Radiative Processes in Astrophysics

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1 Radiative Processes in Astrophysics 018/06/05 林田清

2 章以降の全体像 章電磁場 電磁波 3 章運動する荷電粒子からの放射 4 章特殊相対論 5 章制動放射 6 章シンクロトロン放射 7 章コンプトン散乱 8 章原子の構造 量子力学線スペクトル 連続スペクトル 加速度を受けた荷電粒子は放射を出す 加速度の 乗に比例したパワー 加速度をつくり出す力としては 原子核のクーロン力 磁場中のローレンツ力 入射電磁波による振動 荷電粒子としては 陽子に比べて 000 倍軽い 電子がきく

3 Non-relativistic Case β << 1のとき E rad = ( q / Rc ) n ( n u ) Brad = [ n Erad ] qu Erad = Brad = sin Θ Rc dw E B q u dtdω 4 πc(1 / R ) 4πc rad rad = = sin Θ 3 dw qu qu P= = Θ Ω= dt 4π c 3c sin d 3 3 u Θ n E rad

4 Thomson Scattering (Electron Scattering) 電磁波から電子が受ける力 (v cを仮定するとbから受ける力は無視できる ) F = eεe sinω t = mr 0 0 ee0 ee 0 d = erとするとd = ε sin ω0t, d = sin ε ω0t m mω0 ee 0 d0 = dipole εというの振動と等価 mω0 時間平均したパワーは 4 dp d ee0 = sin Θ= sin Θ 3 3 dω 4πc 8πmc ε 4 d ee0 P = = 3 3 3c 3mc Θ e n r

5 Thomson Scattering : Cross Section Incident Flux S = ( c/ 8 π ) E dp dσ ce0 dσ = S = dω dω 8π dω 4 dσ e = sin Θ= r 4 0 sin Θ dω mc polarized e r0 : classical electron radius.8 10 mc dσ 8π 4 T d r σ = Ω= 0 = cm dω 3 Scattered Radiation is linearly polarized in the plane of ε and n 0 13 cm ε Θ e n

6 章以降の全体像 章電磁場 電磁波 3 章運動する荷電粒子からの放射 4 章特殊相対論 5 章制動放射 6 章シンクロトロン放射 7 章コンプトン散乱 8 章原子の構造 量子力学線スペクトル 連続スペクトル 加速度を受けた荷電粒子は放射を出す 加速度の 乗に比例したパワー 加速度をつくり出す力としては 原子核のクーロン力 磁場中のローレンツ力 入射電磁波による振動 荷電粒子としては 陽子に比べて 000 倍軽い 電子がきく

7 Bremsstrahlung ( 制動放射 ) 荷電粒子間のクーロン力によって加速度が生じる 同種粒子では dipole が一定 異種粒子の場合に dipole の加速度がゼロでなくなる 原子核のまわりを電子が通過する場合 Bremsstrahlung( 制動放射 ),Free-Free Emission

8 Spectrum of Dipole Radiation dw d dw d Dipole approximation = sin Θ, = dtdω 4π c dt 3c iωt Fourier Transform dt ( ) = e dˆ ( ω) dω ˆ i t dt ω ω dω e dω () = ( ) dw 1 4 = ω dˆ( ω 3 ) sin Θ dωdω c 4 dw 8πω = dˆ( ω 3 ) dω 3c 3 3 加速度の二乗に比例する強度の放射が 加速度に垂直な方向に ( ダイポールパターンで ) 出る

9 Emission from single speed electrons d = er, d = ev e ˆ( ) iωt ω d ω = ve dt π collision time τ = b/ v e v, ωτ 1 dˆ( ω ) πω 0, ωτ 1 dw dω e v 3 3π c 0, ωτ 1, ωτ 1 v : change of the velocity Ze bdt Ze v = = ( + ) dw dω 3/ m b v t mbv 6 8Ze, b v/ ω 3 3π cmvb 0, b v/ ω e v b R Ze,

10 Emission from a medium with ion density n i, electron density n e 衝突回数は n e と n i の積に比例する dw dw ( b) = neniπ v bdb dωdvdt bmin dω 6 6 dw 16e b max db 16e bmax = nnz ln( ) 3 e i = nnz 3 e i dωdvdt 3c m v bmin b 3c m v b 4Ze h bmax = v / ω, bmin = or π mv mv 6 dw 16π e = nnz g (, vω) 3 dωdvdt 3 3cmv min e i ff 3 bmax g ff ( v, ω) = ln( ) : GauntFactor π b min No ω dependence Small ω dependence フラットなエネルギースペクトル

11 ( 対陰極型 )X 線発生装置からのスペクトル 理学電機提供 注 ) 上は光子数スペクトルで かつ検出器の効率の補正をしていない c.f. dw/dt/dω はエネルギースペクトル

12 Thermal Bremsstrahlung Emission 熱運動している個々の粒子からの制動輻射の重ねあわせ mv dp v dv kt Thermal Velosity Distribution exp( ) Thermal Bremsstrahlung dw (, v ω) mv v exp( ) dv dw ( T, ω) vmin = dωdvdt kt dωdvdt mv v exp( ) dv 0 kt 5 6 dw ( T, ω) πe π = ( ) Z nng T e 3 dvdωdt 3mc 3km 5 6 dw ( T ) πk 1/ πe 1/ = ( ) 3 Z nng e i B T dvdt 3m 3hmc 1/ 1/ hν / kt e i ff Thermal Bremstrahlung (gff=1) (kt=1kev) (kt=10kev) E(keV)

13 Emission from spherically collapsing plasma Radiative Process in Astrophysics, p 完全電離した水素プラズマの球が収縮していく 全質量 M 温度 Tは一定 半径 Rt () が小さくなっていく 0 0 初期状態 t= tでは光学的に薄い プラズマ全体からの輻射量 Lt () は? (1) 光学的に薄いとき 0 L = nnt V -7 1/ thin e p 0 n = n = M / mvv, = (4/3) π RよりL = M T R ( t) 3 0 1/ 3 e p 0 p thin () 光学的に厚いとき L = T R () t thick (3) 光学的に薄い状態から厚い状態に遷移するのは Rt ( ) = M T 4 /5 7 / 輻射の量はRの収縮に伴いR t で増加し t = t付近で 3 (4) ( ) 最大値をとったあとR () t に比例して減少する 0 1

14 Synchrotron Emission 磁場中で荷電粒子が運動するとローレンツ力を受けてらせん運動をする 加速度は磁場に比例するので その二乗に比例する輻射が放射される 粒子の速度が遅いときは回転周波数と同じ振動数をもつサイクロトロン放射 粒子の速度が相対論的になるとスペクトルは幅が広がる = シンクロトロン放射

15 Total Power Radiative Processes in Astrophysics より dv q mγ = v B dt c dv dv q = 0, = v B dt dt γ mc qb circular motion B : ωb = γ mc q q qb P= a + a = v = r c B 3c 3c γ mc 3 PitchAngle( Bとv のなす角 ) αとするとβ = βsinα 4 4 γ ( 3 γ ) γ 3 0 βγ 速度の方向が等方であればαについて平均をとって β β β = sin αdω= 4π P= r0 cβγb = σcβγu ここでU = B /8π 9 3 T B B 磁場の強さの二乗と γ の二乗に比例する

16 Spectrum1 Radiative Processes in Astrophysics より EmissionはBeamingされ 一周のうち限られた時間に放射された光子しか寄与しない θ = / γ, s = a/ γ v q r r γ m = v B t c v θ qvbsinα γmcv v γm = より s = θ = s / v c qbsinα γω sinα time imterval t = t t = 1 γω sinα B v 1 in Arrival Time: t = t t = (1 ) γω α γ ω sinα Critical Frequency: A A A 1 3 Bsin c 3 3 ωc γωbsinα B がスペクトルのひろがりの目安 B

17 銀河電波 銀河系内部 星間空間の磁場 ~10-6 ガウス -6 銀河系内 星間空間の磁場 B~10 ω B eb 1 B = = ( )( ) 6 Hz γmc γ 10 3 e eb Gauss B sin ( )sin ωc = γ α = γ α 6 mc e 10 4 例えばの電波を生じるためには (10GeV) Hz 1GHz γ : 10 程度の電子が必要

18 かに星雲 X 線までシンクロトロン成分が見えることは何を意味するか? NASA/GSFC/CXO 提供

19 かに星雲の多波長スペクトル ννff νν (Hz erg cm - s -1 Hz -1 ) という表示がより一般的 Yuan et al., 011, ApJL,730,L15 より

20 Compton 散乱 光子の ( 自由 ) 電子による散乱 断面積はトムソン散乱の断面積でエネルギーによらずにほぼ一定 ただし 光子のエネルギーがm e c 程度になるとKlein-Nishina 式に従い断面積が減少する ( 衝突前の ) 電子の運動エネルギーが光子のエネルギーに比べて大きい場合 衝突によって光子はエネルギーを得る ( 逆コンプトン散乱 )

21 Compton Scattering Pγ i = ( ε / c)(1, ni), Pγ f = ( ε1 / c)(1, nf ) Pei = ( mc,0) Pef = ( E/ cp, ) P + P = P + P γi ei γ f ef ε ε ε1 = ε 1 + (1 cos θ ) mc λ λ = λ (1 cos θ) 1 c c λ h / mc = nm Klein-Nishina cross section ε 1 dσ r0 ε1 ε ε1 θ = ( + sin θ ) dω ε ε1 ε

22 Scattering from Electrons in Motion γ 1 >> hν / mc, ε ' = εγ (1 β cos θ ) γε << mc のとき ε1 = ε1' γ(1+ βcos θ' 1) ε : ε': ε1 : 1: γ : γ ε ' ε1 ' ε'[1 (1 cos Θ)] Inverse Compton mc cosθ= cos θ' cos θ' + sin θ'sin θ' cos( φ' φ' ) θ θ 1 ε 1 θ' θ' 1 ε' 1 ε Observer's Frame Electron Rest Frame ε'

23 Total Power 4 P = σ cγ β U 3 compt T ph ここでU ph εvdε vdεはdεの範囲のエネルギーをもつ光子の密度 電子の進行方向の断面積 σ 長さcβの円柱に存在する 4 cfp.. = σ cγ β U 3 P / P = U / U synch T B compt synch ph B T 光子に衝突し 衝突によってエネルギーが γ 倍される

24 Synchrotron vs Inverse Compton 高エネルギー電子が磁場と相互作用してシンクロトロン放射を低エネルギー光子 ( 例えばマイクロ波背景放射 ) と相互作用して逆コンプトン散乱を起こす 例 :Electrons γ=10 4 B=10-6 Gauss に対しシンクロトロン放射 ω c =6 γ ~3x10 9 Hz Radio Cosmic Microwave Background ( ν~1.6x10 11 Hz) に対し逆コンプトン γ ν 1.6x10 19 Hz X-ray,gamma-ray 両者の強度の比は ( 磁場のエネルギー密度 )/( 低エネルギー光子のエネルギー密度 )

25 Y-parameter (Energy-Transfer for Repeated Scattering) y (average fractional energy change per scattering) (mean number of scatterings) ε ( ε) NR = (4 kt ε) mc Compton 散乱 : 4 kt 光子と電子のエネル ( ε) R = γε: 16 ε( ) ギー交換 3 mc 4kT ynr = max( τ es, τes ) mc kt yr = 16( ) max( τ es, τes ) mc

26 Sunyaev-Zeldovich Effect マイクロ波 (.7K) 背景放射の光子が視線方向にある銀河団の高温プラズマ電子によってコンプトン散乱される マイクロ波光子のエネルギー増加割合 ~y~(4kt/m e c )τ (4kT/m e c )n e L 高エネルギー側での強度増加 低エネルギー側での強度減少

27 Christian Reichardt et al. SnowCluster013

28 左図 SZ から再現した銀河団のガス分布 右図可視光画像に X 線 ( ピンク ) SZ 信号 ( シアン ) を重ねて表示 Planck13, 013

29 量子力学前段階 1 光とは何か? プランク関数 プランク定数 黒体輻射 光のエネルギーはとびとびの値 hν,hν,3hν, (Einstein の ) 光量子仮説 光電効果 光はエネルギー hν をもった粒子 コンプトン効果 エネルギー変化 : 光が粒子として振舞う証拠

30 量子力学前段階 原子の模型 バルマーの公式 ν=(1/ -1/n )Rc ボーア模型 量子条件 L=mrv=nh/π エネルギー準位 E~me 4 /h n ドブロイ波長 λ=h/p

31 量子力学の定式化 波動関数 確率波という解釈 シュレディンガー方程式 ( エルミート ) 演算子 時間に依存する解 しない解 交換関係 ハイゼンベルグの行列力学 不確定性関係

32 Schrodinger Equation Schrodinger equation Ψ i = H Ψ t iet/ Ψ (,) rt = ψ() re, Hψ = Eψ H 1 e = + m r r j Ze j j j i> j ij Bohr radius / a0 me = cm e / a = erg = 7.eV = Ry を長さとEnergyの単位に使うと j + E+ Z j j rj i> jrij ψ = 0

33 One Electron in a Central Field ψ θφ θφ 1 ( r,, ) = r RrY ( ) (, ) Angular part Y = Y ( θφ, ) L Ylm = l( l + 1) Ylm, LZYlm = mylm l = 0,1,,3, n 1 s, pd,, f m= l, + l 1,..., l Radial Part Rr ( ) = R ( r) V() r = Z/ rのとき E = Z /n n lm nl Orbitals n: 主量子数 l: 方位量子数 m: 磁気量子数 m s : スピン量子数 (j: 全軌道角運動量量子数 )

34 Bohr Model エネルギー準位 E=-Z /n は Bohr Model からも導出される mv /r=e Z/r 量子条件 mvrπ=nh ドブロイ波長 λ=p/h の n 倍が πr いう捉え方もできる

35 Radial Distribution nが大きい程 外側にいる確率が高い 原子核近傍 (~ 数 a 0 ) にいる確率は p,d 軌道に比べて s 軌道の方が高い Radiative Processes, by Rybicki & Lightman

36 エネルギーの低いのはどっち? H 原子で s(l=0) と p(l=1) H 原子で p(j=1/) と p(j=3/) アルカリ原子で s と p He 原子でスピン反平行と平行 H 分子でスピン反平行と平行 H-like Fe ion の 1s と He-like Fe ion の 1s

37 エネルギーの低いのはどっち? H 原子で s(l=0) と p(l=1) むしろ j による H 原子で p(j=1/) と p(j=3/) j=1/ アルカリ原子で s と p s He 原子でスピン反平行と平行 平行 H 分子でスピン反平行と平行 反平行 H-like Fe ion の 1s と He-like Fe ion の 1s H-like Fe ion

38 Fine Structures in the Energy Levels of H-atom α=e /εhc~1/137( 微細構造定数 ) の二乗のオーダー 楕円軌道も考慮した相対論的補正 ( ゾンマーフェルトによる ) l が小さい方がエネルギーが低い Spin-Orbit Interaction + 相対論 ( ディラック ) 軌道角運動量とスピン角運動量の向きが反平行 (j が小さい ) 方がエネルギーが低い 量子力学入門 II, フレンチ & テイラー著 培風館 Dirac の近似式 E n, j α 1 3 = En 1 + n j+ 1/ 4n

39 L-S coupling 多電子系の電子状態を全軌道書角運動量 L と全スピン角運動量 S で記載する ( スピン - 軌道角運動量相互作用を無視する )=L-S 結合 (coupling) 中心場近似では縮退しているエネルギーは 静電相互作用の中心場近似からのずれにより分裂する S,L が大きい ~ 電子のスピン 軌道が重なっている ~ 電子間の反発力によって距離が広がる ~ エネルギーレベルは低くなる Hund s rule

40 Spectroscopic Terms の表記 左上 :S+1 文字 :L 0,1,, に対応してS,P,D,. 右下 :J 右上 :Parity oddのときにo S+1 L J Parity 3 S, 1 S, 1 P, 1 D 1 P O 1 0 1, 等

41 (Hyper) Fine Structures in Energy Levels of H 原子核の影響 J が同じでもレベルが異なる : ラムシフト 量子力学入門 II, フレンチ & テイラー著 培風館

42 H-like Atoms s の方が r=0 での存在確率高い 原子核の電場を遮蔽する電子の効果を受けにくい エネルギーは低い ( 深い ) 量子力学入門 II, フレンチ & テイラー著 培風館

43 Two-electron Systems & Pauli exclusion principle 同種粒子 個の波動関数 ψ( q, q ) = ψ( q, q ) 1 1 より ψ( q, q ) =+ ψ( q, q ) 対称か ψ( q, q ) = ψ( q, q ) 反対称 電子の場合 反対称のみが許される パウリの排他律 一体近似 ψ( q, q ) = φ ( q ) φ ( q ) で 1 a 1 b パウリの排他律はφ ( q ) φ ( q ) = φ ( q ) φ ( q ) = 0で表される a 1 a a a 1 これは φ ( q ) φ ( q ) = φ ( q ) φ ( q ) ( 反対称 ) であれば a 1 a a a 1 自動的に満たされる

44 Symmetry vs Anti-symmetry 空間に関する波動関数 対称 { } { } ψ ( r, r ) = 1/ φ ( r) φ ( r ) + φ ( r ) φ ( r) s 1 A 1 B A B 1 反対称 ψ ( r, r ) = 1/ φ ( r) φ ( r ) φ ( r ) φ ( r) a 1 A 1 B A B 1 対称な波動関数は 粒子が同じ場所に存在する確率が高い 互いに重なろうとする傾向 反対称の場合は 粒子が離れている場所にいる確率が高い 互いに反発するような傾向

45 Triplet & Singlet スピンに関する波動関数 { } { } 対称 χ = α(1) α(), 1/ α(1) β()+ α() β(1), β(1) β() s S=1に属する3つの状態 3 重項 (triplet) 反対称 χ = 1/ α(1) β()- α() β(1) a S=0に属する1つの状態 1重項 (singlet) 電子系に対して全波動関数は反対称 3 重項 S=1 スピン対称 ( 平行 ) 空間反対称 1 重項 S=0 スピン反対称 ( 反平行 ) 空間対称

46 Exchange Energy 電子間の相互作用は斥力でH = e / r H = ϕh ϕdv dv = J ± K ( + はϕが対称 はϕが反対称 ) 1 1 J = φ ( r ) φ ( r ) H φ ( r ) φ ( r ) dv dv 1 A 1 B 1 A 1 B 1 K = φ ( r ) φ ( r ) H φ ( r ) φ ( r ) dv dv 1 B 1 A 1 A 1 B 1 一般にK 1 > 0 は正 空間に関して反対称な状態 ( スピンに対しては対称 ) の方がエネルギーが低い 3 重項の方がエネルギーが低い

47 He-atom 量子力学入門 II, フレンチ & テイラー著 培風館

48 参考 )H 分子の交換エネルギー K 1 <0 空間関数が対称 ( 個の原子核の重心で 波動関数がゼロでない ) である 1 重項の方がエネルギーが低い 同極分子の結合力の源 量子力学, 山内著 培風館

49 Semi-Classical Theory of Radiative Transitions r r 1/ 4 H = ( cp ea) m c + + eφ nonrelativistic limit, Coulomb gauge r p e r r ea H = A p+ m mc mc ここで第 項と第 3項の比 epa/ mc 3 η ( n pha0 ) >> 1 ( ほとんどの場合 ) で e A/mc 第 3 項は無視できる H = H + Hと分離する H は時間不変 H は摂動 H 0 φ = E k k k φというゼロ次の固有関数を使って 求める解を ψ( t) = a ( t) φ exp( ie t / h) と展開して解く k k k

50 Transition Probability w 4π = h T H ( ω ) 1 fi fi fi T iωt' fi ωfi π 0 fi H ( ) ( ) H ( t ') e dt ' E 1 * 1 3 f Ei H fi () t φf Hφidx, ωfi h ikr Art (, ) = Ate ( ) という形をとるとすると... ( ) 4 e j ω r π r r fi ik wfi = fe l j i mc ω fi r r r ここでlはA=Alの単位ベクトル *) ここではCoulombGageを利用しているので r A r r r = c( φ + E) = ce つまりAは偏光方向 t ω r *) j( ω) = A( ω) ct

51 Dipole Approximation r φ e I dx r r * ik 3 f jφi r r r ik r 1 r r e = 1 + ik + ( ik ) +... 最も低次の項だけとるのが双極子近似 r d e j j 4π r r wfi = ( l d) ( ) fi j ω fi h c 4π 無偏光ならwfi = d ( ) fi j ω fi h c 電気双極子モーメントが 0 になったとき電気 4 重極輻射 磁気双極子輻射が効く可能性がある

52 Einstein Coefficients and Oscillator Strength w lu = B J lu 4 3π B = d j( ω ), B B 3ch lu ul ul ul= lu πνul dul Aul = 3 3ch Oscillator Strength ν ul 4π e classical B = f = B f hν mc lu lu lu lu ul f lu

53 Selection Rules Dipole 近似のもとで 遷移確率が 0 になる遷移 = 禁制遷移 (forbidden) 0 でないもの許容遷移 (permitted) 禁制遷移でも高次の多重放射 光子放射の確率は 0 ではない 許容遷移の満たす初状態 終状態の条件 = 選択則 (selection rule) l=±1, m=0, ±1 S=0, L=0, ±1, J=0, ±1 (except J=0 to J=0) Laporte's rule ( li ) 3 φ φ は座標の反転 parity の偶奇は遷移の前後で変化しなければいけない r Q d e r dx r rに対して同 fi f j i j j j じ値になる すなわち積分は 0 でなければいけない One-electron jump rule 1個の電子に関するorbitalだけ変化し それ以外のorbitalは変化しない

54 Density dependence of transition in ionized gas radiative de-excitation + collisional de-excitation = collisional excitation N A + NNσ = NNσ 1 e 1 1 e 1 ( Nは自由電子密度 N, N はそれぞれの準位にいる原子密度 ) N N N N N e e σ A = + 1 σ N σ A / σ ( 許容遷移に対し大 禁制遷移に対し小 ) e crit σ N e crit = + 1 σ Ne j = N A E = N A E σ N + 1 = XN A ( ここでN =XNeと記述 ) 1 e crit e 1 1 σ 1 Ne 1 N << N のときj = XN E e e crit 1 e 1 1 N >> N のときj = XN A E / σ e e crit 1 e σ σ 1 E σ σ 1 1 N N e crit e

55 Forbidden Transition( 禁制遷移 ) N e crit A / σ 1 1 ( 許容遷移に対し大 禁制遷移に対し小 ) N << N のときj N logj 1 e e crit 1 e N >> N のときj N e e crit 1 e 許容遷移 N e-crit N e-crit 禁制遷移 電子密度の高いときには許容遷移に比べて無視できるような禁制遷移が 密度の低いときには効いてくる 電子密度の推定に利用される log N e

56 水素原子のエネルギー準位の微細構造 1cm Radio Wave 禁制線の一種 水素原子の陽子 電子のスピンの向きによるエネルギー準位の違い 銀河系内のガスの分布 渦巻き構造の解明に利用された

57 [OIII] 輝線 禁制線の代表的な例 ( 図は Interpreting Astronomical Spectra by Emerson より )

58 活動銀河核の ( 可視 紫外 赤外 ) 輝線 Broad Line ( 輝線幅 km/s) Permitted only Density High N>10^8 /cc Narrow Line(1000km/s 以下 ) Permitted+Forbidden Low Density N~10^3-10^6/cc 図は Active Galactic Nuclei, by Blandford, Netzer, &Woltjer, Springer-Verlag

59 レポート課題 ( 締め切り F503 ポストへ ) 1. Radiative Processes in Astrophysics の教科書の問題 1.9( 吸収線 輝線の話 ; 次ページ参照 ) を解答せよ. Eddington Luminosity を導出し その意味を簡単に説明せよ 3. 以下の輻射過程を実例を 1 個あげて解説せよ a. シンクロトロン放射 b. 逆コンプトン散乱 4. 輻射に関する問題を 1 個つくり 自分で解答せよ

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