Žvaigždžių spektrų interpretavimas. II

1. Žvaigždžių spektrų interpretavimas. II Neskaidrumo šaltiniai Tolydinė absorbcija

2. Optinis gylis ir neskaidrumas Spinduliuotės, praėjusios tam tikrą medžiagos sluoksnį, intensyvumas pakinta dydžiu: Čia yra medžiagos tankis,ds− sluoksnio storis, − absorbcijos (ekstinkcijos) koeficientas (angl. opacity – neskaidrumas). • Čia absorbcijos (ekstinkcijos) koeficientą sąlygoja du reiškiniai: (i) tikroji sugertis, kai atomas, pasigavęs fotoną, peršoka į aukštesnį energijos lygmenį; (ii) sklaida, kai fotonas pakeičia skriejimo kryptį ir dingsta iš nagrinėjamo erdvinio kampo. • Spinduliuotės intensyvumo pokytis priklauso nuo dydžių, ir spinduliuotės kelio s absorbuojančioje medžiagoje. Pokytis proporcingas dydžiui, vadinamu optiniu gyliu: spektrų interpretavimas - 3

3. Optinis gylis Tada specifinio intensyvumo pokytis: • Kai optinis gylis =0, nėra ekstinkcijos (žvaigždės fotosferos viršus). Kai optinis gylis =1, intensyvumas sumažėja e kartų. • Jei optinis gylis didelis,  >>1, optiškai storas sluoksnis. • Jei optinis gylis mažas, <<1, optiškai plonas sluoksnis. Suintegruojame ir gauname: spektrų interpretavimas - 3

4. Neskaidrumas • Energija iš fotonų srauto, sklindančio per medžiagą, paimama (pašalinama) dėl • Surištų surištų šuolių (sugertis linijose) • Surištų laisvų šuolių (fotoelektrinė sugertis) • Laisvai laisvų šuolių • Fotonų sklaidos. spektrų interpretavimas - 3

5. Neskaidrumas • Žvaigždžių atmosferose vyrauja vandenilis ir helis. Šie elementai ir yra pagrindinai neskaidrumo šaltiniai daugumai žvaigždžių. • Tolydinei absorbcijai svarbiausi yra surišti laisvi šuoliai, t.y. tokie, kurie jonizuoja atomus.Kai kurie metalai turi sudėtingus spektrus; gretutinės linijos persikloja ir turi įtakos tolydiniam spektrui. • Žvaigždžių medžiagos neskaidrumo koeficientų skaičiavimas svarbus ir daug pastangų reikalaujantis uždavinys. Duomenys teikiami lentelėse. (OPAL – Iglesias et al, ; OP – Seaton et al.). spektrų interpretavimas - 3

6. Neskaidrumas Neskaidrumo koeficiento ir pavienio šuolio tarp atomo energijos lygmenų skerspjūvio sąryšis: Čia Nyra atomų koncentracija. spektrų interpretavimas - 3

7. Sugertis linijose Surištų surištų šuolių metu energija sugeriama arba spinduliuojama ties dažniu:  yra atitinkamai aukštesnio ir žemesnio lygmens sužadinimo energijos.Tokių šuolių dėka atsiranda sugerties linijos. Surištų surištų šuolių skerspjūvis: fyra šuolio osciliatoriaus stipris,  linijos profilio funkcija. spektrų interpretavimas - 3

8. Tolydinė sugertis • Tolydinė sugertis galima šiais atvejais: • 1. Surištas (lygmuo n) laisvas šuolis su greičiu v. Fotono bangos ilgis bus: 2. Laisvas laisvas šuolis, kai elektronas pereina iš vienos laisvos būsenos į kitą. Tada bangos ilgis bus: spektrų interpretavimas - 3

9. Lyman, Balmer, Paschen kontinuumai Vandenilio Lyman serija yra UV. Balmerio serija regimoje šviesoje, Pashen, Brackett ... serijos IR. spektrų interpretavimas - 3

10. Surišti, surišti laisvi ir laisvi šuoliai spektrų interpretavimas - 3

11. Tolydinė sugertis Tolydinis neskaidrumas dėl laisvai laisvų šuolių. Lygmens nindėlis prasideda nuo n=hc(ion-n)ir tęsiasi trumpesniems. Šuolis ties n , nes staiga keičiasi absorbuojančių atomų skaičius: Lyman šuolis (91,2 nm) dėl n=1 indėlio prie trumpesnių; Balmer šuolis (364,7 nm) dėl n=2 indėlio prie trumpesnių. Koeficientą , pilnutinį neskaidrumą ties , apskaičiuosime padauginę niš atomų skaičiaus šioje būsenoje ir susumavę visas būsenas n, kurios įtakoja šį bangos ilgį. Tam tikslui reikalinga Boltzmann formulė. spektrų interpretavimas - 3

12. Sugertis dėl surištų laisvų šuolių spektrų interpretavimas - 3

13. Sugertis dėl laisvų laisvų šuolių Vandeniliui tolydinė absorbcija dėl šių šuolių yra žymiai mažesnė nei surišti laisvi šuoliai. Priklauso nuo elektrono greičio. (galioja Maksvelo pasiskirstymas). spektrų interpretavimas - 3

14. Balmer continuum Paschen continuum Lyman continuum Vandenilio (H) T=30200K Paschen kontinuumas (n=3) nulemia H absorbcijos koeficientą regimoje šviesoje (3647A<<8650A). T=5040K spektrų interpretavimas - 3

15. Neigiamas vandenilio jonas H- Vandenilio atomas gali pagauti ir surišti ir antrą elektroną (ryšio energija 0,754eV). Fotonai, kurių<1.64m,turi pakankamą energiją H-jonizacijai ir grąžinti H į neutralaus atomo būseną su laisvu elektronu. Tam tikslui reikalingus elektronus tiekia metalų jonizacija (Ca+). Saulės tipo žvaigždėms H-yra vyraujantis neskaidrumo šaltinis optiniame diapazone.Ankstyvose (karštose) žvaigždėse vandenilis daugiausia jonizuotas, o vėlyvose (vėsiose) žvaigždėse stinga laisvų elektronų (nėra jonizuotų metalų). spektrų interpretavimas - 3

16. H-tolydinė sugertis Surištų laisvų šuolių sąlygota H–absorbcija atsiranda<1.64m, pasiekia maksimumą ties 800 nm ir mažėja link ultravioleto. Ilgesnėse bangose yra tik laisvai laisva H- absorbcija. (proporcinga-3 ). H-(b-f) H-(f-f) spektrų interpretavimas - 3

17. Tolydinis neskaidrumas Saulėje Neskaidrumo šaltiniai Saulėje: • H– sugertis; • Sugertis Balmerio kontinuume. • Yra ir kitų neskaidrumo šaltinių (žr. toliau). spektrų interpretavimas - 3

18. He absorbcija He neskaidrumas Saulėje nežymus. He jonizacijai reikalinga energija 24,6 eV. Fotojonizacija (surišti laisvi šuoliai) He svarbūs yra aukščiausios temperatūros žvaigždėms ( O sp. klasė). Galimas sugerties atvejis, analogiškas vandeniliui, He– . Svarbus itin vėsių žvaigždžių atmosferose. spektrų interpretavimas - 3

19. Metalų absorbcija Iš metalų geležis vaidina pagrindinį vaidmenį kaip neskaidrumo šaltinis. Saulės tipo žvaigždėse metalų linijos yra svarbus neskaidrumo faktorius UV (svarbesnis už H–). spektrų interpretavimas - 3

20. Molekulės • CN-, C2-, H20- , CH3, TiO svarbus neskaidrumo indėlis vėlyvose žvaigždėse. • Molekulinis vandenilis (H2) turėtų būti labiau paplitęs vėlyviausiose M žvaigždėse nei atominis H (rudosios nykštukės!) • H2absorbcija nereikšminga regimojo spektro srityje, bet svarbi infraraudonajam ruože. • H2+absorbuoja regimoje šviesoje, bet jo yra mažai. H2+svarbus UV labai vėsiose žvaigždėse. spektrų interpretavimas - 3

21. Sklaida • Thompson sklaida. Sklaidos skerspjūvis labai mažas ir vienodas visiems bangų ilgiams (pilkas neskaidrumas): • Neefektyvi žemose temperatūrose (Saulė), efektyvi aukštose temperatūrose (OB žvaigždės, kur medžiaga pilnai jonizuota). • Rayleigh sklaida • Atomų sklaida svarbi G-K žvaigždėse. M žvaigždėse svarbi ir H2. Svarbi supermilžinių išplėstose atmosferose. spektrų interpretavimas - 3

22. Pilnutinis neskaidrumo koeficientas Susumuota per visus j elementus, kurių santykinė koncentracijaxj. 1-exp(-h/kT)narys įskaito stimuliuotą emisiją. Koks santykinis indėlis įvairiose žvaigždėse? spektrų interpretavimas - 3

23. G žvaigždės spektrų interpretavimas - 3

24. A žvaigždės spektrų interpretavimas - 3

25. B žvaigždės B žvaigždėse dominuoja Balmer, Paschen, Bracket tolidinė absorbcija. O žvaigždėse vyrauja elektroninė sklaida spektrų interpretavimas - 3

26. Energijos pasiskirstymas tolydiniame spektre Balmer šuolis ties 3647A. Už šuolio ribos (3647+), neskaidrumas yra mažesnis už vidutinį, todėl žvelgiame giliau į atmosferą. S ( F) yra didesnis nei pilkos atmosferos atveju, Fviršija Planck funkciją. Prieš šuolį 3647-, neskaidrumas yra didesnis už vidutinį, todėl matomi seklesni atmosferos sluoksniai, T mažesnė, mažesnis F. spektrų interpretavimas - 3

27. Balmerio šuolis Balmerio šuolis B-A žvaigždėse: Padidėjęs neskaidrumas Balmerio kontinuume. spektrų interpretavimas - 3

28. Balmerio šuolis ir UBV fotometrija UBV spalvų indeksų skirtumai juodo kūno atžvilgiu atsiranda dėl Balmerio šuolio. Spektro linijos reikšmingos vėlyvoms žvaigždėms. (parodyta punktyrinėmis linijomis). spektrų interpretavimas - 3

29. Rosseland vidutinis neskaidrumas Itin grubiam įvertinimui naudojamas pilkosios medžiagos artinys, kai κnepriklauso nuo bangos ilgio. Geriau naudoti vidutinį neskaidrumą, gautą suvidurkinant neskaidrumus per visus bangų ilgius (dažnius). Tokiu būdu gaunama neskaidrumo funkcija, priklausanti tik nuo medžiagos sudėties, tankio ir temperatūros. Dažniausiai naudojamas Rosseland vidutinis neskaidrumas: spektrų interpretavimas - 3

30. Rosseland vidutinis neskaidrumas Rosseland vidutinis neskaidrumas (Iglesias & Rogers, ApJ, 464, 943, 1996) spektrų interpretavimas - 3

31. Rosseland vidutinis neskaidrumas Nėra paprastų lygčių, kurios aprašytų atskirų spektro linijų indėlį į neskaidrumo koeficientą. Apytikslės formulės, išvestos vidutiniams neskaidrumams dėl surištų-laisvų ir laisvų- laisvų šuolių. ρ – tankis, T – temperatūra, X – vandenilio masės dalis, Z – metalų masės dalis medžiagoje. gbf ir gff– kvantmechaninės pataisos, vadinamos Gaunt daugikliais (žvaigždžių atmosferose apie 1). Daugiklis t, vadinamas giljotinos daugikliu, įskaito atomo indėlio į neskaidrumą nutraukimą, kai atomas buvo jonizuotas (1<t<100). Paprastesnė neskaidrumo išraiška yra Kramers neskaidrumo dėsnis. spektrų interpretavimas - 3

32. Rosseland vidutinis neskaidrumas Rosseland vidurkis dėl elektronų sklaidos: Rosseland vidurkis dėl neigiamo vandenilio jono sugerties (3000<T<6000): Pilnutinis Rosseland vidutinis neskaidrumas yra atskirų neskaidrumų sumos vidurkis: spektrų interpretavimas - 3