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第７回 星間物質その１ 東京大学教養学部前期課程 ２０１２年冬学期 宇宙科学II 松原英雄（ＪＡＸＡ宇宙研） 太陽系の元素組成 • 太陽光球のスペクトル、太陽風、（始源的な）隕石の化学 分析より Data from: Katharina Lodders (2003). "SOLAR SYSTEM ABUNDANCES AND CONDENSATION TEMPERATURES R2-p2 OF THE ELEMENTS". The Astrophysical Journal 591: 1220–1247. 中性水素（ＨＩ）ガス • 銀河系円盤の主要部分を占めるＨＩガス雲の分 布は、水素原子自身の放つ波長21cmの電波輝 線の観測によって調べられました。 • ＨＩ 21cm線の起源： – 陽子と電子のスピンの向きが並行か、 反並行か、でほんのわずかに束縛エネ ルギーに差が出ます（反並行の方がエ ネルギーが低い） – HIガスの柱密度[ １cm2あたりの水素原子の数] がHI 21cm 線の観測で得られる輝度温度TBから求められます： v2 32n 02 k v2 18 [cm-2] (7.15) N ( HI ) T d v 1 . 823 10 T d v B v1 B 3c3hAul v1 – TB=TStn , TS (スピン温度）はほぼガスの温度と一致、場所に依らず一 定とした。 – l tn n ds 0 ：光学的厚み 我々の銀河系のＨＩガスの分布 • 銀河円盤の回転 則を使って各速度 成分の太陽から の距離を割り出し、 2次元的な分布図 を作ることができ ます。 分子雲 • 低温高密度の星間ガスは分 子状態。 • 水素分子は電気双極子モー メントをもたないので、電磁波 を出しにくい。 • 一方一酸化炭素分子は、大 きな電気双極子モーメントを 持つ直線状分子。 • 回転エネルギー準位： EJ hBJ( J 1) • 従ってJ+1 Jへの遷移に 伴って n (E J 1 J J 1 EJ ) / h B( J 1)(J 2) BJ ( J 1) 2 B( J 1) 小暮智一「星間物理学」（ごとう書房） ＨＩＩ領域 • 若い大質量星（や白 色矮星）の紫外線に よって、水素原子が 電離したような領域。 • ガスの加熱は、電離 した光電子の余剰運 動エネルギー。一方、 冷却は、金属イオン からの禁制線（光学 的に薄いのでガスを 効率的に冷やすこと ができます）。 禁制線の例 Spinoglio and Malkan 1992 代表的な赤外禁制線 ライン 波長 (μm) 何のプローブか？ HI Brα 4.05 金属度測定 (H) / ダスト減光 HI Pfα 7.46 金属度測定 (H) / ダスト減光 ArII 7.0 励起度 ArIII 9.0, 21.8 励起度 NeII 12.8 星形成率 / 励起度 / 金属度 NeIII 15.6, 36.0 SFR / excitation / metallicity NeV 14.3, 24.3 AGN （活動的銀河核）の指標 SIV 10.5 励起度 SIII 18.7, 34 励起度 SiII 34.8 光解離領域の指標 OIV 25.9 AGN の指標 OIII 51.8, 88.3 ガス密度 / 金属度 OI 63.1, 145 光解離領域の指標 NII 122, 205 金属度 NIII 57.3 金属度 CI 370 分子雲ガス CII 157.7 光解離領域の指標。遠赤外波長域で最強。 HII領域における加熱・冷却率 小暮智一「星間物理 学」（ごとう書房） ＯｒｉｏｎＮｅｂｕｌａ オリオン分子雲 左： 近赤外線（２ＭＡSS），生まれた星の分布、ＨＩＩ領域 右： 野辺山45m電波望遠鏡によって取得された一酸化炭素分子のイメージ。 （国立天文台） 光解離領域 Photodissociation Region 電離源 Orion Bar 赤：CO J=1-0 黄：H2 1-0 S(1) 青: 3.3um PAH 第７回の問題 • 問7-1. HI 21cm電波輝線の輝度温度から、HIの柱 密度を求める式(7.15)の定数に数値を入れて、右辺 v 18 1.82310 ( TB dv / K km s1 ) になることを示せ。 v • 問7-2. HI 21cm電波輝線の速度分布に関する平均 的な光学的厚みを t0 とした時、(7.15)は 2 1 N ( HI ) 1.82310 18 v2 v1 TStn dv 1.8231018 TSt 0 Dv のように書ける（Dv: 速度幅、kms-1)。今TS=100K、 Dv =100kms-1とした場合、光学的厚みが１となるHI 柱密度 N(HI)を求めよ。その柱密度を超えるような HIガス雲からの21cm電波輝線の強さ（輝度温度） はどうなると考えられるか？