دراسة نظرية جديدة للبوتاسيوم المتأثر بالهيليوم ومقارنتها بالطيف المخبري

N. F. Allard

J. F. Kielkopf

K. Myneni

J. N. Blakely

ملخص

تتسيدُ الخطوطُ الرنينيةُ لذراتِ الصوديوم والبوتاسيوم المحايدةِ الطيفَ المرئيَ والقريبَ من الأشعة تحت الحمراءِ في نجومِ الأقزامِ من النوعين L وT، وتنشأُ الاستمراريةُ في هذا الطيف، الممتدُّ من أقلِّ من 0.5 \(\mu\)m إلى أكثرَ من 0.9 \(\mu\)m، بفعل التوسُّع الاصطدامي لهذه الخطوطِ الذريةِ في الغلافِ الجويِّ النجمي بواسطة H\(_2\) والهيليوم. ويمكن تتبّع ملامح هذه الخطوط حتى 3000 cm\(^{-1}\) من مركزها في أقزام النوع T، ولذلك تحتاجُ نمذجةُ مساهمةِ هذه الخطوطِ الرنينيةِ القويةِ إلى ملفاتَ شاملةٍ ودقيقةٍ، ولا سيما في الأجنحةِ البعيدة. في هذا البحثِ، نقدّم حساباتِنا الجديدةَ للملفِّ الكاملِ لخطوطِ البوتاسيوم المضطربِ بالهيليوم، اعتماداً على الإمكانياتِ الأوليةِ الملائمةِ لظروفِ الأقزامِ البنيةِ الباردةِ والكواكبِ الحارةِ ذاتِ الأغلفةِ الجويةِ الكثيفة، وذلك في مدى درجات حرارة من \(T_\mathrm{eff}\)=500 \(\mathrm{K}\) إلى 3000 \(\mathrm{K}\). وفي هذه الأجسامِ ذاتِ الأغلفةِ الجويةِ المكوَّنةِ من H\(_2\) والهيليوم، يمكنُ الاستفادةُ من طيفِ الامتصاصِ المخبريِّ التقليديِّ لاستقصاءِ الأجنحةِ وتقييمِ نماذجِ شكلِ الخطِّ وطاقاتِ التفاعلِ الجزيئي. ونجدُ أن توزيعَ لورنتز التحليليَّ يظلُّ صالحاً ضمنَ نطاقٍ ضيقٍ يمتدُّ عدةَ cm\(^{-1}\) حول المركز، إلا أنه يصبحُ غيرَ دقيقٍ في الأجنحةِ، حيث تهيمنُ التأثيراتُ البعيدةُ الناتجةُ عن اصطداماتِ K–He الحساسةِ لجهودِ التفاعلِ. وتتيحُ جداولُ معاملاتِ امتصاصِ K–He لخطوطِ الرنينِ نمذجةَ الغلافِ الجويِّ بدقّةٍ أكبرَ والحصولَ على أطيافٍ صناعية. ولذلك، نقدّمُ جداولِ شفافيةٍ جديدةً مستخلَصةً من النظرية الموحدةِ لشكلِ الخطِّ، اعتماداً على الإمكانياتِ الأوليةِ الدقيقة. ويؤدي استخدامُ هذه الجداولِ في نمذجةِ الطيفِ إلى تحسُّنٍ واضحٍ مقارنةً بالتقريباتِ السابقةِ المبنيةِ على إمكانياتٍ أقلَّ دقةً أو غيرِ مكتملة. كما نعرضُ معاملاتِ تمددِ لورنتز المحسوبةَ في الإطارين شبهِ الكلاسيكيِّ والكموميِّ لخطِّ الرنينِ المركزيِّ K \(4s-4p\) عند 0.77 \(\mu\)m، مع تركيزٍ على قلبِ الخطِّ.

مقدمة

في المراحلِ الأولى من تطوّرِ القزمِ البنيّ، تتكاثفُ معظمُ المعادنِ المشتعلةِ حراريّاً لتكوّنَ حبيباتٍ تستقرّ في الطبقاتِ السفلى من الغلافِ الجويِّ الشفافِ حالياً. وتمتازُ عناصرُ القلوياتِ بارتباطٍ أقلّ بالجزيئاتِ أو بتشكيلِ حبيباتٍ، فتظلُّ انتقالاتُها الرنينيةُ المصدرَ الأخيرَ للعتامةِ البصرية. وأظهرت الدراساتُ أهميةَ الأجنحةِ البعيدةِ لثنائيِ البوتاسيومِ، المرصودِ عند 0.77 \(\mu\)m في أطيافِ الأقزامِ البنيةِ الغنيةِ بالميثان (burrows2000). وتعدُّ التفاعلاتُ بين ذراتِ القلوياتِ في حالاتِها الأرضيةِ مع الهيدروجينِ الجزيئيِّ والهيليومِ المسؤولةَ عن اتساعِ هذه الخطوطِ، إذ تحظى بأهميةٍ بالغةٍ لفهمِ عمليةِ التصادم. وقد اعتمدتْ حساباتُ (allard2001) على توزيعِ لورنتز مع ثابتِ تخميد فان دير فالز لتوليدِ نماذجٍ جويةٍ للأقزامِ البنية، فقَلَّصتْ شدةَ الخطوطِ حتى 0.9 \(\mu\)m، لكنها أنتجت امتصاصاً مفرطاً في الأجنحةِ، وهو ما دفع بـ (burrows2002) إلى تعديلِ هذه التوزيعاتِ وإضافةِ معاملاتٍ إضافيةٍ افتقرتْ إلى أساسٍ نظريّ. ومع التقدمِ الكبيرِ في قدراتِ الحوسبةِ والتقنياتِ النظريةِ، أصبحَ بالإمكانِ الآن حسابُ الإمكانياتِ الأوليةِ لتفاعلاتِ القلوياتِ مع He و H\(_2\) بدقّةٍ عاليةٍ، مما أتاحَ استخدامَ إطارٍ نظريٍّ من المبادئِ الأولى لنمذجةِ التصادمِ الرنيني.

لاحقاً، استخدم (burrows2003) إمكانيات Hartree–Fock متعددة التكوين ذاتية الاتساق ضمن إطار تقريب شكل الخط (szudy1975,szudy1996). وفي (allard2003) قدمنا ملفاتِ امتصاصِ Na و K المضطربةِ بواسطةِ He و H\(_2\) المحسوبةِ بنظريةِ الشكلِ الموحد شبهِ الكلاسيكيةِ، باستخدامِ الإمكانياتِ الزائفةِ لـ (pascale1983) و (rossi1985)، ثم دمجناها في نماذجِ الغلافِ الجوي مع برنامج PHOENIX (allard2001). وقارنا النتائجَ مع النماذجِ السابقةِ في الشكلِ 4 من (allard2003)، حيث يظهرُ الطيفُ المرصودُ للقزمِ البني Gliese 229. وأظهرت الحساباتُ الجديدةُ شفافيةً أكبرَ ضمنَ أولِ 1200 Å من مركزِ الخط، وشفافيةً أقلَّ في الأجنحةِ الحمراء، بما يتوافقُ مع الملاحظاتِ، مما خفَّضَ الامتصاصَ الكاذبَ قربَ 1.1 \(\mu\)m مقارنةً بتقريبِ فان دير فالز. كما تنبأنا بظهورِ فرعٍ طيفيٍّ لخطِّ K–H\(_2\).