分子云三维结构的测量

(2018年10月30日在中国天文学会年会上报告的讲稿，由潘之辰代讲)

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。分子云的主要成分包括分子氢、氦、原子氢、其他分子、尘埃以及磁场和宇宙线等。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。距离我们较近的著名分子云包括金牛座分子云、猎户座分子云、蛇夫座分子云、英仙座分子云等。了解分子云的三维结构是研究其中气体运动和其中的恒星形成的基础。

这是金牛座分子云的图像，看起来像一团云。看起来有一些立体感。但实际的三维结构并不清楚。

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。其中精确测量分子云中年轻恒星、脉泽点的距离是容易想到的方法。此外分子云的厚度还可以通过测量柱密度和体密度估计。分子云中的气泡形态也可以用于限制分子云的厚度。通过类似地震波探测地球内部结构的方法，也可以用磁振荡探测分子云的“隐藏维度”。使用线宽-投影尺度关系也可以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。

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。最近，距离测量精度已有较大改善，未来有望通过这种方法测量分子云的三维结构。

另外，可以通过测量分子云的体密度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。但是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。

这是一个例子。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下限的一个估计。另外，如果相信谱线展开是湍流贡献的，那么可以通过每一点的线宽估计当地的厚度，从而测量分子云的三维结构。

总结起来，我们可以通过年轻恒星（脉泽点）的距离、线宽-投影尺度关系、气泡形态和磁振荡估计分子云厚度。而能用于测量分子云三维结构可能的方法是测量年轻恒星（脉泽点）的距离、测量谱线线宽、分析分子云的磁振荡。