УДК 524.5
АНОМАЛЬНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ FeII И ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА HI Lya В ГАЗОВЫХ КОНДЕНСАЦИЯХ ВБЛИЗИ
П СARINAE
© 2004 г. C. Йоханссон1, В. С. Летохов1-2*
1 Лундский университет, Обсерватория, Швеция 2Институт спектроскопии РАН, Троицк
Поступила в редакцию 17.06.2003 г.
Рассмотрено происхождение аномально высокой интенсивности УФ-линий FeII АА2507/2509 A, наблюдаемых с высоким пространственным и спектральным разрешением от газовых конденсаций (ГК) вблизи п Carinae. Показано, что этот редкий эффект в звездных спектрах обусловлен сочетанием нескольких факторов: 1) достаточно высокой плотностью водорода (>108 см-3), обеспечивающей блокирование континуума Лаймана газовыми конденсациями и, соответственно, образование холодной области HI с полностью ионизованными атомами Fe; 2) малым расстоянием ГК от центральной звезды, обеспечивающим достаточно высокую (>8000—10 000 K) спектральную температуру Lya H, которая фотоселективно возбуждает FeII; 3) возникновением инверсной заселенности на уровнях FeII и, соответственно, открытием канала стимулированного излучения, которое наряду со спонтанными переходами создает радиационный цикл, в котором один ион FeII может многократно поглощать излучение Lya.
Ключевые слова: межзвездная среда, газовые туманности, п Car, газовые конденсации, стимулированное излучение, FeII.
ANOMALOUS FeII SPECTRAL EFFECTS AND HIGH HI Lya TEMPERATURE IN GASEOUS CONDENSATIONS NEAR п СARINAE, by S. Johansson and V. S. Letokhov. We consider the origin of the anomalously high intensity of the ultraviolet FeII АА2507/2509 lines observed with high spatial and spectroscopic resolutions from gaseous condensations (GCs) near п Carinae. This rare effect in the stellar spectra is attributable to a combination of several factors: (1) the high hydrogen density (>108 cm-3) that ensures the blocking of the Lyman continuum by GCs and, accordingly, the formation of a cold HI region with completely ionized Fe atoms; (2) the small distance between the GCs and the central star that ensures a high (>8000—10 000 K) Lya H spectral temperature, which photoexcites FeII selectively; and (3) the inverse population of FeII levels and, accordingly, the opening of a stimulated radiation channel, which together with spontaneous transitions creates a radiation cycle where a single FeII ion can multiply absorb Lya emission.
Key words : interstellar medium, gaseous nebulae, п Car, gaseous condensation, stimulated radiation, FeII.
ВВЕДЕНИЕ
Цель настоящей работы состоит в интерпретации аномальных спектральных эффектов, в частности УФ-линий 2507/2509 Л FeII, наблюдаемых с высоким пространственным и спектральным разрешением из газовых конденсаций (ГК) в окрестности самой массивной и яркой звезды Галактики — п Саппае. Как известно, упомянутые
Электронный адрес: letokhov@isan.troitsk.ru;
vladilen.letokhov@astro.lu.se
УФ-линии FeII возникают в результате фотоселективного возбуждения ионов FeII излучением Ьуа за счет случайного совпадения длины волн (Йоханссон, Джордан, 1984; Йоханссон, Хаманн, 1993). Ьуа Н совпадает с переходом, который комбинирует низколежащее (1 эВ) возбужденное состояние с двумя близкорасположенными вы-соколежащими состояниями FeII, а спонтанный распад этих двух состояний дает упомянутые две спектральные линии. Эти аномально яркие линии (2507/2509 Л) привлекают особое внимание, так как они присутствуют в спектрах ГК в близкой
67
5*
окрестности п Caг, зарегистрированных с высоким пространственным и спектральным разрешением отдельно от спектра центральной звезды (см. обзор Дэвидсон, Хэмфриз, 1997) с помощью космического телескопа Хаббл (HST).
Первые прямые наблюдения компактных ГК в окрестности п Caг были сделаны с помощью спекл-интерферометрии (Вейгельт, Эберсбергер, 1986), которые выявили существование трех ГК вблизи центральной звезды (они находятся на расстоянии нескольких сот а.е. от центральной звезды). Резко возросшие наблюдательные возможности HST со спектрометром высокого спектрального разрешения ^Ш) позволили получать спектры одновременно с высоким пространственным разрешением (0'./1) и спектральным разрешением Л/АЛ ~ 105 (Кимбл и др., 1998). Эти инструменты позволили наблюдать спектры ГК отдельно от излучения фотосферы центральной звезды. Анализ спектров показал, что ГК испускают множество узких линий ионизованных элементов (Зетсон, 2001). Однако наиболее удивительными были чрезвычайно яркие
линии флуоресценции FeII ЛЛ2507/2509 Л (Дэвидсон и др., 1995) и последние данные HST (Гулл и др., 2001).
МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ FeII ЛЛ2507/2509 Л ЛИНИЙ В ГК
Оценка лучевой концентрации нейтрального водорода пН = для ГК (в частности, ГК "В") П Саг дает значение более 4 х 1021 см2, где ЫН — плотность Н1, Б — размер ГК. Это означает, что ГК оптически плотен для континуума Лаймана (Л < 912 Л), т.е.
Те = ^лЫ^нБ » 1, (1)
где — сечение фотоионизационного погло-
щения вблизи границы ионизации. Соотношение (1) приводит к выводу об образовании двух пространственно разделенных, но прилегающих друг к другу областей в ГК: горячей области Н11 со стороны центральной звезды и задней более холодной области Н1. Эти две области разделены границей Стромгрена, проходящей внутри ГК. Холодная область Н1 ответственна за множество узких линий FeII, которые делятся на две категории: линии флуоресценции из высоколежащих уровней, фотовозбуждаемых Ьуа, и запрещенные линии из низколежащих, метастабильных уровней.
Условие(1)обеспечивает образование холодной области Н1, в которой атомы Fe ионизованы излучением Л > 912 Л, которое проходит через область Н11. Это дает основу для физической модели образования линий ЛЛ 2507/2509 Л (Йоханссон, Лето-хов, 2001; Климов и др., 2002) в ГК, находящихся
на расстоянии Rb ~ (102 — 103)rs от центральной звезды, где rs — радиус п Car. Другое критическое требование состоит в том, что расстояние до звезды Rb достаточно мало, чтобы обеспечить высокую спектральную температуру Lya на частоте линии поглощения Fell.
Оценить спектральную температуру Та Lya в области ГК можно двумя путями: 1) простой оценкой энергии излучения п Car с Л < Лс, поглощаемой в ГК; 2) оценкой снизу Та из требования возникновения аномально интенсивных линий ЛЛ 2507/2509 A. Рассмотрим оба подхода.
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Ьуа Та
Рассмотрим ГК сферической формы с диаметром Б ^ Къ (рис. 1). Условие (1) выполняется, если плотность водорода Ын превышает некоторую критическую плотность (Йоханссон, Летохов, 2001)
N cr NH
ан J 2 Rb
P(vc,Ts)Avphy/2 (2)
где аН — константа скорости рекомбинации Н11 — — Н1 в состояние 2р. Интегральная интенсивность фотоионизующего водород-излучения звезды с Л < 912 Л, которое достигает поверхности ГК
I,
ph
оо
П j P(v,Ts)dv ~ QP(vc,Ts)Avph,
где Р(и, Т5) — спектральное планковское распределение интенсивности (в фотон/см2 с ст Гц) звезды с температурой фотосферы Т5. Для оценки можно использовать эффективный частотный интервал А^рь ^ 7 эВ выше границы ионизации, где Р(и) и ) достаточно велики. При Т5 = 30 000 К величина Р(^е,Т5)А^ ^ 1023 фотонов/см2 с.
При N > ЫНН нейтральная компонента Н1 ГК поглощает почти все излучение лаймановского континуума, приходящего от центральной звезды. Поглощаемая мощность равна
о
Pabs(v > Vc) ^ ngSab^ P(v,Ts)dl
(3)
= Q^2^2P(vc,Ts)Avph,
где О0 = 4п0 — телесный угол, под которым виден ГК от центральной звезды и ^Ьв = (п/4)Б2 — площадь диска ГК. Поглощенная энергия переизлучается в рекомбинационном спектре водорода,
\
Ка
Vt
t
П Car€;_~~
"c
"K
Ка
Звездный ветер
Ч
Ка
Звездный ветер
И1
Ьуа
И11 ре11
blob
Kc
Ка
Направление к HST/STIS
Область тени
вездный ветер
vt
t
Рис. 1. Геометрия расположения п Саг и газовой конденсации (ГК), которая блокирует излучение лаймановского континуума так, что передняя часть Н11 полностью ионизована, а задняя часть Н1 содержит ионы Ре11. Ионы Ре11 в Н1 области фотоселективно возбуждаются фотонами Ьуа, либо диффундирующими из области Н1 ГК, либо от близлежащей торообразной области звездного ветра п Саг, также ионизуемого континуумом Лаймана.
причем большая часть (п1 = 0-7) испускается в резонансной линии Н1 Ьуа. Максимальная величина оптической плотности то(Ьуа) в области Н11 по центру линии
T0m^ph(vc) ^ 5 х 103
(4)
-14
см
-2 .
сечение
где а0 = ст12(Ьуа) = 1.4 х 10 резонансного рассеяния по центру линии, Стрь(ус) = = 3 х 10"18 см2.
Излучение Ьуа подвергается диффузионному пленению в области Н11, но время диффузионного удержания ограничено тем, что число рассеяний ограничено. Это ограничение обусловлено допле-ровским перераспределением частот при рассеянии фотонов Ьуа, что обеспечивает относительно быстрое ускользание фотонов из области пленения через крылья доплеровского профиля (Остерброк, 1989). Так как оптическая плотность т0 ограничена величиной т0т = (г0/арь, а демпинг-фактор для Ьуа равен а = Дуга^/Дуо, то оптическая плотность на лоренцовских крыльях ат™ — 1. Следовательно, фотоны Ьуа покидают область Н11 за счет диффузии с увеличением доплеровской ширины на фактор в — (1пт™)1^2 — 3. Таким образом, полная мощность, испускаемая поверхностью ГК в линии
Ьуа равна
Реш(Ьуа) — 4^еш Р (^Ьу«,Та)(Д^0 в), (5)
где Та — эффективная спектральная температура Ьуа, £ет = пБ2 — площадь излучающей поверхности сферической ГК. В действительности £ет может немного отличаться от пБ2 из-за особенностей формы излучающей поверхности области Н11 (рис. 1).
Средняя спектральная интенсивность Ьуа на поверхности ГК определяется распределением Планка на частоте уа(Ьуа) и спектральной яркостной температурой Та, где принимается во внимание уширение спектра при пленении. В стационарном состоянии, в предположении, что поглощение плененного Ьуа излучения в области Н11 ГК пренебрежимо мало, имеем
ПРаЬ8(V > Ус) = Рет(Ьуа). (6)
Следовательно, яркостная температура Та излучения Ьуа ГК может быть оценена из выражения (6):
Р(^уо,Та) = |о^|Р(г/с,Т8). (7)
Фактор дилюции излучения центральной звезды в значительной степени компенсируется эффектом
спектральной компрессии поглощенной энергии Лаймановского континуума в относительн
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.