Глава 4 Межзвездная среда Наблюдательные проявления Физические условия

Глава 4. Межзвездная среда. Наблюдательные проявления. Физические условия. Ионизованный водород и зоны HII. Запрещенные линии. Космические лучи. 08. 02. 2018 Л 4

Основные компоненты • Газ – Горячая плазма (корональный газ) Т~106 K, n~0. 003 см-3 – Ионизованный водород (зоны НII), T~104 K, n~0. 1 -0. 3 см-3 – Атомарный водород (облака HI, 21 см), T~100 K, n~10 см-3 – Молекулярные облака, T~10 -30 K, n~300 см-3 – Мазерные конденсации T<100 K, n~1010 см-3 • Пыль • Магнитные поля (<B>~10 -6 Гс) • Космические лучи (E~1011 -1020 э. В) 08. 02. 2018 Л 4

Межзвездная пыль • Наблюдается в спиральных галактиках • Коррелирует с газом (концентрация к плоскости галактики) • Образуются при Т~500 -2000 К в оболочках красных гигантов, сверхновых и новых звезд • Разрушаются при прохождении ударных волн и за счет сублимации (испарении) при поглощении фотонов 0. 1 -1 мкм 08. 02. 2018 Л 4

Центр Галактики в видимом диапазоне скрыт слоем поглощающей материи (пыль) 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

Межзвездная среда проявляется по покраснению света звезд (пыль) и линиям поглощения в спектрах звезд (пыль, газ) 08. 02. 2018 Л 4

Межзвездное покраснение света связано с рассеянием и поглощением на пылинках 08. 02. 2018 Л 4

Рэлеевское рассеяние света на молекулах атмосферы ~1/λ 4 объясняет голубой свет неба и красные закаты 08. 02. 2018 Л 4

Эффекты прохождения излучения через запыленную среду 08. 02. 2018 Л 4

Кривые поглощения света МЗС В среднем в нашей Галактике Кривые поглощения разные для разных направлений и в разных галактиках! 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

Пылевые оболочки, подсвечиваемые молодыми звездами 08. 02. 2018 Л 4

Межзвездные молекулы • Видны по линиям поглощения в спектрах звезд • Открываются в радиодиапазоне • Концентрируются в областях звездообразования • Гигантские молекулярные облака – самые массивные гравитационно-связанные барионные объекты в галактиках (М~105 -106 Msun ) 08. 02. 2018 Л 4 http: //heritage. sai. msu. ru/ucheb/ Rudnickij/index. htm

Молекулы в межзвёздной среде Н 2, HD, Н 2+ СН, СН+, 13 СН+ ОН, 17 ОН, 18 ОН С 2, CN, NO СО, 13 СО, С 17 O, 13 С 17 O СS, 13 СS, С 33 S, С 34 S Si. O, 29 Si. O, 30 Si. O SO, 34 SO, NS, Si. S D, 15 NH H 2 O, HDO, H 218 O C 2 H HCN, DCN, H 13 C 15 N, HC 15 N HNC, DNC, HN 13 C, H 15 NC HCO, HCO+, DCO+, H 13 CO+, HC 18 O+, HOC+, HCS+ N 2 H+, N 2 D+, H 2 S, HNO, OCS, SO 2, O 3, Na. OH NH 3, NH 2 3, C 2 H 2 H 2 CO, HDCO, H 213 CO, H 2 C 18 O HNCO, H 2 CS, C 3 N, HNCS CH 4, CH 2 NH, CH 2 CO, NH 2 CN, HCOOH, C 4 H HC 3 N, Н 13 СС 2 N, HC 13 CCN, HCC 13 CN, DC 3 N СН 3 ОН, 13 СН 3 ОН, CH 3 OD CH 3 CN NH 2 CHO, NH 213 CHO, CH 3 SN НСООСН 3 08. 02. 2018 СН 3 СН 2 ОН (СН 3)2 O СН 3 СН 2 CN HC 7 N CH 3 NH 2, CH 3 NHD, СН 3 С 2 Н, СН 3 СНО, CH 2 CHCN, HC 5 N, DC 5 N HC 9 N Л 4 HC 11 N

Космические мазеры • Наблюдаются в радио и ммдиапазоне на молекулах OH (18 см), воды (1. 35 см), Si. O (2 -7 мм), метанола СH 3 OH (1. 2 см) • Связаны с плотными холодными конденсациями в областях звездообразования, в планетарных туманностях и др. 08. 02. 2018 Л 4

L. Harvey-Smith presentation, U. Sydney 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

Сложная структура местной МЗС 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

Cen A 08. 02. 2018 Л 4

Млечный Путь в разных диапазонах 08. 02. 2018 Л 4

Центр Галактики в рентгеновских лучах (диффузное излучение и точечные источники) Черная дыра в центре Галактики (иллюстрация) М~4 x 106 M 08. 02. 2018 Л 4

Спиралевидные облака над центром Галактики отражают вращение газа в магнитном поле (ИК изображение Космический телескоп Спитцер) 08. 02. 2018 Л 4

Центр Галактики Радио ИК Рентген 08. 02. 2018 Л 4

INTERMEZZO: Космическая плазма • Горячий (корональный) газ, межгалактический газ, зоны HII, нормальные (невырожденные) звезды …. 08. 02. 2018 Л 4

Дебаевское экранирование 08. 02. 2018 Л 4

Плазменная (ленгмюровская) частота Плазменный параметр 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

1 e. V=11604 K 08. 02. 2018 Л 4

Магнитные поля • Синхротронное излучение релятивистских электронов • Поляризация света при рассеянии на упорядоченных пылинках • Фарадеевское вращение плоскости поляризации в магнитном поле 08. 02. 2018 Л 4

Синхротронное излучение ускорение 08. 02. 2018 Л 4

• СИ линейно поляризовано • Плоскость поляризации перпендикулярна проекции вектора магнитной индукции В на картинную плоскость 08. 02. 2018 Л 4

Магнитные поля галактик наблюдаются по синхротронному радио излучению 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

Фарадеевское вращение Угол поворота плоскости поляризации при распространении ЭМ плоско-поляризованной волны в плазме с магнитным полем В Мера вращения RM ~ ne. B║L 08. 02. 2018 Л 4

Основные особенности • Длина свободного пробега фотонов велика (малые оптические толщины) • Отсутствие ЛТР из-за крайне низкой плотности (только Максвелловское распределение по скоростям частиц) • Возможность наблюдать запрещенные линии • Вмороженность магнитного поля 08. 02. 2018 Л 4

Вмороженность магнитного поля Сохранение потока Закон Ома Проводимость плазмы Джоулева диссипация Время диффузии поля 08. 02. 2018 Л 4 Вмороженность поля в космических условиях из-за больших размеров областей!

Запрещенные линии • При переходах с метастабильных уровней (запрет э. дип. , м. дип. и т. д. переходов правилами отбора) • Характерное время жизни от 10 -5 с до 105 с и более (в зависимости от силы запрета) • При высоких концентрациях частиц возбуждение снимается столкновениями (эл. удары 2 рода) • Видны в разреженных средах при отсутствии ЛТР • В МЗС: [OIII] (4959, 5007 A), [OII] 3727 A. [SII], [NII]. . . • В солнечной короне: [Fe. XIV] 5302. 86 A. . . 08. 02. 2018 Л 4

Схема нижних уровней иона OIII 08. 02. 2018 Л 4

Особенно много в УФ и Х-диапазоне (пример – УФ и рентгеновский спектр солнечной короны) 08. 02. 2018 Л 4

• Запрещенные линии в далеком ИК [CII], [OI] 63 мкм являются индикаторами звездообразования в запыленных областях 08. 02. 2018 Л 4

Атомарный водород (HI). Радиолиния 21 см • Ван ден Хюлст (1944), Шкловский (1949). Открыта в 1951. А 10=2. 9 х10 -15 с (t~11 млн лет!) 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

• По измерениям HI 21 см строят кривые вращения нашей и других галактик 08. 02. 2018 Л 4

Радиоизлучение 21 см (зеленый цвет на картинке) – отличный индикатор спиральной структуры галактик 08. 02. 2018 Л 4

Нагрев и охлаждение МЗС • Прозрачна для фотонов фотоны переносят энергию нет ЛТР! • Охлаждение Λ (n, T) эрг/(см 3 с) • Объемный нагрев Г(n, T) эрг/(см 3 с) • Сохранение энергии d. Q/dt=d. E/dt+Pd. V/dt=Г-Λ • В равновесии d/dt=0 Г(n, T)=Λ(n, T) T(n) 08. 02. 2018 Л 4

Нагрев • УФ излучение звезд (фотоионизация) (важна роль тяжелых элементов с низким потенциалом ионизации !) • Ударные волны • Жесткое излучение и космические лучи • Нагрев жестким ЭМ излучением (через прямой Комптон-эффект) • Г(n, T)=n. G(T) Нагрев пропорционален плотности! 08. 02. 2018 Л 4

Охлаждение • Излучение в бинарных процессах Λ(n, T)=n 2λ(T), λ(T) – функция охлаждения • Свободно-свободное (тормозное) излучение λ(T) ~ 1. 4 x 10 -27 T 1/2 • Рекомбинация (радиативная + диэлектронная (преобладает при Т>105 K)) • Двухфотонное излучение 2 S 1/2 1 S 1/2 (Нподобные атомы) • Излучение в линиях (осн. механизм при Т<105 K) • Ионизация эл. ударом 08. 02. 2018 Л 4

Эффект Комптона 08. 02. 2018 Л 4

Обратный Комптон-эффект (эффект отдачи) • Обратный Комптон -эффект (важен при наличии быстрых электронов) • Доминирует вблизи в горячей плазме вблизи источников мощного Хизлучения 08. 02. 2018 Л 4

Функция охлаждения тепловой плазмы (cтолкновительное возбуждение и ионизация) ~T 1/2 08. 02. 2018 Л 4

Роль ионов тяжелых элементов 08. 02. 2018 Л 4

Время охлаждения тепловой плазмы При T>106 K 08. 02. 2018 Л 4

Зоны HII • Самый распространенный вид эмиссионных туманностей вокруг горячих звезд • Ионизация водорода УФквантами λ<912 A и электронными ударами. • Н полностью ионизован при Т~10000 K, полностью нейтрален при Т<3000 K • Радиус зоны HII из условия баланса фотоиоизации и рекомбинации на уровни >1 • Кванты с λ <504 A могут ионизовать He 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Гигантская зона Л 4 «Тарантул» в БМО HII

08. 02. 2018 Л 4

HII в других галактиках 08. 02. 2018 Л 4

Космические лучи • 3 108 -3 1020 э. В, от Солнца (<1010 э. В) или межзвездные e, p, ядра до Z~30 • Открыты в 1912 (В. Гесс) • Наблюдаются по широким атмосферным ливням (ШАЛ) • Поток ~ 1 частица/см 2/с, но плотность энергии Ucr~1 э. В/см 3 ~ Uem~Ugas~Umag (равнораспределение!) • Спектр I(E) ~E-1. 7 [ч/см 2/с/э. В/стер] 08. 02. 2018 Л 4

1 Прямое детектирование 2 по черенковскому излучению вторичных частиц 3 по регистрации частиц в широких атмосферных ливнях 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

солнечные внегалактические 08. 02. 2018 Л 4

• Источники: – Солнечные вспышки (до ~1010 э. В) 08. 02. 2018 Л 4

Ударные волны от вспышек сверхновых (до ~1016 э. В) 08. 02. 2018 Л 4

Релятивистские джеты от черных дыр (активные ядра галактик, гамма-всплески) -- до ~1019 э. В 08. 02. 2018 Л 4

Ускорение КЛ – ударными волнами (статистический механизм Ферми) Подтверждается наблюдениями Остатков сверхновых в Тэ. В диапазоне 08. 02. 2018 Л 4

Взаимодействие КЛ с веществом • Сильное взаимодействие: с отдельными нуклонами ядер ( вторичные нуклоны, пионы), пока E>1 Гэ. В/ч. (порог рождения пионов) • Распады основной вклад в гамма-излучение Галактики >100 Мэ. В • Отслеживает распределение молекулярного газа 08. 02. 2018 Л 4

Взаимодействие КЛ с излучением • Обратное Компт. рассеяние на фотонах реликтового фона (Т~3 K) c UCMB~0. 45 э. В/см 3 • Фоторождение пионов γ+p π+p протонами с Γ=(E/mpc 2)>3 1011 (т. е. Ep>5 1019 э. В) • Завал Грейзена-Зацепина-Кузьмина 08. 02. 2018 Л 4

08. 02. 2018 Л 4

Проблема UHECR – если есть за GZK, то откуда? 08. 02. 2018 Л 4

Критерий Хилласа (1984) R>2 r. L 08. 02. 2018 Л 4

Ограничение на мощность <<ускорителя>> Z 0 Aктивные ядра галактик как возможные ускорители протонов – или новая физика? 08. 02. 2018 Л 4

Карта UHECR и близких AGN (De Domenico et al. , JCAP 2012) 08. 02. 2018 Л 4