ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 1, с. 27-32
ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
Окрестности наиболее яркой и массивной звезды нашей Галактики - эта Киля (n Carina) - исследователи рассматривают как гигантскую естественную лабораторию атомной спектроскопии. Систематические наблюдения спектров излучения газовых конденсаций вблизи этой звезды, выполненные с помощью космического телескопа Хаббла, позволили сотрудникам Лундской обсерватории (Швеция) и Института спектроскопии РАН (Россия) обнаружить первые астрофизические лазеры видимого диапазона на ионах железа и атомах кислорода, а также первый нелинейный оптический эффект в космосе - резонансную двухфотонную ионизацию атомов и ионов под действием интенсивного излучения водорода.
НЕОБЫЧНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОКРЕСТНОСТИ ЗАГАДОЧНОЙ ЗВЕЗДЫ В СОЗВЕЗДИИ КИЛЯ
С. Йоханссон, В. С. Летохов
В ходе физических исследований встречаются явления, которые сначала открывают в лаборатории, а затем в естественных условиях, и наоборот. Например, термоядерный синтез лёгких ядер был обнаружен в недрах звезд и только потом осуществлен на Земле в виде термоядерного взрыва. Обратная ситуация случилась с цепной реакцией ядерного деления: она была реализована на Земле в ядерных взрывах и в ядерных реакторах, а позднее обнаружена в природе - ядерный реактор Окло в Африке. Подобное можно сказать о мазерах и лазерах. Сначала мазер был создан в лаборатории, а затем мазерный эффект и стимулированное излучение молекул найдено в космосе. Более того, поиск мазерного излучения в космосе стал основным методом обнаружения молекул в космическом пространстве, поскольку
ЙОХАНССОН Свенерик (JOHANSSON Sveneric) -профессор Лундского университета, руководитель лаборатории атомной астрофизики Института астрономии (Швеция). ЛЕТОХОВ Владилен Степанович -профессор, заведующий отделом лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН.
в микроволновой области стимулированное излучение на много порядков интенсивнее спонтанного. Нам же удалось обнаружить лазеры видимого диапазона в космической плазме, в то время как лазеры давно были созданы в лабораториях.
Следует отметить, что открытие лазеров в космосе было довольно нетривиальным, так как в видимой области спонтанное излучение превалирует и маскирует возможное стимулированное излучение. Возникновение необходимой для лазерного эффекта инверсной заселённости на переходах в атомах и ионах гораздо менее вероятно, чем на переходах в молекулах в микроволновой области. То же самое можно сказать и о нелинейных оптических процессах, которые легко наблюдаются с помощью интенсивного лазерного излучения в лаборатории, но в космосе проявляются только в некоторых конкретных условиях. Нам удалось найти доказательство существования квазирезонансной двухфотонной ионизации вблизи горячей голубой звезды эта Киля (n Car).
В истории звезды не раз отмечались мощные вспышки. В 1847 г. астрономы южного полушария наблюдали настолько сильное увеличение её яркости, что она стала видна на небосклоне как вторая по яркости звезда вслед за Сириусом. Затем после мощного взрыва n Car превратилась в невидимую глазом звезду шестой величины. Она окружена диффузной туманностью, образованной из выброшенного во время взрыва вещества (рис. 1). Масса n Car более 100 солнечных масс, её яркость в 6 млн. раз превышает яркость Солнца, и находится она от нас на расстоянии примерно 7500 световых лет. В 1986 г. в окрестности n Car были обнаружены газовые конденсации [1]. В 1996 г. установили, что блеск звезды изменяется с периодом 5.52 года. Аргентинский астрофизик
Рис. 1. Фотография окрестностей звезды n Car, полученная с помощью космического телескопа Хаббла
А. Даминели обнаружил, что определённые спектроскопические эпизоды, случайно зарегистрированные в прошлом, повторяются через 5.5-летний интервал [2]. Он предсказал, что следующий эпизод должен случиться в конце 1997 г. И действительно, астрономы, работающие в рентгеновской области спектра, зафиксировали возрастание потока жёстких Х-лучей от n Car. В середине ноября 1997 г. поток упал до нуля [3]. Пока нет хорошего объяснения 5.5-летнего цикла n Car, хотя некоторые исследователи предположили, что за него ответственна звезда-спутница.
Наши исследования проводились в рамках совместной со специалистами США и других стран программы "Hubble Treasure" ("Сокровища телескопа Хаббла"). Она была сфокусирована на загадочном спектроскопическом явлении, наблюдавшемся у n Car в середине 2003 г. - трёхмесячном угасании многих спектральных линий в спектре газовых конденсаций, находящихся в непосредственной близости от центральной звезды.
Эти газовые конденсации интересны тем, что имеют высокую для межзвёздной среды плотность (107-1010 см-1) и расположены от центральной звезды на расстоянии всего нескольких сотен её радиусов, то есть подвергаются действию интенсивного излучения n Car, температура поверхности которой порядка 30000 K. Периодическое изменение интенсивности излучения газовых конденсаций даёт прекрасную возможность исследовать кинетические процессы в них, например скорость рекомбинации ионов и электронов, и на основании этих данных получать сведения о концентрации ионов водорода, электронов и т.д.
Спектральные наблюдения газовых конденсаций вблизи n Car стали возможны после того, как в конце 1990-х годов на космическом телескопе Хаббла была установлена широкополосная панорамная спектральная камера (STIS). Телескоп с такой камерой обеспечивал высокое угловое разрешение (более 0.1 угл. с) и высокое спектральное разрешение (около 105). К тому же в STIS ис-
n Car
Планковское излучение горячей звезды (hv > 13.6 эВ)
HII
13.6 эВ 10.25 эВ
FeIII
//////////// 1 сш
16.16 эВ + 7.9 эВ
Яркие УФ линии 2507/9 А
Резонансная накачка
HI
Метастабильный ^ уровень
Лазерный переход на линии 9997 А
7.9 эВ
Планковское излучение ^/w/ звезды (7.9 эВ < hv < 13.6 эВ)
FeII
FeI
Облако газовой конденсации
9997 А
к космическому телескопу
Рис. 2. Схема основных фотофизических процессов в окрестности звезды n Car
За счёт резонансной оптической накачки излучением водорода в линии La (1215 А) возникает инверсия заселённости между высоко-лежащими уровнями иона Fe, что приводит к стимулированному лазерному излучению в линии с длиной волны 9997 А
L
а
L
L
а
а
пользуется 30 комбинаций кривых дифракционных решёток, что позволяет охватить всю спектральную область от 110 до 1000 нм. Спектр n Car настолько богат, что в нём нельзя пропустить ни одного, даже незначительного, участка в широком диапазоне длин волн.
Наблюдения n Car с помощью телескопа Хаб-бла, оборудованного спектрометром STIS, в апреле-августе 2003 г. дали исчерпывающие сведения о её спектре на протяжении длительного периода. Кстати, конкурс программ для космического телескопа Хаббла в декабре 2001 г. проводился по двум критериям: данные должны быть ценными для астрономии и астрофизики в целом; подобные наблюдения будут невозможны в течение нескольких лет после того, как телескоп уже не будет существовать. Действительно, данные, полученные при наблюдении n Car, останутся недоступными для исследователей по крайней мере на протяжении 15 лет после 2004 г., когда была завершена работа спектрометра STIS. Появление другого инструмента со сравнимым высоким разрешением в ультрафиолетовой области спектра не предвидится в ближайшие годы.
Наш интерес к исследованию необычных спектральных эффектов в газовых конденсациях,
расположенных вблизи n Car, возник с попыток понять аномальную яркость двух ультрафиолетовых спектральных линий иона железа (2507 и 2509 А), которая не укладывалась ни в стандартную модель резонансного возбуждения уровней этого иона излучением водорода (линия La), ни в модель лазерного эффекта на этих линиях. И как это обычно бывает, интерес к частному вопросу повлёк за собой значительные последствия. Во-первых, был открыт эффект "спектральной компенсации" ослабления излучения La на длине волны 1215 А в газовых конденсациях и соответственно обнаружено, что эффективная (спектральная) температура линии водорода внутри этих конденсаций весьма высока. Во-вторых, впервые были открыты астрофизические лазеры видимого диапазона на ионах железа и атомах кислорода в газовых конденсациях вблизи n Car. И в-третьих, впервые был предсказан и обнаружен первый нелинейный оптический эффект в космических условиях - двухфотонная квазирезонансная ионизация ионов кремния интенсивным излучением водорода (La, Lp, ...), приводящая к появлению необычно ярких спектральных линий.
Но вернёмся к аномально интенсивным ультрафиолетовым линиям иона железа. Обычно
Si II
А
8.15 эВ
La (HI) 1215 А (10.20 эВ)
0 Si I
h(v1 + v1) = 20.40 эВ
4.06 эВ
////////////М/Щ
А
16.34 эВ
Si III
т/т////////
1892 А
La (HI)
....Д-гХ-
45 А Р
3s3p2P
3s23d 2D
1260 А
La (HI)
21 А
1190 А
3s23p2P0
Si II
Рис. 3. Однофотонная ионизация атомов Si (а) и двух-фотонная ионизация ионов Si интенсивным излучением водорода Ьа (б)
Спектрометр STIS космического телескопа Хаббла зарегистрировал яркую линию с длиной волны 1892 А; пунктир соответствует виртуальному уровню энергии
интенсивность линий водорода оценивалась по формулам, справедливым для туманностей, отдалённых от центральной звезды. Такие туманности называют планетарными, или тепловыми. Их энергия заключена в свободной энергии ионов и электронов, образующихся за счёт фотоионизации атомов водорода под действием планковского излучения центральной звезды. Плотность излучения в спектральных линиях таких туманностей гораздо меньше плотности энергии заряженных частиц. Поэтому спектральная температура резонансных линий водорода очень мала.
Иная ситуация складывается в непосредственной близости к центральной звезде, когда около неё существуют газовые конденсации, как в случае n Car. Планковское излучение с энергией выше границы ионизации водорода ионизует его, полностью поглощается, образуя вокруг звезды зону ионизованного водорода (рис. 2). Граница, отделяющая ионизованный водород от нейтрального, носит название радиуса Стрёмгрена - по имени шведского астро
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.