5.4. Рекомбинационные радиолинии

Кроме радиоизлучения в непрерывном спектре, у зон HII наблюдаются спектральные линии, возникающие при переходах между высоковозбужденными атомарными уровнями с большими значениями главного квантового числа n.

Формула Ридберга для частот переходов между уровнями с главным квантовым числом n и n + Dn в водородоподобном атоме:

. (5.28)

Здесь Z – заряд ядра, R – постоянная Ридберга, для данной массы атома M:

, (5.29)

R_¥ – постоянная Ридберга для атома с бесконечно большой массой ядра. Для переходов между близко расположенными высоковозбужденными уровнями, когда n >> Dn,

. (5.30)

Обозначения для переходов между высоковозбужденными уровнями следующие: Hn(Dn), первая буква – символ элемента, к которому относится атом (в данном случае водород), n – главное квантовое число нижнего уровня перехода, для обозначения величины Dn используют по аналогии с оптическими переходами греческие буквы a для Dn = 1, b для Dn = 2, g для Dn = 3 и т.д. В этих обозначениях линия La – H1a, Ha – H2a, Hg – H2g, Brackettg – H4g. Для атома водорода при n~ 20–60 частоты переходов Dn = = 1 попадают в диапазон миллиметровых волн, при n ~ 60–130 – в сантиметровый диапазон и при n > 130 – в диапазон дециметровых и метровых волн. Длины волн некоторых переходов водорода: H42a – 3.3 мм, H109a – 6 см, H157a – 18 см, H300a – 1.25 м.

Переходы между высоковозбужденными уровнями происходят при рекомбинациях атомов, когда электрон попадает на один из высоких уровней и совершает каскад по уровням с большими n. Поэтому линии, образующиеся при таких переходах, называют рекомбинационными линиями (РЛ).

Два типа объектов в Галактике, где обнаружены РЛ, – зоны HII и слабо ионизованные облака межзвездного газа.

Профили и интенсивности рекомбинационных линий. Для оптически тонкого газа dI µ dN(v). Если скорости атомов имеют максвелловское распределение по скоростям, линия имеет гауссову форму. Ширина линии:

. (5.31)

Вследствие турбулентности реальная ширина линии может быть в несколько раз больше тепловой, соответствующая ширине температура до 3?10⁴ K. При крупномасштабных движениях профиль линии может быть асимметричным. Коэффициент поглощения в линии в зависимости от частоты (с учетом вынужденных переходов):

, (5.32)

f(n) – форма профиля, N_n_¢, N_n – населенности уровней перехода n¢ (верхний), n (нижний), B_nn_¢, B_n_¢n – коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов вверх и вниз. Населенности уровней, особенно высоковозбужденных, могут заметно отличаться от равновесных значений, соответствующих распределению Больцмана в случае локального термодинамического равновесия (ЛТР). Отношение населенностей может быть записано в виде:

(5.33)

b_n – отношение реального числа атомов на уровне n к числу, предписываемому статистикой Больцмана при локальном термодинамическом равновесии (ЛТР, §1.2). Графики величины b_n и ее логарифмической производной в зависимости от n для разных значений электронной плотности приведены на рис. 5.9. Коэффициент поглощения в линии

, (5.34)