Самовыстраивание – выстраивание ансамблей атомов и молекул, образующееся без внешних воздействий, а в результате, например, пленения излучения в плазме или соударения частиц. И то и другое может быть по разным причинам анизотропным, что приводит к самовыстраиванию атомов (молекул) в определенных квантовых состояниях.

При пленении излучения его анизотропия приводит к выстраиванию состояния, возбуждённого этим излучением. В произвольной точке объёма, занятого плазмой, можно выделить два направления с экстремальными интенсивностями излучения (в цилиндрической разрядной трубке оно максимально параллельно оси, а в направлении, перпендикулярном оси и радиусу трубки, оно минимально) и наведённое им самовыстаивание будет двуосным. Оно описывается тензором, главные оси которого совпадают с осями симметрии распределения излучения. Ни в какой системе координат двуосное самовыстраивание нельзя описать разностью населённостей зеемановских подуровней, в матрице плотности всегда останутся «когерентные» члены, связывающие состояния с разными магнитными числами. Но на оси трубки самовыстраивание одноосно и его можно свести к продольному выстраиванию, адекватному разности заселённостей зеемановских подуровней.

Еще один вид самовыстраивания – скрытое выстраивание, связанное с тепловым движением частиц. Благодаря этому движению вероятность взаимодействия с излучением и вероятность столкновений для каждой частицы имеют неизотропное осесимметричное распределение, и в результате ансамбль атомов с заданным направлением теплового движения может оказаться выстроенным. В среднем по всему объёму скрытое самовыстраивание не проявляется вследствие хаотичности теплового движения. Тем не менее локальное скрытое самовыстраивание оказывает влияние на контур излучения (поглощения) спектральной линии, а через него – на количественные характеристики пленения излучения и населённость уровней.

Самовыстраивание, как и выстраивание вообще, разрушается магнитным полем, не параллельным оси выстраивания (эффект Ханле). При этом меняются поляризационные характеристики излучения, а иногда и интенсивность. Эти изменения образуют так называемые сигналы выстраивания, позволяющие определять константы релаксации – радиационного распада, столкновительного разрушения выстраивания и др.

Самовыстравание впервые было зарегистрировано в тлеющем разряде; его наблюдали также в короне и протуберанцах Солнца. Изучение поляризационных характеристик солнечного излучения позволило найти распределение магнитного поля в солнечных пятнах и проследить за его изменением.

Самовыстаивание атомов наблюдалось в возбуждённых состояниях, но оно возможно и в основном состоянии. Однако основные состояния значительной части атомов элементов таблицы Менделеева не удовлетворяют необходимому для выстраивания условию, согласно которому квантовое число углового момента должно быть не меньше единицы.

При больших оптических плотностях среды возможно образование другого типа выстраивания, которое было названо скрытым. Идея скрытого выстраивания связана с рассмотрением взаимодействия подансамбля атомов, имеющих заданный вектор скорости v, с пространственно изотропным излучением, характеризующимся конечной спектральной шириной (рис.1). Выстраивание этого подансамбля определяется тем, что при конечной спектральной ширине облучающей линии вероятность оптического возбуждения различна вдоль разных направлений по отношению и вектору скорости v. Для линии, уширенной за счет эффекта Допплера, интенсивность возбуждающего света в направлении, перпендикулярном вектору скорости v, определяется интенсивностью, соответствующей центральной частоте допплеровского контура.

 

Самовыстраивание является универсальным свойством источников света, которое приводит к частичной линейной поляризации их спонтанного излучения. Это явление обусловлено неравновесностью заселения частиц по проекциям момента и возникает в результате анизотропии внутренних процессов возбуждения. Самовыстраивание проявляется как в астрофизических, так и в лабораторных условиях. Астрофизические наблюдения этого явления проводились в оптическом излучении внешних участков атмосферы Солнца и легли в основу методики измерения слабых локальных магнитных полей. В лабораторных условиях самовыстраивание было обнаружено в низкотемпературной газоразрядной плазме. На основе экспериментальных результатов удалось выяснить физические причины самовыстраивания в плазме. Они обусловлены анизотропией резонансного фотовозбуждения частиц в разряде и анизотропией функции распределения электронов по скоростям.

Лабораторные приложения явления самовыстраивания связаны с новыми возможностями диагностики низкотемпературной плазмы и применениями в задачах спектроскопии как метод измерения атомных констант. Эти константы могут быть использованы в астрофизических приложениях и, в частности, в практических задачах магнитометрии солнечной атмосферы.

Явление самовыстраивания в ансамбле возбужденных частиц проявляется также в лабораторных экспериментах и используется в задачах атомной спектроскопии и физике плазмы. Лабораторные исследования этого явления проводятся в низкотемпературной плазме газового разряда с помощью оптико-магнитной техники эффекта Ханле: наблюдаются поляризационные характеристики излучения в присутствии внешнего магнитного поля. Магнитное поле разрушает когерентность состояний в ансамбле, что приводит к изменению поляризационных характеристик излучения. Закон, по которому поляризация излучения зависит от магнитного поля, определяется характеристиками излучающего состояния: временем релаксации, фактором Ланде, а также условиями наблюдения. Регистрируемые в эксперименте зависимости степени поляризации от напряженности магнитного поля служат главным источником информации об атомных констатах и особенностях процессов возбуждения в плазме.

При анализе поляризационных особенностей излучения в астрофизике, как правило, решается обратная задача: по зарегистрированному распределению степени поляризации излучения определяются локальные характеристики объектов. Для измерения этим способом магнитных полей, помимо особенностей возбуждения и выстраивания рассматриваемого состояния, необходимо также знание атомных констант и характеристик процесса столкновительной релаксации в ансамбле частиц, поскольку данный процесс в некоторых случаях имеет место и может приводить к дополнительной деполяризации излучения. Столкновительная деполяризация может быть учтена, если известно сечение разрушения выстраивания. Эта информация может быть получена в результате лабораторного исследования явления самовыстраивания в низкотемпературной плазме газового разряда.
 

В широком классе астрофизических объектов: облаках межзвездного и межпланетного газа, оболочках звезд, квазаров, кометах, туманностях значительно чаще реализуются условия внешнего анизотропного возбуждения ансамбля свободных частиц резонансным излучением. Рассматриваемые астрофизические объекты характеризуются очень высокой степенью разреженности вещества. Концентрация частиц настолько мала, что столкновения между частицами практически не происходят. Взаимодействие ансамбля свободных частиц с анизотропными потоками резонансного излучения приводит к выстраиванию спинов, т. е. к анизотропии пространственной ориентации спинов частиц в основном состоянии. Так как время релаксации частиц в основном состоянии очень велико, то такие термодинамически неравновесные астрофизические системы устойчивы и характеризуются рядом важных особенностей. Эти особенности в последнее время детально анализировались наряду с исследованием возможностей использования этого явления для получения новой информации об астрофизических объектах. При моделировании таких ситуаций в лабораторных условиях соударения между частицами весьма эффективны, и столкновительная релаксация препятствует организации спиновой неравновесности в основном состоянии. В ряде случаев столкновительную релаксацию удается подавить и искусственно создать неравновесный ансамбль частиц.

Исторически частичная линейная поляризация излучения астрофизического источника впервые наблюдалась при исследовании короны Солнца. Зарегистрированная поляризация спектральных линий фактически была обусловлена самовыстраиванием возбужденных частиц при резонансном рассеянии излучения от внутренних частей атмосферы Солнца. В дальнейшем было предложено использовать это явление для целей магнитометрии. Магнитное поле существует в различных астрофизических объектах и играет важную роль в протекающих в них процессах: солнечная активность в значительной степени определяется этой важной характеристикой. Ввиду этого разработка методов определения напряженности локального магнитного поля является важной астрофизической задачей, решение которой позволит лучше понять природу локальных и глобальных процессов на Солнце. В 60–70-е годы наблюдалось увеличение числа работ, посвященных проблеме определения магнитных полей во внешних участках атмосферы Солнца на основе явления самовыстраивания, что объясняется определенными преимуществами данного метода по отношению к другим экспериментальным методикам.

Поляризация излучения внешних участков атмосферы Солнца уже давно является предметом постоянного исследования. В ряде ранних работ во время солнечных затмений наблюдалась и исследовалась поляризация излучения короны, более глубоких участников атмосферы Солнца и внешних образований — протуберанцев. Анализ наблюдений сплошного и линейчатого спектров в короне привел к объяснению особенностей ее излучения в рамках модели томсоновского рассеяния света от фотосферы на свободных электронах и резонансного рассеяния на свободных атомах и ионах.

В ряде работ предсказывалась поляризация излучения спектральных линий водорода и ионизованного кальция в излучении высоких протуберанцев. Качественную картину состояния поляризации излучения протуберанца можно получить в рамках классического рассмотрения процесса выстраивания. Если ансамбль атомов в протуберанце возбуждается излучением от фотосферы, то из-за симметрии задачи направление анизотропии облучающего света будет определяться осью OZ (рис.1). Это приводит к тому, что при наблюдении в направлении OY будет регистрироваться излучение, частично поляризованное в направлении ОХ. Степень поляризации будет увеличиваться с высотой h исследуемого участка протуберанца, что отвечает увеличению анизотропии оптического возбуждения удаленных от солнечного лимба участков. Поляризация излучения в направлении OY на классическом языке будет описываться излучением линейного осциллятора, ось колебаний которого параллельна ОХ, т. е. тангенциальна к солнечному лимбу.