Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 

Atmosfery zvezd

Soderzhanie:

1. Vvedenie 
2. Fotosfery zvezd
3. Mehanizmy poglosheniya i ispuskaniya v nepreryvnom spektre 
4. Pogloshenie v zvezdah razlichnyh spektral'nyh klassov (raznyh temperatur)
5. Nablyudaemye sledstviya teorii 
6. Linii poglosheniya v spektrah zvezd 
7. Zaklyuchenie 

1. Vvedenie

Vse, chto my znaem o zvezdah, vyvoditsya gl. obr. iz analiza ih izlucheniya - vidimogo, ul'trafioletovogo i infrakrasnogo. Eto izluchenie vyhodit iz poverhnostnyh sloev zvezd - zvezdnyh atmosfer. Samye vnesh. protyazhennye zony atmosfer - korony - nablyudayutsya takzhe v radio- i rentg. diapazonah. Svet iz bolee glubokih, podatmosfernyh, sloev zvezdy, osobenno iz ee vnutr. chastei, neposredstvenno naruzhu ne vyhodit, on pogloshaetsya v raspolozhennyh vyshe neprozrachnyh sloyah. O sv-vah glubokih sloev mozhno sudit' tol'ko na osnovanii teorii, no ishodnye dannye dlya teoretich. raschetov i dlya ih proverki opyat'-taki daet nablyudaemoe izluchenie, vyhodyashee iz atmosfer.

Sobiraya svet zvezdy v fokuse teleskopa, astronomy issleduyut ego. Obychno dlya etogo svet razlagayut v spektr, k-ryi zatem fotografiruyut ili registriruyut s pomosh'yu fotoelekt-rich. priborov. Issledovanie zvezdnogo spektra chashe vsego sostoit v izmerenii intensivnosti svecheniya zvezdy v spektral'nyh liniyah - uzkih intervalah dlin voln. Inogda izmeryayut intensivnosti v bolee shirokih intervalah. Dlya etogo svet zvezdy propuskayut cherez svetofil'try, vydelyayushie nuzhnuyu oblast' spektra (sm. Opticheskaya astronomiya, Astrofotometriya).

Harakter spektra zvezdy zavisit ot fiz. i him. sv-v ee atmosfery (temp-ry, davleniya, sostava). Osn. zadacha teorii A. z. - opredelit' po dannym nablyudenii, prezhde vsego spektra, fiz. usloviya v atmosferah (temp-ru i plotnost', skorosti dvizhenii gazovyh mass) i himicheskii sostav zvezd. S etoi cel'yu issleduyut processy, v kotoryh rozhdayutsya dohodyashie do nas fotony, zavisimost' etih processov ot fizicheskih uslovii, obrazovanie linii spektra A. z.

2. Fotosfery zvezd

V A. z. mozhno vydelit' tri osn. sloya: samyi vnesh. sloi - protyazhennuyu koronu, zatem hromosferu i fotosferu. Fotosferoi naz. sloi, dayushii osn. chast' vidimogo izlucheniya zvezdy. Dlya fotosfery harakteren spektr poglosheniya, t. e. nepreryvnyi spektr s temnymi liniyami (ris. 1). V to zhe vremya izvestno, chto svetyashiisya gaz imeet lineichatyi spektr, sostoyashii iz otdel'nyh yarkih linii na sravnitel'no temnom fone (ris. 2). Prichina etogo razlichiya v tom, chto svetyashiisya gaz v nebol'shih ob'emah prozrachen dlya vseh chastot optich. nepreryvnogo spektra, a tolsha fotosfery zvezdy neprozrachna. Fotosfera osobenno sil'no (izbiratel'no) pogloshaet prohodyashee cherez nee izluchenie na chastotah, sootvetstvuyushih chastotam izlucheniya ee atomov i ionov. Poetomu spektr. linii fotosfery kazhutsya temnymi na fone nepreryvnogo spektra zvezdy (podrobnee ob etom sm. v razdele 6). Raspolozhennye nad fotosferoi bolee prozrachnye i goryachie sloi - hromosfera i korona - obychno ne okazyvayut sushestvennogo vliyaniya na optich. izluchenie zvezdy i detal'no izucheny tol'ko u Solnca (sm. Solnechnaya hromosfera, Solnechnaya korona).


Ris. 1. Spektr zvezdy spektral'nogo klassa A5 (R Treugol'nika) s liniyami poglosheniya vodoroda (Hb, Ng, Nd) i drugih elementov (K i N - linii kal'ciya).


Ris. 2. Spektr ispuskaniya vodoroda (dliny voln dany v nm, 1 nm = 10-9 m).

Vneatmosfernye nablyudeniya v UF- i rentg. diapazonah spektra pozvolili nachat' neposredstvennye issledovaniya hromosfer i koron zvezd. Slaboe optich. izluchenie etih sloev atmosfery "tonet" v sil'nom pole izlucheniya fotosfery. No pri perehode k bolee korotkim volnam intensivnost' izlucheniya fotosfery, soglasno zakonu Vina, bystro oslabevaet (sm. Planka zakon izlucheniya) i vklad bolee goryachih, vnesh. chastei atmosfery zametno vozrastaet. Poetomu izluchenie vseh zvezd, krome samyh goryachih, v diapazone dlin voln ot 1000 do 2000 \AA opredelyaetsya izlucheniem hromosfer, a rentg. izluchenie obychnyh odinochnyh (ne dvoinyh i ne kratnyh) zvezd voznikaet v eshe bolee goryachih sloyah - koronah. Rezul'taty nablyudenii na rentg. vneatmosfernoi observatorii imeni Einshteina (sm. Rentgenovskaya astronomiya) pozvolyayut predpolozhit', chto goryachie korony sushestvuyut u issledovannyh zvezd prakticheski vseh spektr. klassov. Takie rezul'taty okazalis' neozhidannymi, poskol'ku ranee schitalos', chto goryachie ($T \gtrsim 10^6 K$) korony mogut sushestvovat' lish' u zvezd s vnesh. konvektivnoi zonoi (sm. Konvekciya), t. e. u zvezd vseh spektr. klassov, krome O i V. Nek-ruyu informaciyu o hromosferah zvezd s protyazhennymi atmosferami inogda udaetsya poluchit' iz analiza krivyh bleska zatmennyh peremennyh zvezd.

Izluchenie fotosfery v pervom priblizhenii mozhno schitat' ravnovesnym i podchinyayushimsya zakonu Kirhgofa (sm. Kirhgofa zakon izlucheniya). Eto znachit, chto intensivnosti processov izlucheniya i poglosheniya v fotosfere uravnovesheny: kolichestvo i energiya pogloshennyh fotonov v tochnosti kompensiruyutsya kolichestvom i energiei ispushennyh fotonov. Poskol'ku ispuskanie proporcional'no poglosheniyu, prozrachnye sloi ne vnosyat zametnogo vklada v svechenie zvezdy. Osn. chast' izlucheniya ishodit iz sloev, gde pogloshenie dlya fotonov dannoi chastoty dostatochno veliko, no v to zhe vremya veroyatnost' vyhoda fotonov naruzhu ne ochen' mala. Temp-ra etogo sloya i opredelyaet intensivnost' izlucheniya zvezdy na dannoi chastote.

Izluchenie nepreryvno unosit energiyu zvezdy. V fotosfere istochnikov energii net. Energiya vydelyaetsya v samyh goryachih, central'nyh chastyah zvezdy, gde proishodyat yadernye reakcii i voznikaet vysokotemperaturnoe rentg. izluchenie. Rentg. fotony pogloshayutsya- i pereizluchayutsya veshestvom zvezdy. Postepenno izluchenie prosachivaetsya vo vneshnie, bolee holodnye oblasti. Pri etom chastoty fotonov umen'shayutsya v sootvetstvii s temp-roi, poka v fotosfere ne doidut do chastot vidimoi i prilegayushih chastei spektra. Krome radiacii energiya mozhet perenosit'sya konvekciei, t. e. dvizheniyami gazovyh mass, voznikayushimi pod deistviem idushego iz glubiny teplovogo potoka (sm. st. Zvezdy, Solnce). V fotosferah zvezd konvektivnyi perenos ne ochen' sushestven, osn. rol' igraet ispuskanie i pogloshenie fotonov - t. n. perenos izlucheniya.

Rassmotrim teper', kak proishodit pogloshenie i ispuskanie fotonov v goryachem gaze.

3. Mehanizmy poglosheniya i ispuskaniya v nepreryvnom spektre

Fotony rozhdayutsya i gibnut pri vzaimodeistvii s zaryazhennymi chasticami, prezhde vsego s elektronami. Foton ispuskaetsya, napr., esli elektron stalkivaetsya s ionom i tormozitsya (sm. Tormoznoe izluchenie). Svobodnye elektrony pri tormozhenii mogut ispuskat' fotony lyubyh chastot, spektr ih izlucheniya nepreryven. Unosimaya fotonom energiya cherpaetsya iz kinetich. energii svobodnogo elektrona, kotoroi on obladal do vzaimodeistviya s ionom. V otlichie ot svobodnogo elektrona, energiya svyazannogo elektrona (prinadlezhashego atomu) mozhet prinimat' tol'ko vpolne opredelennye diskretnye znacheniya (sm. Urovni energii). Perehod elektrona v atome s odnogo urovnya na drugoi sopryazhen s ispuskaniem ili poglosheniem kvanta el.-magn. energii (fotona) $\varepsilon = h\nu $ strogo opredelennoi chastoty n.

Ris. 3. Shema urovnei energii atoma vodoroda.
Vyshe verhnego predela elektron svoboden.
Pervyi (osnovnoi) uroven' sootvetstvuet
nevozmushennomu sostoyaniyu atoma s minimal'noi
energiei. Strelkami ukazany perehody razlichnyh tipov. 

Rassmotrim processy poglosheniya i ispuskaniya fotonov na prosteishem primere atoma vodoroda. Shema ego urovnei dana na ris.3. Urovni sgushayutsya okolo verhnego predela, k-ryi sootvetstvuet svobodnomu elektronu s nulevoi energiei. Nizhnii uroven' - osnovnoi, elektron na etom urovne sil'nee vsego svyazan s yadrom. Esli elektron v atome nahoditsya na bolee vysokom energetich. urovne, atom naz. vozbuzhdennym. Rasstoyanie ot osn. urovnya do verhnego predela sootvetstvuet energii ionizacii atoma s osn. urovnya.

Pri pogloshenii atomom fotona, energiya k-rogo  hnP ravna energii ionizacii, atom razdelitsya na ion i svobodnyi elektron s nulevoi kinetich. energiei. Fotony s energiei, prevyshayushei energiyu ionizacii, tozhe pogloshayutsya atomom, pri etom izbytok energii soobshaetsya osvobozhdayushemusya elektronu. T.o., atom za schet processa ionizacii mozhet pogloshat' izluchenie v nepreryvnoi polose chastot, nachinayusheisya ot chastoty predela n„ i prostirayusheisya v storonu bolee vysokih chastot. U vodoroda ionizaciya s osn. urovnya proishodit pri pogloshenii el.-magn. voln, dlina k-ryh men'she $\lambda = s/\nu _P = 912$ \AA. Eto dalekaya UF-oblast' spektra. Esli energiya fotona znachitel'no bol'she predel'noi, to on pogloshaetsya huzhe, koeff. poglosheniya padaet.

Rasstoyanie ot 2-go urovnya energii do predela gorazdo men'she, chem ot 1-go, t. e. atom ionizuetsya so 2-go urovnya fotonami men'shei chastoty. U vodoroda vtoraya polosa nachinaetsya ot 3646 \AA, t. e. v blizkoi UF-oblasti. Cherez vidimuyu oblast' spektra tyanetsya polosa, sootvetstvuyushaya ionizacii s 3-go urovnya ($\lambda \le 8206$ \AA). Ionizaciya s ochen' vysokih urovnei proizvoditsya uzhe fotonami radiodiapazona. Zavisimost' ot l koeff. poglosheniya fotonov s energiei, sootvetstvuyushei perehodam elektrona v svobodnoe sostoyanie s nizhnih energetich. urovnei atoma vodoroda, shematicheski izobrazhena na ris. 4.

Ris. 4. Zavisimost' ot dliny volny  l
koefficienta poglosheniya fotonov pri ionizacii
atomov vodoroda s razlichnyh urovnei energii.
Kazhdomu urovnyu sootvetstvuet polosa poglosheniya,
nachinayushayasya u predela i idushaya, postepenno slabeya,
v korotkovolnovuyu storonu. Predel dlya osnovnogo
urovnya - 912 \AA, dlya 2-go - 3646 \AA,
dlya 3-go - 8206 \AA.

Ispuskanie - process, obratnyi poglosheniyu, proishodit pri rekombinacii - zahvate ionom svobodnogo elektrona. Zahvat mozhet proizoiti na lyuboi uroven', poetomu pri rekombinaciyah bol'shogo chisla ionov ispuskayutsya fotony v polosah chastot, primykayushih ko vsem predelam. U tonkogo sloya sil'no ionizovannogo vodoroda spektr izlucheniya pohozh na spektr, izobrazhennyi na ris. 4: on sostoit iz polos, kruto obryvayushihsya so storony bol'shih dlin voln. S uvelicheniem opticheskoi tolshi svetyashegosya sloya ego izluchenie budet usilivat'sya, no tol'ko do teh por, poka vsya sistema ostaetsya prozrachnoi. Kogda dlya k.-n. chastoty pogloshenie stanovitsya sushestvennym, rost yarkosti na etoi chastote prekrashaetsya, t. k. svet ot glubinnyh sloev pogloshaetsya vperedi lezhashimi sloyami. Soglasno zakonu Kirhgofa, pogloshenie sil'nee v tom diapazone chastot, v k-rom sil'nee izluchenie. Poetomu sglazhivanie spektra nachnetsya s maksimumov intensivnosti (ris. 5) i pri dostatochnoi tolshine sloya poluchaetsya sovsem gladkii spektr izlucheniya absolyutno chernogo tela s temp-roi izluchayushego (fotosfernogo) gaza.

Ris. 5. Izmenenie vida nepreryvnogo spektra vodoroda
po mere uvelicheniya tolshiny izluchayushego sloya (cifry
1,2,3 sootvetstvuyut sloyam vozrastayushei tolshiny).
S uvelicheniem tolshiny i neprozrachnosti sloya spektr
postepenno sglazhivaetsya i priblizhaetsya k spektru
absolyutno chernogo tela, pokazannomu zhirnoi liniei
(F - spektral'naya moshnost' izlucheniya).

Itak, pervyi tip poglosheniya i ispuskaniya sootvetstvuet perehodam elektrona iz svyazannogo sostoyaniya v svobodnoe, i naoborot (svyazanno-svobodnye perehody).

Vozmozhen i vtoroi tip poglosheniya, pri k-rom elektron, ostavayas' svyazannym, perehodit s odnogo energetich. urovnya na drugoi (svyazanno-svyazannye perehody). Pri etom ispuskayutsya ili pogloshayutsya fotony opredelennyh chastot (spektr. linii). Pogloshenie i izluchenie v liniyah obychno sil'nee, chem v polosah, t. k. izluchenie sosredotocheno v uzkom intervale chastot. Poetomu, poka gaz prozrachen, vidny v osnovnom tol'ko yarkie linii. Po mere uvelicheniya tolshiny sloya linii postepenno budut ischezat' na fone usilivayushegosya nepreryvnogo spektra.

Tretii vid poglosheniya v nepreryvnom spektre proishodit pri perehodah elektrona iz svobodnogo sostoyaniya v svobodnoe zhe, no s dr. energiei (svobodno-svobodnye perehody). Eto process, obratnyi uzhe upominavshemusya processu, kogda elektron ispuskaet foton, dvigayas' vblizi iona. Esli iona poblizosti net, to poglotit'sya kvant ne mozhet, no on mozhet rasseyat'sya na elektrone - izmenit' napravlenie dvizheniya. Ego chastota pri etom ostaetsya pochti postoyannoi, nebol'shoe izmenenie proishodit tol'ko iz-za Doplera effekta, esli elektron dvizhetsya otnositel'no nablyudatelya. V atmosferah goryachih zvezd nek-ruyu rol' igraet takzhe releevskoe rasseyanie - rasseyanie sveta na mikrofluktuaciyah plotnosti, vyzvannyh teplovym dvizheniem chastic.

4. Pogloshenie v zvezdah razlichnyh spektral'nyh klassov (raznyh temperatur)

Pogloshenie fotonov, podobnoe opisannomu vyshe, svoistvenno ne tol'ko atomam vodoroda, no i atomam dr. elementov. Tol'ko raspolozhenie energetich. urovnei u nih inoe, odnako vsegda urovni sgushayutsya k ionizacionnomu predelu, i pogloshenie s raznyh urovnei, svyazannoe s otryvom elektrona, t. e. s ionizaciei atoma, daet mnozhestvo perekryvayushihsya polos.

Vernemsya k vodorodu. Dlya togo chtoby ego pogloshenie imelo takoi vid, kak na ris. 4, na vseh energetich. urovnyah dolzhno byt' dostatochnoe kolichestvo atomov. Na osn. urovne atom mozhet nahodit'sya neogranichenno dolgo, lish' pogloshenie fotona ili stolknovenie s dostatochno bystrym elektronom mozhet ionizovat' ego ili vozbudit', t. e. perevesti na odin iz vyshelezhashih urovnei. V vozbuzhdennom sostoyanii atom nahoditsya nedolgo - uzhe cherez ~10-8 s on izluchaet foton i perehodit na k.-l. iz bolee nizkih urovnei. S etogo urovnya on spuskaetsya eshe nizhe, poka ne pereidet na osnovnoi. Pravda, za korotkoe vremya prebyvaniya v vozbuzhdennom sostoyanii atom mozhet poglotit' eshe foton i pereiti na bolee vysokii uroven'. Krome togo, on mozhet izmenit' svoe sostoyanie pri stolknovenii s elektronom. T. o., atomy v A. z. nepreryvno pogloshayut i ispuskayut fotony, obmenivayutsya energiei s naletayushimi elektronami, perehodyat s urovnya na uroven', no v srednem ih chislo na kazhdom urovne (v ravnovesnyh usloviyah) ostaetsya postoyannym. Poetomu mozhno govorit' ob otnositel'noi naselennosti 1-go, 2-go i dr. urovnei energii.

Otnositel'naya naselennost' urovnei zavisit ot temp-ry. Chem vyshe temp-ra, tem bol'she energiya fotonov i elektronov, tem chashe proishodyat vozbuzhdeniya i tem bol'she otnositel'naya naselennost' verhnih urovnei.

Naryadu s vozbuzhdeniem vozmozhna i ionizaciya atomov, no obychno dlya ionizacii trebuetsya bol'she energii. Legche vsego ionizuyutsya metally, poskol'ku u nih men'she energiya ionizacii. Blagodarya prisutstviyu atomov metallov dazhe v holodnyh zvezdah imeyutsya svobodnye elektrony. Poetomu A. z. predstavlyayut soboi plazmu (ionizovannyi gaz). S rostom temp-ry rastet energiya fotonov, uvelichivaetsya chislo ionizacii, chislo neitral'nyh atomov stanovitsya neznachitel'nym. Pri etom i pogloshenie, obuslovlennoe neitral'nymi atomami, tozhe umen'shaetsya.

Ionizaciya zavisit ne tol'ko ot temp-ry, no i ot koncentracii elektronov. Chem bol'she elektronov, tem chashe proishodyat rekombinacii, chislo neitral'nyh atomov vozrastaet i stepen' ionizacii okazyvaetsya men'she, chem v bolee razrezhennom gaze toi zhe temp-ry. Esli temp-ra zvezdy ochen' vysoka, to mozhet proizoiti vtoraya ionizaciya teh elementov, k-rye imeyut bol'she odnogo elektrona. V ochen' goryachih zvezdah nablyudayutsya linii ionizovannyh atomov, u k-ryh otorvano 2-3 i bolee elektrona, napr. CIII, NIII, SiIV. Iony takzhe uchastvuyut v pogloshenii, no ih polosy raspolozheny v osnovnom v bolee korotkovolnovoi UF-oblasti spektra.

Rassmotrim podrobnei pogloshenie, vyzyvaemoe naibolee rasprostranennym v zvezdah elementom - vodorodom. Chtoby pogloshat' v vidimoi oblasti spektra, atom vodoroda dolzhen nahodit'sya na 3-m energetich. urovne, k-ryi raspolozhen ochen' daleko ot osnovnogo (ris. 3). Voobshe, u vodoroda ochen' bol'shoi razryv mezhdu 1-mi ostal'nymi urovnyami. Poetomu, napr., pri temp-re ok. 6000 S (fotosfera Solnca) imeetsya ochen' malo fotonov i elektronov s energiei, dostatochnoi dlya vozbuzhdeniya na 2-i ili 3-i urovni. Pochti vse atomy vodoroda pri etoi temp-re nahodyatsya na osn. urovne i ne mogut pogloshat' v vidimom i blizkom UF-diapazonah. Takoi vodorod prakticheski prozrachen, ego rol' v formirovanii spektra izlucheniya solnechnoi fotosfery sravnitel'no nevelika. S pogruzheniem v glub' zvezdy temp-ra rastet, kolichestvo vozbuzhdennyh atomov vodoroda uvelichivaetsya i rol' ego v pogloshenii vozrastaet. Nakonec, na nek-roi glubine (dlya Solnca eta glubina