4. Формирование спектральных линий .

1. 4. Формирование спектральных линий. Основы физики звездных атмосфер д.ф.-м.н. Л.И. Машонкина, октябрь-ноябрь 2011 Институт астрономии РАН

2. Наблюдаемые характеристики спектральной линии R R Профиль линии, относительный поток: R= F / Fc или относительная интенсивность: r ()= I()/ Ic()  r Na I 5889Å в спектре интенсивности Солнца

3. Эквивалентная ширина -W, ширина участка непрерывного спектра, в котором содержится энергия, равная поглощенной в спектральной линии. [W] = nm, Å, mÅ

4. Основные понятия Уширение линий • естественное затухание: время жизни уровня • доплеровское уширение: • уширение эффектами давления: n = 2, 3, 4, 6 в зависимости от типа взаимодействующих частиц

5. Основные понятия  - профиль поглощения Bij – Эйнштейновский коэффициент вероятности поглощения • Сечение поглощения • Полное сечение поглощения Для гармонического затухающего осциллятора Для приведения в соответствие с квантово-механическими расчетами вводится сила осциллятораfij •Коэффициент поглощения

6. • Коэффициент излучения, профиль излучения  Излучение при спонтанных переходах – изотропное, при вынужденных имеет угловое распределение I - отрицательное поглощение • Коэффициент поглощения в линии (окончательно) Поправка за отрицательное поглощение •Функция источников в линии

7. Профиль коэффициента поглощения лоренцевский профиль Естественноезатухание: Постояннаяестественногозатухания: Доплеровское уширение • При максвелловском распределении атомов по скоростям: - доплеровская ширина t - эмпирический параметр, микротурбулентная скорость, от 0.5 до 15 km/s

8. n = name interaction of 2 3 4 6 linear Stark effect resonance broadening quadratic Stark effect van der Waals broadening hydrogen-like ions + p, e neutral atoms with each other, H+H ions + e, p metals + H  Уширение эффектами давления Резонансное уширение, описываются в Квадратичный эффект Штарка, ударном приближении  Ван дер Ваальсово уширение профиль - лоренцевский Среднее время между столкновениями Определение констант взаимодействия Cn- ?

9. Линейный эффект Штарка H I + pквазистатическое приближение; H I + eударное приближение - в ядре и квазистатическое - в крыльях Vidal, Cooper & Smith (1973): таблицы штарковских профилей (VCS). Сравнение наблюдений (сплошная линия)‏ и теории VCS (штриховая линия)‏ solar H

10. Совместное действие всех уширяющих механизмов u = (- 0)/ D a = /(4D) Линии металлов: профиль поглощения – фойгтовский Линии водорода: свертка фойгтовскогопрофиля (естественное затухание, резонансное уширение, доплеровское уширение) соштарковским

11. V2 A V1 Профиль излучения Линия формируется в процессах • истинного поглощения/излучения: • рассеяния: (например, доминирует для резонансных линий)‏ Рассеяние – изотропно, но некогерентно(emergentincident): - конечная ширина уровней (естественное уширение + эф-ты давления), - движение атомов (V2 V1)‏ вероятность гибели фотона Возникает дифференциальный доплеровский сдвиг. V1, V2 – проекции скорости атома на направления распространения фотона

12. Функция перераспределения по углам и частотам R(‘,n‘,,n)– совместная вероятность поглощения фотона ‘ с направлением n‘ и переизлучения его в частоте  в направлении n Функция перераспределения, усредненная по углам R(‘,): Вклад рассеяния в коэффициент излучения: В большинстве случаев R(‘,) = R(,‘)

13. Частные случаи ▪ Когерентноерассеяние ▪ Полноеперераспределениепопрофилюлинии: если некогерентностьобусловленаэффектамидавления(субординатныелинии) неткорреляциимежду‘ и: с учетом симметричности - средняя интенсивность, усредненная по профилю

14. Полное перераспределение по профилю линии – основная гипотеза при моделировании формирования линий Функция источников в линии – постоянна по профилю!

15. В рамках ЛТР можно рассмотреть толькопредельные случаи  Истинное поглощение/излучение: S = B(T)‏ Для сильной линии F(0) ~ B(T0)‏ Линия имеет предельную глубину:  Чистое рассеяние: В пределе линия – абсолютно черная Слабая линия ? Сильная линия ?

16. Криваяроста – зависимость Wот числа поглощающих атомов В предположении ЛТР Рассчитывается строго с использованием модели атмосферы. Приближенно: модель Милна-Эддингтона. B(T) = B0 + B1 - серая атмосфера, для континуума, - постоянно по глубине, Выходящий поток:

17. •слабая линия, ni мало; поглощение в доплеровском ядре W ~niлинейный участок кривой роста • насыщеннаялиния,ni так велико, что поглощаются все фотоны в доплеровском ядре, но мало для заметного поглощения в крыльях участок насыщения.

18. •сильная линия,ni велико, поглощение не только в ядре,но и в крыльях. участок затухания кривой роста. Линии на разных участках кривой роста по-разному реагируют на изменение - содержания элемента, - микротурб. скорости, - давления. Физическая основа спектроскопических методов. Log W/ Участок насыщения Участок затухания Линейный участок Log abundance

19. Профиль строго симметричен Механизмы физического уширения (увеличения поглощения/излучения)спектральной линии доплеровское уширение,  естественное затухание,  эффекты давления,  изотопические компоненты;  компоненты сверхтонкой структуры;  зеемановские компоненты (B > 1 кГ). Изменение формы профиля при и после выхода излучения из атмосферы: ▪ уширение вращением, ▪ макротурбулентными движениями; ▪ инструментальное уширение. Общее поглощение в линии не изменяется Межзвездное поглощение: только для линий с основного уровня.

20. При расчетах с классической моделью атмосферы в рамках гипотезы ЛТР профиль одиночной линии строго симметричен. Линия может состоять из набора компонентов, если • элемент представлен в природе несколькими изотопами -изотопические компоненты; - компоненты сверхтонкой структуры; • существует магнитное поле - зеемановские компоненты.

21. Относительные содержания изотопов для вещества Солнечной системы: • H : D = 105 : 1 – 1/3 • 3He : 4He = 2 10-4 : 1 • 6Li : 7Li = 7.5 : 92.5 • 12C : 13C = 89 : 1 • 24Mg : 25Mg : 26Mg = 80 : 10 : 10 • 134Ba : 135Ba : 136Ba : 137Ba : 138Ba = 2.4 : 6.6 : 8 : 11 : 72 • 151Eu : 153Eu = 48 : 52 Изотопические смещения (IS)‏ He I 4921 IS= 0.33 Å; He I 6678 IS = 0.50 Å; 6707.920 (6Li) 6707.756 (7Li) IS = 0.164 Å 4571.096 (24Mg) 4571.087 (25Mg) 4571.078 (26Mg) maxIS = 0.018 Å Smith et al. (1998)‏ HD 84937

22. Эффект сверхтонкой структуры (HFS)‏ Ядра с нечетным числом нуклонов имеют спинI сверхтонкое расщепление уровней: 2I+1компонент приJ > Iили2J + 1компонент приJ < I 175Lu - основной изотоп лютеция HFS компоненты линииLu II5984 HD 217522, R = 80000, UVES Рябчикова 2005

23. 59Co – основной изотоп кобальта. Линия Co I 6082.43 Å имеет 22 HFS компонента. Сравнение солнечного профиля с теоретическими, рассчитанными с учетом и без учета HFS . Gehren 2004

24. 138 136 137 134 135 Определение содержания четных и нечетных изотопов бария из анализа линии Ba II 4554 Å Theoretical profiles of Ba II 4554 Å for the star with Teff = 5710K and [Ba/H] = -0.60 (from Ba II 5853 and 6496 Å) red- single line: W= 122 mÅ. green- composed of 15 components (fodd = 0.18,): W= 139 mÅ. Isotopic and HFS components of Ba II 4554. Relative intensities correspond to the Solar system Ba isotope mixture. log  = 0.15 dex Mashonkina 2000

25. Влияние магнитного поля на профили линий -компоненты -компоненты Уровень с полным моментом J в магнитном поле расщепляется на (2J + 1) зеемановских уровней с M = - J, …, +Jи E ~ B g; фактор Ланде (LS-связь): Зеемановские компоненты Излучениелинейно поляризовано π-компоненты:  магнитному полю; M =0; σ-компоненты:  магнитному полю; M = ±1 Смещение:

26. Могут наблюдаться - в сильных полях, - на длинных волнах. B = 1 kG,  = 7000 Å, g’ = 1  = 0.023 Å  1 km/s T = 10000 Kv0(Fe) = 2 km/s rotation axis B Fe II 4923 в зависимости от величины поля в модели магнитного диполя.