上海天文臺(tái)探測(cè)到碳氧離子射電復(fù)合線

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)利用天馬65米射電望遠(yuǎn)鏡首次探測(cè)到了碳氧離子射電復(fù)合線。基于此發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確測(cè)量了M42電離區(qū)的碳氧離子豐度。研究成果表明，離子射電復(fù)合線有望成為測(cè)量元素豐度的常規(guī)手段，對(duì)精確測(cè)定星際空間，特別是高度消光區(qū)的元素豐度具有重要意義。這一發(fā)現(xiàn)于近日發(fā)表在Astronomy & Astrophysics上。
 

　　電離氣體是星際空間中最為廣泛分布的氣體成分。對(duì)電離氣體不同元素發(fā)射線的觀測(cè)是測(cè)量宇宙元素豐度最重要的手段。長(zhǎng)期以來，對(duì)電離氣體豐度的測(cè)量大多基于光學(xué)(及紅外)譜線觀測(cè)。然而，基于光學(xué)譜線的觀測(cè)普遍存在消光嚴(yán)重、譜分辨率較低、電離區(qū)激發(fā)條件嚴(yán)重依賴電離氣體的溫度與密度等難以規(guī)避的困難。在這樣多方面因素的影響下，基于光學(xué)譜線的觀測(cè)所得的元素豐度的不確定度可達(dá)到一個(gè)量級(jí)之多，且這種觀測(cè)結(jié)果通常給出的是相對(duì)于鐵、氧等元素的相對(duì)豐度，而非相對(duì)于氫元素的絕對(duì)豐度。因此，相較于基于光學(xué)譜線的觀測(cè)而言，射電復(fù)合線以其光學(xué)薄、近局部熱動(dòng)平衡等特點(diǎn)，能夠更好地規(guī)避光學(xué)波段存在的觀測(cè)影響。
 

　　雖然射電復(fù)合線示蹤的是電離氣體，但幾乎所有目前探測(cè)到的射電復(fù)合線都源自中性原子的高階躍遷。此前，天文學(xué)家僅在行星狀星云NGC 7027和NGC 6302中探測(cè)到兩條氦離子的射電復(fù)合線，然而這兩條氦離子射電復(fù)合線與氦原子高階復(fù)合線頻率重合。因此，在大多時(shí)候，射電復(fù)合線幾乎專指原子射電復(fù)合線。在天文領(lǐng)域，比氦更重的元素被稱為金屬元素，它們主導(dǎo)了星際塵埃與星際有機(jī)分子的形成。金屬原子的射電復(fù)合線往往會(huì)被與之具有相近頻率的氦原子射電復(fù)合線掩蓋，這使得金屬原子的射電復(fù)合線很難被探測(cè)到。與之相反，金屬離子的射電復(fù)合線則一般不與原子的射電復(fù)合線混合，理論上可作為測(cè)量元素豐度更為有力的工具。然而，由于長(zhǎng)期以來缺乏兼具大寬帶與高靈敏度的射電觀測(cè)設(shè)備，此前尚未探測(cè)到金屬離子的射電復(fù)合線。
 

　　此次，上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)利用65米口徑的天馬望遠(yuǎn)鏡首次探測(cè)到了來自星際空間的碳氧離子射電復(fù)合線。這一新發(fā)現(xiàn)是基于該團(tuán)隊(duì)利用天馬望遠(yuǎn)鏡正在開展的譜線搜尋項(xiàng)目。該項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)Orion KL等天體進(jìn)行1-50 GHz深度譜線搜尋，首次在低頻射電波段繪制出完整的高靈敏度譜線圖譜，為即將建設(shè)的ALMA band 1和SKA等大型射電干涉設(shè)備所引領(lǐng)的天體化學(xué)研究做好前期研究準(zhǔn)備。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)對(duì)Orion KL完成Q波段(35-50 GHz)、Ka波段(26-35 GHz)的觀測(cè)，證認(rèn)出了超過一千條譜線，包含眾多此前尚未探測(cè)到的復(fù)雜有機(jī)分子譜線與射電復(fù)合線。
 

　　在證認(rèn)Ka波段譜線時(shí)，一些線寬約15公里/秒的發(fā)射線引起了研究人員的注意。這些發(fā)射線只有約10 mK的譜線強(qiáng)度，但在mK靈敏度的頻譜上非常顯著，且它們不能與任何原子射電復(fù)合線以及分子譜線相匹配。由于它們的線寬與射電復(fù)合線的線寬非常接近，研究人員意識(shí)到很可能捕捉到了離子射電復(fù)合線的信號(hào)。研究人員認(rèn)為，既然射電復(fù)合線是主量子數(shù)很大的能級(jí)之間的躍遷，那么其發(fā)射體，無論是離子還是原子，都應(yīng)當(dāng)可看做類氫系統(tǒng)，其頻率則可由里德伯公式描述。為了對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，研究人員在Ku波段(12-18 GHz)進(jìn)行了觀測(cè)，成功匹配到了8條離子的阿爾法線(主量子數(shù)差為1的射電復(fù)合線)。經(jīng)過仔細(xì)檢查，研究人員又分別在Q波段(35-50 GHz)和Ka波段的頻譜中匹配到了數(shù)條離子的阿爾法線和貝塔線的微弱信號(hào)。研究人員比對(duì)了在不同日期觀測(cè)到的譜線，發(fā)現(xiàn)這些譜線的頻率在修正掉地球運(yùn)動(dòng)帶來的多普勒紅移以后保持一致。至此，研究人員確信探測(cè)到了來自星際空間的離子射電復(fù)合線。
 

　　研究人員對(duì)數(shù)十條離子射電復(fù)合線同時(shí)進(jìn)行了模型擬合，發(fā)現(xiàn)它們相比于氦離子射電復(fù)合線預(yù)期在頻譜上出現(xiàn)的位置藍(lán)移了超過20公里/秒，很可能發(fā)射自比氦元素更重的離子。模型擬合還準(zhǔn)確測(cè)定了它們示蹤的二次電離離子的豐度為8.8E-4，與光學(xué)譜線大致給出的1E-4到1E-3的碳氧元素豐度相符。由此，研究人員確信首次探測(cè)到了來自星際空間的碳氧離子射電復(fù)合線。
 

　　相關(guān)研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目以及中科院對(duì)外合作交流重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
 

　　天馬望遠(yuǎn)鏡在Orion KL中探測(cè)到的碳氧離子射電復(fù)合線(白色)。綠色區(qū)域是對(duì)離子射電復(fù)合線的模型擬合。綠色點(diǎn)線是考慮了所有射電復(fù)合線和分子譜線的模型擬合。背景圖是心形的獵戶星云(Orion nebula; M42)以及位于其左下明亮區(qū)域的Orion KL天體(圖片由Shawn Nielsen攝制)。