Главная - Радиоастрономия - Тормозное излучение ионизованного газа


Тормозное излучение ионизованного газа
Наука - Радиоастрономия

В ионизованном газе основной механизм поглощения и излучения в радиодиапазоне – свободно-свободные переходы (по-английски free-free ). Излучение и поглощение происходит за счет изменения энергии свободных электронов, пролетающих вблизи ионов. Коэффициент поглощения равен

Здесь Np  — концентрация протонов, gn – множитель Гаунта (он порядка единицы на сантиметровых волнах и достигает 10 на дециметровых волнах):

Принимается, что распределение электронов по скоростям максвелловское с температурой Te:

Теперь учтем опущенное в (2.22) отрицательное поглощение, или индуцированное излучение. Скорости обоих этих процессов пропорциональны плотности излучения. По аналогии с дискретными переходами, свободно-свободный переход электрона можно рассматривать как переход между двумя уровнями (i и k), но не дискретными, а принадлежащиенепрерывному спектру энергий. Запишем уравнение баланса, учитывая только радиационные процессы:

В левой части записано число переходов в единице объема за единицу времени вниз, с излучением квантов, в правой – переходы вверх, с поглощением. Здесь nk, ni – плотности атомов в состояниях k, i, rik –- плотность излучения на частоте перехода k®i. Перенесем второе слагаемое левой части в правую часть. Полное число фотонов, поглощаемых в спектральной линии, получается как разность поглощения и индуцированного излучения:

Учтем известное соотношение между коэффициентами Эйнштейна:

gi, gk – статистические веса уровней. В случае термодинамического равновесия справедливо распределение Больцмана:

и правая часть формулы (2.26) при выполнении hn << kBTe (приближение Рэлея–Джинса) преобразуется в:

Таким образом, вынужденные переходы k®i можно рассматривать как отрицательное поглощение, они приводят к уменьшению коэффициента поглощения и просветлению среды. В радиодиапазоне эффект отрицательного поглощения очень силен (особенно на низких частотах) и приводит к уменьшению коэффициента поглощения на несколько порядков величины. Все рассмотрение справедливо для двух любых значений энергии в континууме при максвелловском распределении электронов по скоростям. Итак, для учета отрицательного поглощения в радиодиапазоне необходимо домножить коэффициент поглощения (2.22) на . Подставив все значения констант, получим модифицированный коэффициент поглощения:

Здесь N и Np измеряются в см–3, n — в Гц, Te — в градусах Kельвина. Для чисто водородной плазмы N = Np, и можно заменить произведение  на N2.

Можно сопоставить это выражение с полученной ранее классическим методом формулой (2.13) для коэффициента поглощения в плазме k (в случае, когда частота волны много выше плазменной частоты). В обеих формулах зависимость от частоты одна и та же.

При хаотическом движении электронов и ионов в плазме их траектории ориентированы под произвольными углами по отношению к наблюдателю. Поэтому результат сложения волн от элементарных актов взаимодействия ион–электрон дает в целом неполяризованное излучение.

Для расчета интенсивности излучения необходимо знать оптическую глубину объекта

Интеграл в (2.30) берется вдоль луча зрения в пределах излучающего облака. В конечном счете, оптическая глубина tn по свободно-свободному поглощению определяется интегралом от квадрата электронной плотности, взятым вдоль луча зрения. Этот интеграл называется мерой эмиссии (ME – measure of emission). Единица измерения меры эмиссии см–5; применительно к межзвездной среде чаще используют см–6пк (см-6 ´парсек).

Согласно (1.9), яркостная температура излучения равна

В качестве температуры излучающего облака Tc берется величина электронной температуры Te из максвелловского распределения электронов по скоростям (2.24). Коэффициент поглощения  (2.29) сильно зависит от частоты (µ n–2). На низких частотах, где  велик, tn >> 1, Tb @ Tc = const (для изотермического облака), интенсивность излучения определяется формулой Рэлея–Джинса (1.3) и пропорциональна n2. На высоких частотах газ прозрачен, откуда Tb @ Tctn. В первом приближении tn µ n–2, и In не зависит от частоты. Правда, за счет множителя Гаунта имеет место логарифмическое падение интенсивности с ростом частоты. Иногда его аппроксимируют как In µ n–0.1. Итак, спектр изотермического облака ионизованного газа, излучающего свободно-свободным механизмом, рэлей–джинсовский (µ n2) на низких частотах и плоский (слабо зависящий от частоты) на высоких частотах (рис. 2.2). Перегиб спектра происходит вблизи частоты, где tn ~ 1. Частота перегиба связана простым соотношением с мерой эмиссии:

n0 в МГц, ME в см–6пк. Если имеется возможность оценить размер излучающего облака вдоль луча зрения, то по известной частоте перегиба спектра источника n0 можем оценить меру эмиссии ME и среднюю электронную плотность в источнике.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Планеты соседи:

Строение Солнца

News image

ЯДРО - где температура в центре равна 27 м...

Фотосфера

News image

Видимая поверхность Солнца. Достигая толщины около 0,001 RD (200-300 км), пл...

Солнечное пятно

News image

Солнечное пятно - область на Солнце, где температура ниже  (области с ...

Меркурий

News image

Меркурий - самая близкая к Солнцу планета. Среднее расстояние от Ме...

В космосе...

Мой взгляд на космические журналы. Космонавт У Цзе о «Н

News image

Уже достаточно давно у меня сформировалось определенное отношение к космическим журналам. В 1997 г. я приехал учиться в российский Центр по...

Новая гипотеза образования воды на Луне

News image

Американский ученый предложил новую гипотезу образования воды на Луне, которая предполагает, что в недрах спутника содержатся значительные запасы воды. Сразу тр...

Марсоход Спирит застрял окончательно

News image

Американское космическое агентство (NASA) решило отказаться от дальнейших попыток вызволить марсоход Спирит (Spirit), застрявший в песке Красной планеты в ...

Рассматривайте невидимое небо с помощью программы Хромо

News image

Если вы не супермен и не гремучая змея и не обладаете способностью видеть в рентгеновском или инфракрасном диапазоне излучения, то по...

Авторизация



Новости космонавтики:

Купить игровую мышь: рекомендации экспер

News image

Регулярная работа за ноутбуком имеет кучу своих плюсов. Однако существуют и недостатки, так как, например, транспортировка его держа в руках – далеко не всегда хорошая ...

Шпунт л 5 (технические характеристики, Г

News image

Фактически за все время своего существования человек что-то строил. С каждым днем разрабатываются новые технологии строительства зданий и конструкций самых различных масштабов.  Работа экспертов на ...

Выбрать и купить шарико винтовую пару ил

News image

Практически каждый директор предприятия обязательно должен иметь на вооружении мелкий или крупный набор деталей для производственных машин. Это могут быть как детали или механизмы для ...

Как выполняется демонтаж металлоконструк

News image

Демонтаж металлоконструкций – так называется процесс по резке, разборке либо распилу металла на части, в будущем его используют повторно, либо отправляют в специальный пункт приема ...