {S_{*}}{n^{2}\beta _{2}}}\right)^{\frac {1}{3}}.

Это радиус области, ионизированной звездой типа OB .

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Стрёмгрен, Бенгт (1939). «Физическое состояние межзвездного водорода». Астрофизический журнал . 89 : 526–547. Бибкод : 1939ApJ....89..526S . дои : 10.1086/144074 .
^ Jump up to: ^а ^б Маккалоу Питер Р. (2000). «Модифицированная сфера Стрёмгрена» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 112 (778): 1542–1548. Бибкод : 2000PASP..112.1542M . дои : 10.1086/317718 .
^ Струве Отто; Элви Крис Т. (1938). «Эмиссионные туманности в Лебеде и Цефее» . Астрофизический журнал . 88 : 364–368. Бибкод : 1938ApJ....88..364S . дои : 10.1086/143992 .
^ Койпер Джерард П.; Струве Отто; Стрёмгрен Бенгт (1937). «Интерпретация ε Aurigae» . Астрофизический журнал . 86 : 570–612. Бибкод : 1937ApJ....86..570K . дои : 10.1086/143888 .

[Stromgren1939-1] Jump up to: ^а ^б Стрёмгрен, Бенгт (1939). «Физическое состояние межзвездного водорода». Астрофизический журнал . 89 : 526–547. Бибкод : 1939ApJ....89..526S . дои : 10.1086/144074 .

[McCullough2000-2] Jump up to: ^а ^б Маккалоу Питер Р. (2000). «Модифицированная сфера Стрёмгрена» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 112 (778): 1542–1548. Бибкод : 2000PASP..112.1542M . дои : 10.1086/317718 .

[Struve1938-3] Струве Отто; Элви Крис Т. (1938). «Эмиссионные туманности в Лебеде и Цефее» . Астрофизический журнал . 88 : 364–368. Бибкод : 1938ApJ....88..364S . дои : 10.1086/143992 .

[Kuiper1937-4] Койпер Джерард П.; Струве Отто; Стрёмгрен Бенгт (1937). «Интерпретация ε Aurigae» . Астрофизический журнал . 86 : 570–612. Бибкод : 1937ApJ....86..570K . дои : 10.1086/143888 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]