Warum ist [O III] eine gute Dichtesonde im interstellaren Medium?

Der Schlüssel zum Verständnis ist das Konzept der verbotenen Linien und verbotenen Übergänge .

Ein verbotener Übergang ist ein Übergang, der nicht strahlend über eine elektrische Dipolwechselwirkung auftreten kann. Stattdessen muss es mit viel geringerer Wahrscheinlichkeit entweder durch magnetische Dipol- oder elektrische Quadrupol-Emission erfolgen, oder der Übergang kann durch Kollisions(ent)erregung erreicht werden.

Eine verbotene Linie ist die Strahlung bei einer Wellenlänge, die einem verbotenen Übergang entspricht. In Laborplasmen sind diese normalerweise nicht zu sehen - daher der Begriff verbotene Linien -, da die Übergänge normalerweise durch Kollisionsentregung auf einer Zeitskala erreicht werden, die viel kürzer ist als die Strahlungslebensdauer durch magnetische Dipol- / elektrische Quadrupol-Emission. In astrophysikalischen Plasmen können die Dichten jedoch um viele Größenordnungen niedriger sein als selbst im besten Laborvakuum. In diesem Fall sind verbotene Linien zu sehen, die tatsächlich oft ein wichtiges Mittel zur Strahlungskühlung sind.

Die Eigenschaft verbotener Linien, die sie zu einem ausgezeichneten dichteempfindlichen Werkzeug macht, besteht darin, dass sie "gelöscht" werden können, wenn die Dichte groß genug wird, um eine Kollisionsabregung wahrscheinlicher als eine Strahlungsabregung zu machen. Die Stärke der verbotenen Linie ist daher empfindlich gegenüber der Elektronendichte (die die Kollisionen dominiert) zwischen Dichten, bei denen das "Löschen" wirksam wird, und höheren Dichten, bei denen die Linie im Wesentlichen nicht mehr beobachtbar wird.

Nehmen wir das spezifische Beispiel der optischen Linienemission von OIII (doppelt ionisierter Sauerstoff). Es gibt drei verbotene Übergänge von Interesse zwischen den$^1D_2 \rightarrow\ ^3P_2$(501 Nanometer),$^1D_2 \rightarrow\ ^3P_1$(496 nm) und$^1S_0 \rightarrow\ ^1D_2$(436 nm) heißt. Diese Übergänge erzeugen optisch verbotene Linien, die bei unterschiedlichen charakteristischen Dichten gequencht werden. Das Messen eines Linienstärkeverhältnisses ist wichtig, da das Verhältnis unabhängig von der Menge an OIII ist. Das Verhältnis hängt von der Elektronendichte ab, vorausgesetzt, die Elektronendichte ist es$>10^{5}\ cm^{-3}$und Temperatur ( bei niedrigeren Dichten ist das Verhältnis nur temperaturabhängig).

Um die Dichte in diesem Fall zu erhalten, sind mehr Informationen erforderlich - normalerweise geliefert durch ein ähnliches Linienverhältnis für etwas wie NII, das einen ähnlichen Satz verbotener Linien aufweist, jedoch mit unterschiedlicher Dichte und Temperaturabhängigkeit.

Eine einfachere Route besteht darin, das Linienverhältnis für verbotene Linien von OII oder SII zu verwenden, bei denen es ein eng beabstandetes Paar von Energieniveaus gibt, die beide verbotenen Übergängen auf dasselbe niedrigere Niveau unterliegen. In diesem Fall sind die Verhältnisse dichteempfindlich, aber nicht temperaturempfindlich, wiederum über einen Bereich von Dichten, in dem der eine oder andere Übergang gerade gelöscht wird (z. B. für OII 372,6/372,8 nm,$10^2 <n_e < 10^{6}\ cm^{-3}$.)