Recombination and collisionally excited Balmer lines

 

A. C. Raga, A. Castellanos-Ramírez, A. Esquivel, A. Rodríguez-González, & P. F. Velázquez

 

Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México, Apdo. Postal 70-543, 04510 D.F., México. (raga@nucleares.unam.mx, juan.rodriguez@nucleares.unam.mx).

 

Received 2014 November 24.
Accepted 2015 July 28.

 

RESUMEN

Presentamos un modelo para el equilibrio estadístico de los niveles de H, considerando recombinaciones a los niveles excitados, excitaciones colisionales partiendo desde el nivel fundamental y transiciones radiativas espontáneas. Este problema tiene una simple solución en términos de la "matriz de cascada", que describe una cascada de transiciones espontáneas alimentada tanto por recombinaciones como por excitaciones colisionales. Las predicciones resultantes de cocientes de líneas de Balmer muestran una transición entre un régimen de baja temperatura y uno de alta temperatura (dominados por recombinaciones y por excitaciones colisionales, respectivamente), ambos con sólo una dependencia débil de la temperatura. Esta clara característica permite una diferenciación observacional directa entre regiones de líneas de Balmer de recombinación y regiones con líneas excitadas colisionalmente. Encontramos que para un gas en equilibrio coronal las líneas de Hα y Hβ se excitan colisionalmente a todas las temperaturas. Para obtener líneas de Hα y Hβ de recombinación, es necesario tener fracciones de ionización de H subtancialmente mayores que la de equilibrio coronal (por ejemplo, como las presentes en un gas fotoionizado).

 

ABSTRACT

We present a model for the statistical equilibrium of the levels of H, considering recombinations to excited levels, collisional excitations up from the ground state and spontaneous radiative transitions. This problem has a simple "cascade matrix" solution, describing a cascade of downwards spontaneous transitions fed by both recombinations and collisional excitations. The resulting predicted Balmer line ratios show a transition between a low temperature and a high temperature regime (dominated by recombinations and by collisional excitations, respectively), both with only a weak line ratio vs. temperature dependence. This clear characteristic allows a direct observational identification of regions in which the Balmer lines are either recombination or collisionally excited transitions. We find that for a gas in coronal ionization equilibrium the Hα and Hβ lines are collisionally excited for all temperatures. In order to have recombination Hα and Hβ it is necessary to have higher ionization fractions of H than the ones obtained from coronal equilibrium (e.g., such as the ones found in a photoionized gas).

Key Words: Herbig-Haro objects — hydrodynamics — ISM: individual objects (HH1, HH2) — ISM: kinematics and dynamics — shock waves.

 

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