Huom! Tämä materiaali sisältää symbolifontteja, eli mm. kreikkalaisia kirjaimia. Jos selaimesi ei näytä niitä oikein, ole tarkkana!
Seuraavassa esitellään erityisesti radioastronomiassa tärkeitä säteilymekanismeja. On huomattava, että mikään "luonnollinen" havaintokohde ei säteile vain yhdellä mekanismilla, vaan yleensä kohteiden spektrit ovat yhdistelmiä monesta eri mekanismista. On kuitenkin hyötyä siitä, että kullakin säteilytavalla on oma tyypillinen spektrinsä, joka ehkä voidaan erottaa havaitun lähteen kokonaispektristä. Näin päästään tutkimaan lähteessä vaikuttavia säteilymekanismeja ja niitä fysikaalisia prosesseja, jotka ovat säteilyn aiheuttaneet.
Mustan kappaleen säteily on termistä, eli jonkin kappaleen lähettämää (lämpö)säteilyä. Sitä voidaan kuvailla ajatusleikin avulla. Oletetaan ontto, suljettu tila, jonka seinien atomit lähettävät sähkömagneettista säteilyä. Samalla atomit ottavat vastaan muiden atomien lähettämää säteilyä. Kun tilan täyttävä sähkömagneettinen säteily saavuttaa tasapainon seinien atomien kanssa, lähetetyn energian määrä yksikköajassa on sama kuin vastaanotetun energian määrä. Tilan sisältämä säteily on siis tasapainossa seinien kanssa, ja sähkömagneettisen kentän energiatiheys on vakio. Tällä säteilyllä on tietynlainen energiajakautuma.
Musta kappale on siis ideaalinen absorboija ja emittoija, joka on termisessä tasapainossa ympäristönsä kanssa, ja sen säteilyn määrä riippuu ainoastaan lämpötilasta. Se ei heijasta tai sirota, ja on isotrooppista mutta ei polarisoitunutta. Mustan kappaleen säteily ei ole todellista, vaikka jotkut tähtitieteelliset kohteet käyttäytyvätkin mustan kappaleen lailla, esimerkiksi tähdet (myös Aurinko), planeetat, kuuma tähtienvälinen pöly, kuuma pöly galakseissa, 3 Kelvinin taustasäteily). Mustalla kappaleella on tasainen jatkuva (kontinuumi) emissiospektri (kuva), jota kuvaa Planckin säteilylaki:
B
n(T)=2hn3/c2(ehn/kT-1) Lämpötilan pienentyessä mustan kappaleen säteilyn emissiohuippu siirtyy kohti pienempiä taajuuksia ja sen luminositeetti pienenee. Tämän vuoksi viileämmän mustan kappaleen emissio on aina kuumemman sisällä.
Planckin säteilylakia on hankala käsitellä, joten on olemassa approksimaatioita joita voidaan käyttää tietyissä ääritapauksissa. Radioastronomian kannalta hyödyllisin on Rayleigh-Jeansin approksimaatio, joka pätee radiotaajuuksilla eli kun hn << kT:
B
l(T)=2ckT/l4 Wienin approksimaatio on voimassa, kun hn/kT >> 1:
B
l(T)=2hc2/l5ehc/lkT Kappaleen säteilemällä luminositeetilla (L) tarkoitetaan säteilylähdettä ympäröivän suljetun pinnan läpi kulkevaa kokonaisvuota:
L=4pr
2sT4 Tämä voidaan jakaa kahteen osaan, joista jälkimmäinen on nk. Stefan-Boltzmannin laki:
L=4pr
2F F=sT4 Luminositeetti on siis verrannollinen lähteen pinta-alaan sekä lämpötilan neljänteen potenssiin. Niinpä mikäli lähteellä on suuri luminositeetti, on sen oltava kuuma tai suuri tai molempia. Wienin siirtymälaki ilmaisee säteilyn maksimin aallonpituuden:
l
maxT= 3 (mm K) Näin lähteen lämpötila voidaan arvioida olettamalla se mustaksi kappaleeksi ja määrittämällä mikä on sen maksimivuon aallonpituus. Esimerkiksi tähtien lämpötilojen arvioiminen onnistuu tällä tavalla.
n = taajuus l = aallonpituus p = pii s = Stefan-Boltzmannin vakio r = lähteen säde c = valonnopeus k = Boltzmannin vakio h = Planckin vakio T = lämpötila F = vuontiheys
Termistä jarrustussäteilyä (bremsstrahlung) syntyy, kun vapaa elektroni muuttaa nopeusvektoria (hidastuu) ionin sähkökentässä. Tätä säteilyä syntyy erityisesti ionisoituneessa kaasussa (tähtien ja galaksienvälinen vety, HII-alueet). Alueiden lämpötila on tyypillisesti 10 000K - 1 000 000 K.
Pitkäikäinen viritystila eli metastabiili tila voi toimia varastona, johon kertyy enemmän atomeja kuin perustilaan. Tämä saadaan aikaan nostamalla atomit ensin korkeampaan viritystilaan, josta atomit siirtyvät spontaanin emission kautta metastabiiliin tilaan. Kun atomeihin suunnataan tämän tilan viritysenergiaa vastaavaa säteilyä, syntyy maseremissio kun atomit palaavat perustilaan. Masersäteilijöitä löytyy tähtien välisistä molekyylipilvistä (tähtien syntyalueilta) ja pölystä. Tyypillisiä taajuuksia ovat mm. OH (1.6 GHz), vesi (22 GHz) ja SiO (n. 8 GHz).
Viivasäteily johtuu atomien ja molekyylien energiatasojen muutoksista. Se näkyy normaalin jatkuvan (kontinuumin) spektrin päällä (alla esimerkiksi mustan kappaleen säteily) olevina viivoina. Sen voi ajatella syntyvän niin, että esimerkiksi tähden näkyvä pinta säteilee kaikkia aallonpituuksia ja muodostaa jatkuvan spektrin. Tähden atmosfäärissä olevat atomit absorboivat itseensä tiettyjä aallonpituuksia, jotka ovat kullekin atomille luonteenomaisia ja näihin kohtiin jää spektriin rako, absorptioviiva. Emissioviiva puolestaan syntyy, kun kuuman kaasun atomit säteilevät.
Kun vetyatomin elektroni siirtyy korkeammalta energiatilalta perustilaan, syntyvät Lyman-sarjan viivat jotka näkyvät kohteen spektrissä ultraviolettialueella. Kun elektroni siirtyy korkeammalta energiatilalta toiseksi alimmalle tilalle, syntyvät Balmer-sarjan viivat jotka näkyvät optisella (siis näkyvän valon) alueella. Vastaavasti syntyvät ylempien tasojen viivat (Paschen ja Brackett -sarjat infrapuna-alueella jne).
Radio- ja infrapuna-alueella viivasäteily johtuu yleensä molekyylien rotaatiotransitioista. Se tarkoittaa, että normaalisti pyörimätön molekyyli lähtee esimerkiksi törmäyksen vuoksi pyörimään painopisteensä ympäri ja näin muuttaa energitilaansa. Puhtaimmat rotaatiospektrit saadaan millimetriaalto- ja lähi-infrapuna-alueilla.
Viivasäteilyn avulla saadaan paljon tietoa havaittavasta kohteesta (joka voi olla esimerkiksi tähti, kaasu- tai pölypilvi tai vaikkapa kokonainen galaksi): mistä aineesta se on koostunut, mitkä ovat eri aineiden määrät ja nopeudet, kohteen lämpötila, tietoa magneettikentistä jne. Viivasäteilyä havaitaan erityisesti neutraalin vedyn (HI) alueilla sekä molekyylipilvissä (enimmäkseen Linnunradassa).
Synkrotronisäteily on ei-termistä. Sitä syntyy, kun relativistisella nopudella liikkuva elektroni kieppuu magneettikentässä. Säteily lähtee kapeassa keilassa elektronin liikkeen suuntaan. Synkrotronisäteily on tyypillistä aktiivisille galakseille ja radiogalakseille sekä pulsareille ja supernoville. Metsähovissa tutkitaan nimenomaan tällä mekanismilla syntynyttä kvasaarien radiosäteilyä, ja asiasta puhutaan lisää myös tulevilla luennoilla.
Päivitetty viimeksi: 2008-09-24 / AL