Генерация и распространение электромагнитных волн в космосе

1. Генерация и распространение электромагнитных волн в космосе

2. Общая классификация механизмов излучения • Излучение с непрерывным спектром (континуум) и излучение в спектральных линиях • Тепловое и нетепловое излучение • Когерентные и некогерентные механизмы излучения

3. Излучение с непрерывным спектром и спектральные линии • Излучение с непрерывным спектром занимает широкий интервал частот и его интенсивность имеет плавную зависимость от частоты. Оно генерируется заряженными частицами и пылинками. • Для излучения в спектральных линиях (монохроматического) Δν/ν << 1 (типичные значения Δν/ν ~ 10-5). Линии возникают при переходах между энергетическими уровнями атомов и молекул. Сравнительно узкополосное излучение может генерироваться и заряженными частицами (например, циклотронное излучение электронов).

4. Тепловое и нетепловое излучение • Излучение заряженных частиц называется тепловым, если частицы имеют равновесное (максвелловское в нерелятивистском случае) распределение по скоростям. В противном случае излучение будет нетепловым. Это деление не зависит от конкретного механизма излучения. Яркостная температура теплового излучения не может быть выше кинетической. • Излучение в спектральных линиях атомов и молекул обычно называется тепловым, если нет инверсии населенностей (хотя распределение населенностей по уровням может быть и неравновесным).

5. Когерентные и некогерентные механизмы излучения • Механизм излучения называется когерентным, если спектральная мощность излучения источника превышает суммарную мощность собственного (спонтанного) излучения отдельных частиц в источнике. • Некогерентный механизм может обеспечить высокие яркостные температуры только за счет высоких энергий излучающих частиц. • Когерентные механизмы разделяются на антенные и мазерные. В антенном механизме когерентность обеспечивается за счет предварительной фазировки (группировки) частиц. Мазерный механизм действует без предварительной фазировки. Фазировка достигается автоматически.

6. Сужение диаграммы направленности Для изотропного источника ширина диаграммы направленности в системе A определяется фактором (1–βcosθ)

7. «Сверхсветовые» скорости Довольно часто наблюдаются «сверхсветовые» скорости разлета джетов активных галактик и квазаров, а также и некоторых галактических источников (в картинной плоскости).

8. Плотность потока от движущегося источника Излучение, испущенное движущимся источником за время dtrad, будет проходить через поверхность S в течение интервала Таким образом, наблюдаемая плотность потока возрастает, если источник приближается (в момент излучения) и убывает, если он удаляется.

9. Собственное излучение астрофизической плазмы • Тормозное излучение • Черенковское излучение • Магнитотормозное излучение • Циклотронное излучение • Синхротронное излучение • Магнитодрейфовое (изгибное) излучение

10. Тормозное излучение • Излучение заряженных частиц при ускорении • «Тормозное» или «свободно-свободное» излучение плазмы

11. Тормозное излучение • Тормозным называют излучение, возникающее при пролете одной заряженной частицы мимо другой (столкновении), если налетающая частица после соударения остается свободной. Поэтому эти переходы называются свободно-свободными, в отличие от свободно-связанных (рекомбинационных) переходов. • Тормозной механизм излучения является основным для областей ионизованного водорода (H II).

13. Тормозной механизм излучения в астрофизике • Тормозной механизм является основным механизмом генерации радиоизлучения областей ионизованного водорода (H II). Им также объясняется радиоизлучение спокойного Солнца и др. Рентгеновское излучение горячего газа также часто обусловлено тормозным механизмом.

14. Черенковское излучение Черенковское излучение возникает при равномерном движении заряда в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость волн. Черенковское излучение возможно только в среде и только для волн с показателем преломления n > 1. В изотропной плазме это условие выполняется только для плазменных волн (которые в дальнейшем могут трансформироваться в электромагнитные).

15. Магнитотормозное излучение • В магнитном поле электрон движется по винтовой линии с осью вдоль поля. Частота вращения равна • Механизм излучения заряженной частицы в магнитном поле называют в общем случае магнитотормозным Излучение нерелятивистской частицы (E << mc2), обычно называют циклотронным, для релятивистских частиц – синхротронным (точнее, если питч-угол θ>> mc2/E, излучение частиц с меньшими питч-углами называется релятивистским дипольным.

16. Частотный спектр циклотронного излучения электрона в пустоте

17. Роль циклотронного излучения в астрофизике • Циклотронным механизмом объясняется, в частности, радиоизлучение локальных источников на Солнце. Возможно, что оно вносит существенный вклад в излучение магнитных звезд и вспыхивающих звезд. • Некоторые особенности оптических спектров магнитных белых карликов, спектров рентгеновских пульсаров и пр. также могут объясняться циклотронным механизмом.

18. Расположение гирорезонансных слоев в активной области на Солнце

19. Циклотронная линия в спектре рентгеновского пульсара Her X-1.

20. Синхротронное излучение • Синхротронное излучение возникает при винтовом движении релятивистских частиц с питч-углом θ>> mc2/E. • Синхротронное излучение широко распространено в астрофизике и играет важную, часто доминирующую роль в самых разных объектах (везде, где есть магнитные поля и релятивистские частицы).

21. Synchrotron Radiation • Polarization properties of light provides information on magnetic field geometry

22. Из потенциалов Лиенара-Вихерта следует, что мгновенная диаграмма направленности релятивистского электрона имеет ширину: Излучение имеет вид периодической последовательности коротких импульсов.

23. На луче зрения, перпендикулярном к векторуH: При выводе выражения для Δtучитывалось, что Под произвольным углом (θ>> mc2/E)

24. Спектр синхротронного излучения состоит из гармоник частоты ΩH/sin2α. Максимум приходится на частоту При θ>> mc2/Eспектр квазинепрерывный, т.к.

25. Поляризация синхротронного излучения В общем случае синхротронное излучение эллиптически поляризовано, большая ось эллипса поляризации перпендикулярна проекции магнитного поля. В направлении V поляризация линейная. На краях диаграммы направленности поляризация приближается к круговой, но интенсивность излучения резко падает.

26. Влияние среды на характер синхротронного излучения В среде с n < 1, но при 1 - n << 1 характер синхротронного излучения существенно изменяется. Ширина диаграммы направленности увеличивается, происходит резкое уменьшение мощности излучения (эффект Разина-Цытовича).

27. Потери энергии при синхротронном излучении

28. Синхротронное излучение ансамбля частиц I. Моноэнергетический спектр Спектр мощности – такой же, как для одиночного электрона. Излучение линейно поляризовано. Степень поляризации

29. II. Степенной энергетический спектр Используя выражение для спектральной плотности мощности и произведя замену переменных, получим для излучательной способности: Степень линейной поляризации определяется индексом спектра и не зависит от частоты:

30. Самопоглощение синхротронного излучения При степенном распределении по энергиям Для оптически толстого источника

31. Интерпретация синхротронных спектров • Низкочастотный «завал» в спектре может объясняться следующими причинами: • тормозное поглощение • эффект Разина-Цытовича • синхротронное самопоглощение • Высокочастотный «завал» может быть связан с эффектами эволюции степенного спектра излучающих частиц.

32. Магнитодрейфовое (изгибное) излучение Это излучение аналогично синхротронному. При движении вдоль искривленной силовой линии с радиусом кривизны RBэлектрон излучает, как если бы он вращался по орбите с радиусом RB. Роль гирочастоты играет величина Излучение кривизны имеет место в магнитосферах пульсаров, для которых характерны значения параметров νc ~ 1 ГГц, γL ~ 103.

33. Плазменный механизм генерации радиоизлучения • Под плазменным механизмом в теории генерации космического радиоизлучения понимается возбуждение плазменных волн с их последующей трансформацией в электромагнитное излучение. • Обращение к плазменным механизмам обычно имеет смысл в тех случаях, когда плазменная частота приходится на радиодиапазон, а плазменные волны возбуждаются легче, чем электромагнитные.

34. Рассеяние на свободных частицах. Обратный эффект Комптона • Обратным комптон-эффектом называется процесс рассеяния «мягких» фотонов на энергичных (релятивистских) электронах (E >> hω), в отличие от обычного эффекта Комптона, соответствующего столкновениям «жестких» фотонов с электронами малой энергии. • Обратный комптон-эффект играет важную роль в генерации космического радиоизлучения, конкурируя в определенных условиях с синхротронным механизмом.

35. Потери энергии за счет обратного комптон-эффекта: Этот механизм ограничивает, в частности, плотность энергии излучения в синхротронных источниках. Оценки показывают, что яркостная температура некогерентного синхротронного источника не может превышать ~ 1012 K.

36. Роль обратного комптоновского рассеяния в астрофизике • Возможно, что значительная и даже основная часть распределенного рентгеновского и гамма-излучения создается за счет рассеяния равновесного реликтового излучения на релятивистских электронах в нашей Галактике и в межгалактическом пространстве. • Обратное комптоновское рассеяние реликтовых фотонов на горячем газе в скоплениях галактик приводит к эффекту Сюняева-Зельдовича. • Комптоновское рассеяние плазменных волн может обеспечить их конверсию в электромагнитное излучение.

37. Комбинационное рассеяние волн • Эффекты комбинационного рассеяния («распады и слияния волн») заключаются в появлении связи между амплитудами волн за счет нелинейного взаимодействия между ними. • Наиболее существенным обычно оказывается процесс трехволнового взаимодействия. • В космической плазме особенно важен процесс слияния двух плазменных волн в электромагнитную.

38. Эффекты распространения волн в плазме • Эффект группового запаздывания сигналов • Перенос поляризации излучения (эффекты Фарадея и Коттона-Мутона)

39. Эффект группового запаздывания сигналов • При распространении в плазме импульсов с широким частотным спектром, вследствие дисперсии групповой скорости, моменты прихода наблюдаемых сигналов на разных частотах будут различны.

40. DM– «мера дисперсии»

41. Эффект Фарадея При квазипродольном распространении, когда волна движется почти вдоль магнитного поля, показатель преломления для обыкновенной и необыкновенной волн равен: Обе волны имеют поляризацию, близкую к круговой. На пути dlразность фаз между волнами равна

43. Эллипс поляризации повернется на угол: (ν – в Гц, N– в см-3, H– в Гс, l– в см)

44. «Мера вращения» (l– в пк, λ – в м)

45. Излучение в спектральных линиях • Общие вопросы • Переходы между компонентамитонкой и сверхтонкой структуры атомов • Рекомбинационные линии • Молекулярные линии • Космические мазеры

46. Основы • Энергия квантовой системы принимает дискретные значения, соответствующие определенным состояниям (энергетические уровни). Радиационный переход с верхнего уровня (Em) на нижний (En) сопровождается излучением фотона с энергией hν = Em - En. • Различают спонтанные и вынужденные радиационные переходы. Их вероятности даются коэффициентами Эйнштейна.

47. Коэффициенты вероятности Эйнштейна Иногда используется другое определение коэффициента B (через плотность энергии излучения) Вероятности радиационных переходов сверху вниз Средняя интенсивность излучения снизу вверх Amn– коэффициент Эйнштейна для спонтанного перехода, Bmn– коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода

48. Соотношения между коэффициентами Эйнштейна В состоянии термодинамического равновесия из условий баланса получим:

49. Коэффициент поглощения в линии

50. Населенность уровней • Распределение населенностей по уровням атомов и молекул в астрофизических условиях часто является неравновесным. • Населенности уровней определяются в основном полем излучения и столкновениями частиц (атомов и молекул). В некоторых случаях важны также процессы ионизации и рекомбинации.