6. Свечение в запрещенных линиях

В начале настоящей главы уже было сказано, что самые сильные линии планетарных туманностей - зеленый дублет N_l , N₂ и ультрафиолетовый дублет λ3727 - оказались запрещенными линиями О III и О II. Многие другие линии также оказались запрещенными линиями N II, Ne III, Ne IV, Ne V, S II, S III, Cl III и других элементов. Все эти линии, в отличие от разрешенных, образуются при переходах между низко расположенными термами, чаще всего при переходах со второго уровня на первый. Такие линии называются небулярными. Наблюдаются и переходы с третьего уровня на второй.

Подобные линии называются линиями типа полярных сияний, в которых они хорошо заметны. Обычно эти линии в туманностях в десятки и сотни раз слабее небулярных.

Появление сильных запрещенных линий возможно лишь при низкой плотности вещества и излучения. При таких условиях очень редки как удары второго рода, так и переходы с возбужденных уровней вверх при поглощении кванта. Поэтому атом, находящийся в метастабильном состоянии, может спокойно ждать, пока произойдет запрещенный переход вниз, который требует около минуты в случае О III и около трех часов в случае О II. Нашей задачей сейчас является выяснить, во-первых, в какой степени существенны удары второго рода, т. е. какой процент возбужденных атомов переходит вниз без излучения кванта, а во-вторых, посредством какого механизма возбуждаются атомы. Результатом этого анализа должно быть выяснение физических условий в туманностях и оценка содержания ионов по их излучению.

Удары второго рода, как и всякий элементарный процесс, характеризуются своей вероятностью, которую для перехода 2 - 1 мы обозначим через D₂₁. Значение ее приближенно вычислено в настоящее время для многих атомов методами квантовой механики. Число ударов второго рода в 1 см³ за 1 сек равно n₂n_eD₂₁. Величина D₂₁ зависит от скорости электронов, и следовательно, от температуры, но не очень сильно, так как вызвать переход вниз без излучения может и медленный, и быстрый электрон. Напротив, вероятность возбуждения сильно зависит от температуры, так как возбудить атом может только быстрый электрон, энергия которого больше энергии уровня, а число быстрых электронов сильно зависит от температуры. Чтобы оценить роль ударов второго рода, сравним их с числом переходов на первый уровень, сопровождающихся излучением кванта - n₂А₂₁, где А₂₁ - вероятность перехода, обратная времени жизни. Отношение равно

Отношение излучения кванта к вероятности перехода

т. е. оно зависит только от свойств атомов, электронной концентрации и слабо - от температуры. Таким образом, можно рассчитать, что для О III (N₁, N₂), y которого А₂₁ сравнительно велико (для перехода требуется, как уже говорилось, около минуты), удары второго рода несущественны вплоть до n_е= 10⁴, т. е. в большинстве планетарных туманностей. В то же время для О II они сказываются уже при концентрациях в несколько сот электронов на 1 см³, т. е. во всех планетарных туманностях. Это существенно ослабляет излучение [О II], выходящее из туманности.

Рассмотрим теперь очень важный вопрос о механизме возбуждения атомов. В принципе электрон может оказаться на метастабильном уровне в результате рекомбинаций и каскадных переходов. Однако легко показать, что такой механизм не согласуется с данными наблюдений. При рекомбинационном свечении атомы распределяются по различным состояниям, включая и довольно высокие, так что интенсивности линий, образующихся при переходах с разных уровней, сравнимы между собой. В качестве примеров можно привести бальмеровскую серию водорода, свечение в линиях гелия и т. п.

Свечение же запрещенных линий в туманностях представляет, собой обратную картину: небулярные линии являются самыми сильными, линии типа полярных сияний - в десятки и сотни раз слабее, а запрещенные линии, соответствующие переходам с еще более высоких уровней, практически никогда не наблюдаются.

Второе возражение против рекомбинационного механизма свечения основано на данных о химическом составе газа в Галактике. Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия, атомы остальных элементов составляют около 0,1 % общего числа. Содержание тяжелых элементов, определенное по разрешенным рекомбинационным линиям в туманностях, близко к тому же значению. Поскольку коэффициенты рекомбинаций сравнимы по величине для большинства элементов и каждая рекомбинация порождает несколько квантов, часть которых относится к видимой области спектра, интенсивности линий разных элементов при рекомбинации должны быть примерно пропорциональны относительному содержанию этих элементов. Отклонений можно ожидать в десятки, максимум в сотни раз, но не в десятки тысяч. Между тем, линии N₁ , N₂ значительно ярче, чем линии водорода, и это несовместимо с ничтожным относительным содержанием кислорода.

Исходя из того, что запрещенные переходы наблюдаются только с уровней, близких к основному, И. Боуэн (США) предположил, что возбуждение ионов производится ударами электронов. Энергия, необходимая для возбуждения уровня, исходного, например, для излучения N₁ , N₂ соответствует средней энергии частиц в газе с температурой около 30 000°. Однако уже при температуре 10000 - 15 000° значительная часть электронов способна возбудить этот уровень, поэтому сам факт наличия свечения еще не позволяет судить о величине температуры, можно только сказать, что она выше, чем, например, 5000°.

Чтобы возбудить третий уровень, откуда излучаются линии типа полярных сияний, нужно в полтора-два раза больше энергии, чем для возбуждения второго уровня. Поэтому, если температура не очень высока, число электронов, способных возбудить третий уровень, будет относительно мало. Именно этим объясняется слабость линий типа полярных сияний по сравнению с небулярными. По той же причине водород и гелий, у которых энергия возбуждения второго уровня очень велика, почти не возбуждаются ударами электронов в туманностях. Второй причиной слабости водородных линий служит сравнительно малое количество нейтральных атомов водорода, который почти полностью ионизован.