Курс теоретической астрофизики

Для решения этих вопросов используются результаты теории рассеяния света на отдельных частицах (см.,например, [2]). К настоящему времени выполнены многочисленные расчёты величин α, λ и 𝑥(γ) для частиц разной формы (шаров, цилиндров, дисков) и с различными показателями преломления. Вообще говоря, показатель преломления представляется в комплексной форме. Для диэлектрических частиц мнимая часть показателя преломления равна нулю, для металлических частиц она отлична от нуля. В первом случае частицы производят чистое рассеяние излучения λ=1, во втором случае — как рассеяние, так и истинное поглощение λ<1

Наиболее полно изучено рассеяние света на сферических частицах. Оптические свойства этих частиц зависят как от показателя преломления, так и от отношения радиуса частицы к длине волны излучения.

Применение указанной теории к изучению пылевых туманностей не приводит, однако, к вполне определённым результатам, так как при этом приходится делать различные предположения. Обычно заранее задаётся форма частиц и показатель преломления, и путём сравнения оптических свойств, полученных теоретически и из наблюдений, находятся размеры частиц.

При рассмотрении двух упомянутых выше туманностей было принято, что они состоят из диэлектрических частиц сферической формы. Сравнение теоретических и наблюдённых значений величины 𝑥(γ)+𝑥(π-γ) (последние приведены в табл. 51) дало для среднего радиуса частицы значение 𝑎=6,7⋅10⁻⁶ см. Примерно такие же значения 𝑎 были найдены для пылевых туманностей и другими способами. Поэтому считается, что средние размеры частиц межзвёздной пыли порядка 10⁻⁵ см.

При определённом радиусе частицы 𝑎 и показателе преломления 𝑚 теория даёт значение коэффициента рассеяния 𝑘, рассчитанного на одну частицу. А так как объёмный коэффициент рассеяния σ известен из наблюдений, то из соотношения σ=𝑛𝑘 можно найти концентрацию частиц 𝑛. Затем может быть найдена плотность пыли в туманности по формуле

𝐷

=

4

3

π𝑘³δ𝑛

,

(32.46)

где δ — удельный вес вещества частицы. В виде примера укажем, что для туманностей IC 431 и IC 435 по формуле (32.47) были получены значения плотности 2,1⋅10⁻²⁴ г/см³ и 4,5⋅10⁻²⁴ г/см³ соответственно. При этом было положено δ=1 г/см³, а для показателя преломления принималось значение 𝑚=1,33 (т.е. такое, как у капли воды или кристалла льда).

Некоторые сведения о пылевых частицах могут быть также получены путём изучения поляризации света туманностей. Наблюдения показывают, что степень поляризации света пылевых туманностей довольно велика — порядка 10—15%. При этом, как и должно быть при отражении света малыми частицами, поляризация является радиальной, т.е. преимущественное направление колебаний электрического вектора перпендикулярно к радиусу-вектору, проведённому от освещающей звезды. Наличие значительной радиальной поляризации излучения говорит о большой роли рассеяния первого порядка в ближайших к звезде областях туманности (так как многократно рассеянное излучение слабо поляризовано). Особенно ценные результаты даёт интерпретация наблюдательных данных о поляризации излучения в разных участках спектра.

Как мы знаем, в Галактике, кроме светлых пылевых туманностей, присутствуют ещё многочисленные тёмные туманности. Изучение этих туманностей по производимому ими поглощению света также позволяет судить о природе частиц межзвёздной пыли.

Исследование межзвёздного поглощения света привело к заключению, что в видимой части спектра коэффициент поглощения приблизительно обратно пропорционален длине волны. Вместе с тем была найдена и величина коэффициента поглощения. В видимой части спектра в галактической плоскости поглощение составляет в среднем одну звёздную величину на килопарсек. Это значит, что пути в 1 килопарсек соответствует приблизительно единичное оптическое расстояние. Поэтому объёмный коэффициент поглощения межзвёздной пыли для визуальных лучей примерно равен α≈3⋅10⁻²² см⁻¹.

С другой стороны, согласно теории рассеяния света малыми частицами зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяется заданием размеров частиц и показателя преломления. Если взять диэлектрические частицы с показателем преломления 𝑚=1,33, то коэффициент поглощения будет обратно пропорционален длине волны, когда радиус частицы равен 𝑎≈5⋅10⁻⁵ см.

При таких размерах частиц коэффициент поглощения, рассчитанный на одну частицу, будет приблизительно равен 𝑘≈πα²≈10⁻⁸ см². Пользуясь формулой α=𝑛𝑘 мы для средней концентрации пылевых частиц получаем значение 𝑛≈3⋅10⁻¹⁴ см⁻³. В этом случае формула (32.47) (при δ≈1) даёт, что средняя плотность пылевой материи вблизи плоскости Галактики равна 𝐷≈10⁻²⁶ г/см³.