ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ВЕЩЕСТВА ПЛАНЕТАРНОЙ ТУМАННОСТИ

Вернемся к флуоресценции вещества планетарной туманности под действием излучения центральной звезды — ядра туманности. Центральная звезда для наблюдателя на краю такой туманности выглядит в фотографических лучах в три миллиона раз слабее, чем Солнце для нас, т. е. дает освещенность почти на порядок ниже, чем освещает Землю полная Луна. Но это — только в видимой области спектра. Ядра планетарных туманностей принадлежат к самым горячим известным звездам (см. ниже) и подавляющая доля их излучения приходится на весьма далекую ультрафиолетовую область спектра (рис. 153), так что малая светимость в области ни в малейшей степени не указывает на малую светимость в ультрафиолетовой области. Здесь звезда посылает мощный поток квантов, ионизующих водород, гелий и способных дважды ионизовать углерод, азот, кислород, неон и многие другие распространенные в космосе элементы.

У особенно горячих ядер излучение может ионизовать до четвертой ступени .

Состояние вещества и излучения в планетарной туманности очень далеко от состояния термодинамического равновесия, при котором излучение приходит со всех сторон. Здесь оно приходит только от очень малого участка небесной сферы, занимаемого ядром туманности. Площадь этого участка составляет долю всей сферы:

где R — радиус звезды, а r — расстояние точки туманности от звезды. Число W называется коэффициентом дилюции (латинское dilutio — разжижение); оно выражает, во сколько раз плотность энергии излучения в рассматриваемой точке пространства меньше плотности равновесного излучения при температуре Т источника. В планетарной туманности фактор W имеет значение порядка . Именно во столько раз поток ионизующего излучения слабее равновесного потока, но вещество туманности очень разрежено, столкновения электронов с ионами случаются сравнительно редко и равновесие между числом актов ионизации в секунду времени и актов рекомбинации поддерживается при высоком уровне ионизации.

Рис. 153. Распределение энергии в спектре звезды с температурой 50 000 К. Заштрихованная область показывает излучение, способное ионизовать водород . Область спектра, пропускаемая земной атмосферой с , не показана, так как у столь горячей звезды в ней содержится лишь ничтожная доля всего излучения

Акт рекомбинации водородного иона с электроном состоит в том, что электрон попадает, в конечном счете, на основной уровень атома, причем это может происходить либо сразу — путем захвата электрона на основной уровень, либо путем каскадных переходов — вначале на один из верхних уровней, затем на нижележащий и т. д. до самого нижнего.

Теория показывает, что в условиях дилюции излучения ионизация атомов с основного уровня и последующая рекомбинация путем каскадных переходов происходит несравненно (в раз) чаще, чем каскадные переходы электронов на все более высокие уровни, включая свободное состояние и последующее возвращение электронов сразу на основной уровень (теорема Росселанда). Но первый процесс предполагает поглощение крупных квантов и излучение малых, а второй — наоборот. Следовательно, при дилюции излучения все время происходит переработка ультрафиолетовых квантов в видимые, т. е. явление флуоресценции: квант света за границей серии Лаймана, т. е. с длиной волны , встречаясь с атомом водорода, ионизует последний. Вырванный таким образом электрон при встрече с ионом попадает на одну из возбужденных орбит атома и оттуда — постепенно от одного уровня к другому — переходит на основное состояние. В течение этого процесса произойдут переходы , дающие одну из линий серии Бальмера, а затем и переход , дающий линию в излучении. Возможен и прямой захват электрона на второй уровень, при котором излучается квант света за границей бальмеровской серии, а затем квант . Мыслим и переход такого типа: электрон захватывается на третий уровень, а затем с третьего переходит сразу на первый с излучением . У атома Н очень большое поперечное сечение для поглощения в линиях основной серии. Пролетая через туманность, этот квант почти непременно встретится с атомом водорода и возбудит его на третий уровень, а оттуда произойдет каскадный переход с излучением На и . Благодаря высокой непрозрачности водородного газа планетарной туманности для линий серии Лаймана (см. дальше) кванты имеют немного шансов ускользнуть из туманности и все кванты в конце концов дробятся, излучая один из квантов серии Бальмера . В целом оказывается так: крупный квант за границей лаймановской серии , исходящий из ядра, «разменивается» в планетарной туманности на мелкие кванты: либо на квант бальмеровского континуума Вас и линию либо на одну из линий серии Бальмера ту же линию и тот же квант .