Рекомбинационные спектры и их температурные сдвиги.

По сравнению с веществом в неионизованном состоянии, вещество в состоянии плазмы имеет дополнительные возможности для излучения квантов света. Речь идёт об излучении, возникающем при рекомбинации ионов и свободных электронов. Спектр энергий свободных электронов является сплошным, и отсюда делается вывод о том, что и рекомбинационные спектры также должны быть сплошными. Но в этой, казалось бы, безупречной логике имеется слабое место.

Действительно, энергии свободных электронов могут принимать любые значения из сплошного спектра, но это отнюдь не исключает того, что, при конкретных значениях физических параметров плазмы, значения энергий свободных электронов являются не любыми, а тоже вполне конкретными. Понятие электронной температуры имеет физический смысл только тогда, когда энергии свободных электронов находятся в пределах довольно-таки узкой полосы. К сожалению, нам не удалось найти данных о ширине распределения энергии электронов в плазме. Логично предположить, что оно намного уже, чем максвелловское – из-за коллективного взаимодействия, которого нет в газе нейтральных частиц. Тогда можно говорить об уровне энергии свободных электронов в плазме, с которого электрон при рекомбинации «сваливается» на какой-либо из атомарных уровней. При этом рекомбинационный спектр не будет сплошным: у него будет ярко выраженный линейчатый характер (см. Рис.1).

Рис.1. Переходы рекомбинационного спектра (схематически). Eo – Ei – атомарные уровни энергии, Ee – уровень энергии свободных электронов.

Чтобы получить представление о том, насколько отстоит уровень энергии свободных электронов от уровня энергии ионизации атома, следует вспомнить о том, что нуль энергии свободных электронов соответствует как раз энергии ионизации. Так, при электронной температуре в 6000^оК, уровень свободных электронов превышает уровень ионизации всего на 0.52 эВ. При этом, для водородной плазмы рекомбинационный спектр представлял бы собой линии серии Лаймана, сдвинутые на эти самые 0.52 эВ в сторону больших энергий. Если, по каким-либо причинам, в спектре имелись бы лишь эти рекомбинационные линии, то их интерпретация как допплеровски сдвинутых атомарных линий являлась бы непростой задачей. В произвольном случае, лишь по счастливой случайности может оказаться так, что несколько изолированных линий, расположенных подряд, будут иметь «сдвиги», которые при пересчёте дадут примерно одинаковые допплеровские скорости. Дело осложняется тем, что, в отличие от атомарных линий, положения которых не зависят от температуры, рекомбинационные линии являются «плавающими»: при изменении электронной температуры они сдвигаются, причём на одну и ту же величину по шкале энергий.

Впрочем, имеется счастливое обстоятельство, облегчающее задачу отождествления линий. Рекомбинационные линии характерны лишь для излучающей плазмы, а в качестве вспомогательных источников света, дающих опорные спектральные линии, используется тоже плазма – как правило, в электрической дуге между металлическими электродами (железными, титановыми, ванадиевыми – эти элементы дают много линий). И, фактически, звёздная спектроскопия занимается, в основном, сопоставлением рекомбинационных линий звёзд с рекомбинационными линиями лабораторных источников света. При этом разница электронных температур излучающей плазмы звезды и лабораторного источника должна приводить к одинаковым сдвигам отождествлённых линий, что должно порождать весьма убедительную иллюзию действия эффекта Допплера. Как можно видеть, при увеличении электронной температуры излучающей плазмы звезды, её рекомбинационные линии сдвигаются в сторону коротких волн, что интерпретируется как увеличение «скорости приближения»; при уменьшении электронной температуры всё происходит наоборот. Учитывая, что увеличение электронной температуры в равновесной плазме соответствует увеличению эффективной температуры, мы приходим к объяснению вышеупомянутой корреляции «эффективная температура – лучевая скорость». Правда, мы полагаем, что с эффективной температурой коррелирует отнюдь не лучевая скорость, а электронная температура – что выглядит совершенно естественно.

Вышеизложенная модель рекомбинационных спектров, фактически, тривиально объясняет циклические сдвиги спектральных линий переменных звёзд – как результат циклических изменений электронной температуры звёздной плазмы. Кроме того, в рамки нашей модели вполне укладываются такие парадоксальные явления, наблюдаемые при динамике спектров переменных и Новых, как различные «допплеровские» сдвиги различных линий, причём не только у различных химических элементов, но и у одного и того же; а также независимое друг от друга поведение линий эмиссии и линий абсорбции.

Вот, например, как выглядели эти парадоксальные явления при динамике спектра Новой Персея, 1901 г. «…периодические изменения цвета составляли полную гармонию с периодическими изменениями вида спектра. Спектр Nova Persei… вначале, в максимуме, был сплошным с весьма интенсивной фиолетовой частью и с очень слабыми широкими размытыми полосами поглощения, особенно водорода. Потом, с началом уменьшения яркости, полосы начали лучше выделяться; к ним присоединяются ещё светлые линии (полосы), лежащие со стороны менее преломляемых частей тёмных полос; линии эти были сильно смещены от своего нормального положения, так что если объяснять это смещение по принципу Допплера, то получались лучевые скорости в –1500 км в секунду. Такие же смещения были замечены и в кальциевых и натриевых полосах поглощения. Эти колоссальные величины скоростей заставляют усомниться в их существовании. Сомнение это особенно подтверждается наблюдениями Кэмбелла, которому удалось кроме крупных указанных линий подметить еще весьма тонкие, смещение которых давало лучевые скорости не свыше +6 км в секунду» [3].

Можно, конечно, не принимать всерьёз эти парадоксальные явления – на том основании, что лучевая скорость звезды не была известна достоверно. Но, на наше счастье, есть одна звезда, лучевая скорость которой известна достоверно. Если и там обнаружатся парадоксы, то от них уже так просто не отделаться.