利用C2H譜線分析蛇夫座分子云的部分結(jié)構

研究背景及目的

宇宙空間中的氫原子受外界因素影響，開始匯聚并逐漸轉(zhuǎn)化為氫分子，恒星形成活動由此開始。大量的氫分子聚集成為分子云，是恒星形成的場所。當密度足夠大、溫度足夠高、壓強足夠強時，恒星內(nèi)部熱核反應被點燃，恒星誕生。分子云的三維結(jié)構既是恒星形成活動的表現(xiàn)，也影響恒星形成效率。例如，聚集成球狀的分子云其中心很可能有一個或若干個新恒星誕生，而呈長條狀的分子云中，隨著分子云的演化，可能會孕育出一長串新恒星。

直接觀測得到的分子云圖像是分子云在天空上的投影，無法直接通過圖像看出其在視線方向上的結(jié)構，尤其是其內(nèi)部結(jié)構。同時，由于分子云無明確邊界，我們難以直接通過測量分析云在不同區(qū)域的距離，從而確定分子云的三維結(jié)構。另外，分子云內(nèi)部結(jié)構往往也是恒星形成活動的表現(xiàn)。

為了分析出分子云中更加復雜的結(jié)構，需要對于分子云的譜線觀測數(shù)據(jù)做進一步的擬合和分析。分子云的譜線來自于分子云物質(zhì)的輻射。譜線包含了分子云的運動學信息。通過譜線擬合，我們可以得知該譜線對應的分子云區(qū)域相對我們的視向速度大小，如果視線方向上有多個成分，則能擬合出多個結(jié)果。若是分子云在旋轉(zhuǎn)或處在相互作用中時，相鄰的譜線視向速度則會有變化。將相鄰位置譜線的視向速度進行集中分析研究，便可以分析出分子云更精細的結(jié)構。

因為需要盡可能多地觀測分子云中不同密度的結(jié)構，對分子譜線的要求是光薄譜線，且在分子云演化各個階段盡可能一直存在。所以，本工作采用的譜線為CHN=1-0躍遷。CH普遍存在于各種密度的分子云中，也存在于分子云演化的各個階段。相比一些致密分子探針，CH可以示蹤更低密度的分子云結(jié)構。而相比更常用的CO等譜線，CH有較低的豐度，因而也可以用來示蹤高密度的分子云核。另外，CHN=1-0躍遷有6個超精細結(jié)構，可以供直接擬合光深，用來判斷分子譜線是否光厚。

因此，用CH譜線分析蛇夫座分子云，能讓我們更好地了解恒星形成與演化過程。在分析出分子云的詳細結(jié)構后，也能由結(jié)構推測分子云的演化過程。

研究內(nèi)容

本工作所分析的是蛇夫座分子云（圖1）中心的東側(cè)區(qū)域，稱之為L1689。蛇夫座分子云被認為是具有一定厚度的分子云，其CH觀測數(shù)據(jù)由本工作的指導教師獲取并完成一定程度的天體化學分析。

通過class軟件得知，該分子云觀測數(shù)據(jù)中共有超過30000條譜線。由于所用的分析方法無法完全擺脫人工操作，目前無法完成數(shù)據(jù)量如此巨大的譜線分析，且目前沒有確定結(jié)論顯示蛇夫座分子云有更多立體結(jié)構。因此，我和指導教師決定從蛇夫座分子云中選取相應簡單的幾個區(qū)域嘗試進行分析。

如圖1所示，紅框處即為本文所分析的3處區(qū)域。其中1、2兩處區(qū)域離分子云聚集處較遠，中心坐標及范圍分別如下。

●1號區(qū)域相對中心區(qū)域坐標（J200016：26：16-24：20：54）為（以角秒為單位）5116，-520;區(qū)域邊長為300角秒。

●2號區(qū)域坐標為4546，-1990;區(qū)域邊長為600角秒。

●3號區(qū)域處在分子云核心區(qū)，中心坐標為0，0;區(qū)域邊長為400角秒。

3個區(qū)域均為正方形區(qū)域。

研究方法及結(jié)果

本研究的譜線篩選與擬合部分使用Windows命令行cmd進行操作。經(jīng)過幾次改進，我和導師確定了一份代碼。這份代碼工作時的主要步驟如下。①初始化，將譜線橫坐標設置為視向速度，縱坐標設置為角度;②在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)譜線;③設定擬合中心及范圍，以便接下來對這一范圍中的譜線進行擬合;④設定縱坐標零點，放大橫、縱坐標，使譜線更加清晰可見;⑤依次對這一范圍中的譜線進行篩選，面積大于0.5認為譜線具有足夠強度，保留并進行手動擬合;⑥手動輸入擬合的譜線峰值個數(shù)，通過鼠標點擊單個峰的中心及半高全寬處進行對譜線的峰的選定，全部選擇完成后會出現(xiàn)紅色擬合曲線，檢查所擬合的曲線是否將絕大部分譜線覆蓋，或曲線上部分多出的面積是否與線下部分缺少的面積基本相等，若是，則繼續(xù)擬合下一個譜線，若不是，則重新擬合該譜線;⑦將該譜線的赤道坐標、線下面積、視向速度值、半高全寬的數(shù)值導出，用于結(jié)果分析。

研究結(jié)論

經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析后，我們初步分析了蛇夫座分子云中L1689的結(jié)構組成。本研究的結(jié)論如下。

擬合了蛇夫座分子云中L1689的C2H譜線觀測數(shù)據(jù)，證實其中部分譜線具有多個結(jié)構，預示著L1689區(qū)域可能有更復雜的結(jié)構。

選取了3個區(qū)域，標記為1、2和3，分別擬合了其中的譜線。其中3號區(qū)域，即分子云的核心區(qū)（Oph-A），結(jié)構復雜，尚未分析;除此以外，在1號、2號區(qū)域找到了分子云的子結(jié)構和分子云的更多運動信息。

1號區(qū)域分為A、B兩個結(jié)構，其中A部分可以分解為2塊結(jié)構不甚分明的子結(jié)構，B部分是單一的整體，其在RA方向上的速度梯度為0.12km/（sarcminute），我們認為它是在旋轉(zhuǎn)的分子云。

2號區(qū)域分為C、D兩個結(jié)構，其中C是一個完整的整體，D部分我們在主要的分子云中找到了一個速度分量完全不同的新的連續(xù)完整的子結(jié)構。

關于A、B、C和D4個區(qū)域的結(jié)論，之前尚未在相關文獻和研究中提及，是本項目首次發(fā)現(xiàn)的。

小結(jié)

該課題利用C2H譜線對蛇夫座分子云的復雜結(jié)構進行分析。首先，通過DS9軟件查看分子云圖像定位要研究的區(qū)域;其次，使用Gildas軟件包中的譜線處理工具class，對指定區(qū)域的譜線的峰值進行手動擬合;最后，將擬合后譜線的坐標、面積、視向速度及峰值的半高全寬等數(shù)據(jù)導出，可據(jù)此將分子云的平面圖像轉(zhuǎn)換為立體圖像。

最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，L1689的北部區(qū)域為單一分子云，且存在速度梯度，說明其可能在旋轉(zhuǎn);南部區(qū)域拆分出2個子結(jié)構，這是之前研究尚未揭示的新發(fā)現(xiàn)。

該課題后續(xù)仍有較大研究空間。首先，觀測數(shù)據(jù)中仍有3萬條左右譜線待分析。將其全部分析后，可以繪制出一套完整的分子云三維圖像，從而得出更為清晰、直觀的結(jié)論。其次，分析數(shù)據(jù)時，可進一步分析不同譜線的線寬。再次，希望能夠找出較為普適的對應關系，即“怎樣的視向速度分布”對應“怎樣的結(jié)構”。這樣可使分子云結(jié)構的研究更加系統(tǒng)。

田茗羽

第19屆“明天小小科學家”一等獎

學科：地球與空間科學

小時候，田茗羽同學從書上讀到法國兄妹赫歇爾和卡羅琳發(fā)現(xiàn)天王星并首次提出銀河系模型的故事，感到十分欽佩。于是她以這對兄妹為榜樣，立志學習天文學。她對外星人、宇宙等話題非常感興趣，渴望不斷探索宇宙的奧秘。生活中，田茗羽興趣廣泛，喜歡拉小提琴、打乒乓球、寫書法和繪畫等。她希望未來可以學習天文學專業(yè)，從事星空方面的研究工作。