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基于國(guó)內(nèi)望遠(yuǎn)鏡星際化學(xué)分子譜線探測(cè)研究取得新進(jìn)展
2021年06月04日 08:57:55
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 點(diǎn)擊量：5870
來(lái)自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)等多個(gè)單位的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)該領(lǐng)域的主要科學(xué)問(wèn)題，使用65米天馬望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)展了大樣本的分子譜線觀測(cè)研究，擴(kuò)大了CCS紅外暗云的探測(cè)樣本；綜合天體化學(xué)模擬和觀測(cè)數(shù)據(jù)，有效確定了紅外暗云的化學(xué)演化時(shí)標(biāo)等信息。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】紅外暗云是一種超低溫(絕對(duì)零度以上10-30度)、冷暗致密的星際物質(zhì)聚合體，是恒星形成和星際化學(xué)演化的主要場(chǎng)所，包含了這些過(guò)程的最重要原初狀態(tài)信息。與此相關(guān)的許多重要前沿問(wèn)題一直是國(guó)際學(xué)術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，特別是大質(zhì)量恒星形成區(qū)域的化學(xué)演化時(shí)標(biāo)及其與大質(zhì)量恒星形成的關(guān)系，至今依然沒(méi)有結(jié)論。
來(lái)自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)等多個(gè)單位的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)該領(lǐng)域的主要科學(xué)問(wèn)題，使用65米天馬望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)展了大樣本的分子譜線觀測(cè)研究，擴(kuò)大了CCS紅外暗云的探測(cè)樣本；綜合天體化學(xué)模擬和觀測(cè)數(shù)據(jù)，有效確定了紅外暗云的化學(xué)演化時(shí)標(biāo)等信息。
該樣本包含了銀河系內(nèi)的幾十個(gè)紅外暗云，觀測(cè)波段是天馬望遠(yuǎn)鏡的K波段(18-26.5 GHz)，主要探測(cè)的目標(biāo)譜線是三條具有很強(qiáng)化學(xué)表征性的分子探針——氨分子(NH3)、硫化雙碳(CCS)和氰基乙炔(HC3N)。碳鏈分子和含氮分子可以敏感地示蹤冷暗氣體的化學(xué)演化時(shí)標(biāo)，利用氨分子的超精細(xì)反轉(zhuǎn)躍遷還能測(cè)定目標(biāo)天體的氣體溫度[1]。
CCS是用于標(biāo)定極早期冷暗氣體的重要化學(xué)成分，此前歷史上所有觀測(cè)僅在8個(gè)紅外暗云中探測(cè)到了CCS。而該研究工作則一次性得到了15個(gè)新增的探測(cè)結(jié)果，使得CCS紅外暗云樣本從8個(gè)增加到23個(gè)，大大增強(qiáng)了紅外暗云中碳鏈分子和含氮分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。“天馬望遠(yuǎn)鏡可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，且相較于此前的觀測(cè)整體上具有更高靈敏度，從而為探測(cè)結(jié)果提供了有力保障。”該工作的通訊作者、來(lái)自于國(guó)家天文臺(tái)的李菂研究員說(shuō)。
該工作進(jìn)一步通過(guò)天體化學(xué)數(shù)值模擬，并與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，有效確定了紅外暗云的化學(xué)演化時(shí)標(biāo)。結(jié)果顯示，碳鏈-含氮分子的豐度比值，能夠很好地示蹤紅外暗云的化學(xué)演化。特別是具有CCS探測(cè)率的暗云，它們的演化年齡僅為20萬(wàn)年甚至更早，相對(duì)于較為成熟的恒星形成云核，它們極為年輕。然而這些暗云團(tuán)塊卻已經(jīng)具有了較高的面密度，這說(shuō)明年輕的團(tuán)塊中稠密氣體的聚集程度已相當(dāng)可觀。
該研究工作第一作者為中科院國(guó)家天文臺(tái)李菂、吳京文研究員團(tuán)組的博士生謝津津。該團(tuán)組的陳龍飛博士和任致遠(yuǎn)博士共同分析觀測(cè)數(shù)據(jù)并分別提供了化學(xué)模型和氨分子溫度測(cè)量模型。這項(xiàng)工作已經(jīng)被《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》接收(預(yù)印本：arXiv:2103.12985)。
注1：氨分子(NH3)被認(rèn)為是星際介質(zhì)的靈敏溫度計(jì)。由國(guó)家天文臺(tái)博士研究生王珅博士、任致遠(yuǎn)博士和李菂研究員開(kāi)發(fā)的氨分子超精細(xì)譜線溫度算法(HFGR)，能夠準(zhǔn)確利用超精細(xì)結(jié)構(gòu)的積分強(qiáng)度來(lái)計(jì)算分子云的氣體旋轉(zhuǎn)溫度和熱力學(xué)溫度。與傳統(tǒng)的利用氨分子計(jì)算氣體溫度的方法相比，HFGR算法只依賴于觀測(cè)得到的譜線強(qiáng)度比，能夠避免線寬和不透明度在譜線擬合時(shí)的耦合，因此對(duì)于更大范圍的參數(shù)更加穩(wěn)定和可靠。HFGR算法最重要的成果是它的統(tǒng)計(jì)誤差是基于觀測(cè)得到的譜線的信噪比。該算法已經(jīng)發(fā)表于英國(guó)皇家天文學(xué)月報(bào)(MNRAS, 2020, 499:4432)
注2：射電望遠(yuǎn)鏡的波束，指望遠(yuǎn)鏡主軸方向能夠接收天空射電輻射的立體角范圍，對(duì)應(yīng)采集到天空?qǐng)D像的交分辨率。
(左)在紅外暗云SDC18.787-0.286探測(cè)到的各條譜線，背景為紅外波段(WISE天文衛(wèi)星在3.5-22微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的公開(kāi)數(shù)據(jù))圖像, 黃色圓圈表示天馬望遠(yuǎn)鏡的波束[2]覆蓋范圍。(右)紅外暗云化學(xué)模型預(yù)言的分子含量比例演化趨勢(shì)(帶箭頭的曲線)與觀測(cè)數(shù)值的比對(duì)。不同顏色曲線代表不同的環(huán)境氣體密度，節(jié)點(diǎn)數(shù)字標(biāo)記了演化年齡(年)，灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)為前人觀測(cè)，黑色方塊為本次研究工作獲得CCS新探測(cè)數(shù)據(jù)的樣本點(diǎn)。從圖中可以看出，化學(xué)模型的預(yù)言與數(shù)據(jù)點(diǎn)符合較好，對(duì)這些暗云的演化年齡給出了明確標(biāo)定。
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