Межзвездная среда

Карта местного межзвездного облака

Межзвёздная среда (МЗС) — это вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик.^[1] Состав: межзвёздный газ, пыль(1 % от массы газа), межзвёздные магнитные поля,космические лучи, а также невидимая тёмная материя. Химический состав межзвездной среды — продукт первичного нуклеосинтеза и ядерного синтеза в звездах. На протяжении своей жизни звёзды испускают звёздный ветер, который возвращает в среду элементы из атмосферы звезды. А в конце жизни звезды с неё сбрасывается оболочка, обогащая межзвездную среду продуктами ядерного синтеза. Пространственное распределение межзвездной среды нетривиально. Помимо обще-галактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. Основная особенность МЗС — её крайне низкая плотность — 0,1..1000 атомов в кубическом сантиметре.

История открытия

Межзвёздная среда была открыта в 1904 году Гартманом после обнаружения неподвижного спектра поглощения в спектре излучения двойных звезд, наблюдавшихся с целью проверки эффекта Доплера.

Наблюдательные проявления

Перечислим основные наблюдательные проявления:

1. Наличие светящихся туманностей ионизированного водорода вокруг горячих звезд и отражательных газо-пылевых туманностей в окрестностях более холодных звезд.
2. Ослабление света звёзд (межзвездное поглощение) из-за пыли, входящей в состав межзвездной среды. А также связанным с этим покраснения света; наличие непрозрачных туманностей.
3. Поляризация света на пылинках, ориентированных вдоль магнитного поля Галактики.
4. Инфракрасное излучение межзвездной пыли
5. Радиоизлучение нейтрального водорода в радиодиапазоне на длине волны в 21 см
6. Мягкое рентгеновское излучение горячего разреженного газа.
7. Синхротронное излучение релятивистских электронов в межзвёздных магнитных полях.
8. Излучение космических мазеров.

Структура МЗС крайне нетривиальна и неоднородна: гигантские молекулярные облака, отражательная туманность, протопланетная туманность,планетарная туманность, глобула и т.д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов происходящих в среде. Далее в таблице приведены свойства основных компонентов среды.

Фаза	Температура (К)	Концентрация cm − 3	Масса облаков ($M_{\bigodot}$)	Размер (пк)	Доля занимаемого объема	Способ наблюдения
Корональный газ	≈5·105	~0.003	-	-	~0.5	Рентген, линии поглощения металлов в УФ
Яркие области HII	≈104	~30	~300	~10	~10 − 4	Яркая линия Hα
Зоны HII низкой плотности	≈104	~0.3	-	-	~0.1	Линия Hα
Межоблачная среда	≈104	~0.1	-	-	~0.4
Теплые области HI	~103	~1	-	-	~0.01	Излучения HI на λ=21 см
Мазерные кондесации	< 100	~1010	~105	~10 - 5		Мазерное излучение
Облака HI	≈80	~10	~100	~10	~0.01	Поглощения HI на λ=21 см
Гигантские молекулярные облака	~20	~300	~3 105	~40	~3 10 − 4
Молекулярные облака	≈10	~103	~300	~1	~10 - 5	Линии поглощения и излучения молекулярного водорода в радио и инфракрасном спектре.
Глобулы	≈10	~104	~20	~0.3	~3 10 − 9	Поглощение в оптическом спектре.

Мазерный эффект

Туманность в Крабе, зеленый цвет - мазерное излучение

В 1965 г. в ряде спектров радиоизлучения были обнаружены очень интенсивные и узкие линии c λ=18 см. Дальнейшие исследования показали, что линии принадлежат молекуле OH, а их необычные свойство - результат мазерного излучения. В 1969 открывает мазерные источники от молекулы воды на λ=1,35 см, позже были обнаружены мазеры работающие и на других молекулах. Для мазерного излучения необходима инверсная населенность уровней (количество атомов на верхнем резонансном уровне больше чем на нижнем). Тогда проходя сквозь вещество свет с резонансной частотой волны усиливается, а не ослабевает (это и называется мазерным эффектом). Для поддержания инверсной населенности необходима постоянная накачка энергией, поэтому все космические мазеры на два типа:

1. Мазеры, ассоциирующиеся с молодыми (возраст 10⁵ лет) горячими ОВ-звёздами (а возможно, и с протозвёздами) и находящимися в областях звездообразования.
2. Мазеры, связанные с сильно проэволюционировавшими холодными звёздами большой светимости.

Физические особенности

Отсутствие локального термодинамического равновесия(ЛТР)

В межзвездной среде концентрация атомов мала и оптические толщи малы, это значит, что температура излучения это температура излучения звезд (~5000 К) и никак не соответствует температуре самой среды. При этом электронная и ионная температуры плазмы могут сильно отличаться друг от друга, поскольку обмен энергии при соударении происходит крайне редко. Таким образом не существует единой температуры даже в локальном смысле.
Распределение числа атомов и ионов по населенностям уровней определяется балансом процессов рекомбинации и ионизации. ЛТР требует, чтобы эти процессы были в равновесии, чтобы выполнялось условие детального баланса, однако, в межзвёздной среде прямые и обратные элементарные процессы имеют разную природу, и поэтому детальный баланс установиться не может.
И наконец, малая оптическая толщина для жесткого излучения и быстрых заряженных частиц приводит к тому, что энергия, выделяющаяся в какой-либо области пространства, уносится на большие расстояния. И охлаждение идет по всему объему сразу, а не в локальном пространстве, расширяющемся со скоростью звука в среде. Аналогично и идет нагрев. Теплопроводность не способна передать тепло от удаленного источника и в дело вступают процессы, нагревающие большие объемы сразу
Однако, несмотря на отсутствие ЛТР, даже в очень разреженной космической плазме устанавливается максвелловское распределение электронов по скоростям, соответствующее температуре среды, поэтому для распределения частиц по энергиям можно пользоваться формулой Больцмана и говорить о темпеаратуре. Происходит так из-за дальнодействия кулоновских сил за довольно короткое время (для чисто водородной плазмы это время порядка 10⁵ с), гораздо меньше времени соударения между частицами.
Для описания состояния газа введем объемный коэффициент нагревания Λ(n,T) и коэффициент объемного нагрева Γ(n,T). Тогда закон сохранения энергии элемента объема dV с внутренней энергией E и давлением P запишется:

$\frac{dQ}{dt}=\frac{dE}{dt}+P\frac{dV}{dt}=\Gamma-\Lambda$

При тепловом равновесии dQ/dt=0, а значит равновесную температуру среды можно найти из соотношения Γ=Λ.

Механизмы нагрева

Говоря среда нагревается, мы говорим, что средняя кинетическая энергия растет. При объемном нагреве увеличивается кинетическая энергия каждой частицы. И каждая частица в единицу времени может увеличить свою энергию на конечную величину, а при отсутствии термодинамического равновесия, это означает, что скорость нагрева среды прямо пропорционально количеству частиц в единице объема, т.е. концентрации Γ(n,T)=nG(T). Функция G(T)[эрг/c]называется эффективностью нагрева и рассчитывается через элементарные процессы взаимодействия и излучения.
Ультрафиолетовое излучение звезд (фотоионизация)
Классический фотоэффект: энергия кванта уходит на ионизацию атома с произвольного уровня i и кинетическую энергию электрона. Потом электроны соударяются с различными частицами и кинетическая энергия переходит в энергию хаотического движения, газ нагревается.
Однако не все так просто. Межзвездный газ состоит из водорода, ионизовать который можно только жестким УФ. И основными «перехватчиками» УФ-квантов оказываются атомы примесей: железа, кремния, сера, кали и др. Они играют важную роль в установлении теплового баланса холодного газа.

Ударные волны

NGC 2736, газ, внутри остатка сверхновой в созвездии «Паруса»

Ударные волны возникают при процессах, идущих со сверхзвуковыми скоростями (для МЗС это 1-10 км/с). Так происходит при вспышке сверхновой, сбросе оболочки, столкновения газовых облаков между собой, гравитационный коллапс газового облака и т. д. За фронтом ударной волны кинетическая энергия направленного движения быстро переходит в энергию хаотического движения частиц. Порой температура может достигать огромных значений (до миллиарда градусов внутри остатков сверхновой), причем основная энергия приходится на движение тяжелых ионов (ионная температура). Поначалу температура легко электронного газа значительно ниже, но постепенно благодаря кулоновским взаимодействиям ионная и электронная температура выравнивается. Если в плазме есть магнитное поле, то роль первой скрипки в выравнивании ионной и электронной температуры берет на себя турбулентность.

Проникающая радиация и космические лучи
Космические лучи и рентгеновское диффузное излучение -основные источники ионизации межзвездной среды, а не УФ, как это можно было ожидать. Частицы космических лучей, взаимодействуя со средой, образуют электроны с очень большой энергией. Эта энергия теряется электроном, в упругих столкновениях, а также неупругих, приводящих к ионизации или возбуждению атомов и ионов. Надтепловые электроны, с энергией меньше 10 эВ теряют энергию в упругих столкновениях, нагревая газ. Такой механизм крайне эффективен при температурах < 10⁶. При 10⁷ характерная тепловая скорость электронов сравнивается тепловой скоростью низкоэнергетических частиц космических лучей и скорость нагрева резко уменьшается.
Ионизация и нагрев с помощью мягкого диффузного рентгена от горячего газа ничем принципиально не отличается от нагрева космическими лучами. Всё различие в скорости нагрева (она у космических лучей на порядок выше) и в намного большем сечении фотоионизации с внутренних оболочек у рентгеновского излучения.

Жесткое электромагнитное излучение (рентгеновские и гамма-кванты)

Осуществляется в основном вторичными электронами при фотоионизации и при комптоновском рассеянии. При этом передаваемая энергия покоящемуся электрону равна

$\Delta E=h\nu \frac{h\nu}{m_e c^2}(1-cos\theta)$

для $h\nu\ll m_e c^2$ сечение рассеяние равно томсоновскому: $\sigma_{T}\simeq 6.65*10^{-25}$ см².

Механизмы охлаждения

Как уже говорилось, межзвездная среда оптически тонка и имеет невеликую плотность, а раз так то, то основной механизм охлаждения это излучение фотонов. Испускание же квантов зависит с бинарными процессами взаимодействия (частица-частица). поэтому суммарную скорость объемного охлаждения можно представить в виде Λ(n,T) = n²λ(T). Где функция охлаждения(λ) зависит только от температуры и химического состава.
Свободно-свободное (тормозное) излучение
Свободно-свободное (тормозное) излучение в космической плазме вызвано кулоновскими силами притяжения или отталкивания. Электрон ускоряется в поле иона и начинают излучать электромагнитные волны. Электрон начинает переходить с одной орбиты на другую, но оставаясь свободным. При этом излучается весь спектр от рентгена до радио. Выделяющаяся при этом энергия из единицы объема внутри телесного угла в ед. времени равна:

$j_{\nu}(T)=\frac{16}{3}(\frac{\pi}{6})^{1/2} \frac{n_{\nu}Z^{2}e^6}{m^{2}_e c^3}(\frac{m_e}{kT})^{1/2} g\exp{\frac{-h\nu}{kt}}n_e n_i$ [эрг/см³]

Где n_ν показатель преломления. g - множитель Гаунта, n_e и n_i - концетрация электронов и ионов соответственно. Для чисто водородной плазмы с равной концентрацией протонов и электронов коэффициент объемного охлаждения равен:

$\Lambda_{ff}(H) =\int\limits_{0}^{\infty}{j_{\nu}d\nu}\simeq 1.43\cdot 10^{-27} n_{e}^{2}\sqrt{T}$[эрг/(см³ с)]

Однако космическая плазма не чисто водородная, в ней есть тяжелые элементы, благодаря большому заряду которых, увеличивается эффективность охлаждения. Для полностью ионизированной среды с нормальным космическим содержанием элементов $\Lambda_{ff}\approx 1.7\Lambda_{ff}(H)$. Этот механизм особенно эффективен для плзмы с T>10⁵.

Рекомбинационное излучение
Радиативаня рекомбинация

При радиативной рекомбинации доля кинетической энергии рекомбинирующего электрона крайне мала в энергии испускаемого фотона hν = ξ_i + m_ev² ( ξ_i -потенциал ионизации уровня, на который рекомбинирует электрон. Т.к. почти всегда$\xi_i\gg m_ev^2/2$ , то большая часть выделяющееся энергии не тепловая. Поэтому радиативная рекомбинация в общем случае малоэффективна для охлаждения газа. Однако мощность излучения еденицы объема из-за радиативной рекомбинации для равновесной среды с Т<10⁵ превосходит потери на тормозное излучение $\Lambda_r\approx 4\Lambda_{ff}$.

Диэлектронная рекомбинация

Диэлектронная рекомбинация состоит из двух этапов. Сначала энергичный электрон возбуждает атом или ион так, что образуется неустойчивой ион с двумя возбужденными электронами. Далее либо электрон испускается и ион перестает быть неустойчивым (автоионизация), либо испускается фотон с энергией порядка потенциала ионизации и ион вновь становиться устойчивым. Для того, чтобы возбудить атом нужен очень быстрый электрон, с энергией выше средней. Понижая количество быстрых электронов мы понижаем среднюю энергию системы, среда охлаждается. Данный механизм охлаждения начинает доминировать над радиативной рекомбинацией при T>10⁵ К.

Двухфотонное излучение
Возникает при запрещенных резонансных переходах с уровней $2s_{1/2}\rightarrow 1s_{1/2}$ в водороде, при этом излучается два фотона, и с 2¹S₀ уровня в гелии и гелиеподобных ионах с испусканием также двух фотонов. Возбуждается же эти уровни в основном за счет электронных ударов. Суммарная энергия образующихся фотонов соответствует разности энергии между двумя уровнями, но каждый из фотонов не имеет фиксированной энергии и образуется непрерывное излучение , кое мы видим в зонах HII. Эти фотоны имеют длину волны больше чем у Лайман-фльфы и уходят и среды, являсь основной причиной охлаждения горячей космической плазмы с Т=10⁶ − 10⁸ К.

Обратное комптоновское рассеяние
Если рассеяние фотона с энергией ε происходит на быстром электроне с энергией E = γm_ec² важным становится передача энергии и импульса от электрона фотону. Лоренц-преобразование в системе электрона дает энергию фотона γε. Воспользуемся формулой эффекта Комптона и перейдем обратно получаем ε₁˜γ²ε. Видно, что низкочастотные кванты превращаются в кванты жесткого излучения. Усредняя по углам скорость потерь энергии одного такого электрона в поле изотропного излучения получим

$-\left(\frac{dE}{dt}\right) _{compt} = \frac{4}{3}\sigma_Tc\gamma^2\beta^2\int\limits_0^\infty u_{\nu}d\nu$

В случае теплового распределения электронов с концентрацией n_e и температурой T имеем < β² > = < (v / c)² > = 3kT / m_ec². Принимая $\gamma\approx 1$. Объемное охлаждение такой среды составит:

$\Lambda _c=-\left(\frac{dE}{dt}\right) _{compt} n_e = \frac{4kT}{m_e c^2}\sigma_T c n_e\int\limits_0^\infty u_{\nu}d\nu$

Комптоновское охлаждение обычно доминирует в высокоионизированной и сильно нагретой плазме вблизи источников рентгеновского излучения. Благодаря ему среда не может нагреться выше $T\sim\frac{\epsilon}{4k}$. Этот механизм был важен в ранней вселенной до эпохи рекомбинации. В обычных условиях МЗС эффектом можно пренебречь.

Ионизация электронным ударом
Если все остальные механизмы охлаждения излучательные, энергия уносится фотонами, то этот безызлучательный. Тепловая энергия расходуется на отрыв электрона и запасается в виде внутренней энергии связи ион-электрон. Потом она высвечивается при рекомбинациях.

Излучение в спектральных линиях

Основной механизм охлаждения МЗС при Т<10⁵ K.Излучение происходит при переходах с уровней, возбужденных после электронного удара. Спектральный диапазон в котором уносится энергия определяется температурой - чем больше температура, тем более высокий уровень возбуждается, тем энергичнее излучаемый фотон и охлаждение идет быстрее. В таблице приведены какие линии доминируют при различных температурах.

Температцра К	Охлаждение в линиях
> 106	Ренгеновские линии Н и Не-подобных ионов тяжелых элементов
2 104 − 106	Резонансные УФ-линии Не и тяжелых до Fe
(1 − 2)104	Линии Н (в основном Lyα)
(5 − 10)103	Запрещенные линии тяжелых элементов
30 − 104	Далекие ИК-линии при переходах между уровнями тонкой структуры основных термов
(1 − 2)103	Молекулярные уровни, в основном H2
<30	Вращательные переходы молекул СО и воды H2O

Тепловая неустойчивость

Теперь, зная все элементарные процессы и механизмы охлаждения и нагрева мы можем записать уравнения теплового баланса в виде nG(T) = n²λ(T). Запишем уравнение ионизационного баланса, необходимое чтобы узнать населенность уровней. Решая, получим равновесную температуру T(n). Учитывая то, что вещество в межзвездной среде крайне разряжено, т.е. представляет из себя идеальный газ, подчиняющийся уравнению Менделлева-Клапейрона, найдем равновесное давление P(n). И обнаружим, что зависимость больше напоминает уравнение состояни газа Ван -дер-Вальса: существует область давлений, где одному значению p соответствует три равновесных эначения n. Решение на участке с отрицательной производной неустойчиво относительно малых возмущений: при давлении больше чем у окружающей среды она будет расширяться до установления равновесия при меньшей плотности, а при меньшем картина с точностью, да наоборот. Это объясняет наблюдаемое динамическое равновесие разреженной межзвездной среды и более плотных облаков межзвездного газа.
В реальной же среде ситуация гораздо сложнее. Во-первых существует магнитное поле, конторе препятствует сжатию, если только оно не происходит вдоль линий поля. Во-вторых межзвездная среда находится в непрерывном движении и ее локальные свойства непрерывно меняются, в ней появляются новые источники энергии и исчезают старые. Так, что условие теплового равновесия может вовсе не выполняться. В-третьих, кроме термодинамической неустойчивости существуют гравитационная и магнитогидродинмическая. И это без учетов всякого рода катаклизмов в виде вспышек сверхновых, приливных влияниях проходящих по соседству галактик или прохождения самого газа через спиральные ветви Галактики.

Запрещённые линии и линия 21 см

Отличительной особенностью оптически тонкой среды является излучение в запрещенных линиях. Запрещенные линии это лини, которые запрещены правилами отбора, т.е. происходят с метастабильных уровней. Характерное время жизни электрона на этом уровне - от 10 ^{- 5} с до нескольких суток. При высоких концентрациях частиц их столкновение снимает возбуждение и линии не наблюдаются из-за крайней слабости. При и малых плотностях интенсивность линии не зависит от вероятности перехода, поскольку малая вероятность компенсируется большим числом атомов находящихся в метастабильном состоянии. Если ЛТР нет, то заселенность энергетических уровней следует рассчитывать из баланса элементарных процессов возбуждения и деактивации.
Важнейшей запрещенной линией МЗС является радиолиния атомарного водорода 21см. Эта линия возникает при переходе между подуровнями сверхтонкой структуры 1²S_{1 / 2} уровня водорода, связанными с наличием спина у электрона и протона. Вероятность этого перехода $A_{10} = 2.9 \cdot 10^{-15}$ (Т.е. 1 раз в 11 млн. лет). Возбуждение происходит благодаря столкновению нейтральных атомов водорода. Расчет населенности уровней дает n₁ = n_H / 4, n₀ = 3n_H / 4. При этом объемный коэффициент излучения:

$j_{\nu}=\frac{h\nu_{10}}{4\pi}n_1A_{10}\phi (\nu )$ .

Где φ(ν) - профиль линии, а фактор 4π предпологает изотропное излучение. Исследования радиолинии 21 см позволили установить, что нейтральный водород в галактике в основном заключен в очень тонком 400 пк толщиной слое около плоскости Галактики. В распределении HI отчетливо прослеживаются спиральные Галактики Зеемановское расщепление абсорбционных компонент линии у сильных радиоисточников используется для оценки магнитного поля внутри облаков.

Вмороженность магнитного поля

Вмороженность магнитного поля означает сохранение магнитного потока через любой замкнутый проводящий контур при его деформации. В лабораторных условиях магнитный поток можно считать сохраняющимся в средах с высокой электропроводностью. В пределе бесконечной электропроводности бесконечное малое электрическое поле вызвало бы рост тока до бесконечной величины. Следовательно идеальный проводник не должен пересекать магнитные силовые линии, и таким образом возбуждать электрическое поле, а напротив должен увлекать за собой линии магнитного поля, магнитное поле оказывается как бы вмороженным в проводник.
Реальная космическая плазма, далеко не идеальна и вмороженность стоит понимать в том смысле, что требуется очень большое время для изменеия потока через контур. На практике это означает, что мы можем считать поле постоянным пока облако сжимается, обращается и т.д.

Солнце и межзвездная среда

Примечания

1. ↑ Физика космоса / под редакцией Р. А. Сюняева. — 2-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 386.

Литература

А.В. Засов, К.А. Постнов. Общая Астрофизика. — Фрязино: Век 2, 2006. — ISBN 5-85099-169-7