Spettroscopia nebulare Padova, 9/13 Dic 2004 Stefano Ciroi

Orion nebula (M42)

Horsehead nebula

Eagle nebula

Dumbbell nebula Ring nebula (M57) Cats Eye nebula

Eskimo nebula Helix nebula

Crab nebula (M1) Veil nebula Criss-Cross nebula

Le misure in astronomia 1 Å = m = mm = cm Lunghezza donda 1 pc = 3.26 a.l. = 3.09 x km = 3.09 x cm Distanza Energia 1 erg = joule = 6.2 x eV

S S flusso intensità (erg cm -2 s -1 sr -1 ) (erg cm -2 s -1 ) (erg s -1 ) intensità flusso luminosità

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 Livelli denergia nellatomo di H

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5

velocità della luce c = 3 x cm s -1 Å costante di Planck h = 6.6 x erg s -1

Orbitali e regole di selezione Esistono 5 numeri quantici: nn. q. principale= 1, 2, 3, …, Ln. q. azimutale = 0, 1, 2, …, n-1 = S, P, D, … sn. q. di spin = ½ jn. q. interno = L ½ m j n. q. magnetico = -j, …, +j

Esempio atomo di Na 5896 Å 5890 Å Å 8195 Å 8183 Å

Attenzione Non tutti i salti fra livelli denergia sono permessi Esistono delle regole, dette regole di SELEZIONE, imposte dalla meccanica quantistica! L = ± 1 s = 0 j = ±1,0

Atomo di H 1216 Å 1015 Å 6563 Å 4861 Å

Le transizioni Transizioni fra stati legati (bound-bound) Transizioni fra stati legati e stati liberi (bound-free, free-bound) Transizioni fra stati liberi (free-free) A 0 = A I A + = A II A ++ = A III A +++ = A IV

transizioni fra stati legati

transizioni fra stati legati e liberi

transizioni fra stati liberi A+A+ e-e-

La fotoionizzazione E0E0 K=1/2 m e v 2 Energia cinetica Energia di ionizzazione

Condizione per avere fotoionizzazione: IIIIIIIV H13.6 He O N S Potenziali di ionizzazione (eV) cioè

A0A0 e-e- A+A+ La probabilità che un fotone ionizzante ( > 0 ) sia catturato da un atomo è uguale per qualsiasi fotone ionizzante di qualsiasi frequenza? NO! Essa dipende da -3, cioè è più bassa per fotoni ad alta frequenza, ossia per fotoni molto energetici.

Righe di ricombinazione A0A0 e-e- A+A+ La probabilità che un elettrone libero (con velocità v) sia catturato da un atomo è uguale per qualsiasi elettrone di qualsiasi velocità? NO! Essa dipende da v -2, cioè è più bassa per elettroni ad alta velocità, ossia per elettroni con energia cinetica elevata.

Ricombinazione a livello fondamentale Ricombinazione a cascata

[O II ]3727 [Ne III ]3869 [Ne III ]3968 H 4340 H 4861 He 4686 [O III ]4959 [O III ]5007 [N I ]5200 He I 5876 [O I ]6300 [O I ]6363 H 6563 [N II ]6548 [N II ]6583 [S II ]6716 [S II ]6731 [N II ]5755

emissività della riga energia del fotone emesso (erg) densità di atomi con elettroni a livello m (cm -3 ) probabilità di transizione spontanea dal livello m a livello n (s -1 ) Quanto impiega un elettrone a scaricarsi dal livello 2 al livello 1? n m

r Intensità di una riga densità di colonna (cm -2 )

2 4 3 Decremento di Balmer da equazione di Boltzmann da meccanica quantistica costante di Boltzmann k = 8.62 x eV K -1 costanti I H /I H 2.87 I H /I H 0.47 I H /I H 0.26 I H /I H 0.16 T= K

H H H

Nube di H H+H+ H0H0 H + + H 0 Stella centrale RsRs Sfera di Strömgren I primi fotoni ionizzanti ad essere catturati saranno quelli con = 0, gli ultimi saranno quelli più energetici, cioè con >> 0, i quali si saranno allontanati di più dalla stella.

Raggio della sfera di Strömgren (pc) Numero di fotoni ionizzanti (s -1 ) Densità di idrogeno (cm -3 ) Temperatura superficiale della stella (K) Tipo spettraleT (K)Q H (s -1 )R s (pc) O x O x O x B x N H =10 cm -3

Righe proibite 4959 Å 5007 Å 4363 Å [O III ] Livelli metastabili L = ± 1 s = 0 j = ±1,0

[O III ] [O I ][S II ] [N II ] He I H [O II ] [Ne III ] [O III ] H H He II

e-e- A+A+ e-e- A+A+

Le collisioni fra atomi (neutri o ionizzati) ed elettroni liberi sono responsabili della formazione delle righe proibite. In realtà esiste una probabilità di transizione spontanea anche nelle righe proibite, ma questa è molto più bassa che nel caso delle righe permesse. densità elettronica (cm -3 ) frequenza delle transizioni collisioniali (s -1 ) temperatura elettronica (K) differenza di energia fra i livelli (eV)

Che valore deve avere la densità elettronica N e per consentire di osservare una transizione proibita fra due livelli m e n ? N e è troppo bassa poche eccitazioni n m poche diseccitazioni m n dominano le transizioni spontanee N e è troppo alta dominano le collisioni eccitazioni da n e m verso livelli superiori a m pochi atomi con elettroni al livello m Densità critica N c Esiste un valore di N c per ogni riga proibita Le righe proibite raggiungono la max intensità per N e =N c

Atomo a 3 livelli Caso dell[O III ] misura della temperatura densità di atomi con elettroni al livello 2 (cm -3 ) densità di atomi con elettroni al livello 3 (cm -3 ) probabilità di transizione spontanea da 2 a 1 (s -1 ) probabilità di transizione spontanea da 3 a 2 (s -1 ) rapporto fra lintensità di due righe

Utilizzando le righe di [O III ] a 4363, 4959 e 5007 Å si ottiene: Per N e < 10 5 cm -3 questo rapporto è funzione solo di T:

Caso dell[S II ] misura della densità densità di atomi con elettroni al livello 3 (cm -3 ) densità di atomi con elettroni al livello 2 (cm -3 ) probabilità di transizione spontanea da 3 a 1 (s -1 ) probabilità di transizione spontanea da 2 a 1 (s -1 ) rapporto fra lintensità delle due righe

I 6716 /I 6731 dipende molto da N e e poco da T Se N e è bassa: Se N e è alta: