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2025年政府工作報告：部署科技創(chuàng)新等關(guān)鍵領(lǐng)域
國務院總理李強在政府工作報告中，圍繞推動經(jīng)濟[詳細]
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基于國內(nèi)望遠鏡星際化學分子譜線探測研究取得新進展
2021年06月04日 08:57:55
來源：中國科學院國家天文臺 點擊量：5794
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(lǐng)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(shù)據(jù)，有效確定了紅外暗云的化學演化時標等信息。
【化工儀器網(wǎng) 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(zhì)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(tài)信息。與此相關(guān)的許多重要前沿問題一直是國際學術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的熱點，特別是大質(zhì)量恒星形成區(qū)域的化學演化時標及其與大質(zhì)量恒星形成的關(guān)系，至今依然沒有結(jié)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(lǐng)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(shù)據(jù)，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(nèi)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(zhuǎn)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(jié)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(tǒng)計學意義。“天馬望遠鏡可長期穩(wěn)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(jié)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(shù)值模擬，并與觀測數(shù)據(jù)進行比對，有效確定了紅外暗云的化學演化時標。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(jīng)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(shù)據(jù)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(jīng)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(zhì)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(fā)的氨分子超精細譜線溫度算法(HFGR)，能夠準確利用超精細結(jié)構(gòu)的積分強度來計算分子云的氣體旋轉(zhuǎn)溫度和熱力學溫度。與傳統(tǒng)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(shù)更加穩(wěn)定和可靠。HFGR算法最重要的成果是它的統(tǒng)計誤差是基于觀測得到的譜線的信噪比。該算法已經(jīng)發(fā)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(wèi)星在3.5-22微米波長范圍內(nèi)的公開數(shù)據(jù))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(shù)值的比對。不同顏色曲線代表不同的環(huán)境氣體密度，節(jié)點數(shù)字標記了演化年齡(年)，灰色數(shù)據(jù)點為前人觀測，黑色方塊為本次研究工作獲得CCS新探測數(shù)據(jù)的樣本點。從圖中可以看出，化學模型的預言與數(shù)據(jù)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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