ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2004, том 30, № 11, с. 874-880
УДК 523.64,52-657
ФОТОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СВЕЧЕНИЯ НАТРИЯ В КОМЕТАХ
© 2004 г. Э. А. Барановский*, В. П. Таращук**
НИИ Крымская астрофизическая обсерватория, пос. Научный
Поступила в редакцию 28.03.2004 г.
Рассматривается возможность возбуждения резонансного свечения натрия кометного вещества под действием солнечной радиации на гелиоцентрическом расстоянии 5 а.е., как это наблюдалось при падении фрагмента кометы Ш—Л 9 на Юпитер. При расчете эмиссии натрия учитывается многократное рассеяние в кометном облаке. Используется не-ЛТР программа переноса излучения для модели атома натрия с двумя уровнями. Сравнение рассчитанных эмиссионных профилей линий D NaI с наблюдаемыми профилями позволяет определить количество атомов натрия на луче зрения для отдельных моментов наблюдений кометы Ш—Л 9. Установлено, что наблюдаемый профиль спектральной линии (Di + D2) натрия хорошо согласуется с вычисленным для случая оптически толстого облака натрия. Рассчитано количество атомов натрия для трех комет по наблюдаемой величине эмиссии в линии D2. Рассчитана величина отношения интенсивностей D2/D1 для различных оптических толщин облака натрия и для различных фазовых углов.
Ключевые слова: Солнечная система — планеты, кометы, малые тела, гелиосфера, эмиссия натрия, перенос излучения, рассеяние излучения.
PHOTON EXCITATION OF SODIUM EMISSION IN COMETS, by E. A. Baranovskii and V. P. Tarashchuk. We consider the possibility of the excitation of sodium resonance emission in cometary matter under solar radiation at a heliocentric distance of 5 AU, as observed when a fragment of Comet Shoemaker—Levy 9 plunged into Jupiter. When the sodium emission is calculated, the multiple scattering in the cometary cloud is taken into account. We use a non-LTE radiative transfer code for a two-level model sodium atom. A comparison of the computed and observed NaI D emission line profiles allows the column density of the sodium atoms for specific times of observations of Comet Shoemaker—Levy 9 to be determined. The observed NaI (D1 + D2) line profile was found to agree well with the computed profile for an optically thick sodium cloud. We calculated the column density of the sodium atoms for three comets from the observed intensity of the D2 line emission. We also calculated the D2/D1 intensity ratio for various optical depths of the sodium cloud and various phase angles.
Key words: Solar system — planets, comets, small bodies, heliosphere, sodium emission, radiative transfer, light scattering.
ВВЕДЕНИЕ
В спектрах многих небесных тел присутствует довольно сильное излучение натрия, хотя содержание элемента обычно очень незначительно. Это связано с особенностями строения атома натрия и его возбуждения. Так, например, почти 70% всего свечения метеоров вызывается натрием, содержание которого в пылинках менее 1%. В кометах натрий наблюдается визуально с 1882 г. (кометы С/1882 I Р1 и С/1882 II Ц1). Сейчас интерес к свечению натрия возрос в связи с открытием планетных систем у других звезд. Так как эта эмиссия
Электронный адрес: edward@crao.crimea.ua
Электронный адрес: vera@crao.crimea.ua
одна из самых ярких в кометах, то она может служить индикатором присутствия газопылевых и планетных дисков вокруг звезд, включающих в себя кометные тела. Время от времени небольшие кометы, не обнаружимые с Земли, при приближении к Солнцу падают на него. Возникает ряд сложных физических процессов в короне, зарегистрированных на космических аппаратах. Гуляев и Щеглов (1999) обнаружили в Р-короне (пылевой) высокоскоростные облака ионизированного кальция, поставщиком которого также могут быть кометы.
Свечение натрия обычно регистрировалось у достаточно ярких комет вокруг ядра и на значительных кометоцентрических расстояниях в хвосте, но на гелиоцентрических расстояниях до 1.4 а.е.
ФОТОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ свечения натрия в кометах
875
(Гринстейн, 1958; Добровольский, 1966). Однако до сих пор нет объяснения отсутствия свечения натрия на больших гелиоцентрических расстояниях, как и некоторых других особенностей его поведения в кометах.
В 1994 году, когда происходило падение фрагментов кометы Шумейкеров—Леви 9 (Ш— Л 9) на Юпитер, при наблюдении прохождения одного из них через магнитосферу наблюдалось свечение высокоскоростных облаков натрия (Прокофьева, Таращук, 1996; Прокофьева и др., 2002). Авторы объяснили механизм освобождения и наблюдаемого поведения натрия в магнитосфере и сделали приближенную оценку общего количества атомов натрия. Цель настоящей работы — рассмотреть возможность возбуждения резонансного свечения натрия, образовавшегося из кометного вещества, под действием солнечной радиации на гелиоцентрическом расстоянии 5 а.е. и определить количество атомов натрия.
Для расчета эмиссии натрия под действием солнечного излучения учитывается многократное рассеяние. Используется не-ЛТР программа переноса излучения для модели атома натрия с двумя уровнями. Сравнение рассчитанных эмиссионных профилей линий D Nal с наблюдаемыми профилями позволяет определить количество атомов натрия на луче зрения для отдельных моментов наблюдений кометы Ш—Л 9.
Рассмотрены также некоторые особенности свечения натрия у других комет на других гелиоцентрических расстояниях, для которых имеются соответствующие наблюдения натрия.
ОСОБЕННОСТИ СВЕЧЕНИЯ НАТРИЯ В КОМЕТЕ Ш-Л 9
20 июля 1994 г., когда происходило падение фрагментов Q кометы Ш-Л 9 на Юпитер, в Крымской астрофизической обсерватории на телескопе МТМ-500 с цифровым телевизионным комплексом и спектрографом было получено более 200 спектров Юпитера. Наблюдения начинались еще на светлом небе и велись примерно с 17h до 21h UT. Спектральное разрешение составляло 20 A, временно) е разрешение регистрации спектров — 26 с. (Прокофьева, Таращук, 1996). Почти за 1.5 ч до падения, когда окруженные протяженной газопылевой комой фрагменты Q проходили еще через магнитосферу планеты на расстоянии около 3Rj (Rj — радиус Юпитера), наблюдалось свечение натрия по всему диску. Круглая диафрагма диаметром 6 угл. сек наводилась на разные участки диска Юпитера: вдоль параллели —45°, где происходило падение фрагментов кометы, центр, восточный и западный лимбы экватора, северную полярную
область и центральный меридиан на широте около +45°.
19 июля 1994 г. наблюдения проводились по аналогичной методике. Линия Ыа наблюдалась, но только в поглощении, и имела эквивалентную ширину 1.2 А, что практически совпадает с солнечной (1.3 А).
Эмиссионное свечение натрия 20 июля имело ряд особенностей:
1. Свечение натрия наблюдалось по всему диску Юпитера, оцененный размер области свечения простирался на расстояние не менее 3RJ (Прокофьева, Таращук, 1996).
2. Свечение имело вид последовательности вспышек с характерным временем изменения интенсивности примерно 1 мин.
3. Широкая эмиссия натрия имела смещение в синюю и красную сторону относительно несмещенной линии поглощения спектра величиной до
30 А, что соответствует скорости 1500 км/с. Этот факт указывал на то, что происходила ионизация с последующим ускорением ионов натрия внутри магнитосферы.
4. Наибольшая яркость свечения натрия наблюдалась в ит 18.0— 19.2Ь. В момент ит 18.0Ь фрагмент Q2, шедший впереди комплекса осколков Q, был на расстоянии 4.5RJ, т.е. во внутренней магнитосфере Юпитера.
Вспышки закончились за 30 мин до зарегистрированных взрывов в атмосфере, когда расстояние составляло менее 2RJ. Центральный момент наибольшей вспышечной активности в ит 18.9Ь соответствует расстоянию фрагмента Q2 от центра Юпитера 3.1 RJ.
Проанализировав условия в магнитосфере Юпитера, Прокофьева и др. (2001) предложили механизмы освобождения натрия из пыли, ионизации и ускорения атомов натрия, оценили общее количество высвободившегося натрия. Однако представляет интерес оценка свечения атомов натрия с применением расчета переноса излучения для резонансного рассеяния солнечной радиации на расстоянии 5 а.е.
РАСЧЕТ СВЕЧЕНИЯ НАТРИЯ В ОБЛАКЕ КОМЕТЫ Ш-Л 9
Чаще всего эмиссия натрия наблюдалась в кометах на расстояниях 0.5-1 а.е., но не более 1.4 а.е. Принято считать, что причиной свечения натрия является резонансное рассеяние солнечного излучения. В нашем случае мы имели дело с наблюдениями на гелиоцентрическом расстоянии 5 а.е., и заранее не очевидно, можно ли объяснить
эмиссию влиянием солнечного излучения. Эмиссия линии Э, наблюдаемая на спутнике Юпитера Ио, объясняется резонансным рассеянием, но эта эмиссия мала, а в комете Ш—Л она примерно на два порядка больше.
В оценке наблюдаемой величины эмиссии есть некоторая неопределенность, связанная с тем, что наблюдения сделаны на фоне диска Юпитера. Избыток излучения спектра Юпитера, вызванный излучением атомов натрия, попадает не на солнечную линию поглощения, а на континуум, так как эмиссия смещена вследствие большой лучевой скорости. Если оптическая толщина в центре линии Э мала, то этот избыток и есть эмиссия облака натрия. Но если оптическая толщина велика, то излучение Юпитера ослаблено, и эмиссия облака накладывается на линию поглощения. Величина эмиссии будет больше, чем величина избытка над континуумом. Таким образом, однозначно определить величину эмиссии мы не можем без выполнения расчетов.
Рассчитаем сначала эмиссию для оптически тонкого слоя. В результате мы получим число атомов натрия, необходимое для объяснения наблюдаемой эмиссии, и оптическую толщину слоя. Если полученная оптическая толщина окажется действительно малой, то можно считать задачу решенной. Но если оптическая толщина окажется большой, то это значит, что предположение о малой оптической толщине неверно и задачу нужно решать в общем виде.
Для вычисления эмиссии от оптически тонкой среды достаточно рассчитать количество поглощенного излучения в столбе с основанием 1 см2, считая, что каждый поглощенный квант будет переизлучен. Затем количество переизлученной энергии приравнивается к наблюдаемой величине излучения. Отсюда находится количество атомов натрия в основном состоянии в столбе с основанием 1 см2 на луче зрения. Но мы проводим ра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.