星际尘埃研究现状与进展

由于星际尘埃的广泛存在和其在恒星与行星系统的形成、星系以及整个宇宙演化中的重要作用,星际尘埃的研究成为当今天体物理领域的热点前沿课题。该文从尘埃与电磁场相互作用的观测证据出发,系统地介绍了星际消光(包括吸收和散射)、星际红外辐射、星际偏振等的研究现状,讨论了星际元素减损,以及行星际尘埃和陨石中的前太阳尘埃等问题。从相应的观测证据中,可以得到关于星际尘埃的丰度、化学组成、尺寸和形状的信息。该文还对当前比较流行的三种尘埃模型(硅酸盐-石墨-PAHs模型、硅酸盐核-碳有机耐熔质壳层模型和多孔尘埃模型)进行了讨论与比较,对该研究领域中待解决的问题也作了简要的概括。

天体物理环境中的硅酸盐尘粒

硅酸盐尘粒是宇宙尘埃的主要成分之一,它广泛存在于许多天体物理环境中,其特性随环境而变化。由于近年来观测数据的不断增加和红外光谱质量的逐步提高,宇宙空间中的硅酸盐尘粒正受到越来越多的关注．该文详细地介绍了在各种天体环境(星际空间、演化晚期恒星的星周尘埃包层、绕年轻恒星和主序星的星周尘埃盘、彗星的彗发和行星际空间)中的硅酸盐尘粒的观测特征,并分别对其物理和化学性质进行了综合比较．观测已经证实在星际尘埃演化的前身(演化晚期恒星的星周尘埃包层)和其遗迹(彗星)均有可观数量的结晶硅酸盐存在。但是至今还没有在其中间态(弥散星际介质)找到结晶硅酸盐存在的证据。这一尚未解决的难题突出了结晶态硅酸盐在天体物理研究中的重要意义。

银河系和河外星系的消光规律及尘埃性质

对星际消光的研究,有利于人们还原天体本来的光度与颜色,也有利于人们了解星际尘埃的性质。小麦哲伦云紫外波段的消光曲线比银河系紫外波段的消光曲线更加陡峭,大麦哲伦云的平均消光曲线介于银河系的平均消光曲线与小麦哲伦云的消光曲线之间。M31的消光曲线与银河系的消光曲线类似,都存在2 175?A的驼峰和紫外波段增强的特征。此外,对高红移河外星系尘埃的星光衰减曲线以及M33,M101,NGC 2207,M82,Ia型超新星、星暴星系、类星体和活动星系核消光规律的研究结果表明,它们所处的星际环境不同,消光规律及尘埃特征也不同。

演化晚期恒星星周包层的21μm特征

21μm特征是指在一些富碳的原行星状星云的红外光谱中波长约20 μm处观测到的一个较宽的发射谱带特征,它是目前星周包层物质研究的热点问题。到目前为止,一共有12个原行星状星云被证认为21μm特征源。此外,还有两个中心是沃尔夫拉叶星的行星状星云也有可能是21 μm特征源。这12个原行星状星云源的21μm特征都有相似的谱线轮廓,峰值都位于20．1μm。这些源的中心星都是富碳的F或G型超巨星,贫金属(却有丰富的慢中子过程元素),有很强的红外色余。在过去10年中,人们提出了大量21 μm特征载体的候选物质,主要有:氢化足球烯 (C60Hm,m=0-60)、多环芳香烃(PAH)、氢化无定形碳(HAC)、纳米金刚石颗粒、合成含碳大分子、氨基化合物(特别是尿素)、铁的氧化物(如:μ-Fe2O3、Fe3O4和FeO)、SiS2、纳米TiC团簇、掺杂的SiC颗粒、表面覆盖SiO2幔的SiC颗粒等。但所有这些候选物质都还没有得到确认。概述了21 μm特征的发现及其后续的相关研究,介绍了21μm特征源的共同特征,比较详细地探讨了人们已提出的该特征载体的候选物质。

星系际尘埃

建立了星系际尘埃的针型模型,该模型能很好地解释高红移超新星的星光通过星系际空间时没有产生明显红化效应的原因.并在此模型的基础上推导出了它的消光公式,从而能够校准超新星的光度距离.

超新星SN1987A遗迹的尘埃

超新星是宇宙中最重要的尘埃来源之一。对超新星遗迹尘埃的研究,能增进人们对恒星演化、大质量恒星的核合成和抛射物的物理和化学演化等的了解。SN1987A是1604年以来在地球上观测到的最亮的超新星,因此也是研究超新星和超新星遗迹物理独一无二的对象。综述了SN1987A遗迹的抛射物和内赤道环中尘埃的种类、质量、尺寸等特性,以及这些尘埃特性随时间的演变。如果SN1987A遗迹中的大部分尘埃能够存活在不被激波破坏,而且SN1987A具有典型性,那么可以认为超新星是宇宙尘埃的重要来源。

超新星1994I的光球相光谱

本文给出用北京天文台２．１６ｍ光学望远镜观测的超新星１９９４Ｉ的光球相光谱。这些光谱表现出类似于Ｉｃ型超新星１９８７Ｍ的特征。我们用蒙特卡罗光谱合成模型对４月１０日的光谱做了拟合。采用Ｎｏｍｏｔｏ等人Ｃ＋Ｏ模型的元素丰度及修改过的Ｗ７密度结构，计算的光谱与观测的光谱符合得相当好。计算得到４月１０日，超新星的光球速度约为１０００ｋｍ／ｓ，其黑体温度约为８０００Ｋ。另外，我们的光谱拟合可以为Ｃ＋Ｏ星作为Ｉｃ型超新星的前身星提供证据。

六个色球活动双星的H_a观测和研究

１９９０年８月至１９９１年８月期间，利用云南天文台１ｍ望远镜折轴摄谱仪附加厚片ＣＣＤ探测器进行了观测，得到二十余颗色球活动双星的大色散、高分辨率，高信噪比的光谱，本文发表其中ηＡｎｄ、３Ｃａｍ、４ＵＭｉ、ｖ２Ｓｇｒ、Ｓｇｒ、ＨＲ７３３３六个双星系统的Ｈａ附近区域光谱观测和研究结果。这六个系统在ＣＡＢＳ表中有关Ｈａ线的资料还是空白。我们给出了它们高分辨率的Ｈａ线轮廓图，计算了它们的等值宽度、半宽、Ｈａ线心的视向速度以及３条金属线视向速度．由观测结果表明，ηＡｎｄ双星的Ｈａ线在不同位相变化不大，没有观测到它的色球活动．３Ｃａｍ由于受色球活动的影响，在０．１５４位相时Ｈａ轮廓发生了突变，其等值宽度明显小于其它位相的等值宽度．４ＵＭｉ的Ｈａ线也是吸收线，但由于受色球活动的影响，致使Ｈａ线心部分受到发射的填充．Ｓｇｒ和ｖ２Ｓｇｒ的光谱Ｈａ线都属于吸收线，没有发现色球活动的影响，很可能不是色球活动星．ＨＲ７３３３是个色球活动比较剧烈的双星，Ｈａ吸收线受到了色球活动引起的发射填充，而且填充量较大．

超新星SN1993J的光谱观测

SN1993J was first discovered by a Spanish amateur astronomer F. Garcia in NGC3031 (M81) on March 28, 1993. It's the closest supernova in the northern hemisphere since 1937. Because of its many special properties, it drove attentions of astronomers when it was discovered.

一类无奇点宇宙模型

按照Penrose-Hawking的奇点定理,在场源物质无旋、无加速且能量密度满足条件ρ+3p≥0的宇宙模型中一定存在奇点.本文研究了场源物质有旋时的无奇点宇宙模型,获得了几种无奇点的宇宙解.

星际C_(60)

C60的发现起源于人们对星际尘埃的探索,肇始于1985年由Kroto等人首次在实验室合成,25年后最终于2010年在星际空间被探测到.近几年天文工作者在多种星周、星际环境观测到C60.本文综述了与天文观测和理论密切相关的C60的有关物理性质;介绍了C60在星际空间中的观测特性;最后讨论了C60在星际空间的形成与激发机制.

星际弥散吸收带

星际弥散带(diffuse interstellar bands;DIBs)是源自星际空间的数百条吸收谱线的总称.自20世纪20年代首次发现两条DIBs以来,对DIBs的观测和证认已有80多年的历史.迄今为止,共观测到了300多条DIBs,但没有一条DIB的载体(carrier)被完全证认.DIBs的证认被认为是困扰着天文学家80多年的天体物理学的经典难题之一.我们简要回顾了星际弥散带的观测历史,介绍了银河系和河外星系星际弥散带的一些观测特征、星际紫外消光2175驼峰强度和星际弥散带的相关性、星际弥散带之间的相关性和星际弥散带的分类方法;对星周环境中是否存在弥散吸收带的观测结果也给予了简要的评述;讨论了星际弥散带的载体和起源.

基于中国空间站的星际与行星际尘埃的捕获与溯源

物质是宇宙的基础,研究宇宙必须对其物质组成进行研究.宇宙中恒星际和行星际尘埃物质携带着恒星和太阳系形成与演化的丰富信息.目前对宇宙尘埃的研究主要基于间接手段,无法精确判定其化学组成、结构形态、尺寸分布以及来源等关键信息.60年来,人们一直尝试利用探空火箭、航天器、空间站、卫星、深空探测器等进行宇宙尘埃物质的直接研究,目前尘埃的“原位”探测数据或采样返回数据主要用于样本数量的统计分布特性研究以及物质成分分析,对样本的溯源工作并不多见.本文总结了恒星际与行星际尘埃颗粒的间接性质研究结果,已有的原位探测项目及进展,并拟利用我国空间站平台开展宇宙尘埃颗粒的捕获与溯源,准确判断返回的尘埃颗粒是来自于恒星际还是行星际,并对溯源的尘埃颗粒在实验室内进行详细理化分析和研究.

超新星SN1993J光谱出现了精细结构

理论上预言,Ⅱ型超新星在爆发过程中可能产生不稳定性,出现不对称结构.SN1987A首次提供了这方面直接的观测证据.SN1993J的不对称爆发也证实了这一点.1993年7月12日我们利用北京天文台2.16m望远镜得到的低色散光谱(5.3(?)/象素)的[OI]线和Hα线出现许多精细结构。

星际介质中的纳米尘埃

星际尘埃,作为一种在宇宙中普遍存在的重要成分,在天文学研究中起着重要的作用.星际介质中的尘埃其尺寸分布涵盖从几个埃到几个亚微米的范围.对于有这样大的尺寸差异的星际尘埃,尘埃的热辐射机制差别很大.较大的尘埃颗粒,有比较大的吸收和发射截面,因而其吸收光子的速率和发射的速率也比较大,可以从吸收和发射能量的平衡来得出热平衡温度,并用热平衡温度和黑体辐射来计算其光谱.对于大小为纳米尺度或者更小的尘埃,由于其很小的尺寸,这类尘埃的热容量非常小.当这种尘埃吸收一个与其热容量相当或者更大能量光子的时候,尘埃就会经历一个非常明显的温度涨落:尘埃吸收一个紫外光子瞬间,其温度迅速上升,到达顶点后,由于尚没有外来能量的影响(因吸收截面小,吸收光子几率也非常小),尘埃开始通过热辐射降温,直到吸收另一个光子开始新的循环,这就是单光子加热模型(Single-Photon Heating Model).显然,热平衡和单光子加热是两个明显不同的过程.对于单光子加热,由于尘埃颗粒的温度涨落作用,尘埃不会处于一个稳定的平衡温度状态,因而不能用单一温度来描述其热辐射,必须计算出尘埃在温度涨落过程中的温度分布函数,然后计算其辐射谱.本文主要介绍纳米颗粒在星际空间中的存在证据,单光子加热模型,以及处于温度涨落中纳米颗粒的辐射特征.

土卫六Titan大气中多环芳香烃PAH分子

土卫六(Titan)是土星的最大一颗卫星,也是太阳系第二大卫星.它是太阳系唯一一颗拥有浓厚大气层的卫星.其大气层富含氮气(N2,体积比占98%),少量甲烷(CH4,占2%)以及其他微量有机分子(如乙炔C2H2).最近,卡西尼(Cassini)宇宙飞船上的VIMS光谱仪对土卫六的大气层作了光谱观测,探测到源自多环芳香烃(PAH)分子的3.28?m发射特征.PAH是星际介质的重要成分,也常被认为是土卫六上空橘红色的烟雾层(Haze)的重要成分.PAH分子如何在土卫六大气中形成是行星科学的一个难解之谜.本文从星际空间、太阳系的PAH分子研究着手,介绍了Titan的大气中多环芳烃PAH分子的观测特性、化学结构、形成机制及未来趋势.

星际空间中的碳尘埃

碳是宇宙中仅次于氢、氦、氧的第4丰富的元素.在恒星演化晚期形成的碳元素,进入星际空间以后,以离子、原子、分子以及固体尘埃微粒的多种形式存在.含碳有机复杂分子是生命起源的基本物质.碳质尘埃是星际尘埃的主要成分之一,其红外光谱是探测各种天体环境物理和化学条件的重要指针.碳质尘埃如石墨、纳米金刚石、多环芳香烃、富勒烯、氢化非结晶碳等尘埃微粒是星际尘埃的重要研究对象,在星际空间广泛存在,它们是星际消光2175?驼峰、星际红外辐射谱带、星际弥散吸收带等光谱特征的最可能载体.本文主要介绍星际碳质尘埃的天文观测及其物理化学特性.近年来,石墨烯、碳纳米管逐渐进入人们的视野,本文亦将讨论与此相关的天文观测和理论模型的最新进展.

星际碳化硅SiC尘埃

碳化硅(SiC)尘粒是宇宙尘埃的重要成分之一,亚微米尺寸的SiC颗粒在11.3μm波长附近有非常显著的晶格振动带.早在20世纪60年代,Friedemann等人就预言了SiC尘粒可以冷凝在富碳恒星的质量流失喷出物中.随后,通过11.3μm的光谱特征,在碳星的星周包层检测到了SiC尘埃.另外,通过原始陨石中同位素异常发现前太阳(Presolar)SiC尘粒最终确立了SiC在星际介质中的存在.然而,令人困惑的是,在星际空间中并未观测到SiC的11.3μm吸收特征.本文主要介绍SiC的光学性质、SiC在天体环境中的观测特征,从而推断SiC在星际空间的丰度上限,并对其在星际空间中的演化进行理论分析.

活动星系核中的尘埃

尘埃是活动星系核统一模型的基石,该模型认为呈现不同观测特征的活动星系核在物理本质上属于同一类天体,活动星系核外围绕着一个光学厚尘埃环,不同类型的活动星系核只是因观测者视线相对于活动星系核对称轴的取向不同而已.观测表明,活动星系核中尘埃的组成成分及尺寸与银河系星际尘埃有很大的差别.本文介绍活动星系核核周尘埃的消光和红外辐射以及尘埃可能的化学组成和尺寸分布的研究现状.