Radiative Processes in Astrophysics

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Radiative Processes in Astrophysics

Radiative Processes inAstrophysics林 田 清http://wwwxray.ess.sci.osaka-u.ac.jp/~hayasida


Inverted Populations: Maser, Laserng2 1ng1 2n>gn


Maser(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)• Laser (Light ….)• 天 体 で 観 測 されているメーザーの 例• 生 まれたての 星 や、 逆 に 非 常 に 年 老 いた 星 の 周 囲 に 存在 する 濃 い 分 子 ガス 中 のOHの分 子 、H、2 O 分 子• 分 子 ガスは、 分 子 同 士 の 衝 突 、 星 からの 光 によって、 反転 準 位 をつくる• 視 線 方 向 にやってくる 光 がガス 中 で 長 いパスを 通 ると、メーザー( 増 幅 )が 起 こる。• 活 動 銀 河 核 の 中 心 部 でもメーザーが 観 測 されている• 天 体 Laser 現 象 の 観 測 例 はない?• 星 間 物 質 の 温 度 では 反 転 分 布 をつくるのが 難 しいため


地 上 の 実 験 室 でのレーザー• 例 )He)He-Neレーザー熊 本 大 学 工 学 部 http://education.eecs.kumamoto-u.ac.jp/laser/OHP(PDF)/lHe-Ne%20Laser(12).pdfより


レーザーの 応 用 ( 一 例 )• CD, CD-ROM,DVDROM,DVDなどは 全 て 半 導 体 レーザーを 使 用 。• Compact Disc 用 は780nmは780nmの の 赤 外 線• DVDは635nm,Bruray Discではでは405nm• 医 療 用 などでは 気 体 レーザーを 使 用 している 場 合 もある 模様 ( 出 力 パワーが 必 要 なので)• 光 通 信 では1.31.3-1.6μmの の 赤 外 線 を 使 用 。図 はhttp://www.nanoelectronics.jp/kaitai/opticaldisc/5.htmより


超 巨 大 ブラックホールの 証 拠NGC4258(M106)中 心 部 のメーザー 輝 線 観 測• 水 蒸 気 分 子 が 発 するメーザー 線 (22GHzの の 電 波 )• VLBAによるによる0.3ミリ 秒 角 の角 度 分 解 能 の 観 測• ドップラー 速 度 の 測 定 。• 太 陽 の3600の万 倍 の 質 量 のブラックホール• Miyoshi et al.,1995,Nature,373, p.127• 図 は 中 井 他 1995(http://www.miz.nao.ac.jp/b_hole.htmlより)


NGC4258 メーザー 輝 線 の 観 測Miyoshi et al., 1995, Nature, 373, p.127


• Direct Evidence ofKepler Motion• R


3C66B(メーザーとは 関 係 ないけど、VLBA& 巨 大 BH)• 2003/5/23 記 者 発 表資 料 よりSudouSudou, , H.et al. (http://www.cive.gifu(http://www.cive.gifu-u.ac.jp/lab/eb2/sudou.html)Image courtesy of NRAO/AUI.周 期 1.05 年 ; 軌 道 長 径 0.1pc 以 下


電 磁 気 学 の 単 位 系参 考 文 献 :1) 理 科 年 表2) 新 潟 大 学 理 学 部 化 学 科http://yamibm.sc.niigatau.ac.jp/~pages/results/monograph/より• MKSA 単 位 系 ( 国 際 単 位 系 、SI 単 位 系 )◦ 長 さm、 質 量 kg、 秒 s◦ 電 流 A(アンペア): 真 空 中 で1m 離 した2 本 の 電 線 の1mあたりにF=2x10 -7 Nm -1 の 力 が 働 くときの 電 流 =1A• cgs esu ( 静 電 ) 単 位 系◦ 誘 電 率 は 無 次 元 、 電 荷 の 単 位 はesu◦ esuの 定 義 : 真 空 中 で1cmの 距 離 に1esuの 電 荷 をおくと1dynの 力 が働 く• cgs emu( 電 磁 ) 単 位 系◦ 透 磁 率 は 無 次 元 、 磁 極 の 単 位 はemu◦ emuの 定 義 : 真 空 中 で1cmの 距 離 に1emuの 磁 極 をおくと1dynの 力が 働 く• cgs Gauss 単 位 系 ( 天 文 学 では“ 未 だに”よく 使 う)◦ 誘 電 率 、 透 磁 率 は 無 次 元◦ 電 気 的 な 量 はcgs esu 、 磁 気 的 な 量 にはcgs emu◦ 電 気 的 な 量 と 磁 気 的 な 量 を 両 方 含 む 関 係 式 には 係 数 にcが 表 れる。


クーロンの 法 則MKSA 単 位 系 ( 国 際 単 位 系 、SI 単 位 系 )cgsガウス 単 位 系磁 荷 の 間 に 働 く 力1 21 2F =F =224πμrμ r ローレンツ 力 F = q( E+ v×B)v F = q( E+ × B)c電 荷 の 単 位 クーロン C (=A・s) esu=dyn 1/2 cm(1C=10c esu)電 場 の 単 位 NC -1 (=V/m) dyn esu -1 =dyn 1/2 cm -1(1V/m=10 4 /c dyn esu -1 )電 流 の 単 位 アンペア A esu s -1 =dyn 1/2 cm s -1(1A=10c esu s -1 )磁 束 密 度 テスラ T ガウス G (1T=10 4 G)1真 空 中 での 誘 電 率 ε 01/(4πc 2 )x10 7 =8.85x10 -12N -1 C 2 m -2真 空 中 での 透 磁 率 μ 04πx10 -7 =1.26x10 -6 NA -2 1F1 qq1 2=24πεr1 mm1 qqF =ε r1 221 mmこの 欄 でcは 真 空 中 での 光 速この 欄 でcは2.9979x10 10 という 数 値


電 束 密 度 D電 場 の 強 さE磁 束 密 度 B磁 場 の 強 さH• MKSA 単 位 系∇ iD= ρ ∇ iB= 0 ∂B∇ × E − = 0∂t ∂D∇ × H − = j∂t D = ε E B = μH S = E×HU 1⎛1= ⎜ε2E +⎝ μB2 2Maxwellの 方 程 式⎞⎟⎠Poynting VectorEnergy Densitycgsガウス 単 位 系∇ iD= 4πρ∇ iB= 0 1 ∂B∇× E − = 0 c ∂ t 1 ∂D4π∇× H − = jc ∂t c D = ε E B = μH c S = E×H4πU 1 ⎛ 1= ⎜ε8πE +⎝ μB2 2⎞⎟⎠


∇ iD= 4πρ∇ iB= 0 1 ∂B∇× E − = 0 c ∂ t 1 ∂D4π∇× H − = jc ∂t c真 空 中 では ε=μ = 1なので 2⎛1 ∂B⎞ 1 ∂ E∇× ( ∇× E)=∇× ⎜ ⎟=−2 2⎝c ∂t ⎠ c ∂t 2∇× ( ∇× E) =∇( ∇⋅E)−∇ Eなので22 1 ∂ E∇ E =−2 2c ∂t電 磁 波電 磁 波 の 波 動 方 程 式電 磁 波 の 方 程 式 の 解 ( ikr ⋅ −ωt)E = E0e ikr ( ⋅ −ωt)B=B0e E ⊥ B ⊥kω=0ck2 2 2


電 磁 ポテンシャルscalar potential φvector potential A B=∇×A 1 ∂AE =−∇φ−c ∂t22 1 ∂ φ∇ φ − =−4πρ2 2c ∂tπ 2∇ A − =− j21 ∂ A 42 2c ∂t c


ガウステスラ磁 場 の 強 さ(1G=10 -4 T)• 地 球 表 面 ~1G◦ 日 本 付 近 ~0.3G• 太 陽 ( 黒 点 ) ~3000G• 銀 河 系 磁 場 ~10 -6 G•パルサー( 磁 場 をもつ 中 性 子 星 表 面 )~10 12 G• 磁 気 治 療 器 10 3 -10 4 G


2 章 以 降 の 全 体 像•2 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2 乗 荷 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2000 倍 軽 い、 電 子 がきく。

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