Регистрация / Вход
Прислать материал

РАСЧЕТ ИЗЛУЧЕНИЯ ФОРМАЛЬДЕГИДА С УЧЕТОМ УРОВНЕЙ ВОЗБУЖДЕННЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ ВОКРУГ МАССИВНЫХ ЗВЕЗД

Сведения об участнике
ФИО
Шаповалова Анастасия Сергеевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Астрономия, астрофизика и исследования космического пространства
Тема
РАСЧЕТ ИЗЛУЧЕНИЯ ФОРМАЛЬДЕГИДА С УЧЕТОМ УРОВНЕЙ ВОЗБУЖДЕННЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В АККРЕЦИОННЫХ ДИСКАХ ВОКРУГ МАССИВНЫХ ЗВЕЗД
Резюме
Высокие температуры газа и интенсивное излучение в аккреционных дисках вокруг массивных звезд могут приводить к возбуждению нижних вращательных уровней возбужденных колебательных состояний Н2СО, что может влиять на интенсивность радио-переходов.
Целью данной работы являлось создание модели молекулярных уровней и переходов основных и возбужденных колебательных состояний Н2СО и проведение расчетов переноса излучения в линиях Н2СО в аккреционном диске на основе созданной модели.
Результаты расчетов показали, что при одних и тех же физических условиях учет возбужденных уровней может приводить к мазерному усилению.
Ключевые слова
моделирование, перенос излучения, нейронные сети, спектроскопия, космические мазеры, молодые звездные объекты, аккреционные диски.
Цели и задачи
Создание модели молекулярных уровней и переходов основных и возбужденных колебательных состояний Н2СО и проведение расчетов переноса излучения в линиях Н2СО в аккреционном диске на основе созданной модели.
Введение

Мазерное излучение играет важную роль в изучении областей звездообразования. По наблюдениям мазеров исследуются кинематику газа и физические условия в ближайших окрестностях молодых звезд. Важную роль в подобных исследованиях играют наблюдения мазеров Н2СО.  

Согласно ранним расчетам переноса излучения, яркого мазерного излучения Н2СО в условиях, характерных для областей массивного звездообразования, наблюдаться не будет. При этом учитывались лишь уровни основного колебательного состояния. Однако в условиях аккреционных дисков вокруг массивных звезд при высоких температурах и интенсивном излучении возможно возбуждение нижних уровней возбужденных колебательных состояний Н2СО, что может влиять на интенсивность радио-переходов.

Методы и материалы

Для расчетов переноса излучения были отобраны уровни энергии молекулы Н2СО в основном и возбужденных колебательных состояниях. 

Данные об энергиях уровней и коэффициенты Эйнштейна брались из базы ExoMol [1]. Были выбраны основные и возбужденные уровни с энергиями до 1000 и 1500 см-1, соответственно. При этом выбирались только такие возбужденные уровни, которые связаны с основными радиативными переходами.

В данной работе использовались значения скоростей столкновительных переходов С между 40 нижними уровнями основного состояния из работы [2]. Значения С для тех переходов, которые не рассматривались в работе [2], были получены экстраполяцией.

Для экстраполяции использовался метод, основанный на применении нейронных сетей (НС) из работы [3]. В данной работе НС состояла из трех слоев: входной, скрытый и выходной, включающих 3, 16 и 1 нейрон, соответственно. В качестве входных параметров использовались разности энергий и двух вращательных квантовых чисел между начальным и конечным состояниями перехода. На выходе НС получалось значение lgC. Относительная точность расчетов при использовании НС составляет 0,1.

С использованием созданной модели уровней и переходов молекулы Н2СО были проведены расчеты переноса излучения в линиях Н2СО. Нами были рассмотрены переходы 110‑111 (4,8 ГГц), 211-212 (14,5 ГГц), 312-313 (28,9 ГГц) и 413-414 (48,3 ГГц).  Расчеты выполнялись в приближении большого градиента скорости на основе модели аккреционного диска вокруг массивной двойной системы из работы [4].

Описание и обсуждение результатов

Определяющую роль в расчетах переноса излучения в линиях молекул играет используемая молекулярная модель, которая включает в себя данные об энергетических уровнях и переходах между ними. В ходе работы было показано, что при расчете переноса излучения в линиях Н2СО учет возбужденных уровней может привести к смене знака оптической толщины с положительного на отрицательный, то есть к мазерному усилению (см. рисунок 1). Мазерное усиление возникает в переходах 110‑111 (4,8 ГГц), 211-212 (14,5 ГГц), 312-313 (28,9 ГГц), оптическая толщина в переходе 413-414 (48,3 ГГц) меняется, однако мазерного усиления в нем не наблюдается.

В данной работе использовались самые современные молекулярные данные. В полученной молекулярной модели учитывались такие возбужденные уровни, энергия которых превышает тепловую энергию газа в 4 раза.

Точные квантово-механические или классические расчеты задачи рассеяния для многоатомных молекул являются вычислительно очень сложной задачей, в частности, когда одновременно рассматриваются вращательные и колебательно-вращательные переходы. Даже для тех молекул, для которых подобные вычисления выполнены, полученные данные ограничены малым числом уровней с наименьшими энергиями.

В связи с этим для оценки С используются различные методы экстраполяции. Для молекулы формальдегида в работе [3] был предложен метод экстраполяции C основанный на применении ИНС. В пределах точности метода экстраполяции, оценки которой получены в работе [3] и в данной работе, результаты расчетов переноса излучения в линиях Н2СО, выполненных в ходе данного исследования, существенно не меняются.

Модель переноса излучения была апробирована в расчетах при физических условиях, характерных для областей массивного звездообразования, в том числе и при физических условиях, которые близки рассматриваемым в данной работе.  

Для расчетов переноса излучения использовалась ранее опубликованная модель аккреционного диска вокруг массивной двойной звезды, которая была предложена для объяснения периодической переменности мазеров СН3ОН, ассоциирующихся с областями массивного звездообразования [4]. В том числе, данная модель может быть использована для объяснения периодической переменности мазеров СН3ОН в источнике G37.55+0.20. В рамках данной модели предполагается, что мазеры метанола II класса образуются в аккреционном диске, и их переменность связана с наличием в центре диска вращающейся спиральной ударной волны, вызванной сверхзвуковым движением компонент двойной системы. Согласно проведенным расчетам, мазеры Н2СО наблюдаются одновременно с мазерами СН3ОН, что может свидетельствовать об одних и тех же механизмах накачки мазеров СН3ОН и Н2СО. Данное предположение также было сделано в работе [5], по совпадению характера переменности мазеров СН3ОН и Н2СО в источнике G37.55+0.20.   

Рисунок 1 - Результат расчета переноса излучения в линии 4,8 ГГц. Значение оптической толщины в зависимости от расстояния от центра диска.

Используемые источники
1. Al-Refaie A. F., Yachmenev A., et al. ExoMol line lists - VIII. A variationally computed line list for hot formaldehyde // MNRAS – 2015. – Vol. 448. – P. 1704-1714.
2. Wiesenfeld L., Faure A. Rotational quenching of H2CO by molecular hydrogen: cross-sections, rates and pressure broadening // MNRAS – 2013. – Vol. 432. – P. 2573-2578.
3. Neufeld D. A. Rate Coefficients for the Collisional Excitation of Molecules: Estimates from an Artificial Neural Network // ApJ – 2010. – Vol. 708. – P. 635-644.
4. Parfenov S.Yu., Sobolev A.M. On the Class II methanol maser periodic variability due to the rotating spiral shocks in the gaps of discs around young binary stars // MNRAS – 2014. – Vol. 444. – P. 620-628.
5. Araya E. D. et al. Quasi-periodic Formaldehyde Maser Flares in the Massive Protostellar Object IRAS 18566+0408 // ApJL. – 2010. – Vol. 717. – P. 133.
Information about the project
Surname Name
Shapovalova Anastasia
Project title
Calculations of formaldehyde emission in accretion disks around massive stars with considering levels of excited vibrational states
Summary of the project
A high gas temperature and intense radiation field, which are present in accretion disks around massive stars, can lead to excitation of rotational levels of lower H2CO excited vibrational states, thus affecting the intensity of rotational radio-transitions.
The aim of this work is to make a model of molecular rotational levels and transitions of H2CO ground and excited vibrational states (hereafter, ground and excited levels, respectively) and to use this model for radiative transfer calculations in H2CO lines in accretion discs.
Preliminary results showed that the inclusion of levels from excited vibrational states could significantly affect the optical thickness in rotational transitions. Under the same physical conditions, the inclusion of excited levels into molecular model could lead to a maser amplification.
Keywords
modelling, radiative transfer, neural network, spectroscopy, cosmic masers, young stellar objects, accretion discs.