Курс теоретической астрофизики

4. Корональные линии.

В видимой части спектра короны присутствует около 30 эмиссионных линий. Наиболее яркой из них является «зелёная» линия с длиной волны 5303 Å. Весьма сильны также линии λ 6375 и λ 6702 Å, в красной части спектра, λ 7892, λ 10747 и λ 10798 Å — в инфракрасной и λ 3388 Å — в ультрафиолетовой. Относительные интенсивности линий различны в разных частях короны. Ширины линий довольно велики — порядка 1 Å.

Происхождение корональных линий в течение долгого времени было загадкой для астрофизиков. Наконец в 1939 г. Гротриан обнаружил, что частоты двух корональных линий совпадают с частотами запрещённых линий, возникающих при переходах между подуровнями основного состояния ионов 𝙵𝚎 X и 𝙵𝚎 XI. Затем Эдлен нашёл такое же совпадение частот двух других корональных линий и линий ионов 𝙲𝚊 XII и 𝙲𝚊 XIII. Следует заметить, что запрещённые линии указанных ионов в лаборатории не наблюдались. Частоты этих линий были найдены из схемы термов, построенной по наблюдённым в лаборатории разрешённым линиям, лежащим в ультрафиолетовой области спектра.

В дальнейшем Эдлен произвёл отождествление большинства линий в спектре короны. Оказалось, что все они образуются при запрещённых переходах между подуровнями одного состояния сильно ионизованных атомов (железа, кальция, никеля и аргона). В табл. 21 дан список отождествлённых корональных линий вместе с различными сведениями о них.

Таблица 21

Линии излучения короны

Длина

волны

Наблюдаемая

относительная

интенсивность

Ион

Коэффициент

вероятности

𝐴

_𝑘𝑖

в с

⁻¹

Потенциал

возбуждения

в Эв

Потенциал

ионизации

в Эв

по

Гротриану

по Лио

3 328

1

,0

-

𝙲𝚊 XII

488

3

,72

589

3 388

16

-

𝙵𝚎 XIII

87

5

,96

325

3 601

,0

2

,1

-

𝙽𝚒 XVI

193

3

,44

455

3 642

,9

-

-

𝙽𝚒 XIII

18

5

,82

350

3 986

,9

0

,7

-

𝙵𝚎 XI

9

,5

4

,68

261

4 086

,3

1

,0

-

𝙲𝚊 XIII

319

3

,03

655

4 231

,4

2

,6

-

𝙽𝚒 XII

237

2

,93

318

4 359

-

-

𝙰𝚛 XIV

108

2

,84

682

5 116

,03

4

,3

2

,2

𝙽𝚒 XIII

157

2

,42

350

5 302

,86

100

100

𝙵𝚎 XIV

60

2

,34

355

5 536

-

-

𝙰𝚛 X

106

2

,24

421

5 694

,42

-

1

,2

𝙲𝚊 XV

95

2

,18

814

6 374

,51

8

,1

18

𝙵𝚎 X

69

1

,94

233

6 701

,83

5

,4

2

,0

𝙽𝚒 XV

57

1

,85

422

7 059

,62

-

2

,2

𝙵𝚎 XV

-

31

,77

390

7 891

,94

-

13

𝙵𝚎 XI

44

1

,57

261

8 024

,21

-

0

,5

𝙽𝚒 XV

22

3

,39

422

10 746

,80

-

55

𝙵𝚎 XIII

14

1

,15

325

10 797

,95

-

35

𝙵𝚎 XIII

9

,7

2

,30

325

Вычисления показывают, что высокоионизованные атомы других элементов не имеют линий в видимой части спектра или их линии слишком слабы и не могут наблюдаться на фоне непрерывного спектра короны. Однако некоторые линии находятся на пределе видимости и, возможно, их удастся обнаружить каким-либо способом в будущем.

Указанное отождествление корональных линий сразу же вызывает два вопроса: 1) в чем причина существования многократно ионизованных атомов в короне? 2) Почему в спектре короны наблюдаются запрещённые линии? На первый из этих вопросов ответ будет дан ниже. Сейчас же мы кратко ответим на второй из них (откладывая подробное рассмотрение проблемы возникновения запрещённых линий в спектрах небесных тел до гл. V, посвящённой газовым туманностям).

Как известно, эйнштейновские коэффициенты спонтанных переходов для разрешённых линий порядка 10⁸ с⁻¹. Однако для запрещённых линий эти коэффициенты гораздо меньше. Например, для запрещённых линий в спектре короны, как следует из таблицы, они порядка 10…10³ с⁻¹ (хотя запрет в этих случаях и не очень сильный). Вследствие малости вероятностей запрещённых переходов необходимы особые условия, чтобы запрещённые линии могли стать достаточно интенсивными.

Для выяснения этих условий прежде всего заметим, что если из данного состояния возможны как запрещённые, так и разрешённые переходы, то первые из них происходят гораздо реже вторых, и запрещённая линия оказывается гораздо слабее разрешённой. Следовательно, запрещённые линии могут стать сравнительно интенсивными только в том случае, когда верхнее состояние метастабильное, т.е. из него нет никаких переходов вниз, кроме запрещённых.

Однако, в отличие от обычных возбуждённых состояний, в которых атом находится в течение времени порядка 10⁻⁸ с, в метастабильном состоянии он может находиться гораздо дольше. Поэтому для осуществления спонтанного перехода из метастабильного состояния необходимо, чтобы атом не подвергался внешним возмущениям в течение весьма больших промежутков времени. В частности, атом не должен испытывать частых встреч со свободными электронами, так как последние могут перевести его из метастабильного состояния вниз без излучения запрещённой линии при ударе второго рода. Точно так же атом не должен подвергаться сильному воздействию излучения, при поглощении которого он может перейти из метастабильного состояния вверх. Таким образом, для появления сравнительно интенсивных запрещённых линий в спектре какого-либо объекта необходимо, чтобы плотность вещества и плотность излучения были в нём достаточно малыми.