分子譜線輻射

在銀河系和其他星系已測到許多星際分子，了解這些分子的形成和破壞的原因，形成了分子天體物理學。分子譜線輻射是分子天體物理的核心部分。

星際分子以兩種方式顯示其重要性：分子發出的輻射能探索瀰漫氣體的所在，推斷其物理性質並估計星系中恆星形成的趨勢；將發射區發出輻射的能量消散並使該區變冷，這種冷卻是恆星形成初始階段氣體雲引力坍縮的主要過程。分子天體物理的最終目的是確定分子雲的壽命和起源；同時將分子雲與天文現象，如恆星的形成、年輕恆星和生命起源等聯繫起來。它套用物理學及化學的理論、方法和技術，通過星際分子的發射或吸收譜線所提供的信息來研究各類天體的形態、結構、物理估刪狀態、化學性質，研究恆星和星際物質的相互作用及天體的形成和演化規律。

宇宙中廣泛存在分子，它們分布在許多天文環境中：星際物質，星周外流，吸積盤和彗星及高紅移星系。分子譜線測量可研究地球上難以達到的低密度和婆籃凝影低溫環境的分子；星際介質中更容易發現“非地球”的分子種類。星際間的氣體塵埃雲中迄今(2002)已探測到的星際分子（包括分子離子和基，但不包括同位素分子）高達128種，幾千條譜線。一些相當複雜的有機分子，如羥基已醛CH2OHCHO（第一個星際糖）和己二醇HOCH2CH2OH（星際防凍劑）等也在星際雲中被探測到。簡史　雖然各種重元素原子核是在恆星內部核聚變過程中形成的，但在恆星內部溫度和壓力的條件下，原子卻不能結合成分子。所以星際全部種類繁多的分子都是在氣體塵埃雲中通過化學反應生成的。這些星際化學反應的複雜程度可從已證認的某些分子的複雜結構可見，其中之一稱為甘氨酸(NH2CH2COOH)，它是構成地球生物體的主要基元胺基酸的一種。星際空間發現的許多分子是由碳、氧和氮以及氫構成的。1937年第一次證記應愚認的星際分子是CH（次甲基），CN（氰基）是1941年證認的。1950年G.H.赫比格由CN從譜線的強度比得2.3K激發溫度，是暗示宇宙微波背景輻射存在的第一個證據。1963年後射電發現一批分子OH、NH3、H2O、H2CO；1970年CO的發現導致突破性發展，即很快建立起星際介質的一個主要的和新的成分，而這正是恆星形成的成分。此後發現和證認100多種星際分子，顯示出差別懸殊的各種天文條件，廣泛分布於各類天文環境。太空中的有機分子種類極多，結構之複雜，如有一個巨分子雲複合體（人馬座B2）所含乙醇數量很多。星際雲也含有簡單分子，如氧(O2)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)和氫分子(H2)等。星際化學過程的關鍵是星際雲含有大量石墨顆粒形態的碳。根據星際雲對更遙遠恆星的可見光的吸收方式，那裡存在長度約0.1微米的細長顆粒，主要成分是碳，但也有水冰和矽酸鹽。碳是恆星內部核合成的最通常的產物之一。大多數複雜分子都在非常稠密的星雲中找到，確知那裡有足夠多烏黑的塵埃起著禁止作用，使分子免受鄰近年輕恆星強紫外輻射的照射而分解。這些雲就是新的年輕恆星及其伴生行星形成的地方。星際化學不僅涉及分子和塵埃的相互作用，而且還涉及與恆星的相互作用才套頌海。分子雲坍縮和碎裂成恆星的過程中，釋放引力能轉變為熱，使雲中分子加快運動，產生反抗進一步坍縮的壓力。要進一步坍縮只有熱轉變成墓檔鍵電磁輻射才有可能，這可由分子來完成。當一顆年輕恆星形成時，發出大量紫外輻射，雲中的碳塵埃吸收紫外輻射，然後以紅外輻射出去，此試背循處碳塵埃起著重要作用。1990年以後，在星際雲中又發現了環形複雜分子C12H10，它的12個碳原子聯合潤抹習成一個環，10個氫原子圍繞在外。宇宙探針　分子成為診斷它們所在天體的物理條件的探針。用它測量溫度、密度、速度、磁場以及質量、化學組成甚至示蹤演化狀態。分子譜線的長處是原子譜線不可替代的。如利用一氧化碳分子在100微米至1毫米波段的轉動躍遷譜線可診斷中等密度n(H2)為104～106厘米−3、溫度在100～1 000K範圍內天體的參數，用來確定銀河系和河外星系中物質的分布；有極的重陀螺分子H2O、HCN、HC3N對於密度較高的星雲核和吸積盤是很好的探針；OH、H2O和SiO的脈澤發射譜線可作為分子雲中更加緻密區域的理想探針。分子的觀測對星際物質全貌的認識發生了很大變化，現已證實銀河系的星際物質約一半的質量以分子的形式存在。分子常常控制著天體的溫度和電離結構，影響著天體的演化。AGB星存在由分子和塵埃組成的星周包層，它是豐富的分子源，對其分子的研究可提供有關恆星如何從緻密的分子雲形成，又如何死亡以及送回星際物質的大部分知識。用分子觀測和研究的天體遍及宇宙：①太陽系。太陽（黑子）、行星（大氣）、小行星、彗星、衛星和行星際物質。②銀河系。銀心、旋臂結構、星際物質、星雲（HII區，GMC，暗星雲）、恆星形成區（恆星吸積盤，原恆星，HH天體，天體脈澤，外向流，激波）、主序前星、晚型星的星周包層、AGB星、行星狀星雲、新星、超新星遺蹟。③河外星系。星系際空間物質、原星系、星暴星系、併合星系、AGN和類星體，超脈澤，超大黑洞。④宇宙微波背景輻射。分子雲　近幾十年來毫米波、亞毫米波技術的發展，使分子譜線的觀測成為可能，大大改觀了對星際介質、銀河系（乃至星系）結構以及恆星形成和演化的理解。現已認識到星際物質中的氣體物質的大部分質量是以分子雲形式存在的。氫分子是宇宙中最豐富的分子。銀河系星際物質的總質量約5×109M⊙，其中塵埃質量占1%，氣體質量占99%，而在這99%的星際氣體中97%又是中性的，電離成分僅占3%。銀河系中質量達106M⊙星雲複合體中發現了H2。H2的產生在塵埃顆粒上，塵埃顆粒表面的作用是把H轉換成H2的催化劑。星際塵埃每1012個H2中有1個塵埃顆粒。塵埃顆粒的大小分布模型為f(a)＝a−3.5,a為半徑，它的尺度在5×10−8～6×10−6厘米之間。塵埃顆粒主要由碳和矽化合物組成。在天體物理中分布最廣、最豐富和最重要的是H2。除H2外豐度最高的是CO。CO相對H2的豐度只有10−4～10−5量級。因此所謂分子雲的氣體密度、柱密度都是指氫的密度n(H2)和柱密度N(H2)。分子雲的所有巨觀特性幾乎都是以分子氫的特性為表征的。由於大多數的分子雲中，分子氫不容易被直接觀測，因此主要是通過對CO分子的觀測來了解分子雲的物理狀態、分子雲的分布和分子雲的運動等特性。由於CO是靠與H2碰撞來激發的，因此CO便成為研究H2的重要手段。近年來亞毫米波和紅外譜線技術的進展，為用更多的分子譜線來示蹤分子雲中的各種相差懸殊的物理參數成為可能。物理過程　與原子相比，分子有更複雜的結構，這涉及原子核和電子的位置和動量，但所有粒子都被限制在分子的直徑a內，因此每個粒子將擁有由於不確定度關係ΔpΔq≥h得到的平均動量h/a。動能將具有典型的間隔為ΔE～1電子伏，相當於104K。在分子的薛丁格方程中，描述核的動能部分與電子相比可以忽略。分子量子力學中核和電子運動的分離稱為玻恩–奧本海默近似，所以分子的躍遷可根據不同的能量分成三種：①電子躍遷。典型的能量值為幾個電子伏，對應於可見和紫外波段的譜線。②振動躍遷。由核與它們的平衡位置的相對位置的振動所引起，典型的能量值為0.1～0.01電子伏，對應於紅外波段譜線。③轉動躍遷。由核的轉動引起，典型的能量值約為10−3電子伏，對應於厘米和毫米波段的譜線。一般分子譜線起源於兩個不同態之間的躍遷，每個態由電子的、振動的和轉動的量子數描述。雙原子分子是最小的分子，最簡單近似下雙原子的振動可看作簡諧振動，其能量Ev＝hν(v＋1/2)，式中ν為頻率，v是振動量子數，取零或整數。分子的轉動可看作剛性轉子，Er是一組離散值。Er＝BrJ(J＋1)，式中Br與慣性矩I有關，即Br＝h2/(8π2I)，J是轉動量子數，取零或整數，可取能級為0,2Br,6Br,12Br等。雙原子分子可簡單地近似表示為電子能、振動能和轉動能之和：E(n,v,J)＝Ee(n)＋Ev(v)＋Er(J)式中Ee是電子的能量，Ev和Er分別是分子的振動能和轉動能。如果僅限制在射電範圍，只會涉及轉動態之間、有時在不同的振動態之間（如SiO或HC3N在振動激發態的轉動躍遷）的躍遷。這個限制使得分子能級的描述變得簡單。分子物理過程此處專指分子與周圍環境的相互作用，主要過程是：①電磁輻射的吸收和發射。②與快速粒子（宇宙線）以及氣體中的原子和分子的碰撞。③黏著到塵埃表面和去吸附作用。譜線分析　由射電或紅外得到的譜線資料有譜線強度、譜線輪廓以及觀測到的線心頻率相對譜線靜止頻率的偏移。如何由這些資料推求出分子雲或拱星分子包層的運動溫度、氣體（主要是H2）密度、柱密度、分子的相對豐度，以及分析它的運動和正在進行的物理過程，這首先必須了解是什麼樣的過程中決定的所得到的觀測量。這就涉及分子雲或分子包層的譜線輻射轉移理論，也即分子譜線形成的理論及其微觀過程和物理機制。在具體的天體物理環境下，各種譜線輪廓形成的最直接反映是譜線輻射區的物理結構、速度場和譜線光學厚度等。從分子雲的物質分布看，有均勻結構和不均勻結構（如團塊、纖維狀物質和空洞等）之分。從速度場性質看，又有熱速度場和非熱速度場（如系統運動和湍動運動）之分。譜線形成的進一步研究還涉及分子雲和拱星分子包層的動力學狀態。它已發展為成熟的分子譜線輻射轉移理論。天體脈澤　許多天文分子和一大批天體中觀測到了產生這類譜線的射電源，稱為天體微波激射源或天體脈澤源。探測到脈澤發射的分子有H2O（水）、SiO（氧化矽）、CH3OH（甲醇）、NH3（氨）、CH（次甲基）、HCN（氰化氫）和H2CO（甲醛）等。一些同位素分子的脈澤也被觀測到，如29SiO、30SiO和H13CN等。脈澤發射所涉及的波長範圍從大約1毫米到30厘米。探測到脈澤輻射的天體有彗星、分子雲、恆星形成區、主序後星、超新星遺蹟以及紅移Z高達0.265的河外星系。無論是分子脈澤還是原子脈澤，其輻射的基本原理是一樣的。“脈澤”作為一種極端的非平衡現象，提供了研究一些特殊的天文環境，特別是小尺度環境的物理和動力學研究的最好工具。隨著甚長基線(VLBI)技術的進步，將大大推動脈澤觀測和理論研究的發展。由於天體脈澤和通常在分子雲或分子包層中觀測到的熱譜線的輻射機制完全不同，因此脈澤的許多基本物理特性與熱譜線相比也表現出很大的差異。隨著VLBI綜合孔徑和高解析度的頻譜觀測的開展，繪製出了越來越多的高空間解析度的脈澤源射電圖以及具有細節結構的脈澤頻譜圖樣。這些資料為研究脈澤源的空間分布、位形、視尺度以及運動學提供了有力手段。天體脈澤的物理特徵主要有：

①大多具有成團或成塊特性，稱為脈澤源斑。單個源斑的最小尺度只有一個天文單位，或者說10−4～1角秒的角直徑。而與晚型星成協的SiO脈澤源斑則更小，只有0.1～0.6天文單位。

②頻譜的形態多樣。從最簡單的只包含一個特徵的譜到可包含幾百個譜特徵的非常複雜的譜。每個譜特徵的線寬很窄，為0.1～3千米/秒。脈澤特徵的速度寬度與整個脈澤發射速度之比為1/5～1/50。當存在高速外向流時，此比值很小。

③脈澤源斑的角直徑雖小，但輻射的亮溫度TB卻很高。對於銀河系脈澤，該值在109～1015K。

④許多天體脈澤具有偏振。如來自恆星形成區的OH脈澤輻射的偏振度可高達100%。

⑤幾乎所有的脈澤源都具有程度不同的時變。最短的脈澤時變周期為天，最長的是幾年。

有的脈澤還具有突然爆發的現象，如W51MAIN中的H2O脈澤。導致脈澤能級布居反轉的機構稱為抽運機構。三能級模型就是一個最簡單的抽運機構。實際上一個脈澤抽運循環的建立，總是要涉及大量能級的躍遷過程。既要考慮脈澤的激發機制（泵源），也要有使脈澤下能級迅速弛豫的機制（如輻射衰變、碰撞衰變等）。

另外，考慮到脈澤輻射的轉移效應，脈澤源區還必須有足夠的速度相干性，這樣才能保持脈澤放大所要求的增益，從而得到可觀測的脈澤效應。使一個脈澤能夠運轉的基本條件是：

①涉及脈澤躍遷的能級粒子數反轉。

②存在一個與脈澤氣體處於非熱平衡下的熱源（同時也要考慮一個冷源）。

③有足夠高的脈澤分子豐度。

④沿脈澤柱有足夠的速度相干性（或者相干柱密度）。

⑤合適的氣體密度，使其既可提供碰撞激發的效應，又不致造成布居的熱化。

分子天體物理和恆星形成密切相關，30年來發展雖然很快，但一些基本問題尚需解決，如分子雲如何形成的，分子雲的物理和化學結構如何，分子雲中的分子氫到底含量多大，在星系演化中分子雲如何起作用等。從觀測觀點看來，恆星形成的觀測困難在於塵埃遮擋了恆星形成區，使光學望遠鏡難以看到它們。大質量恆星形成的觀測更困難，因為大質量恆星形成區更少，平均說來它們更遙遠。新的觀測表明，與小質量恆星形成區相比，大質量恆星被更多的塵埃所遮擋。紅外、亞毫米波、毫米波輻射可貫穿遮掩的塵埃而且形成恆星、盤和行星的氣體和塵埃的輻射主要也在紅外和更長波段。未來發展的一些設備將會在這些波段使靈敏度和空間解析度獲得實質性提高。推薦書目　孫錦,李守中.分子天體物理學基礎.北京:北京師範大學出版社,2003.

分子譜線輻射

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