Введение к работе
Актуальность темы. Экспериментальные и теоретические аспекты.
Учитывая многочисленность экспериментальных работ по наблюдению рвкомбинационных спектров от миллиметровых до декаметрових длин волн.с все более высоким пространственным и спектральным разрешениям, спектроскопия ридберговских состояний атомов и ионов и в дальнейшем мотет сыграть немаловажную роль в исследованиях как крупномасштабной структуры Вселенной, в томчюлэ и ранней эпохи её эволюции, так и целого ряда "мелкомасштабных" объектов нашей Галактики с ярко выраженными динамическими процессами.
Сама по себе проблема ридберговских атомов в астрофизике не нова. Толчком к развитию радиоастрономических исследований послужило теоретича чое предсказание и обнаружение радиолиний водорода при перехода кеаду состояниями с /7~Ю0 [I-J . В последствии было прове-
. I
> I
депо большое число измерений в стандартном частотном диапазоне от 0,1-100 ГГц и собрана значительная информация о физических условиях в протяженных и компактных зонах НИ [7j .
Особый интерес представляют экспериментальные исследования облаков в молекулярных комплексах в метровых и декаметрових линиях поглощения с П = 500 - 750 , открытых в 1979-1980 годах в РАС (МАИ (Пущино) и К1АН (Харьков), в направлении на радиоисточник Кассиопею А. Уникальность обнаруженных линий углерода заключается в возможностях диагностики облаков холодного, малоплотного газа в рукавах Галактики в сериях линий, близких к предельным ридберговским состоя- ниш.! атомов [&-IIJ .
В другом предельном случае больших плотностей частиц, соответ-
5 7 —3
ствующих компактным зонам НИ с концентрациями порядка 10 -10 см ,
в настоящее время активные исследования проблем звездообразования
ведутся в миллиметровом'диапазоне длин волн с угловым разрешением
и ~1тЮ , причем удается наблюдать рекомбинационные спектры в отдельных оболочках массивных звезд, и в частности мазерний'эффект [12] .
Наиболее полно итоги экспериментальных исследований за последние 25 лет отражены в сборнике коллоквиума МАС [ІЗ] . Обзор экспериментальных достижений спектроскопии ридберговских атомов будет не достаточным, если не упомянуть основные направления по изучению ридберговских атомов в лабораторной плазме [14] . Благодаря созданию мощных лазеров, перестраиваемых по частоте с высокой селективностью по энергиям и поляризации, в диапазоне II = 5-40, типичном для лабораторных условий, изучались энергетические интервалы тонкой и сверхтонкой структуры. Представляют интерес для погашання корреляционных свойств электронов наблюдения серий автоионизационных состояний. Усовершенствование методов получения и регистрации высоковозбуж-денных состояний позволило проводить измерения поляризуемостей, вре-
мен распада состояний , уширегаїя и сдвига линий при рассеянии частиц, во внешних полях. Новые экспериментальные возможности стимулировали дальнейшие теоретические работы.
Интерес к теоретическим исследованиям физических процессов в плазме методами спектроскопии ридберговсісих атомов во многом обусловлен-тем, что'анализируются спектры излучения простейшей из квантовых систем ГІ5-І7]. В расчетах эффективно используется условие классического предела квантовой механики П >> I и статистически малый вклад проникающих орбит в спектр и динамику состояния при возбуждении атома в результате рекомбинации. В пределе состояний с П —~- о^> и большими угловыми моментами о > Су движение в фазовом пространстве когерентного состояния свободного осциллятора подчиняется классическим уравнениям и определяется минимальным шелом параметров. Эволюция системы задается матричными элементами [18] , асимптотически точные выражения для которых в дипольном приближении приведены в работах [15-227..
Среди процессов, определяющих время жизни высоковозбужденных ' состояний и уширение линий, наиболее вероятными оказываются столкновения с заряженными частицами. Теоретические исследования рассеяния электронов на ридберговских атомах развивались по двум направлениям: методами квантовой теории возмущений (борновское приближение ) (23] и в классическом бинарном приближении [24] . Наиболее последовательное описание процесса рассеяния частиц, включающее оба предельных случая, сформулировано на основании квазиклассического представления о движении слабосвязанного электрона [24,25] , что позволило проанализировать и в ряде случаев аналитически вычислить сечения, скорости
переходов л эффективные столкновительные ширины линий в диапазоне
i,B-IOsZz „і параметров ^ ^ — «1 .
Излучение космических радиорекомбинационных линий обнаружимо в
тех случаях, когда оптическая толща для тормозного излучения мала. В условиях оптически тонкой плазмц интенсивность линий определяется отклонением от равновесного распределения частиц по уровням. Систематическое изучение плазмы методом ракомбинационных линий стимулировало развитие численных методов решения систем балансных уравнений для радберговских уровней с tl = 10-300 .результаты которых достаточно полно отражены в C27,28J. В работах по аналитическому решению полубесконечной системы кинетических уравнений для населенностей эффективно используется представление о функции распределения как непрерывной функции в зависимости от энергии состояния ~~ гг^ <*0 при h —«- оо по аналогии с распределением в области полояштельньк энергий электрона C29-34J.
Для ридберговских состояний, населённости которых близки к термодинамическому равновесии с плазмой, возможно дополнительное усиление излучения в линиях по сравнению с тормозным излучением при сужении спектральной ширины линий. Особенности в спектрах излучения литій при существенной интерференции фаз начального и конечного состояний в общем виде предсказывались в 35,3(3 , И конкретно для рёкомби-национных линий рассматривались в работе [37] . . . '
Основной целью настоящей работы является исследование особенностей уширения и интенсивности излучения предельно низкочастотных ре-комбинационных линий атомов и ионов в условиях рекомбишрувдей космической плазмы.
Научная- и практическая ценность работы-.
Б рамках квазиклассического описания получены аналитические выражения для вероятностей переходов) сечений й скоростей переходов
2 &
при неупругом рассеянии случайных частиц в области энергий ~гг« Ж,
для асимптотических состояний ридберговских атомов: П » I» V"'"-' *»
ПЛ << I, -pj- ~ I, Ь
E 2
ния для энергий частиц — 2 '' "о" ''s<~~ ~п Вычисленные эффективные
ширины линий позволяют интерпретировать наблюдаемое уширєнио декаметрових и метровых линий в областях холодной космической плазмы с Та 100 К.
3 предположении о непрерывности функций распределения по энергиям ридберговских состояний в условиях рекомбинирущей плазмы кинетические уравнения для населенностей атомов (ионов) приведены к интегральному на полуоси и решены методом, близким краевой задаче І\іль-берта-Привалова. Столкновительные, спонтанные и индуцированные фоновим излучением переходы включены в кинетическое описание.
Кинетические коэффициенты при неупругом рассеянии заряженных
частиц на ридберговских атомах и ионах вычисляются с квазикласеичес-
І - т J о J ~''7'
кой точностью ~ —г при П >/ І в приближении ~-у~--^^1.
Г| п2Тг
Найденные выражения для коэффициентов усиления и оптических толщин позволяют оценивать интенсивности как водородоподобных линий атомов, так и ракомбинационное излучение многозарядных ионов в условиях горячего газа с Т = 10 - 1Сг К, например, в остатках сверхновых или галатического центра.
В связи с теоретическим рассмотрением задачи о низкочастотном рекомбинационном излучении из областей горячего газа остатков вспышек сверхновых и компактных зон НИ дополнительно исследован спектр излучения линий. В рамках релаксационной теории система уравнений для автокорреляционной функции атомного осциллятора решена в асимптотическом случае Л/1 << г) .
В кинетическом описании спектра излучения о необходимостью уч-теш квазистатические поправки к энергии невозмущенного атома и возмущение начального и конечного состояний быстропеременными полями, возникающие при взаимодействии атомов с случайными частицами и низкочастотным излучением остатка Сверхновой (галактического фона).
Особо рассмотрен случай перекрывающихся рекомбинационных линий,
получены формулы для сдвига и уширения линии при интерференции близ
ких ридберговских состояний. Проведенный анализ может быть полезен
при поиске линий ионов в плазме с Т ^10 К, //е >, I Сы , Z =
8 - 25 ( Л = 2000 - 5000) и Те >I04 К, Z = I - 3 ( П = 500 -
1200). -
