Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose

1. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose SNRs emettono emissione radio non-termica: sincrotrone Regioni HII emettono: • Emissione radio continua termica • Linee di ricombinazione radio

2. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Una regione HII tipicamente e' otticamente sottile (optically thin) alla sua radiazione; diventa otticamente spessa (optically thick) alle lunghezze radio >> Emissione radio continua termica lo spettro e' in generale non-planckiano ed e' determinato dalle caratteristiche microscopiche del processo emittente Emissione per Breehmstralung ("radiazione di frenamento"), detta anche free-free

3. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Gli elettroni (con T ~ 104 K) incontrano protoni o altri ioni Vengono accellerati dalla attrazione Columbiana La transizione riguarda due stati liberi (free) dell'elettrone Emettono radiazione continua Il tempo dell'incontro << periodo di vibrazione delle onde radio Spettro radio piatto !!! e non polarizzato Emissione radio continua termica

4. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose • Sono causate dallo stesso processo che origina le righe dell'H, ma coinvolgono stati quantici piu' elevati (es. n=110 -> 109). • Le piu' forti sono quelle della serie α (n+1 -> n; piu' probabili) • Esistono RRLs anche di altri elementi (es. He, C) • RRLs forniscono: • Informazioni di velocita' • Studi di regioni HII (compatte e non) senza essere affetti dall'oscuramento da polvere interstellare (es. Mezger et al.) Linee di ricombinazione (RRLs)

5. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose La maggior parte dell'ISM e' formato da nubi "fredde" (T ~ 10 - 100 K) di H atomico (HI) e molecolare (H2) Nell'ottico tali nubi sono osservabili solo indirettamente (e solo nelle vicinanze) tramite l'oscuramento da grani di polvere o le righe di assorbimento da atomi pesanti mischiati all'H Nell'ottico l'H in tali nubi fredde non e' direttamente osservabile Emissione a λ = 21 cm da regioni HI

6. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Emissione a λ = 21 cm da regioni HI Ewen & Purcell, 1951, Nature 168, 356 Muller & Oort, 1951, Nature 168, 357 Hendrik “Henk” van de Hulst (1948)

7. S N e e N S Transizione spin flip N N p p S S Fotone con λ = 21 cm Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Emissione a λ = 21 cm da regioni HI

8. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Non e' possibile osservare la transizione "21-cm" in laboratorio, in quanto e' altamente proibita (ossia rara) Le dimensioni astronomiche delle nubi (centinaia di anni luce) la rendono piu' probabile e quindi osservabile La riga "21 cm" e' l'unico metodo diretto di osservare HI atomico nelle nubi Galattiche e non Informazione sulla velocita' per spostamento Doppler Emissione a λ = 21 cm da regioni HI

9. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose La riga "21-cm" si osserva: In emissione quantita' di H lungo la l.o.s. In assorbimento temperatura del gas assorbente (in direzione una sorgente intesa di continuo) Emissione a λ = 21 cm da regioni HI

10. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose • La riga "21-cm" in emissione: • - Riga stretta con frequenza leggermente diversa da quella a riposo • singole nubi fredde che si muovono nello spazio interstellare • - Parte larga (shoulders) mezzo fra le nubi • La riga "21-cm" in assorbimento: • - Solo riga stretta • il mezzo fra le nubi e' "troppo" caldo per produrre assorbimento • Temperatura del mezzo assorbente, la nube HI, ~ 70 K • Ritardo nell'arrivo degli impulsi radio delle pulsars: • l'H era ionizzato per alcuni % Emissione a λ = 21 cm da regioni HI

11. Soft X-rays Troppo deboli? o Mancano la distribuzione di alcuni livelli di ionizzazione aspettata) n ~ 10 cm-3 T ~ 102 K Nube n ~ 10-1 cm-3 T ~ 104 K Mezzo fra le nubi Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Emissione a λ = 21 cm da regioni HI Modello a due fasi dell'ISM

12. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Per n > 102 particelle cm-3 e T ~ 10 K: H + H H2 Ossia l'H atomico si trasforma in H molecolare Azione catalizzante fornita dai grani di polvere interstellare (sito dove viene assorbita l'energia e il momento rilasciati nella reazione) L' H2sopravvive solo in nubi dense dove e' schermato dagli UV Nubi molecolari (H2)

13. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose • Sfortunatamente l' H2: • ha livelli rotazionali con energie superiori (> 500 K) a quelle cinetiche presenti nelle nubi fredde • non ha un momento di dipolo permanente(e' formato da due nuclei identici con centro di massa coincidente con quello di distribuzione della carica) • AJ1J2α (νJ1J2)3 · |µJ1J2|2 ~ 2.95 · 10-11 s-1(per J1=2 e J2=0) • Si possono avere righe da H2: es.nell'IR (λ = qualche µm) se il gas e' riscaldato da shocks e, in assorbimento, nelle bande di Lyman e Werner (UV) vicino a stelle UV brillanti, ma: • Nella sua forma piu' comune l' H2 non e' praticamente osservabile • Necessita di traccianti (CO, etc...) Nubi molecolari (H2)

14. J=3 CH+ + O CO + H+ λ = 0.87 mm (ν = 345 GHz) OH + C+ CO + H+ J=2 n(CO) λ = 1.3 mm (ν = 230 GHz) ~ 10-7 J=1 n(H) λ = 2.6 mm (ν = 115 GHz) J=0 Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Il CO ha un momento di dipolo permanente µ = 0.112 Debye Le transizioni rotazionali piu' basse cadono nelle microonde (mm) Nubi molecolari (CO) Il CO e' eccitato dalle collisioni con l' H2 e quindi l'analisi spettrale del primo ci da informazioni sulla distribuzione spaziale del secondo

15. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose • La molecola dell'OH e' stata scoperta in assorbimento nel 1963 (Weinreb et al.) nelle sue 4 transizioni iperfini a 18 cm (1.6 GHz) • La molecola dell'OH e' stata scoperta in emissione nel 1965 (es. Weaver et al.) in regioni HII identificate nel radio da Westerhout • righe molto intense • righe molto strette • forte polarizzazione • variabili su tempi scala di giorni Nubi molecolari (OH) MASER Se le righe fossero di origine termica Tb ~ 1012 K (non compatibili con le linewidths: Tk ~ 100 K)

16. E2 Equilibrio termodinamico (LTE): n1> n2 (Boltzmann) Mezzo interstellare (non-LTE, normally) n1>> n2 E1 E2 E1 MASER (non-LTE, normally): n1< n2 Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose Laser Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation Maser Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

17. Manifestazioni nel radio delle nebulose gassose • I MASER da laboratorio sono stati inventati da Townes e Schawlow nel 1954 (prima dei LASER) • Il meccanismo che causa l'inversione di popolazione dei livelli (il rapporto fra il numero di molecole nello stato eccitato e quello nello stato base e' maggiore che in LTE) e' detto "pompaggio" (pump) • Il "pompaggio" e' costituito da immissione di una qualche energia nel sistema: • in laboratorio: pompaggio chimico o radiativo • nello spazio: pompaggio radiativo o collisionale Nubi molecolari (MASER)