Сфера Стрёмгрена

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources in this article. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Strömgren sphere" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (August 2011) (Learn how and when to remove this message)

В теоретической астрофизике вокруг молодой звезды спектральных классов O или B может существовать сфера ионизированного водорода (H II) . Теория была выведена Бенгтом Стрёмгреном в 1937 году и позже названа сферой Стрёмгрена в его честь. Туманность Розетка является наиболее ярким примером этого типа эмиссионной туманности из областей H II .

Очень горячие звезды спектрального класса O или B испускают очень энергичное излучение, особенно ультрафиолетовое излучение , которое способно ионизировать нейтральный водород (HI) окружающей межзвездной среды , так что атомы водорода теряют свои одиночные электроны. Это состояние водорода называется H II. Через некоторое время свободные электроны рекомбинируют с этими ионами водорода. Энергия повторно излучается, но не как одиночный фотон , а скорее как серия фотонов меньшей энергии. Фотоны теряют энергию по мере того, как они движутся наружу от поверхности звезды, и недостаточно энергичны, чтобы снова способствовать ионизации. В противном случае вся межзвездная среда была бы ионизирована. Сфера Стрёмгрена — это теоретическая конструкция, которая описывает ионизированные области.

В своей первой и простейшей форме, выведенной датским астрофизиком Бенгтом Стрёмгреном в 1939 году, модель исследует воздействие электромагнитного излучения одиночной звезды (или плотного скопления подобных звезд) с заданной температурой поверхности и светимостью на окружающую межзвездную среду заданной плотности. Для упрощения расчетов межзвездная среда принимается однородной и состоящей исключительно из водорода.

Формула, выведенная Стрёмгреном, описывает связь между светимостью и температурой возбуждающей звезды с одной стороны, и плотностью окружающего водородного газа с другой. Используя её, размер идеализированной ионизированной области можно рассчитать как радиус Стрёмгрена . Модель Стрёмгрена также показывает, что на краю сферы Стрёмгрена существует очень резкое обрезание степени ионизации. Это вызвано тем, что переходная область между газом, который сильно ионизирован, и нейтральным водородом очень узкая по сравнению с общим размером сферы Стрёмгрена. ^[1]

Вышеупомянутые соотношения следующие:

• Чем горячее и ярче возбуждающая звезда, тем больше сфера Стрёмгрена.
• Чем плотнее окружающий водородный газ, тем меньше сфера Стрёмгрена.

В модели Стрёмгрена сфера, которая теперь называется сферой Стрёмгрена, состоит почти исключительно из свободных протонов и электронов. Очень небольшое количество атомов водорода появляется при плотности, которая увеличивается почти экспоненциально к поверхности. За пределами сферы излучение частот атомов сильно охлаждает газ, так что он выглядит как тонкая область, в которой излучение, испускаемое звездой, сильно поглощается атомами, которые теряют свою энергию на излучение во всех направлениях. Таким образом, система Стрёмгрена выглядит как яркая звезда, окруженная менее излучающим и труднонаблюдаемым шаром.

Стрёмгрен не знал теории оптической когерентности Эйнштейна. Плотность возбуждённого водорода мала, но пути могут быть длинными, так что гипотеза о сверхизлучении и других эффектах, наблюдаемых с помощью лазеров, должна быть проверена. Предполагаемая сверхизлучающая оболочка Стрёмгрена испускает пространственно-когерентные, некогерентные во времени лучи в направлении, для которого путь в возбуждённом водороде максимален, то есть по касательной к сфере.

В объяснениях Стрёмгрена оболочка поглощает только резонансные линии водорода, так что доступная энергия мала. Если предположить, что звезда является сверхновой, то сияние испускаемого ею света соответствует (по закону Планка) температуре в несколько сотен кельвинов, так что несколько частот могут объединиться, чтобы создать резонансные частоты атомов водорода. Таким образом, почти весь свет, испускаемый звездой, поглощается, и почти вся энергия, излучаемая звездой, усиливает касательные, сверхизлучающие лучи.

Туманность Ожерелье — это сфера Стрёмгрена. Она имеет вид пунктирного круга, который и дал ей название.

В остатке сверхновой 1987A оболочка Стрёмгрена сжата в песочные часы, конечности которых подобны трем жемчужным ожерельям.

Как оригинальная модель Стрёмгрена, так и модифицированная Маккалоу модель не учитывают эффекты пыли, комковатости, детального переноса излучения или динамических эффектов. ^[2]

В 1938 году американские астрономы Отто Струве и Крис Т. Элви опубликовали свои наблюдения эмиссионных туманностей в созвездиях Лебедя и Цефея, большинство из которых не концентрируются на отдельных ярких звездах (в отличие от планетарных туманностей). Они предположили, что ультрафиолетовое излучение O- и B-звезд является необходимым источником энергии. ^[3]

В 1939 году Бенгт Стрёмгрен занялся проблемой ионизации и возбуждения межзвёздного водорода. ^[1] Это статья, отождествлённая с концепцией сферы Стрёмгрена. Однако она опирается на его более ранние аналогичные работы, опубликованные в 1937 году. ^[4]

В 2000 году Питер Р. Маккалоу опубликовал модифицированную модель, допускающую наличие вакуумированной сферической полости, либо центрированной на звезде, либо со смещенной звездой относительно вакуумированной полости. Такие полости могут быть созданы звездными ветрами и сверхновыми . Полученные изображения больше напоминают многие реальные области H II, чем исходная модель. ^[2]

Предположим, что область имеет точно сферическую форму, полностью ионизирована (x=1) и состоит только из водорода, так что численная плотность протонов равна плотности электронов ( ) . Тогда радиус Стрёмгрена будет областью , где скорость рекомбинации равна скорости ионизации. Мы рассмотрим скорость рекомбинации всех энергетических уровней, которая равна${\displaystyle n_{e}=n_{p}}$${\displaystyle N_{R}}$

${\displaystyle N_{R}=\sum _{n=2}^{\infty }N_{n},}$

${\displaystyle N_{n}}$— скорость рекомбинации n-го энергетического уровня. Причина, по которой мы исключили n=1, заключается в том, что если электрон рекомбинирует непосредственно на основной уровень, атом водорода высвободит другой фотон, способный ионизировать вверх с основного уровня. Это важно, так как электрический дипольный механизм всегда производит ионизацию вверх с основного уровня, поэтому мы исключаем n=1, чтобы добавить эти эффекты ионизирующего поля. Теперь скорость рекомбинации конкретного энергетического уровня равна (с ):${\displaystyle N_{n}}$${\displaystyle n_{e}=n_{p}}$

${\displaystyle N_{n}=n_{e}n_{p}\beta _{n}(T_{e})=n_{e}^{2}\beta _{n}(T_{e}),}$

где - коэффициент рекомбинации n- го энергетического уровня в единичном объеме при температуре , которая является температурой электронов в кельвинах и обычно совпадает со сферой. Таким образом, после суммирования мы получаем${\displaystyle \beta _{n}(T_{e})}$${\displaystyle T_{e}}$

${\displaystyle N_{R}=n_{e}^{2}\beta _{2}(T_{e}),}$

где — общая скорость рекомбинации, имеющая приблизительное значение${\displaystyle \beta _{2}(T_{e})}$

${\displaystyle \beta _{2}(T_{e})\approx 2\times 10^{-16}T_{e}^{-3/4}\ \mathrm {[m^{3}s^{-1}]} .}$

Используя в качестве числа нуклонов (в данном случае протонов), мы можем ввести степень ионизации так , а численная плотность нейтрального водорода равна . С поперечным сечением (которое имеет единицу площади) и числом ионизирующих фотонов на площадь в секунду , скорость ионизации равна${\displaystyle n}$${\displaystyle 0\leq x\leq 1}$${\displaystyle n_{e}=xn}$${\displaystyle n_{h}=(1-x)n}$ ${\displaystyle \alpha _{0}}$${\displaystyle J}$${\displaystyle N_{I}}$

${\displaystyle N_{I}=\alpha _{0}n_{h}J.}$

Для простоты мы будем рассматривать только геометрические эффекты по мере удаления от источника ионизации (источника потока ), поэтому имеем закон обратных квадратов :${\displaystyle J}$${\displaystyle S_{*}}$

${\displaystyle \alpha _{0}n_{h}J(r)={\frac {3S_{*}}{4\pi r^{3}}}.}$

Теперь мы можем рассчитать радиус Штромгрена из баланса между рекомбинацией и ионизацией.${\displaystyle R_{S}}$

${\displaystyle {\frac {4\pi }{3}}(nx)^{2}\beta _{2}R_{S}^{3}=S_{*}}$

и наконец, вспоминая, что область считается полностью ионизированной ( x = 1):

${\displaystyle R_{S}=\left({\frac {3}{4\pi }}{\frac {S_{*}}{n^{2}\beta _{2}}}\right)^{\frac {1}{3}}.}$

Это радиус области, ионизированной звездой типа OB .

• Реионизация
• Желоб Ганна-Петерсона