作者:刘铁 刘训川 来源: 中国科学院上海天文台微信公号 发布时间:2023/3/2 16:50:19
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上海天文台科研团队首次探测到碳氧离子射电复合线

 

近期,上海天文台科研团队利用天马65米射电望远镜首次探测到了碳氧离子射电复合线。基于此发现,该团队准确测量了M42电离区的碳氧离子丰度。该研究成果表明离子射电复合线有望成为测量元素丰度的常规手段,对精确测定星际空间,特别是高度消光区的元素丰度具有重要意义。这一发现于2023年2月28日以一篇致编辑的信(Letter to the Editor)发表在《Astronomy & Astrophysics》上[1]。

图1,天马望远镜在Orion KL中探测到的碳氧离子射电复合线(白色)[1]。绿色区域是对离子射电复合线的模型拟合。绿色点线是考虑了所有射电复合线和分子谱线的模型拟合。背景图是心形的猎户星云(Orion nebula; M42)以及位于其左下明亮区域的Orion KL天体(图片由Shawn Nielsen摄制)。

电离气体是星际空间中最为广泛分布的气体成分。对电离气体不同元素发射线的观测是测量宇宙元素丰度最重要的手段。长期以来,对电离气体丰度的测量大多基于光学(及红外)谱线观测。然而,基于光学谱线的观测普遍存在消光严重、谱分辨率较低、电离区激发条件严重依赖电离气体的温度与密度等难以规避的困难。在这样多方面因素的影响下,基于光学谱线的观测所得的元素丰度的不确定度可达到一个量级之多,且这种观测结果通常给出的是相对于铁、氧等元素的相对丰度,而非相对于氢元素的绝对丰度。因此,相较于基于光学谱线的观测而言,射电复合线以其光学薄、近局部热动平衡等特点,能够更好地规避光学波段存在的观测影响。

虽然射电复合线示踪的是电离气体,但几乎所有目前探测到的射电复合线都源自中性原子的高阶跃迁[2]。此前,天文学家仅在行星状星云NGC 7027和NGC 6302中探测到两条氦离子(He+)的射电复合线[3,4],然而这两条氦离子射电复合线与氦原子高阶复合线频率重合。因此,在大多时候,射电复合线几乎专指原子射电复合线。比如,Gordon在其经典教材《射电复合线》中就写道“射电复合线源自电子和离子复合而成原子时在其高阶能级之间的跃迁”。在天文领域,比氦更重的元素被称为金属元素,它们主导了星际尘埃与星际有机分子的形成。金属原子的射电复合线往往会被与之具有相近频率的氦原子射电复合线掩盖,这使得金属原子的射电复合线很难被探测到。与之相反,金属离子的射电复合线则一般不与原子的射电复合线混合,理论上可作为测量元素丰度更为有力的工具。然而,由于长期以来缺乏兼具大宽带与高灵敏度的射电观测设备,此前还尚未探测到金属离子的射电复合线。

近期,中国科学院上海天文台研究团队利用65米口径的天马望远镜首次探测到了来自星际空间的碳氧离子射电复合线。这一新发现是基于该团队利用天马望远镜正在开展的谱线搜寻项目。该项目计划对Orion KL等天体进行1-50 GHz深度谱线搜寻,首次在低频射电波段绘制出完整的高灵敏度谱线图谱,为即将建设的ALMA band 1和SKA等大型射电干涉设备所引领的天体化学研究做好前期研究准备。目前,该项目已经对Orion KL完成Q波段(35-50 GHz)、Ka波段(26-35 GHz)的观测,证认出了超过一千条谱线,包含众多此前尚未探测到的复杂有机分子谱线与射电复合线[5]。

在证认Ka波段谱线时,一些线宽约15公里/秒的发射线首先引起了研究人员的注意。这些发射线只有约10 mK的谱线强度,但在mK灵敏度的频谱上非常显著,且它们不能与任何原子射电复合线以及分子谱线相匹配。由于它们的线宽与射电复合线的线宽非常接近,研究人员意识到很可能捕捉到了离子射电复合线的信号。研究人员认为,既然射电复合线是主量子数很大的能级之间的跃迁,那么其发射体,无论是离子还是原子,都应当可看做类氢系统,其频率则可由里德伯公式描述。为了对此进行验证,研究人员在Ku波段(12-18 GHz)进行了后随观测,成功匹配到了8条离子的阿尔法线(主量子数差为1的射电复合线)。经过仔细检查,研究人员又分别在Q波段(35-50 GHz)和Ka波段的频谱中匹配到了数条离子的阿尔法线和贝塔线的微弱信号。研究人员比对了在不同日期观测到的谱线,发现这些谱线的频率在修正掉地球运动带来的多普勒红移以后保持一致。至此,研究人员确信探测到了来自星际空间的离子射电复合线。

研究人员对数十条离子射电复合线同时进行了模型拟合,发现它们相比于氦离子射电复合线预期在频谱上出现的位置蓝移了超过20公里/秒,很可能发射自比氦元素更重的离子。模型拟合还准确测定了它们示踪的二次电离离子的丰度为8.8E-4,与光学谱线大致给出的1E-4到1E-3的碳氧元素丰度相符。由此,研究人员确信首次探测到了来自星际空间的碳氧离子射电复合线。

文章第一作者、通讯作者刘训川博士主持了天马望远镜谱线搜寻项目。他表示:“我们利用天马望远镜同时探测到了数十条离子射电复合线,其中许多线不与任何原子谱线和分子谱线混叠。金属离子射电复合线的新发现革新了我们对射电复合线的定义。”由于碳离子和氧离子的射电复合线非常接近,目前还不能通过单天线观测对它们进行区分。来自美国喷气推进实验室Paul F. Goldsmith教授补充道:“以后,可以用ALMA、SKA、ngVLA等射电干涉阵列打破碳氧离子的简并,探测来自不同电离区乃至高红移星系不同种类的离子射电复合线”。得克萨斯大学Neal J. Evans II教授认为:“碳和氧是星际一氧化碳与复杂有机分子主要的构成元素。这项新技术可有助于测量恒星形成活动活跃、消光严重的内银道面的碳氧丰度,这是之前其他观测手段所不能完成的任务。”

上海天文台台长、文章共同通讯作者沈志强研究员说道:“天马望远镜有65米口径,配备了覆盖1-50GHz的接收系统,具备很高的灵敏度,最适合去探测金属离子射电复合线这样的弱线。”文章共同通讯作者、上海天文台刘铁研究员总结道:“正如审稿人所言,天马望远镜为这一新的重要发现提供了清晰明确的证据。”刘铁研究员还指出,本次研究结果也证明了天马望远镜在天体化学研究方面的巨大潜力,天马望远镜谱线搜寻项目将继续对Orion KL及其它天体进行深度积分,达到前所未有的mK量级灵敏度。该项目的后续研究也争取能够探测到更多新的离子射电复合线、新的分子跃迁,甚至是新分子。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目以及科院对外合作交流重点项目资助。

参考文献:

[1] Liu, X., Liu, T., Shen, Z., et al. 2023, A&A, 671, L1

[2] Chaisson, E. J. & Malkan, M. A. 1976, ApJ, 210, 108

[3] Terzian, Y. 1980, Radio Recombination Lines

[4] Gordon, M. A. & Sorochenko, R. L. 2002, Radio Recombination Lines

[5] Liu, X., Liu, T., Shen, Z., et al. 2022, ApJS, 263, 13

科学联系人:

刘训川,中国科学院上海天文台,liuxunchuan@shao.ac.cn

刘铁,中国科学院上海天文台,liutie@shao.ac.cn

沈志强,中国科学院上海天文台,zshen@shao.ac.cn

 
 
 
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