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中性氫原子21公分無線電和本銀河結構

資料提供:東吳大學物理系蕭先雄博士

本文編寫:龍潭無線電觀測站曹永杰

編者說明 (原文為英文資料)

第二次大戰後,人類發現及利用21公分波長的中性氫原子無線電波探測本銀河系是門非常新的科學和探測方式.本章以利用此方式簡敘如何利用1.42GHz的小型無線電望遠鏡探測本銀河系….本資料承東吳大學物理系蕭老師提供,再此感謝!!

原文為瑞典斯得哥爾摩大學物理系(Depatment of Physics,Stockholm Univesity, Swedn)教授K.E.Johnsson and Ch.Nilsson等所編寫.此篇刊登於2001 American Association Teachers(DOI:10.1119/1.1344167)

原文為利用校內2.3公尺無線電望遠鏡觀測 21公分波長的中性氫原子氣狀雲的杜普勒效應,進而計算出其視向速度及距離,最後將本銀河系的旋臂結構畫出.過程較適一般天文同好參考.編者再自行將銀河系測定作一較詳細的敘述.希望能引起國內同好對天文無線電有一概略認識.

1951年,美國,荷蘭和澳洲同時發現到本銀河系內充滿了21公分波長的氫原子和離子所發射出的無線電波能量.由於此21公分波長的無線電本身的波長比光波長,所以具有不被星際物質所吸收的特性.因此利用Giga波無線電可以探測銀河系,研究宇宙的各種物理現像觀測.因為我們可以利用21公分譜線作其強度和位移測定,來了解銀河系各處氫氣雲團密度,溫度及視向速度.

利用以太陽為中心(實際是以地球為中心,但距離太小,因而省略),接收以銀緯360度圓週方向的21公分譜線的頻譜位移來了解銀河結構分佈(氫雲氣的分佈).另外利用(Zeeman effect,即光進入磁場會發現譜帶會分裂現像)塞曼效應,也可以瞭解銀河磁場的分佈.

40年以前(未發現21公分氫原子無線電),人類利用光學的視向差距來探測銀河系結構(Oort,J.H公式) ,但距離太陽越遠,如超過4000秒視差範圍即不正確.自從21公分氫原子電波發現後,銀河系的研究已改用無線電方式進行.

我們的太陽只是本銀河系中數千億顆恆星之一.如果從銀河系外,觀察我們的銀河系,它不過是一個很薄圓盤面的漩渦狀外型,其實從大型天文望遠鏡和CCD的影像中發現,許多外銀河系的結構也和我們非常相似.但是利用光學方式去探測遠方的星系中,我們無法看清遠方的星系或我們自己的銀河系結構和物理數據.

圖1:氫雲團的波長在21公分位置.因所測發射源有其移動速度,所以因杜普勒效應,其氫雲團能量峰值不會停在21公分譜帶中心位置.都以其視向及速度分佈於左,右兩邊.再依其特有的偏移和中央距離,計算出視向速度及和太陽距離.

我們利用1.42GHz的無線電接收方式接收銀河方向的無線電波,利用頻率頻譜分析中發現,將頻譜中心設定為1.42GHz,左右的頻寬各為1MHz.(即顯示頻寬=2MHz).每個頻寬刻度為50KHz,設定好後.因為本銀河系的自轉關係,其每個氫氣團均有其視向速度,且高速移動中.故在頻譜分析儀中均可看到因杜普勒位移(Doppler Shifted )的譜帶位移現像.其公式利用下列兩個簡單方式作解釋…

當兩個接近中的物體,其發出的波動發生頻率振動,此時聽的人,位置固定.音源接近時,產生公式1.當遠離時產生公式2

f=fo x (c/c-v)à1 : fo=音源本身頻率.c=音源傳播速度.v=音源移動速度

f=fo x(c/c+v)-> 2

fo=氫原子頻率1420MHz. C=300,000公里/秒.帶入第1公式.若f=1420MHz.

其v約為10.5 公里/秒(視向移動)速度.

也就是說,要在頻譜分析上有位移0.05MHz(50KHz)的位移,其觀測物體要有10.5公里/每秒的視向速度(Radial velocity).

有了這個認識後,就觀察觀測的目標電波強度曲線峰值(peak)在頻譜儀上的位移距離,如向左移動了多少的位置,如移動了4個0.05MHz的刻度,其視向速度約為10.5x 4=42公里/每秒,也就是說此氫氣團的的視向速度為42公里/每秒向著太陽而來.另一方面,若是在氫原子的中心譜帶右移了約0.5個刻度(0.025MHz),即此氫氣團以5.25公里/每秒的速度遠離太陽.

我們討論銀河系的結構時,本銀河系分為星系旋臂,銀河圓盤,中心銀核.其圓盤直徑大小約為25千秒差距,銀河系厚度約為1-2千秒差距.中心聚集較多星系,所以中心較為肥厚.酷似”荷包蛋”.但此篇文章中,我們探討銀河系是以銀河上視圖的方式計算銀河系簡單結構.此時我們利用無線電觀測21公分氫原子的杜普勒位移可看出其視向速度(radial velocity).再利用此數據放入下列公式:

R=Ro.Vo.sin(L)/Vr.Vo.sin(L)

Vo=銀河系的自轉速度(Circular velocity).理論提出約220-250km/sec,本文取樣為220km/sec.

Ro=太陽和銀河中心距離 .約30000光年

L=銀河緯度(Galactic longitude),此文章探測範圍為20-210度

我們以銀緯20 度開始探測,若在20度緯度測得氫離子偏左位移為40.9公里/每秒,將此值帶入,得 R=19476.5光年.可得知此氫氣雲團距離太陽約1萬9千多光年,以每秒40.9公里的視向速度接近太陽.

另外我們可將R為已知,求得Vr視向速度

Vr= Vo ((Ro/R)-1)sin(L) ,也可得到Vr=40.9公里/每秒的數據.

若是在3萬光年的銀河中心,其Vr=0公里/每秒,表示在銀河系中心的星系並無視向速度.

以上公式由P.O Lindblad(Stockholm Observatory )在1993年提出.

圖例:利用21公分電波從20度開始測定到210度,共測得約40測點( 紅點).此為每個測點距離太陽分佈圖.圖中度數為銀河平面銀緯度,中央黃點為太陽.右刻度為距離光年.每單位=10000光年.30000光年為銀河中心.其測點距離約多在0-50000光年內.此圖可見連接太陽的旋臂分支.

所以以銀緯20度開始,慢慢移動,將每度的氫氣雲團的距離等數據記錄下來,一張銀河系的平面簡圖就可以看出銀河的初略分佈圖.當然如果觀測角度越細,數據點越多,其分佈就越細,更可看出旋臂,以3萬光年距離為中心的銀河系結構.

在觀測氫原子的位移經驗中,我們也可以發現許多高緯度的氫雲團,其視向速度超過+/- 100公里/每秒.此現像有人提出是在高緯地區,其氫氫雲為外來的能量來源的理論.

另外在此觀測中,我們也發現,由銀緯20度開始接收的氫雲距離多為5-6萬光年.到120度後,其距離開始接近太陽,約在3萬光年.在160-210度的範圍.測點距離為1-2萬光年.故此圖為一種由6萬光年至1萬光年距離的半圓弧雲氣型所分佈.此半圓弧狀的氫氣雲團為本銀河系和太陽相連的一個旋臂分支.

若超過210度以後,其測點會再慢慢遠離太陽.如此約可測得太陽旋臂的完整結構.本文章中僅以40個測點距離數據為說明依據.

最後我們利用此方式,將約在同一緯度的視直線範圍相同的測點,依測得的距離不同,畫出一條直線,在距離不同的雲氣團,其視向速度也不同.如R<Ro的氫雲團,其視向速度會沿著此直線為基線,越近太陽,其視向速度越大,越到3萬光年中心距離.視向速度趨於0.直到R<Ro.其視向速度開始快起來.越遠越快.如此可知本銀河系為一自轉的旋渦銀河.

編者的話:

編寫至此已近尾聲,21公分波長的觀測,在銀河,或散光星雲的探測,都是很重要的觀測利器,另外對於太陽的觀測,更是可以直接觀測色球層活動.所以一般無線電天文台,如位於美國新墨西哥洲,日本野邊山,澳洲等國家,採多頻道觀測或干涉方式來降低噪音,提高解析等技術.進行天文觀測.1.42GHz無線電望遠鏡系統亦多用於銀河細部探測和太陽色球活動觀測.