У теоретичній астрофізиці навколо молодої зорі спектральних класів O або B може існувати сфера іонізованого водню (H II). Теорію розробив Бенгт Стремгрен у 1937 році, згодом її назвали сферою Стрьомгрена на його честь. Туманність Розетка є найяскравішим прикладом цього типу емісійної туманності з областей H II.

Фізика Дуже гарячі зорі спектрального класу O або B випромінюють дуже енергійне випромінювання, особливо ультрафіолетове, яке здатне іонізувати нейтральний водень (HI) навколишнього міжзоряного середовища, так що атоми водню втрачають свої окремі електрони. Цей стан водню називається H II. Через деякий час вільні електрони рекомбінують з цими іонами водню. Енергія повторно випромінюється не як окремий фотон, а як серія фотонів меншої енергії. Фотони втрачають енергію, коли вони рухаються від поверхні зорі, і не мають достатньо енергії, щоб знову зробити внесок в іонізацію. В іншому випадку все міжзоряне середовище було б іонізоване. Сфера Стрьомгрена – це теоретична конструкція, яка описує іонізовані області.

Модель У своїй першій і найпростішій формі, запропонованій датським астрофізиком Бенгтом Стрьомгреном у 1939 році, модель досліджує вплив електромагнітного випромінювання окремої зорі (або щільного скупчення подібних зір) із заданою температурою поверхні та світністю на навколишнє міжзоряне середовище заданої щільності. Для спрощення розрахунків міжзоряне середовище вважається однорідним і повністю складається з водню.

Формула, отримана Стрьомгреном, описує зв'язок між світністю та температурою збуджуючої зорі, з одного боку, та густиною навколишнього водню, з іншого. Використовуючи її, розмір ідеалізованої іонізованої області можна розрахувати як радіус Стрьомгрена.

Модель Стрьомгрена також показує, що на краю сфери Стрьомгрена існує дуже різка межа ступеня іонізації. Це зумовлено тим, що перехідна область між високоіонізованим газом та нейтральним воднем дуже вузька порівняно із загальним розміром сфери Стрьомгрена.

Вищезгадані взаємозв'язки такі:

Чим гарячіша та яскравіша захоплива зоря, тим більша сфера Стрьомгрена. Чим щільніший навколишній газоподібний водень, тим менша сфера Стрьомгрена.

У моделі Стрьомгрена сфера, яку нині називають сферою Стрьомгрена, складається переважно з вільних протонів та електронів. Лише незначна кількість атомів водню присутня всередині неї, причому їхня густина зростає майже експоненціально в напрямку до межі сфери. За межами сфери випромінювання атомних ліній ефективно охолоджує газ, унаслідок чого формується тонка область, де випромінювання зорі інтенсивно поглинається атомами, які згодом перевипромінюють отриману енергію в усіх напрямках. У результаті система Стрьомгрена спостерігається як яскрава зоря, оточена сферичною оболонкою зі значно слабшим випромінюванням, яку важче виявити спостереженнями.

Стрьомгрен розробив свою модель ще до формулювання теорії оптичної когерентності Ейнштейна. Хоча густина збудженого водню в таких областях є низькою, значна довжина оптичних шляхів дає підстави розглядати можливість виникнення надвипромінювання та інших когерентних ефектів, відомих із фізики лазерів. Згідно з цією гіпотезою, надвипромінювальна оболонка Стрьомгрена може випромінювати просторово когерентні, але часово некогерентні промені переважно в тих напрямках, для яких довжина шляху в збудженому водні є максимальною, тобто вздовж дотичних до сферичної поверхні.

У поясненнях Стрьомгрена оболонка поглинає лише резонансні лінії водню, тому доступна енергія є низькою. Якщо припустити, що зірка є надновою, сяйво світла, яке вона випромінює, відповідає (за законом Планка ) температурі в кілька сотень кельвінів, так що кілька частот можуть поєднуватися, утворюючи резонансні частоти атомів водню. Таким чином, майже все світло, що випромінюється зіркою, поглинається, і майже вся енергія, що випромінюється зіркою, підсилює дотичні, надвипромінюючі промені.

Туманність Намисто — це сфера Стрьомгрена. На ній зображено пунктирне коло, яке й дало їй назву.

У залишку наднової 1987A оболонка Стрьомгрена задушена в пісочний годинник, кінці якого схожі на три перлинні намиста.

Як оригінальна модель Стрьомгрена, так і модифікована Маккалоу не враховують вплив пилу, грудкуватості, детального радіаційного переносу або динамічних ефектів.

Історія У 1938 році американські астрономи Отто Струве та Кріс Т. Елві опублікували свої спостереження емісійних туманностей у сузір'ях Лебедя та Цефея, більшість з яких не зосереджені навколо окремих яскравих зір (на відміну від планетарних туманностей). Вони припустили, що необхідним джерелом енергії є ультрафіолетове випромінювання O- та B-зір.

У 1939 році Бенгт Стрьомгрен зайнявся проблемою іонізації та збудження міжзоряного водню. Ця стаття ототожнюється з концепцією сфери Стрьомгрена. Однак вона спирається на його попередні аналогічні зусилля, опубліковані в 1937 році.

У 2000 році Пітер Р. Маккалоу опублікував модифіковану модель, яка враховує евакуйовану сферичну порожнину, центровану навколо зорі, або зі зміщеною зорею відносно евакуйованої порожнини. Такі порожнини можуть бути створені зоряними вітрами та надновими. Отримані зображення більше нагадують багато реальних H II-областей, ніж оригінальну модель.

Математична основа Припустимо, що область є точно сферичною, повністю іонізованою (x = 1) і складається лише з водню, так що числова густина протонів дорівнює густині електронів (). Тоді радіус Стрьомгрена буде областю, де швидкість рекомбінації дорівнює швидкості іонізації. Ми розглянемо швидкість рекомбінації усіх енергетичних рівнів, що є

це швидкість рекомбінації на n-й енергетичний рівень. Рівень n = 1 виключається з розгляду, оскільки під час безпосередньої рекомбінації електрона на основний рівень атом водню випромінює фотон, енергії якого достатньо для іонізації іншого атома водню з основного стану. Це має важливе значення, оскільки механізм електричного дипольного переходу переважно зумовлює іонізацію саме з основного рівня. Тому внесок рекомбінацій на рівень n = 1 зазвичай не враховують, щоб коректно врахувати вплив таких іонізуючих фотонів. За умови ne​=np​ швидкість рекомбінації на певний енергетичний рівень ​ визначається як (with

де – коефіцієнт рекомбінації n -го енергетичного рівня в одиничному об'ємі за температури , що є температурою електронів у кельвінах і зазвичай така ж, як і температура сфери. Отже, після підсумовування ми отримуємо

де – загальна швидкість рекомбінації, і має приблизне значення

Використання як кількість нуклонів (у цьому випадку протонів), ми можемо ввести ступінь іонізації так а числова густина нейтрального водню дорівнює поперечним перерізом (яка має одиниці площі) та кількість іонізуючих фотонів на площу за секунду , швидкість іонізації є

Для спрощення ми розглянемо лише геометричні ефекти на в міру того, як ми віддаляємося від джерела іонізації (джерела потоку ), тому маємо закон обернених квадратів:

Тепер ми можемо обчислити радіус Стрьомгрена від балансу між рекомбінацією та іонізацією

і нарешті, пам'ятаючи, що область вважається повністю іонізованою (x = 1):

Це радіус області, іонізованої зорею типу OB.

Див. також Реіонізація Западина Ганна-Петерсона

Посилання