Spettroscopia nebulare

1. Spettroscopianebulare Stefano Ciroi Padova, 9/13 Dic 2004

2. Orion nebula (M42)

3. Horsehead nebula

4. Eagle nebula

5. Cat’s Eye nebula Dumbbell nebula Ring nebula (M57)

6. Helix nebula Eskimo nebula

7. Crab nebula (M1) Veil nebula Criss-Cross nebula

9. Le misure in astronomia 1 Å = 10-4 m = 10-7 mm = 10-8 cm Lunghezza d’onda 1 pc = 3.26 a.l. = 3.09x1013 km = 3.09x1018 cm Distanza Energia 1 erg = 10-7 joule = 6.2x1011 eV

10. intensità S’ flusso q W S intensità (erg cm-2 s-1 sr-1) flusso (erg cm-2 s-1) luminosità (erg s-1)

11. Livelli d’energia nell’atomo di H n=5 n=4 n=3 n=2 n=1

12. n=5 n=4 n=3 n=2 n=1

13. n=5 n=4 n=3 n=2 n=1

14. Å costante di Planck h = 6.6x10-27 erg s-1 velocità della luce c = 3x1010 cm s-1

15. Orbitali e regole di selezione • Esistono 5 numeri quantici: • n n. q. principale = 1, 2, 3, …,  • L n. q. azimutale = 0, 1, 2, …, n-1 • = S, P, D, … • s n. q. di spin =  ½ • j n. q. interno = L  ½ • mj n. q. magnetico = -j, …, +j

16. 8195 Å 11404 Å 8183 Å 5890 Å 5896 Å Esempio  atomo di Na

17. DL = ± 1 • Ds = 0 • Dj = ±1,0 Attenzione Non tutti i salti fra livelli d’energia sono permessi Esistono delle regole, dette regole di SELEZIONE, imposte dalla meccanica quantistica!

18. 4861 Å 1015 Å 6563 Å 1216 Å Atomo di H

19. A0 = AI A+ = AII A++ = AIII A+++ = AIV Le transizioni • Transizioni fra stati legati • (bound-bound) • Transizioni fra stati legati e stati liberi • (bound-free, free-bound) • Transizioni fra stati liberi • (free-free)

20. transizioni fra stati legati

21. transizioni fra stati legati e liberi

22. A+ e- transizioni fra stati liberi

24. K=1/2 mev2 Energia cinetica Energia di ionizzazione E0 La fotoionizzazione

25. cioè Condizione per avere fotoionizzazione: Potenziali di ionizzazione (eV)

26. e- A0 A+ La probabilità che un fotone ionizzante (n > n0) sia catturato da un atomo è uguale per qualsiasi fotone ionizzante di qualsiasi frequenza?  NO! Essa dipende da n-3, cioè è più bassa per fotoni ad alta frequenza, ossia per fotoni molto energetici.

27. e- A+ A0 Righe di ricombinazione La probabilità che un elettrone libero (con velocità v) sia catturato da un atomo è uguale per qualsiasi elettrone di qualsiasi velocità?  NO! Essa dipende da v-2, cioè è più bassa per elettroni ad alta velocità, ossia per elettroni con energia cinetica elevata.

28. Ricombinazione a livello fondamentale Ricombinazione a cascata

29. [S II]6716 [N I]5200 [N II]6548 [S II]6731 [O III]4959 [N II]6583 [O III]5007 He I 5876 Hg 4340 He II 4686 [N II]5755 [O II]3727 Ha 6563 [O I]6300 [Ne III]3869 Hb 4861 [O I]6363 [Ne III]3968

30. m n densità di atomi con elettroni a livello m (cm-3) probabilità di transizione spontanea dal livello m a livello n (s-1) emissività della riga energia del fotone emesso (erg) Quanto impiega un elettrone a scaricarsi dal livello 2 al livello 1?

31. r Intensità di una riga densità di colonna (cm-2)

32. costanti da meccanica quantistica costante di Boltzmann k = 8.62 x 10-5 eV K-1 da equazione di Boltzmann 4 3 2 Decremento di Balmer T=10 000 K

33. Ha Hb Hg

34. H0 H+ H+ + H0 Rs Stella centrale I primi fotoni ionizzanti ad essere catturati saranno quelli con n = n0, gli ultimi saranno quelli più energetici, cioè con n >> n0, i quali si saranno allontanati di più dalla stella. Sfera di Strömgren Nube di H

35. Temperatura superficiale della stella (K) Raggio della sfera di Strömgren (pc) Densità di idrogeno (cm-3) Numero di fotoni ionizzanti (s-1) NH=10 cm-3

36. 4363 Å • DL = ± 1 • Ds = 0 • Dj = ±1,0 5007 Å 4959 Å Righe proibite Livelli metastabili [O III]

37. [O III] Hb [O II] Hg [Ne III] He II [N II] [O III] Ha [O I] [S II] He I

38. e- A+ A+ e-

39. Le collisioni fra atomi (neutri o ionizzati) ed elettroni liberi sono responsabili della formazione delle righe proibite. In realtà esiste una probabilità di transizione spontanea anche nelle righe proibite, ma questa è molto più bassa che nel caso delle righe permesse. densità elettronica (cm-3) differenza di energia fra i livelli (eV) frequenza delle transizioni collisioniali (s-1) temperatura elettronica (K)

40. poche eccitazioni nm • poche diseccitazioni mn • dominano le transizioni spontanee Ne è troppo bassa • dominano le collisioni • eccitazioni da n e m verso livelli superiori a m • pochi atomi con elettroni al livello m Ne è troppo alta Densità critica Nc Che valore deve avere la densità elettronica Ne per consentire di osservare una transizione proibita fra due livelli m e n ?  Esiste un valore di Nc per ogni riga proibita  Le righe proibite raggiungono la max intensità per Ne=Nc

41. 3 4363 2 5007 4959 1 Atomo a 3 livelli Caso dell’[O III]  misura della temperatura densità di atomi con elettroni al livello 2 (cm-3) probabilità di transizione spontanea da 2 a 1 (s-1) rapporto fra l’intensità di due righe probabilità di transizione spontanea da 3 a 2 (s-1) densità di atomi con elettroni al livello 3 (cm-3)

42. Utilizzando le righe di [O III] a 4363, 4959 e 5007 Å si ottiene: Per Ne < 105 cm-3 questo rapporto è funzione solo di T:

43. 3 2 6716 6731 1 Caso dell’[S II]  misura della densità densità di atomi con elettroni al livello 3 (cm-3) probabilità di transizione spontanea da 3 a 1 (s-1) rapporto fra l’intensità delle due righe probabilità di transizione spontanea da 2 a 1 (s-1) densità di atomi con elettroni al livello 2 (cm-3)

44. I6716/I6731 dipende molto da Ne e poco da T Se Ne è bassa: Se Ne è alta: