天體物理中的微波譜線診斷

前言

　　宇宙在全波范圍內(nèi)，以譜線或連續(xù)譜的形式向我們不斷發(fā)送豐富的信息。當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展正從地面和空間向全波接收宇宙信息挺進(jìn)。由于各波段譜線形成條件不同，可診斷天體的物理?xiàng)l件和接收系統(tǒng)之技術(shù)的絕然不同，科學(xué)家在不同波段上有分工地或逐段地攻克全波觀測(cè)這樣一個(gè)目標(biāo)?！　∩潆娡h(yuǎn)鏡大致工作于15MHz（λ≈20m）到600GHz（λ≈0.5mm）的大氣窗口范圍內(nèi)。射電窗口首先在較長(zhǎng)波段被打開(kāi)，此后隨著技術(shù)的發(fā)展，打開(kāi)的才是微波波段。本書(shū)主題定位于通過(guò)原子、離子和分子射電譜線（但以分子微波譜線為主）對(duì)有關(guān)天體的物理?xiàng)l件進(jìn)行診斷。微波窗口涉及的躍遷所對(duì)應(yīng)的上下能級(jí)的差大約從7×10～29K，由于該窗口的逐步被打開(kāi)，20世紀(jì)50年代后人們才得以了解不為光學(xué)儀器觀測(cè)所知的冷宇宙。在微波窗口可以接收到連續(xù)譜和譜線，本書(shū)所關(guān)注的是天體物理的微波譜線診斷。1951年Ewen&Purcell在微波波段觀測(cè)到第一條天文譜線。那是一條波長(zhǎng)為21cm的發(fā)射線，是由處于氫原子基態(tài)的兩個(gè)精細(xì)結(jié)構(gòu)子狀態(tài)間的躍遷而形成的。此后射電天文學(xué)家通過(guò)這條譜線取得了銀河系以及河外星系的原子云的許多信息。然而原子只占中性氣體的不到一半，其余都是分子。自從第一條星際分子微波譜線（自由基OH的λ=18cm雙重線躍遷）于1963年被Weinreb等觀測(cè)到，到20世紀(jì)末已有近140種（不包括稀有同位素取代物，但H的同位素D的取代樣品例外）分子樣品的上千條譜線在星際空間和拱星包層中通過(guò)微波窗口被觀測(cè)到。這些譜線的輻射機(jī)制有熱與受激輻射之分。微波受激輻射線（MASER）光度高、譜線窄，提供了恒星誕生與死亡的珍貴信息，對(duì)于河外活動(dòng)星系核的研究更有其獨(dú)到的功能。星際CO分子因廣泛分布，且豐度僅次于氫分子，它和它的稀有同位素分子的轉(zhuǎn)動(dòng)熱線在分子天文學(xué)的研究中倍受關(guān)注。1959年Kardashev提出在HⅡ區(qū)可以觀測(cè)到射電復(fù)合線的預(yù)言之后，射電復(fù)合線不僅在HⅡ區(qū)而且在HⅡ區(qū)臨近的部分離化區(qū)、行星狀星云和河外星系都已觀測(cè)到。原子、分子和離子的微波譜線為我們提供了大量星際空間、拱星包層以及河外星系中各種原子、分子和離子過(guò)程的知識(shí)?！　　?/pre>


內(nèi)容概要
　　微波窗口的逐步被打開(kāi)，展示給人們一個(gè)不為光學(xué)儀器觀測(cè)所知的冷宇宙?！短祗w物理中的微波譜線診斷》闡述如何透過(guò)在源區(qū)形成后，經(jīng)長(zhǎng)距離輸運(yùn)過(guò)程到達(dá)觀測(cè)儀器的紛繁多姿的原子、離子和分子微波譜線對(duì)有關(guān)天體的物理狀態(tài)作出診斷。重點(diǎn)是如何通過(guò)譜線觀測(cè)取得的結(jié)果來(lái)了解宇宙中原子、離子和分子的分布；研究低質(zhì)量星與大質(zhì)量星的形成過(guò)程；分析拱星包層內(nèi)中央星的情況和探討河外星系物理等?！短祗w物理中的微波譜線診斷》涉及近140種（不包括稀有同位素取代物，但H的同位素D的取代樣品例外）分子樣品的上千條譜線。譜線的輻射機(jī)制有熱與受激輻射之分。微波受激輻射線（MASER）光度高、譜線窄，提供了恒星誕生與死亡的珍貴信息，對(duì)于河外活動(dòng)星系核的研究更有其獨(dú)到的功能。CO分子廣泛分布，且豐度僅次于氫分子，它和它的稀有同位素分子的轉(zhuǎn)動(dòng)熱線在分子天文學(xué)的研究中倍受關(guān)注。處于學(xué)習(xí)階段的讀者可能被要求對(duì)某一頻率的微波譜線作觀測(cè)，本書(shū)希望讀者不僅了解譜線的頻率而且知道是哪個(gè)原子、分子或離子的哪兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷導(dǎo)致譜線的生成以及譜線形成所需要的物理?xiàng)l件。進(jìn)入研究階段的讀者可能想要研究某個(gè)或某類(lèi)天體，本書(shū)希望讀者知道應(yīng)選擇哪些原子、分子或離子的哪些譜線進(jìn)行觀測(cè)，并通過(guò)在適當(dāng)模型下的理論計(jì)算來(lái)達(dá)到他們的研究目標(biāo)。　　本書(shū)比較適合已有量子力學(xué)及其在原子與分子結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用的基本知識(shí)的讀者。為方便讀者，書(shū)后備有附錄，以便查閱。


作者簡(jiǎn)介
　　曾琴，1938年生于上海。1960年畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系，后師從芍清泉教授，于1964年吉林大學(xué)物理專(zhuān)業(yè)研究生畢業(yè)。前期在吉林大學(xué)從事原子、分子結(jié)構(gòu)與作用力的研究和教學(xué)，例如，稀土金屬Gd的交換作用理論；高溫高壓下石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸臋C(jī)理與工藝等。1978年在紫金山天文臺(tái)轉(zhuǎn)而研究天體的離子、原子、分子及其過(guò)程。研究星際分子的形成、尚無(wú)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的星際分子譜線的證認(rèn)。在國(guó)際合作中通過(guò)對(duì)宇宙分子熱線和受激輻射線（MASER）的觀測(cè)及理論研究對(duì)天體的物理情況作診斷；通過(guò)地面毫米波觀測(cè)取得中層大氣臭氧周日變化與垂直分布的數(shù)據(jù)。退休前系中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員、博士生導(dǎo)師。


書(shū)籍目錄
第一章 天體的原子微波譜線1.1 氫原子的微波譜線——H的21cm線1.1.1 21cm發(fā)射線的觀測(cè)1.1.2 21cm吸收線的觀測(cè)1.1.3 HⅠ柱密度1.1.4 氫原子與分子的相互關(guān)系1.1.5 HⅠ21cm線的Zeeman效應(yīng)1.1.6 河外HⅠ21cm線1.1.7 其他有關(guān)研究課題1.2 其他原子射電譜線第二章 射電復(fù)合譜線2.1 射電復(fù)合線的研究基礎(chǔ)2.1.1 射電復(fù)合線的非LTE輻射轉(zhuǎn)移方程2.1.2 輻射轉(zhuǎn)移方程的求解2.1.3 離化氣體云的光深2.1.4 射電復(fù)合線的外形2.2 射電復(fù)合譜線提供的物理信息2.2.1 由射電復(fù)合譜線觀測(cè)量推導(dǎo)Te2.2.2 He復(fù)合線的觀測(cè)與He豐度2.2.3 C與其他重元素的復(fù)合線區(qū)與分子云2.2.4 HⅡ區(qū)的射電復(fù)合線2.2.5 河外射電復(fù)合線第三章 星際與拱星微波受激輻射（MASER，脈澤）3.1 輻射轉(zhuǎn)移和統(tǒng)計(jì)平衡方程3.2 SiO脈澤3.2.1 恒星形成區(qū)的SiO脈澤3.2.2 拱星包層的SiO脈澤3.3 OH脈澤3.3.1 星際OH脈澤3.3.2 拱星包層的OH脈澤3.3.3 OH脈澤的偏振與磁場(chǎng)3.4 H2O脈澤3.4.1 水的22GHz及其他脈澤3.4.2 22GHzH2O脈澤的抽運(yùn)機(jī)制3.4.3 22GHzH2O脈澤的時(shí)變3.5 CH3OH脈澤3.5.1 Ⅰ類(lèi)CH3OH脈澤3.5.2 Ⅱ類(lèi)CH3OH脈澤3.6 脈澤綜合研究一例3.7 河外巨脈澤3.7.1 河外OH巨脈澤3.7.2 河外H2O巨脈澤第四章 分子云與恒星形成及其微波譜線診斷4.1 分子云與恒星形成的基本概念4.1.1 分子云的基礎(chǔ)知識(shí)4.1.2 小質(zhì)量恒星形成4.1.3 大質(zhì)量恒星形成4.2 分子云中的微波譜線診斷方法4.2.1 譜線的臨界密度4.2.2 物理?xiàng)l件的LTE近似方法診斷4.2.3 物理?xiàng)l件的非局部熱動(dòng)平衡（NLTE）模型診斷4.2.4 化學(xué)條件的診斷：譜線巡測(cè)4.3 CO分子轉(zhuǎn)動(dòng)譜線：銀河系巡天與分子外向流4.3.1 銀河系中的CO轉(zhuǎn)動(dòng)譜線巡天4.3.2 已探測(cè)到的CO轉(zhuǎn)動(dòng)譜線4.3.3 從CO的轉(zhuǎn)動(dòng)譜線計(jì)算分子云物理量4.3.4 高速分子外流4.4 分子云核的常見(jiàn)研究手段4.4.1 NH3的反演線4.4.2 CS分子轉(zhuǎn)動(dòng)譜線4.4.3 HCO+的轉(zhuǎn)動(dòng)線4.4.4 CH3CN的轉(zhuǎn)動(dòng)譜線系4.4.5 CH3OH的轉(zhuǎn)動(dòng)譜線系4.4.6 HCN和CN的超精細(xì)結(jié)構(gòu)線第五章 晚型星拱星包層第六章 河外星系中的微波譜線診斷附錄 星際與拱星的原子、離子和分子及其微波譜線概論參考文獻(xiàn)









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