基于國內望遠鏡星際化學分子譜線探測研究取得新進展
【化工儀器網 項目成果】紅外暗云是一種超低溫(絕對零度以上10-30度)、冷暗致密的星際物質聚合體，是恒星形成和星際化學演化的主要場所，包含了這些過程的最重要原初狀態信息。與此相關的許多重要前沿問題一直是國際學術領域關注的熱點，特別是大質量恒星形成區域的化學演化時標及其與大質量恒星形成的關系，至今依然沒有結論。
來自中國科學院國家天文臺、上海天文臺等多個單位的研究人員組成的研究團隊，針對該領域的主要科學問題，使用65米天馬望遠鏡，開展了大樣本的分子譜線觀測研究，擴大了CCS紅外暗云的探測樣本；綜合天體化學模擬和觀測數據，有效確定了紅外暗云的化學演化時標等信息。
該樣本包含了銀河系內的幾十個紅外暗云，觀測波段是天馬望遠鏡的K波段(18-26.5 GHz)，主要探測的目標譜線是三條具有很強化學表征性的分子探針——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演化時標，利用氨分子的超精細反轉躍遷還能測定目標天體的氣體溫度[1]。
CCS是用于標定極早期冷暗氣體的重要化學成分，此前歷史上所有觀測僅在8個紅外暗云中探測到了CCS。而該研究工作則一次性得到了15個新增的探測結果，使得CCS紅外暗云樣本從8個增加到23個，大大增強了紅外暗云中碳鏈分子和含氮分子的統計學意義。“天馬望遠鏡可長期穩定工作，且相較于此前的觀測整體上具有更高靈敏度，從而為探測結果提供了有力保障。”該工作的通訊作者、來自于國家天文臺的李菂研究員說。
該工作進一步通過天體化學數值模擬，并與觀測數據進行比對，有效確定了紅外暗云的化學演化時標。結果顯示，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演化。特別是具有CCS探測率的暗云，它們的演化年齡僅為20萬年甚至更早，相對于較為成熟的恒星形成云核，它們極為年輕。然而這些暗云團塊卻已經具有了較高的面密度，這說明年輕的團塊中稠密氣體的聚集程度已相當可觀。
該研究工作第一作者為中科院國家天文臺李菂、吳京文研究員團組的博士生謝津津。該團組的陳龍飛博士和任致遠博士共同分析觀測數據并分別提供了化學模型和氨分子溫度測量模型。這項工作已經被《中國科學：物理學 力學 天文學》接收(預印本：arXiv:2103.12985)。
注1：氨分子(NH3)被認為是星際介質的靈敏溫度計。由國家天文臺博士研究生王珅博士、任致遠博士和李菂研究員開發的氨分子超精細譜線溫度算法(HFGR)，能夠準確利用超精細結構的積分強度來計算分子云的氣體旋轉溫度和熱力學溫度。與傳統的利用氨分子計算氣體溫度的方法相比，HFGR算法只依賴于觀測得到的譜線強度比，能夠避免線寬和不透明度在譜線擬合時的耦合，因此對于更大范圍的參數更加穩定和可靠。HFGR算法最重要的成果是它的統計誤差是基于觀測得到的譜線的信噪比。該算法已經發表于英國皇家天文學月報(MNRAS, 2020, 499:4432)
注2：射電望遠鏡的波束，指望遠鏡主軸方向能夠接收天空射電輻射的立體角范圍，對應采集到天空圖像的交分辨率。
(左)在紅外暗云SDC18.787-0.286探測到的各條譜線，背景為紅外波段(WISE天文衛星在3.5-22微米波長范圍內的公開數據)圖像, 黃色圓圈表示天馬望遠鏡的波束[2]覆蓋范圍。(右)紅外暗云化學模型預言的分子含量比例演化趨勢(帶箭頭的曲線)與觀測數值的比對。不同顏色曲線代表不同的環境氣體密度，節點數字標記了演化年齡(年)，灰色數據點為前人觀測，黑色方塊為本次研究工作獲得CCS新探測數據的樣本點。從圖中可以看出，化學模型的預言與數據點符合較好，對這些暗云的演化年齡給出了明確標定。
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