HI和弥漫星际介质.PDF

HI和弥漫星际介质 HI气体的组成 • 中性H原子(这是为什么称之为HI气体的原 因) • He原子 • 中性C、N、O等原子 • 一次电离C (C的一次电离需要的能量比H原 子要略低) • 其它(尘埃、宇宙线) HI气体的分类 • Warm neutral medium (WNM): 高温(~5000K)、低密(~0.4cm-3) • Cold neutral medium (CNM): 低温(~80K)、高密(几十cm-3) 压力平衡 • 最简单的情况下，压力P ~ nkT • 实际情况会更复杂，磁场和湍动也会对压力有贡 献，而且可以和热运动导致的压力比拟 • 在星际空间，一般是处于压力平衡的，也就是说 这些星际气体自身的压力和束缚它们的力之间是 相等的，这个力和星系的大尺度的物质和引力分 布等有关，银河系内nT~3000 cm-3K，对WNM和 CNM的测量结果都是这个值 • HI气体一般不是靠自引力束缚的，压力平衡的结 果导致了WNM和CNM之间密度的差异 HI气体的辐射 • 21 cm谱线：第一个测到的射电谱线 • [C I]、[C II]以及[O I]远红外精细结构线发射 • 尘埃的发射 HI气体的heating以及cooling机制 • Heating: 紫外光子照射尘埃导致尘埃的电 离、宇宙线或者软X射线光子电离中性原子 (C、O等) • Cooling: [C II]158微米精细结构线，OI， CI精细结构线，以及Lalpha发射被尘埃吸收 后的再发射等，(见下图) • HI 21 cm的发射对cooling不重要 CNM WNM 不稳定平衡状态 太阳系周围的HI气体的能量平衡状态 平衡温度 • 这类气体一般是处于能量平衡和压力平衡 状态的 • 同时满足能量平衡和压力平衡的HI只有2种 稳定状态：CNM和WNM • CNM的最低温度由[C II]的有效cooling温 度决定，低温时，[C I]的cooling还会起作 用，但是跃迁几率要比[C II]小一个量级， 效率远低 • 平衡温度和重元素丰度有很大关系 21 cm谱线的辐射机制 • 21 cm谱线是研究HI气体最有力的工具 • 其产生机制是电子和原子核自旋平行跃迁 到反平行状态时放出的能量 21 cm 谱线的一些主要参数 • 频率：1.420405751786(30) GHz ( λ=21.106114 cm) • 简并度=2F+1：上能级为3，下能级为1 • 跃迁几率：A −15 −1 ul = 2.87 ×10 s ，而[C II]158微米 −6 −1 线的几率为2.4 ×10 s 7 • 对应的寿命为：1.1 ×10 年，而典型的H原子之间 碰撞的时间为几个小时 • 所以，HI气体一般都是充分碰撞的，也就是说处于 LTE状态下，T =T ，对于HI，经常用T 表示T ex k spin ex • 同时由于h νkT，上下能级粒子数的比n :n 约为