7. Методы определения температуры туманностей

Зависимость отношения интенсивности линий от температуры позволила В. А. Амбарцумяну (СССР) предложить сравнительно простой и надежный способ определения температуры по отношению интенсивности линий О III Я 4363 и N₁, N₂. Если удары второго рода несущественны (ион О III находится на третьем уровне еще значительно меньше времени, чем на втором) и каждое возбуждение приводит к излучению кванта, то отношение чисел квантов, излучаемых в линиях, почти в точности равно отношению чисел возбуждений. Числа возбуждений зависят в первую очередь от доли быстрых электронов, способных возбуждать этот уровень. Если бы этот фактор был единственным, то можно было бы из наблюдений оценить отношение доли быстрых электронов, способных возбудить атом до третьего уровня, к доле менее быстрых, которые могут возбудить атом до второго уровня. Из этого отношения, используя тепловое распределение скоростей частиц, легко найти температуру газа. Однако частота возбуждений зависит, к сожалению, не только от доли быстрых электронов, но и от вероятности возбуждения, которая для разных уровней различна.

Вычисление вероятностей возбуждения - сложная задача. Только в последние годы М. Ситоном были получены достаточно надежные результаты¹. Для возбуждения второго уровня О III вероятность равна приблизительно 10^-16 см², т. е. электрон с энергией несколько большей, чем необходимо для возбуждения, имеет такую же вероятность возбудить атом, пролетая около него, как попасть в мишень с площадью 10^-16 см². Эта величина называется эффективным сечением. Сечение возбуждения третьего уровня равно приблизительно 0,5*10^-16 см². Величина сечений падает с увеличением скорости электрона, но в большинстве случаев это не имеет значения, так как число очень быстрых электронов относительно мало и возбуждение производится в основном электронами с энергией чуть больше предельной.

¹ (В самое последнее время некоторые сечения были вычислены в разных странах с помощью электронных быстродействующих машин)

По отношению интенсивности линий λ 4363 и N₁ , N₂ были вычислены температуры большого числа планетарных туманностей. Они заключены в пределах от 9000 до 18 000°. Некоторые другие ионы кроме О III также имеют и небулярные линии и линии типа полярных сияний в доступной наблюдениям области спектра. Так, например, ион О II имеет линии λ 3727 и λ 7325, N II имеет небулярный дублет λ 6548 - 6584 и линию типа сияний λ 5755 и т. д. Эти линии также в принципе можно использовать для определения температуры. Однако линии О II не годятся для определения температуры планетарных туманностей, так как время жизни на втором уровне для них почти в 200 раз больше, чем для О III, и удары второго рода сильно искажают отношение интенсивностей, а учесть их трудно из-за неточных значений для электронной концентрации и эффективных сечений.

Небулярные линии [NII] не так сильно ослабляются ударами второго рода, для них вероятность перехода только в 7 раз меньше, чем для [О III]. Линии [N II] и [О II] использовались для определения электронной концентрации: по [О III] определялась температура, а затем вычислялось, каким при данной температуре должно быть отношение интенсивностей линий типа полярных сияний и небулярных для О II и N II. Из сравнения этого значения с наблюдаемым оценивалась роль ударов второго рода и отсюда находилось n_е. Иногда, если удары второго рода существенны и для [О III], температуру и электронную концентрацию находят одновременно. Для этого записывают отдельно для N II и О III отношение интенсивностей линий как функцию неизвестных температуры и n_е. Подставляя наблюдаемые значения отношений, получают два уравнения с двумя неизвестными, которые могут быть решены. [Некоторые модификации этого метода были предложены недавно В. В. Соболевым (СССР)]. Разумеется, здесь предполагается, что туманность достаточно однородна, во всяком случае, Т и n_е должны быть одинаковы в участках, где образуются линии [О III] и [N II]. В действительности эти линии образуются в разных местах, потому что там, где кислород находится в состоянии О III, и азот должен быть дважды ионизован (N III). Однако в более однородных туманностях метод дает результаты, согласующиеся с прямым определением n_е по интенсивностям водородных линий. В некоторых же случаях результаты обоих методов можно согласовать только в предположении, что в туманности часть вещества образует волокна, плотность которых раз в десять больше средней. Существование таких волокон возможно, хотя в настоящее время непонятно, как они образуются.

В последнее время М. Ситоном и Д. Остерброком (США) был разработан значительно более надежный метод оценки электронной концентрации по линии λ 3727 [О II]. Этот метод требует наличия хорошего спектрографа, позволяющего разделить компоненты тесного дублета, каким является эта линия (λ 3729 и 3726). Нижний уровень у обоих переходов общий, а верхние различны, но весьма близки. Ввиду этой близости температура одинаково влияет на число возбуждений обоих уровней, отношение их зависит только от эффективных сечений. Следовательно, если после каждого возбуждения будет излучаться квант, т. е. если удары второго рода несущественны, то отношение интенсивностей линий не зависит от температуры и плотности и равно отношению эффективных сечений. Наблюдения действительно показывают, что в слабых разреженных туманностях отношение компонентов дублета одинаково и равно теоретическому.

Удары второго рода начинают влиять на О II, когда электронная концентрация превышает 100 см^-3. Они по разному действуют на каждый из верхних уровней, поэтому отношение линий изменяется, причем тем сильнее, чем больше плотность. При очень большой плотности (n_е больше 1000 см^-3) удары второго рода становятся более существенными, чем переходы вниз с излучением кванта. В этом случае устанавливается определенное соотношение между населенностями разных уровней, такое же, как при термодинамическом равновесии. Отношение интенсивностей компонентов дублета опять становится определенным, не зависящим от температуры и плотности, но не таким, как в первом случае.

Между рассмотренными крайними случаями лежит промежуточная область значений плотности, когда существенны и удары второго рода, и переходы с излучением кванта. В этой области относительная интенсивность зависит Е основном от плотности и в слабой степени - от температуры, плавно переходя от одного предельного значения к другому. Следовательно, если задать приближенное значение температуры, то по отношению компонентов дублета можно оценить электронную концентрацию, т. е. плотность ионизованного газа. Этот метод дает хорошие результаты в том случае, если n_е заключено в интервале от ста до нескольких тысяч частиц на 1 см³. Для большинства планетарных туманностей метод непригоден, но для многих объектов он оказался полезным. При больших плотностях может быть использован такой же дублет ионизованной серы λ 6716 - 6730 [S II]. Ион S II имеет такую же внешнюю электронную оболочку, как и О II (пять электронов), и спектры их подобны. Вероятность переходов у S II почти в десять раз больше, чем у О II, поэтому удары второго рода сказываются при больших плотностях. Этим методом можно оценивать n_е от 10³ до 10⁴см³. Однако в планетарных туманностях линии [SII] обычно слабы из-за сильной ионизации.