课题案例：利用C2H谱线分析蛇夫座分子云的部分结构

利用C2H谱线分析蛇夫座分子云的部分结构

作者：田茗羽（北京市第一○一中学）

指导教师：潘之辰（中国科学院国家天文台）

01

研究背景及目的

宇宙空间中的氢原子受外界因素影响，开始汇聚并逐渐转化为氢分子，恒星形成活动由此开始。大量的氢分子聚集成为分子云，是恒星形成的场所。当密度足够大、温度足够高、压强足够强时，恒星内部热核反应被点燃，恒星诞生。分子云的三维结构既是恒星形成活动的表现，也影响恒星形成效率。例如，聚集成球状的分子云其中心很可能有一个或若干个新恒星诞生，而呈长条状的分子云中，随着分子云的演化，可能会孕育出一长串新恒星。

直接观测得到的分子云图像是分子云在天空上的投影，无法直接通过图像看出其在视线方向上的结构，尤其是其内部结构。同时，由于分子云无明确边界，我们难以直接通过测量分析云在不同区域的距离，从而确定分子云的三维结构。另外，分子云内部结构往往也是恒星形成活动的表现。

为了分析出分子云中更加复杂的结构，需要对于分子云的谱线观测数据做进一步的拟合和分析。分子云的谱线来自于分子云物质的辐射。谱线包含了分子云的运动学信息。通过谱线拟合，我们可以得知该谱线对应的分子云区域相对我们的视向速度大小，如果视线方向上有多个成分，则能拟合出多个结果。若是分子云在旋转或处在相互作用中时，相邻的谱线视向速度则会有变化。将相邻位置谱线的视向速度进行集中分析研究，便可以分析出分子云更精细的结构。

因为需要尽可能多地观测分子云中不同密度的结构，对分子谱线的要求是光薄谱线，且在分子云演化各个阶段尽可能一直存在。所以，本工作采用的谱线为C2H N=1-0跃迁。C2H普遍存在于各种密度的分子云中，也存在于分子云演化的各个阶段。相比一些致密分子探针，C2H可以示踪更低密度的分子云结构。而相比更常用的CO等谱线，C2H有较低的丰度，因而也可以用来示踪高密度的分子云核。另外，C2H N=1-0跃迁有6个超精细结构，可以供直接拟合光深，用来判断分子谱线是否光厚。

因此，用C2H谱线分析蛇夫座分子云，能让我们更好地了解恒星形成与演化过程。在分析出分子云的详细结构后，也能由结构推测分子云的演化过程。

02

研究内容

本工作所分析的是蛇夫座分子云（图1）中心的东侧区域，称之为L1689。蛇夫座分子云被认为是具有一定厚度的分子云，其C2H观测数据由本工作的指导教师获取并完成一定程度的天体化学分析。

通过class软件得知，该分子云观测数据中共有超过30 000条谱线。由于所用的分析方法无法完全摆脱人工操作，目前无法完成数据量如此巨大的谱线分析，且目前没有确定结论显示蛇夫座分子云有更多立体结构。因此，我和指导教师决定从蛇夫座分子云中选取相应简单的几个区域尝试进行分析。

如图1所示，红框处即为本文所分析的3处区域。其中1、2两处区域离分子云聚集处较远，中心坐标及范围分别如下。

● 1号区域相对中心区域坐标(J2000 16:26:16 -24:20:54)为（以角秒为单位）5116，-520；区域边长为300角秒。

● 2号区域坐标为4546，-1990；区域边长为600角秒。

● 3号区域处在分子云核心区，中心坐标为0，0；区域边长为400角秒。

3个区域均为正方形区域。

研究方法及结果

本研究的谱线筛选与拟合部分使用Windows命令行cmd进行操作。经过几次改进，我和导师确定了一份代码。这份代码工作时的主要步骤如下。①初始化，将谱线横坐标设置为视向速度，纵坐标设置为角度；②在数据中发现谱线；③设定拟合中心及范围，以便接下来对这一范围中的谱线进行拟合；④设定纵坐标零点，放大横、纵坐标，使谱线更加清晰可见；⑤依次对这一范围中的谱线进行筛选，面积大于0.5认为谱线具有足够强度，保留并进行手动拟合；⑥手动输入拟合的谱线峰值个数，通过鼠标点击单个峰的中心及半高全宽处进行对谱线的峰的选定，全部选择完成后会出现红色拟合曲线，检查所拟合的曲线是否将绝大部分谱线覆盖，或曲线上部分多出的面积是否与线下部分缺少的面积基本相等，若是，则继续拟合下一个谱线，若不是，则重新拟合该谱线；⑦将该谱线的赤道坐标、线下面积、视向速度值、半高全宽的数值导出，用于结果分析。

▲图1 蛇夫座分子云图像

03

研究结论

经过数据获取、数据处理、数据分析后，我们初步分析了蛇夫座分子云中L1689的结构组成。本研究的结论如下。

拟合了蛇夫座分子云中L1689的C2H谱线观测数据，证实其中部分谱线具有多个结构，预示着L1689区域可能有更复杂的结构。

选取了3个区域，标记为1、2和3，分别拟合了其中的谱线。其中3号区域，即分子云的核心区(Oph-A)，结构复杂，尚未分析；除此以外，在1号、2号区域找到了分子云的子结构和分子云的更多运动信息。

1号区域分为A、B两个结构，其中A部分可以分解为2块结构不甚分明的子结构，B部分是单一的整体，其在RA方向上的速度梯度为0.12 km/(s arcminute)，我们认为它是在旋转的分子云。

2号区域分为C、D两个结构，其中C是一个完整的整体，D部分我们在主要的分子云中找到了一个速度分量完全不同的新的连续完整的子结构。

关于A、B、C和D 4个区域的结论，之前尚未在相关文献和研究中提及，是本项目首次发现的。

04

小结

该课题利用C2H谱线对蛇夫座分子云的复杂结构进行分析。首先，通过DS9软件查看分子云图像定位要研究的区域；其次，使用Gildas软件包中的谱线处理工具class，对指定区域的谱线的峰值进行手动拟合；最后，将拟合后谱线的坐标、面积、视向速度及峰值的半高全宽等数据导出，可据此将分子云的平面图像转换为立体图像。

最终数据处理结果显示，L1689的北部区域为单一分子云，且存在速度梯度，说明其可能在旋转；南部区域拆分出2个子结构，这是之前研究尚未揭示的新发现。

该课题后续仍有较大研究空间。首先，观测数据中仍有3万条左右谱线待分析。将其全部分析后，可以绘制出一套完整的分子云三维图像，从而得出更为清晰、直观的结论。其次，分析数据时，可进一步分析不同谱线的线宽。再次，希望能够找出较为普适的对应关系，即“怎样的视向速度分布”对应“怎样的结构”。这样可使分子云结构的研究更加系统。

田茗羽

第19届“明天小小科学家”一等奖

学科：地球与空间科学

小时候，田茗羽同学从书上读到法国兄妹赫歇尔和卡罗琳发现天王星并首次提出银河系模型的故事，感到十分钦佩。于是她以这对兄妹为榜样，立志学习天文学。她对外星人、宇宙等话题非常感兴趣，渴望不断探索宇宙的奥秘。生活中，田茗羽兴趣广泛，喜欢拉小提琴、打乒乓球、写书法和绘画等。她希望未来可以学习天文学专业，从事星空方面的研究工作。

原文刊载于《中国科技教育》2022年第 1期八九点钟栏目，作者：田茗羽（北京市第一○一中学），指导教师：潘之辰（中国科学院国家天文台）。中国青少年科技辅导员协会会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。

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