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金牛座分子云三维结构的探索 精选

已有 3993 次阅读 2019-7-10 22:16 |个人分类:总结|系统分类:科研笔记| 金牛座分子云, 三维结构

金牛座分子云三维结构的探索

分子云是星际介质的一种存在形态。分子云也是恒星形成的场所。分子云的形态多种多样,除了看起来像一团云的分子云,还有丝状、片状的分子云。在表观形态之下,分子云很可能是分形结构的。

金牛座分子云是距离地球140 pc的一块分子云。关于这个距离,后面要讨论。从图像上看,金牛座分子云看起来像一团云,有一些立体感。不过这可能是假象。

了解分子云三维结构的关键是以足够高的角分辨率测量分子云在视线方向的厚度。和天文中普遍遇到的问题一样,分子云在垂直于视线方向的大小容易测量,但在视线方向的厚度不容易测量。估计分子云视线方向厚度的方法主要有以下几种:柱密度处以体密度;分子云中的气泡形态限制分子云厚度;用磁振荡探测分子云的“隐藏维度”;使用线宽-投影尺度关系测量分子云在视线方向的厚度。此外还可以通过形态区别丝状结构和侧视的片状结构。

通过测量分子云的体密度可以估计分子云在不同位置的厚度。根据定义,柱密度是体密度在视线方向的积分。所以视线方向的平均厚度等于柱密度除以体密度。

以金牛座分子云中的B213为例。柱密度可以通过HC3N(2-1)谱线的强度计算,体密度可以HC3N(10-9)和HC3N(2-1)的线强比得到。由此得到B213视线方向的尺度大约是0.12 pc。这表明B213确实是丝状的。从另外一方面,这也暗示金牛座可能是一块比较薄的云。通过在多个地方进行这种观测就可以测量分子云在多个地方的视线方向厚度,从而推断其三维结构。这样的观测需要较多观测时间。

通过气泡的形态也可以估计分子云的厚度。想象一块分子云中有一个气泡,如果气泡比较大,尺度超过了分子云的厚度,气泡就会破裂,只留下一个圆环。中心部分几乎没有分子气体,所以没有谱线辐射。

以金牛座分子云中的一个例子来看。在所有通道图(也就是不同频率的图)上,中心部分都没有辐射。从强度的径向分布来看,这也更像一个圆环而非完整的气泡。由此可以对这块分子云的厚度给出限制。不过一块分子云中气泡的数量有限,可以估计分子云的厚度,但推断三维结构有一定困难。

我们知道,通过分析地震波,可以探测地球的内部。探测分子云中的波也可以达到类似的效果。通过分析特征频率,可以得到苍蝇座分子云的视线方向尺度和最大的横向尺度相当。这意味着这块分子云是侧视的片状云。结合数值模拟,可以给出这块分子云的三维模型。这将是推断分子云三维结构的一种重要方法。

比较一下真正的丝状云B213和侧视的片状云苍蝇座分子云。真正的丝状云更容易扭曲。这符合直觉。所以如果要寻找侧视的片状云,应该从扭曲较少的“丝状云”里去找。

除此之外,分子云中的线宽尺度关系也可以用来限制分子云的整体厚度。观测发现,分子云谱线的平均轮廓的宽度和三维尺度的1/2次方成正比。

对于金牛座这样大面积的分子云,可以在分子云中取不同的点,每个点取一系列半径的区域测量平均轮廓的宽度。

注意到,由于分子云有厚度,线宽和尺度的关系可以用投影尺度和厚度表示。通过线宽和投影尺度的关系可以得出分子云的厚度的一个估计。注意到随机过程倾向于增大线宽,所以我们需要使用线宽-投影尺度关系的下包络线。

测量分子云中天体的距离是测量分子云三维结构最直接的办法。但是,距离的测量精度通常不高,不足以分辨分子云在视线方向的结构。不过最近,距离测量精度已有较大改善。我们可以看一下。

通过恒星消光发生显著变化的位置可以确定分子云所处的距离。可以看到金牛座分子云的结构是相当复杂的,有可能是分成几个部分的。注意到测量不确定度有大有小。这一方面是由于恒星分布造成的,另一方面也可能反映了分子云的厚度。可以看一下同一个视线方向的距离测量不确定度和线宽的关系,没有特别明显的趋势,虽然想象中不确定度越大,对应的线宽越宽。这里的不确定度可能是由恒星分布的影响主导的。

现在已经有一些银河系三维尘埃分布的模型,不过通常分辨率不会比1 pc好很多,因为恒星之间的平均距离就是1 pc。这可能是用恒星消光的方法研究分子云三维结构的一个极限。

总结起来,我们有多种可能的方法测量分子云三维结构。金牛座可能具有复杂的三维结构。使用恒星消光有可能测量金牛座的三维结构,但不会有很高的空间分辨率。




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2 夏力钢 黄永义

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