¿Por qué [O III] es una buena sonda de densidad en el medio interestelar?

La clave para entender esto es el concepto de líneas prohibidas y transiciones prohibidas .

Una transición prohibida es aquella que no puede ocurrir radiativamente a través de una interacción dipolar eléctrica. En cambio, debe proceder a través de una emisión de dipolo magnético o de cuadripolo eléctrico, con una probabilidad mucho menor, o la transición puede lograrse a través de (des)excitación por colisión.

Una línea prohibida es la radiación en una longitud de onda correspondiente a una transición prohibida. En los plasmas de laboratorio, estos generalmente no se ven, de ahí el término líneas prohibidas, porque las transiciones normalmente se logran a través de la desexcitación por colisión en una escala de tiempo mucho más corta que el tiempo de vida radiativo a través de la emisión de dipolo magnético / cuadrupolo eléctrico. Sin embargo, en los plasmas astrofísicos, las densidades pueden ser muchos órdenes de magnitud más bajas que incluso las mejores aspiradoras de laboratorio. En este caso, se ven líneas prohibidas y, de hecho, a menudo son un medio importante de enfriamiento radiativo.

La propiedad de las líneas prohibidas que las convierte en una excelente herramienta sensible a la densidad es que pueden "apagarse" si la densidad se vuelve lo suficientemente grande como para hacer que la desexcitación por colisión sea más probable que la desexcitación por radiación. La fuerza de la línea prohibida es, por lo tanto, sensible a la densidad de electrones (que es lo que domina las colisiones) entre densidades en las que la "extinción" comienza a ser efectiva y densidades más altas en las que la línea se vuelve esencialmente inobservable.

Tomando el ejemplo específico de la emisión de línea óptica OIII (oxígeno doblemente ionizado). Hay tres transiciones de interés prohibidas entre el$^1D_2 \rightarrow\ ^3P_2$(501nm),$^1D_2 \rightarrow\ ^3P_1$(496 nm) y$^1S_0 \rightarrow\ ^1D_2$(436 nm) estados. Estas transiciones producen líneas prohibidas ópticas que se extinguen a diferentes densidades características. Es importante medir la relación de fuerza de una línea porque la relación será independiente de la abundancia de OIII. La relación dependerá de la densidad de electrones, siempre que la densidad de electrones sea$>10^{5}\ cm^{-3}$y la temperatura ( a densidades más bajas, la relación depende solo de la temperatura).

Para obtener la densidad en este caso, se requiere más información, generalmente proporcionada por una relación de línea similar para algo como NII, que tiene un conjunto similar de líneas prohibidas, pero con diferente densidad y dependencia de la temperatura.

Una ruta más directa es usar la relación de línea para líneas prohibidas de OII o SII donde hay un par de niveles de energía estrechamente espaciados, ambos experimentando transiciones prohibidas al mismo nivel inferior. En este caso, las relaciones son sensibles a la densidad, pero no a la temperatura, nuevamente en un rango de densidades donde una u otra de las transiciones está en proceso de extinción (por ejemplo, para OII 372.6/372.8nm,$10^2 <n_e < 10^{6}\ cm^{-3}$.)