научная статья по теме НАКАЧКА МАЗЕРОВ Н О: ЭФФЕКТ КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В СТОЛКНОВЕНИЯХ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ Н И Н О Астрономия

Текст научной статьи на тему «НАКАЧКА МАЗЕРОВ Н О: ЭФФЕКТ КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В СТОЛКНОВЕНИЯХ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ Н И Н О»

УДК 524, 53.01

НАКАЧКА МАЗЕРОВ Н2О: ЭФФЕКТ КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В СТОЛКНОВЕНИЯХ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ Н2 И Н2О

© 2014 г. А. В. Нестерёнок1*, Д. А. Варшалович1,2

1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Поступила в редакцию 20.02.2014 г.

Исследуется эффект квазирезонансной передачи энергии в столкновениях между молекулами Н2 и Н2О в источниках мазерного излучения Н2О. В расчетах используются новые данные по скоростям столкновительных переходов, которые учитывают изменение состояний обеих молекул Н2О и Н2. Приведены результаты расчетов инверсии населенностей уровней орто-Н2О для переходов 22.2, 380, 439 и 621 ГГц. Показано, что инверсия населенностей уровней орто-Н2О существенно зависит от распределения населенностей вращательных уровней молекулы пара-Н2 7 = 0 и 7 = 2. Рассматривается возможность квазирезонансной передачи энергии в столкновениях между молекулами Н2О и молекулами Н2, находящимися на высоковозбужденных колебательно-вращательных уровнях. Эффект квазирезонансной передачи энергии может играть роль в накачке мазеров Н2О в центральных областях активных галактических ядер, а также в областях звездообразования.

Ключевые слова: космические мазеры, области звездообразования, активные галактические ядра.

DOI: 10.7868/S0320010814070067

ВВЕДЕНИЕ

Мазерное излучение Н2О наблюдается во многих астрофизических объектах — в расширяющихся оболочках звезд позднего спектрального класса, в областях звездообразования, а также в центральных областях активных галактических ядер. Изотропные светимости в линии 22.2 ГГц для источников, наблюдаемых в нашей Галактике, лежат в диапазоне от <10-7 до 10-2Lo, в редких случаях (W49N) достигая 1Lo (Палагиидр., 1993;Лилже-стром и др., 1989). Наиболее яркие галактические мазеры Н2О наблюдаются в областях звездообразования. В областях звездообразования мазерное излучение Н2О рождается в околозвездных дисках и в ударных волнах, образованных биполярными потоками и звездным ветром молодых звезд (Тор-реллес и др., 2005).

Первые источники мазерного излучения Н2О в линии 22.2 ГГц, открытые в других галактиках, имели изотропные светимости порядка 0.1 — 1 Lo (Черчвелл и др., 1977). Однако в 1979 г. Дос Сантос и Лепин обнаружили мощное мазерное излучение Н2О от центральной области галактики NGC 4945.

Электронный адрес: alex-n10@yandex.ru

Изотропная светимость мазера составила около 100 что на несколько порядков выше характерных светимостей источников мазерного излучения Н2О в нашей Галактике. В настоящее время известно около 150 галактик, от центральных областей которых наблюдается мощное мазерное излучение Н2О (Тарчи, 2012). Изотропные светимости источников в отдельных случаях превышают

104 Ь& (Кастания и др., 2011). Все эти галактики имеют признаки активности в галактических ядрах. Мазерное излучение Н2О в центральных областях активных галактических ядер рождается в аккреционных дисках около сверхмассивных черных дыр (Моран, 2008). В отдельных случаях мазерное излучение Н2О может наблюдаться вдоль области радио-джета (Пек и др., 2003), а также может ассоциироваться с потоками плотного молекулярного газа, исходящими из центральной энергетической машины (Гринхилл и др., 2003). Мазерное излучение Н2О является уникальным инструментом для исследования структуры и кинематики газа в окрестностях энергетических машин в центральных областях активных галактических ядер.

В качестве основного механизма накачки Н2О-мазеров, как правило, рассматривается столкно-вительное возбуждение молекул Н2О на вышележащие уровни с последующей радиационной дезактивацией этих уровней (Стрельницкий, 1973; Йейтс и др., 1997). В работе Варшаловича и др. (1983) был предложен механизм накачки мазера Н20, в котором возбуждение уровней молекулы Н20 осуществляется в результате квазирезонансной передачи энергии между молекулами Н2 и Н2О. Поглощение ультрафиолетового излучения, столкновения молекул с высокоэнергичными фотоэлектронами и реакции образования приводят к заселению высоковозбужденных колебательно-вращательных уровней молекул. Перечисленные процессы могут иметь место в фото- и рентгено-диссоционных областях, а также в диссоциативных ударных волнах. Дезактивация возбужденных уровней молекул может происходить как за счет испускания электромагнитного излучения, так и за счет столкновительных процессов. При этом возможна квазирезонансная передача энергии возбуждения в столкновениях между молекулами.

В настоящей работе исследуется влияние квазирезонансной передачи энергии в столкновениях между молекулами Н2 и Н2О на величину инверсии населенностей уровней Н2О. В работе использовались данные по столкновительным коэффициентам из работДюбернеи др. (2009), Даниель и др. (2010, 2011). В расчетах учитывались столкновительные переходы из состояния в состояние для нижних 45 вращательных уровней молекулы орто-Н2О и уровней молекулы пара-Н2 1 = 0 и 1 = 2. Рассматривалась простая модель газопылевого облака с постоянными физическими параметрами. В расчетах населенностей уровней использовался метод Л-итераций с ускорением (Рибицки, Хаммер, 1991).

КВАЗИРЕЗОНАНСНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ В столкновениях МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ Н2О И Н2

Основными условиями квазирезонанса в столкновениях между молекулами являются: критерий Месси, сохранение суммарного вращательного углового момента частиц, сохранение произведения четностей волновых функций частиц, сохранение ядерного спина у каждой из молекул (Варшалович и др., 1983).

Согласно критерию Месси приращение суммы энергий возбуждения молекул до и после столкновения должно удовлетворять неравенству | Де| < < Ну/р, где |Де| — дефект энергии возбуждения,

V — относительная скорость частиц, р — характерный радиус взаимодействия. Для столкновений Н2О и Н2 данное условие можно переписать в виде

\Де|

—^ ~ 4 х 10_16-> р

эрг,

(1)

где Ут — средняя относительная скорость молекул, Тд — кинетическая температура газа в Кельвинах, при оценке радиус взаимодействия р между Н2О и Н2 полагался равным 2.5 А (Валирон и др., 2008). Дефект энергии возбуждения равен

Де = еИ20 + еИ2 - еИ20 " еИ2,

где е и е' — энергии уровней молекул до и после столкновения соответственно.

Условия сохранения суммарного углового момента молекул и сохранения произведения четно-стей можно записать в виде (Варшалович и др., 1983)

^И2 + ^0,

+ Jи2 0

(2)

0 = ПИ2 ПИ20 ,

где J и J' — вектор вращательного углового момента молекулы до и после столкновения, п и П — четность волновой функции молекулы относительно инверсии пространственных координат до и после столкновения соответственно (орбитальный угловой момент относительного движения молекул в данном случае равен 0). Четность волновых функций молекулы Н2 равна пи2 = (—1)У, четность волновых функций молекулы Н2О равна пи20 = = (—\у+Ка+Кс, где Ка и Кс — квантовые числа, которые характеризуют проекции вектора вращательного момента на внутренние оси молекулы (Теннисон и др., 2001). Сохранение ядерного спина у молекул означает, что запрещены переходы, изменяющие орто-/пара- состояния молекул:

^0 = !И 20,

И2

I'

И2,

(3)

где I и I' — ядерный спин молекул до и после столкновения, I = 0 соответствует пара-состояниям, I = 1 — соответствует орто-состояниям.

В работе Дюберне и др. (2009) приводятся данные по скоростям столкновительных переходов в соударениях молекул орто-Н2О и пара-Н2 для 45 нижних вращательных уровней Н2О и для Н2 в состоянии 1 = 0 с изменением вращательного углового момента Д1 = 0, +2, а также для Н2 в состоянии 1 = 2 и Д1 = 0, —2. Рассмотрим столкновительные переходы Н2О с уровня г на уровень к и переходы Н2 с уровня 1 = 2 на уровень 1 = = 0, для которых выполняются условия квазирезонанса (1)—(3). Соответствующие столкновительные коэффициенты обозначим как Су=2^°, при этом г < к. На рис. 1 приведены отношения

§10 О*-

т

(N

J

О

1

0.1

-75 -50 -25 0 25 50 75 Дефект энергии Де, см-1

• 1 1 1 1 1 300 K 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

г Л 400 K

; х 800 K • • •

- • 1500 K с : * * :

г X * л* „ • Д А А - * ХД X :

- • X 8 X* X А ^ -

• X • „ •х • X V _ Г V

: • • ..... * ......... X Х • * : ...........

Рис. 1. Отношение столкновительных коэффициентов для переходов Н2ОиН2, для которых имеет место квазирезонансная передача энергии, и средних значений коэффициентов для переходов без квазирезонанса. По оси абсцисс отложен дефект энергии возбуждения. Приведены данные для четырех значений температур — 300, 400, 800 и 1500 К.

столкновительных коэффициентов для квазирезонансной активации Н2О и средних значений коэффициентов для переходов без квазирезонанса, т.е. С^Т2^0 / {С1м)- Усреднение в {С1т) проводится по следующим переходам I — т в Н2: 3 = 0 — — 0, 0 — 2, 2 — 2. Средние значения отношений коэффициентов составляют, приблизительно, 27, 13, 3 и 2 для температур газа 300, 400, 800 и 1500 К соответственно.

ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИ

Наблюдаемые размеры источников мазерного излучения Н2О в областях звездообразования составляют ~1012 —1013 см (Матвеенко и др., 2000; Усканга и др., 2005; Матвеенко, Демичев, 2010). Размеры мазерных источников в аккреционных дисках в центральных областях активных галактических ядер, по всей видимости, составляют ~1014 см (Картье и др., 1999). Плотности газа в источниках мазерного излучения Н2О могут лежать в диапазоне 107-1010 см 3. При больших плотностях имеет место термализация населенностей уровней вследствие столкновительных процессов. Меньшие плотности газа, по всей видимости, также маловероятны, так как в этом случае необходимо высокое относительное содержание Н2О. Для генерации интенсивного мазерного излучения Н2О необходимы высокие колонковые концентрации Н2О вдоль луча зрения 1018—1019 см-2 (Йейтс

и др., 1997). Температура газа в источниках излучения составляет 300—1500 К. При более высоких температурах имеет место диссоциация молекул Н2О (Нестерёнок, Варшалович, 2011). Столкно-вительная накачка мазера наиболее эффективна, когда температура пыли много меньше температуры газа (Болгова и др., 1977; Йейтс и др., 1997; Бабковская, Поута

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Астрономия»