Entstehung von P Cygni Profilen

Wie im vorhergehenden Abschnitt ausgeführt, erlauben die breiten, sog. ``P Cygni Profile'', die bei heißen Sternen im UV beobachtet werden, einen tiefen Einblick in die physikalischen Bedingungen des Sternwindes. (Diese Art eines Profiles wird deshalb so genannt, weil sie erstmalig im Spektrum des Sternes P Cygni gefunden wurde.)

Da wir uns im nächsten Abschnitt ausführlich mit der Diagnostik dieser Profile beschäftigen werden, soll an dieser Stelle kurz skizziert werden, wie sie zustandekommen.

Der zentrale Effekt, der hier zum Tragen kommt, ist der sog. Doppler-Effekt.

(Der Inhalt der nächsten beiden Absätze sollte eigentlich jedem Studenten der Naturwissenschaften klar sein, wird hier aber trotzdem? angeführt.) Der Doppler-Effekt ist schon aus dem täglichen Leben bekannt, wenn man sich vor Augen (besser vor Ohren) führt, was passiert, wenn sich ein Polizei- oder Krankenwagen mit eingeschalteter Sirene einem am Randstein stehenden Zuschauer / Zuhörer nähert und dann wieder entfernt.

Zunächst hört man die Sirene mit relativ hohen Tönen, d.h. mit einer höheren Frequenz als derjenigen, die der Fahrer in seinem Wagen hört oder die man hören würde, falls der Wagen stünde. Die Tonhöhe wird dann schlagartig tiefer, wenn der Wagen den ``Beobachter'' passiert und sich von ihm entfernt. Sie ist dann auch tiefer, als sie dem Fahrer erscheint. (Dieser hört natürlich immer die gleiche Frequenz.)

Den analogen Effekt - nun bezüglich der Frequenz der Lichtstrahlung - sieht ein Beobachter auf der Erde, wenn er verschiedene Bereiche des Windes betrachtet (man vergleiche im weiteren die folgende Abbildung):

• Schaut er nämlich auf die ihm zugewandte Hälfte des Windes (Teil ``A, B'' vor der hellen Trennungslinie), sieht er das Windmaterial auf sich zu kommen, und zwar, von innen nach außen, mit anwachsender Geschwindigkeit:
• das äußerste Material kommt am schnellsten auf ihn zu (mit maximaler Geschwindigkeit $v_{\infty}$), so daß er diese Strahlung mit einer höheren Frequenz sieht, als sie von den Ionen im Wind ``gesehen'' werden.
• das innerste Material hat eine Geschwindigkeit von nahezu Null bezüglich des Beobachters, d.h., dieser sieht die Strahlung bei gleicher Frequenz wie das Windmaterial.
• Schaut man nun auf das rückwärtige Material (Teil ``C'' hinter der hellen Linie), so sieht man dieses, wie es sich vom Beobachter entfernt. Deshalb ist die beobachtete Frequenz tiefer, d.h. liegt bei höherer Wellenlänge. Wieder sieht man im wesentlichen alle Geschwindigkeiten von Null bis $-v_{\infty}$, wobei das ``Minuszeichen'' daher rührt, daß sich das Material von einem weg bewegt.

  

Abbildung: Entstehung von P Cygni Profilen

Hat man diese Argumentation einmal verstanden, so läßt sich die spezielle Form eines P Cygni Profiles folgendermaßen erkären:

• Betrachten wir zunächst den Absorptionsprozeß im Wind, d.h. die Anregung von Elektronen durch die Strahlung des Sternes. Vergleichen wir mit dieser Strahlung (dem sog. stellaren Kontinuum, entsprechend der Linie bei ``1''), so zeigt sich, daß diejenige Kontinuumsstrahlung herausabsorbiert wird, die in demjenigen Frequenzbereich liegt, der durch den Dopplereffekt des auf den Beobachters zu kommenden Windmaterials beeinflußt wird: Dies entspricht Frequenzverschiebungen von Null bis $v_{\infty}$. (In der Skizze ist stattdessen die Geschwindigkeit v<sub>m</sub> angegeben, die der maximalen Geschwindigkeit entspricht, bei der noch ausreichend absorbierende Teilchen vorhanden sind, mit $v_m \le v_{\infty}$.) Absorptionsprozesse finden in Teil ``A'' des Windes vor der Sternscheibe statt und resultieren in dem dargestellten Absorptionsprofil. Man beachte, daß dieses asymmetrisch bzgl. der ``Nullfrequenz'' ist, da nur dasjenige Kontinuum absorbiert werden kann, welches auch auf den Beobachter zu kommt.
• Links und rechts des resultierenden Absorptionstroges (d.h. bei Dopplerverschiebungen entsprechend größer v<sub>m</sub> und kleiner Null) sieht der Beobachter die ungestörte stellare Kontinuumsstrahlung, da es in diesem Frequenzbereich kein absorbierendes Material gibt.
• Aufgrund der endlichen Lebensdauer des angeregten Zustandes wird nach der Absorption ein neues Photon reemittiert.
• Insgesamt würde ein Beobachter das durch eine Vielzahl solcher Prozesse resultierende Emissionsprofil sehen, das hier, da es sich um zusätzliche Strahlung handelt, bei Null ``anfängt''.
• Im Gegensatz zum Absorptionsfall sieht der Beobachter nun allerdings Strahlung aus Windbereichen, die sich sowohl auf den Beobachter zu bewegen als auch von ihm entfernen. Drei verschiedenen Regionen tragen zur Emission bei:
  • Der Bereich A' vor der Sternscheibe, d.h. derjenige Bereich, der auch absorbiert. Hier sieht man die in Richtung des Beobachters reemittierte Strahlung. Man erinnere sich (siehe Abschnitt 2), daß die Emission (fast isotrop!) Photonen in alle Richtungen ``lenken'' kann, d.h. ein gewisser Bruchteil wird immer in Richtung des Beobachters abgestrahlt, die dieser dann auch sieht!
  • Der Bereich B vor der Symmetrieachse, der nicht vor der Sternscheibe liegt, aber auf den Beobachter zu kommt. Die benötigten angeregten Elektronen resultieren dabei aus der - für den Beobachter nicht sichtbaren - Absorption eines stellaren Kontinuums, welches ursprünglich nicht auf den Beobachter gerichtet war.

    Bereich A' und B erzeugen den hochfrequenten (linken) Teil des Profiles.

  • Der Bereich C hinter der Symmetrieachse, der nicht von der Sternscheibe abgedeckt wird. Hier sieht man zum Beobachter hin emittierte Strahlung, die mit der Absorption von ursprünglich vom Beobachter weg gerichteten Kontinuum verknüpft ist. Da sich auch das emittierende Windmaterial vom Beobachter entfernt, ist die zugehörige Frequenzverschiebung negativ.
  • Das insgesamt emittierte Profil ist asymetrisch, da der emittierende Bereich mit positiven Geschwindigkeiten (positiven Frequenzverschiebungen) größer als der analoge Bereich mit negativen Geschwindigkeiten (und negativen Frequenzverschiebungen) ist. Die Abbildung zeigt deutlich, daß der emittierende ``Zylinder'' A' vor der Sternscheibe kein analoges Gegenstück dahinter hat, da der Stern selbst diesen Bereich abdeckt.
  • Der Grund, warum das Emissionsprofil sein Maximum bei Null hat und bei Frequenzverschiebungen +/-v_m verschwindet, ist aufgrund der herrschenden Geometrie einfach zu verstehen. Die emittierenden Flächen gleicher Geschwindigkeit sind äußerst verschieden! Die größte dieser Flächen liegt bei einer Geschwindigkeit Null, d.h. fällt mit der hellen Linie zusammen, so daß auch die Emission bei Frequenzverschiebung Null am größten ist. Je höher die Windgeschwindigkeit, um so kleiner ist allerding die zugeordnete emittierende Fläche, die für Geschwindigkeiten größer als der Endgeschwindigkeit schließlich Null wird. Damit ist das Emissionsprofil auf den Geschwindigkeitsbereich $\pm v_m$ eingeschränkt.
• Durch die Überlagerung des asymetrischen Absorptions- und Emissionsprofiles entsteht letztendlich die dargestellte typische P Cygni Form.

Nachzutragen bleibt, daß der Prozeß natürlich nur dann wie beschrieben abläuft, wenn es überall genügend Ionen gibt, die absorbieren und emittieren können. Wenn es nur wenige solcher Ionen gibt, wird das Profil schwächer, d.h. sowohl seine Einsenkung als auch seine Höhe über ``1'' geringer. Insbesondere kann es dazu kommen, daß man nur noch Material sieht, welches langsamer als die Endgeschwindigkeit ist. In diesem Fall wird das P Cygni Profil dann schmäler, als es dem Dopplereffekt bzgl. einer Geschwindigkeit $\pm v_{\infty}$ entspräche.

Diese und andere Reaktionen der Profilform werden wir nun im nächsten Abschnitt betrachten.