分子谱线辐射

研究宇宙中分子谱线辐射的学科

分子谱线辐射，研究宇宙中分子谱线辐射的学科。

解释

在银河系和其他星系已测到许多星际分子，了解这些分子的形成和破坏的原因，形成了分子天体物理学。分子谱线辐射是分子天体物理的核心部分。

星际分子以两种方式显示其重要性：分子发出的辐射能探索弥漫气体的所在，推断其物理性质并估计星系中恒星形成的趋势；将发射区发出辐射的能量消散并使该区变冷，这种冷却是恒星形成初始阶段气体云引力坍缩的主要过程。分子天体物理的最终目的是确定分子云的寿命和起源；同时将分子云与天文现象，如恒星的形成、年轻恒星和生命起源等联系起来。它应用物理学及化学的理论、方法和技术，通过星际分子的发射或吸收谱线所提供的信息来研究各类天体的形态、结构、物理状态、化学性质，研究恒星和星际物质的相互作用及天体的形成和演化规律。

宇宙中广泛存在分子，它们分布在许多天文环境中：星际物质，星周外流，吸积盘和彗星及高红移星系。分子谱线测量可研究地球上难以达到的低密度和低温环境的分子；星际介质中更容易发现“非地球”的分子种类。星际间的气体尘埃云中迄今(2002)已探测到的星际分子（包括分子离子和基，但不包括同位素分子）高达128种，几千条谱线。一些相当复杂的有机分子，如羟基已醛CH2OHCHO（第一个星际糖）和己二醇HOCH2CH2OH（星际防冻剂）等也在星际云中被探测到。

简史

虽然各种重元素原子核是在恒星内部核聚变过程中形成的，但在恒星内部温度和压力的条件下，原子却不能结合成分子。所以星际全部种类繁多的分子都是在气体尘埃云中通过化学反应生成的。这些星际化学反应的复杂程度可从已证认的某些分子的复杂结构可见，其中之一称为甘氨酸(NH2CH2COOH)，它是构成地球生物体的主要基元氨基酸的一种。星际空间发现的许多分子是由碳、氧和氮以及氢构成的。1937年第一次证认的星际分子是CH（次甲基），CN（氰基）是1941年证认的。

1950年G.H.赫比格由CN从谱线的强度比得2.3K激发温度，是暗示宇宙微波背景辐射存在的第一个证据。1963年后射电发现一批分子OH、NH3、H2O、H2CO；1970年CO的发现导致突破性发展，即很快建立起星际介质的一个主要的和新的成分，而这正是恒星形成的成分。此后发现和证认100多种星际分子，显示出差别悬殊的各种天文条件，广泛分布于各类天文环境。太空中的有机分子种类极多，结构之复杂，如有一个巨分子云复合体（人马座B2）所含乙醇数量很多。星际云也含有简单分子，如氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)和氢分子(H2)等。

星际化学过程的关键是星际云含有大量石墨颗粒形态的碳。根据星际云对更遥远恒星的可见光的吸收方式，那里存在长度约0.1微米的细长颗粒，主要成分是碳，但也有水冰和硅酸盐。碳是恒星内部核合成的最通常的产物之一。大多数复杂分子都在非常稠密的星云中找到，确知那里有足够多乌黑的尘埃起着屏蔽作用，使分子免受邻近年轻恒星强紫外辐射的照射而分解。这些云就是新的年轻恒星及其伴生行星形成的地方。星际化学不仅涉及分子和尘埃的相互作用，而且还涉及与恒星的相互作用。分子云坍缩和碎裂成恒星的过程中，释放引力能转变为热，使云中分子加快运动，产生反抗进一步坍缩的压力。要进一步坍缩只有热转变成电磁辐射才有可能，这可由分子来完成。当一颗年轻恒星形成时，发出大量紫外辐射，云中的碳尘埃吸收紫外辐射，然后以红外辐射出去，此处碳尘埃起着重要作用。1990年以后，在星际云中又发现了环形复杂分子C12H10，它的12个碳原子联合成一个环，10个氢原子围绕在外。

宇宙探针　

分子成为诊断它们所在天体的物理条件的探针。用它测量温度、密度、速度、磁场以及质量、化学组成甚至示踪演化状态。分子谱线的长处是原子谱线不可替代的。如利用一氧化碳分子在100微米至1毫米波段的转动跃迁谱线可诊断中等密度n(H2)为104～106厘米−3、温度在100～1 000K范围内天体的参数，用来确定银河系和河外星系中物质的分布；有极的重陀螺分子H2O、HCN、HC3N对于密度较高的星云核和吸积盘是很好的探针；OH、H2O和SiO的脉泽发射谱线可作为分子云中更加致密区域的理想探针。分子的观测对星际物质全貌的认识发生了很大变化，现已证实银河系的星际物质约一半的质量以分子的形式存在。分子常常控制着天体的温度和电离结构，影响着天体的演化。AGB星存在由分子和尘埃组成的星周包层，它是丰富的分子源，对其分子的研究可提供有关恒星如何从致密的分子云形成，又如何死亡以及送回星际物质的大部分知识。用分子观测和研究的天体遍及宇宙：

①太阳系。太阳（黑子）、行星（大气）、小行星、彗星、卫星和行星际物质。

②银河系。银心、旋臂结构、星际物质、星云（HII区，GMC，暗星云）、恒星形成区（恒星吸积盘，原恒星，HH天体，天体脉泽，外向流，激波）、主序前星、晚型星的星周包层、AGB星、行星状星云、新星、超新星遗迹。

③河外星系。星系际空间物质、原星系、星暴星系、并合星系、AGN和类星体，超脉泽，超大黑洞。

④宇宙微波背景辐射。

分子云　

近几十年来毫米波、亚毫米波技术的发展，使分子谱线的观测成为可能，大大改观了对星际介质、银河系（乃至星系）结构以及恒星形成和演化的理解。现已认识到星际物质中的气体物质的大部分质量是以分子云形式存在的。氢分子是宇宙中最丰富的分子。银河系星际物质的总质量约5×109M⊙，其中尘埃质量占1%，气体质量占99%，而在这99%的星际气体中97%又是中性的，电离成分仅占3%。银河系中质量达106M⊙星云复合体中发现了H2。H2的产生在尘埃颗粒上，尘埃颗粒表面的作用是把H转换成H2的催化剂。星际尘埃每1012个H2中有1个尘埃颗粒。尘埃颗粒的大小分布模型为f(a)＝a−3.5,a为半径，它的尺度在5×10−8～6×10−6厘米之间。尘埃颗粒主要由碳和硅化合物组成。在天体物理中分布最广、最丰富和最重要的是H2。除H2外丰度最高的是CO。CO相对H2的丰度只有10−4～10−5量级。因此所谓分子云的气体密度、柱密度都是指氢的密度n(H2)和柱密度N(H2)。分子云的所有宏观特性几乎都是以分子氢的特性为表征的。由于大多数的分子云中，分子氢不容易被直接观测，因此主要是通过对CO分子的观测来了解分子云的物理状态、分子云的分布和分子云的运动等特性。由于CO是靠与H2碰撞来激发的，因此CO便成为研究H2的重要手段。近年来亚毫米波和红外谱线技术的进展，为用更多的分子谱线来示踪分子云中的各种相差悬殊的物理参数成为可能。

物理过程　

与原子相比，分子有更复杂的结构，这涉及原子核和电子的位置和动量，但所有粒子都被限制在分子的直径a内，因此每个粒子将拥有由于不确定度关系ΔpΔq≥h得到的平均动量h/a。动能将具有典型的间隔为ΔE～1电子伏，相当于104K。在分子的薛定谔方程中，描述核的动能部分与电子相比可以忽略。分子量子力学中核和电子运动的分离称为玻恩–奥本海默近似，所以分子的跃迁可根据不同的能量分成三种：

①电子跃迁。典型的能量值为几个电子伏，对应于可见和紫外波段的谱线。

②振动跃迁。由核与它们的平衡位置的相对位置的振动所引起，典型的能量值为0.1～0.01电子伏，对应于红外波段谱线。

③转动跃迁。由核的转动引起，典型的能量值约为10−3电子伏，对应于厘米和毫米波段的谱线。一般分子谱线起源于两个不同态之间的跃迁，每个态由电子的、振动的和转动的量子数描述。双原子分子是最小的分子，最简单近似下双原子的振动可看作简谐振动，其能量Ev＝hν(v＋1/2)，式中ν为频率，v是振动量子数，取零或整数。分子的转动可看作刚性转子，Er是一组离散值。Er＝BrJ(J＋1)，式中Br与惯性矩I有关，即Br＝h2/(8π2I)，J是转动量子数，取零或整数，可取能级为0,2Br,6Br,12Br等。双原子分子可简单地近似表示为电子能、振动能和转动能之和：E(n,v,J)＝Ee(n)＋Ev(v)＋Er(J)式中Ee是电子的能量，Ev和Er分别是分子的振动能和转动能。如果仅限制在射电范围，只会涉及转动态之间、有时在不同的振动态之间（如SiO或HC3N在振动激发态的转动跃迁）的跃迁。这个限制使得分子能级的描述变得简单。

分子物理过程此处专指分子与周围环境的相互作用，主要过程是：

①电磁辐射的吸收和发射。

②与快速粒子（宇宙线）以及气体中的原子和分子的碰撞。

③黏着到尘埃表面和去吸附作用。

谱线分析　

由射电或红外得到的谱线资料有谱线强度、谱线轮廓以及观测到的线心频率相对谱线静止频率的偏移。如何由这些资料推求出分子云或拱星分子包层的运动温度、气体（主要是H2）密度、柱密度、分子的相对丰度，以及分析它的运动和正在进行的物理过程，这首先必须了解是什么样的过程中决定的所得到的观测量。这就涉及分子云或分子包层的谱线辐射转移理论，也即分子谱线形成的理论及其微观过程和物理机制。在具体的天体物理环境下，各种谱线轮廓形成的最直接反映是谱线辐射区的物理结构、速度场和谱线光学厚度等。从分子云的物质分布看，有均匀结构和不均匀结构（如团块、纤维状物质和空洞等）之分。从速度场性质看，又有热速度场和非热速度场（如系统运动和湍动运动）之分。谱线形成的进一步研究还涉及分子云和拱星分子包层的动力学状态。它已发展为成熟的分子谱线辐射转移理论。天体脉泽　许多天文分子和一大批天体中观测到了产生这类谱线的射电源，称为天体微波激射源或天体脉泽源。探测到脉泽发射的分子有H2O（水）、SiO（氧化硅）、CH3OH（甲醇）、NH3（氨）、CH（次甲基）、HCN（氰化氢）和H2CO（甲醛）等。一些同位素分子的脉泽也被观测到，如29SiO、30SiO和H13CN等。脉泽发射所涉及的波长范围从大约1毫米到30厘米。探测到脉泽辐射的天体有彗星、分子云、恒星形成区、主序后星、超新星遗迹以及红移Z高达0.265的河外星系。无论是分子脉泽还是原子脉泽，其辐射的基本原理是一样的。“脉泽”作为一种极端的非平衡现象，提供了研究一些特殊的天文环境，特别是小尺度环境的物理和动力学研究的最好工具。随着甚长基线(VLBI)技术的进步，将大大推动脉泽观测和理论研究的发展。由于天体脉泽和通常在分子云或分子包层中观测到的热谱线的辐射机制完全不同，因此脉泽的许多基本物理特性与热谱线相比也表现出很大的差异。随着VLBI综合孔径和高分辨率的频谱观测的开展，绘制出了越来越多的高空间分辨率的脉泽源射电图以及具有细节结构的脉泽频谱图样。这些资料为研究脉泽源的空间分布、位形、视尺度以及运动学提供了有力手段。天体脉泽的物理特征主要有：

①大多具有成团或成块特性，称为脉泽源斑。单个源斑的最小尺度只有一个天文单位，或者说10−4～1角秒的角直径。而与晚型星成协的SiO脉泽源斑则更小，只有0.1～0.6天文单位。

②频谱的形态多样。从最简单的只包含一个特征的谱到可包含几百个谱特征的非常复杂的谱。每个谱特征的线宽很窄，为0.1～3千米/秒。脉泽特征的速度宽度与整个脉泽发射速度之比为1/5～1/50。当存在高速外向流时，此比值很小。

③脉泽源斑的角直径虽小，但辐射的亮温度TB却很高。对于银河系脉泽，该值在109～1015K。

④许多天体脉泽具有偏振。如来自恒星形成区的OH脉泽辐射的偏振度可高达100%。

⑤几乎所有的脉泽源都具有程度不同的时变。最短的脉泽时变周期为天，最长的是几年。

有的脉泽还具有突然爆发的现象，如W51MAIN中的H2O脉泽。导致脉泽能级布居反转的机构称为抽运机构。三能级模型就是一个最简单的抽运机构。实际上一个脉泽抽运循环的建立，总是要涉及大量能级的跃迁过程。既要考虑脉泽的激发机制（泵源），也要有使脉泽下能级迅速弛豫的机制（如辐射衰变、碰撞衰变等）。

另外，考虑到脉泽辐射的转移效应，脉泽源区还必须有足够的速度相干性，这样才能保持脉泽放大所要求的增益，从而得到可观测的脉泽效应。使一个脉泽能够运转的基本条件是：

①涉及脉泽跃迁的能级粒子数反转。

②存在一个与脉泽气体处于非热平衡下的热源（同时也要考虑一个冷源）。

③有足够高的脉泽分子丰度。

④沿脉泽柱有足够的速度相干性（或者相干柱密度）。

⑤合适的气体密度，使其既可提供碰撞激发的效应，又不致造成布居的热化。

分子天体物理和恒星形成密切相关，30年来发展虽然很快，但一些基本问题尚需解决，如分子云如何形成的，分子云的物理和化学结构如何，分子云中的分子氢到底含量多大，在星系演化中分子云如何起作用等。从观测观点看来，恒星形成的观测困难在于尘埃遮挡了恒星形成区，使光学望远镜难以看到它们。大质量恒星形成的观测更困难，因为大质量恒星形成区更少，平均说来它们更遥远。新的观测表明，与小质量恒星形成区相比，大质量恒星被更多的尘埃所遮挡。红外、亚毫米波、毫米波辐射可贯穿遮掩的尘埃而且形成恒星、盘和行星的气体和尘埃的辐射主要也在红外和更长波段。未来发展的一些设备将会在这些波段使灵敏度和空间分辨率获得实质性提高。

推荐书目

孙锦,李守中.分子天体物理学基础.北京:北京师范大学出版社,2003.

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