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(dòng)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(dāng)密度足夠大、溫度足夠高、壓強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)被點(diǎn)燃，恒星誕生。分子云的三維結(jié)構(gòu)既是恒星形成活動(dòng)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(gè)或若干個(gè)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(huì)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(gòu)，尤其是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(gòu)。另外，分子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往也是恒星形成活動(dòng)的表現(xiàn)。

為了分析出分子云中更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要對于分子云的譜線觀測數(shù)據(jù)做進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)信息。通過譜線擬合，我們可以得知該譜線對應(yīng)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(gè)成分，則能擬合出多個(gè)結(jié)果。若是分子云在旋轉(zhuǎn)或處在相互作用中時(shí)，相鄰的譜線視向速度則會(huì)有變化。將相鄰位置譜線的視向速度進(jìn)行集中分析研究，便可以分析出分子云更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。

因?yàn)樾枰M可能多地觀測分子云中不同密度的結(jié)構(gòu)，對分子譜線的要求是光薄譜線，且在分子云演化各個(gè)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(gè)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(gòu)。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(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)，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(xì)結(jié)構(gòu)后，也能由結(jié)構(gòu)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(rèn)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(dǎo)教師獲取并完成一定程度的天體化學(xué)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(gòu)。因此，我和指導(dǎo)教師決定從蛇夫座分子云中選取相應(yīng)簡單的幾個(gè)區(qū)域嘗試進(jìn)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(yuǎn)，中心坐標(biāo)及范圍分別如下。

●1號(hào)區(qū)域相對中心區(qū)域坐標(biāo)（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(hào)區(qū)域坐標(biāo)為4546，-1990;區(qū)域邊長為600角秒。

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

3個(gè)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(jìn)行操作。經(jīng)過幾次改進(jìn)，我和導(dǎo)師確定了一份代碼。這份代碼工作時(shí)的主要步驟如下。①初始化，將譜線橫坐標(biāo)設(shè)置為視向速度，縱坐標(biāo)設(shè)置為角度;②在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)譜線;③設(shè)定擬合中心及范圍，以便接下來對這一范圍中的譜線進(jìn)行擬合;④設(shè)定縱坐標(biāo)零點(diǎn)，放大橫、縱坐標(biāo)，使譜線更加清晰可見;⑤依次對這一范圍中的譜線進(jìn)行篩選，面積大于0.5認(rèn)為譜線具有足夠強(qiáng)度，保留并進(jìn)行手動(dòng)擬合;⑥手動(dòng)輸入擬合的譜線峰值個(gè)數(shù)，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊單個(gè)峰的中心及半高全寬處進(jìn)行對譜線的峰的選定，全部選擇完成后會(huì)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(gè)譜線，若不是，則重新擬合該譜線;⑦將該譜線的赤道坐標(biāo)、線下面積、視向速度值、半高全寬的數(shù)值導(dǎo)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(gòu)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(shí)其中部分譜線具有多個(gè)結(jié)構(gòu)，預(yù)示著L1689區(qū)域可能有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

選取了3個(gè)區(qū)域，標(biāo)記為1、2和3，分別擬合了其中的譜線。其中3號(hào)區(qū)域，即分子云的核心區(qū)（Oph-A），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尚未分析;除此以外，在1號(hào)、2號(hào)區(qū)域找到了分子云的子結(jié)構(gòu)和分子云的更多運(yùn)動(dòng)信息。

1號(hào)區(qū)域分為A、B兩個(gè)結(jié)構(gòu)，其中A部分可以分解為2塊結(jié)構(gòu)不甚分明的子結(jié)構(gòu)，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(rèn)為它是在旋轉(zhuǎn)的分子云。

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

關(guān)于A、B、C和D4個(gè)區(qū)域的結(jié)論，之前尚未在相關(guān)文獻(xiàn)和研究中提及，是本項(xiàng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行手動(dòng)擬合;最后，將擬合后譜線的坐標(biāo)、面積、視向速度及峰值的半高全寬等數(shù)據(jù)導(dǎo)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?yàn)閱我环肿釉?，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(gè)子結(jié)構(gòu)，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(shí)，可進(jìn)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(yīng)關(guān)系，即“怎樣的視向速度分布”對應(yīng)“怎樣的結(jié)構(gòu)”。這樣可使分子云結(jié)構(gòu)的研究更加系統(tǒng)。

田茗羽

第19屆“明天小小科學(xué)家”一等獎(jiǎng)

學(xué)科：地球與空間科學(xué)

小時(shí)候，田茗羽同學(xué)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(xué)習(xí)天文學(xué)。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(xué)習(xí)天文學(xué)專業(yè)，從事星空方面的研究工作。